新型立式連續壓濾機濾帶糾偏研究

汪建新，劉彬，肖萌，杜志強

（內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

根據泥漿處理設備的實際工況需要，研究設計了新型立式連續壓濾機，如圖1所示。在該壓濾機連續生產及處理濾帶設備中，要求濾帶能夠無故障運行，壓榨時能夠邊緣對齊。但在實際生產中，由于濾帶的自身缺陷、設備精度、張力控制等因素會引起濾帶跑偏[1]。隨著對新型立式連續壓濾機設備的改進和優化，壓濾機運行效率逐漸提高，為確保該壓濾機在正常速度運行下能夠連續生產，需要對濾帶運行時的跑偏進行研究，采取相應的措施，將跑偏控制在合理范圍內。為解決新型立式連續壓濾機的濾帶跑偏問題，對生產中所使用的糾偏裝置進行了詳細研究與分析。常見解決糾偏的方法有配備液壓系統進行自動糾偏或配備氣動系統裝置進行糾偏，再者就是帶凸度的自糾偏輥。配備液壓系統就要配備邊部對中系統（EPC）或自動對中系統（CPC）裝置，價格高昂且系統繁雜，而且液壓油容易污染過濾介質和濾液；氣動裝置具有系統簡單、能源清潔、無污染的優點，但氣動裝置只能進行極限位的調整，液壓和氣動也會產生大量的能耗[2-4]。根據新型立式連續壓濾機的自身結構和運行生產特點，最終選擇帶有凸度的自糾偏輥對濾帶進行糾偏，帶有凸度的自糾偏輥既能滿足本新型壓濾機濾帶糾偏的需要，又能最大限度地節省生產制造成本，又起到了環保節能的目的。本文將自糾偏凸度輥應用于壓濾行業，對未來壓濾設備的糾偏領域具有一定的參考價值。

圖1 新型立式連續壓濾機三維圖

1 自糾偏輥型研究

在實際應用中，通常被使用在各工況場所的輥體外形為平輥、鼓形凸度輥、寬凸度錐度輥和窄凸度錐度輥，如圖2所示。

圖2 輥體外形示意圖

平輥是生產中最常見、最簡單的輥形，加工也最容易[3]。在濾帶運行時最容易跑偏，且平輥不具備自糾偏的能力，多數平輥糾偏常配備帶有液壓裝置或氣動裝置的糾偏框架，依靠框架的整體動作對濾帶或通過輥面的運行介質進行糾偏，框架平輥糾偏運用也均是因平輥本身不具備糾偏的作用，圖3所示為雙輥糾偏，依靠液壓缸動作使框架在操作側和傳動側進行糾偏動作，從而達到對經過平輥的運行介質糾偏的目的[4]。

圖3 平輥（雙輥）糾偏示意圖

寬凸度錐度輥的兩側都帶有單一錐度，也稱為單錐度輥，中間是較寬的平臺區，屬于正凸度輥，輥子本身具備較好的自糾偏性能[5]。

窄凸度錐度輥的兩側由兩種錐度組合而成，也稱為雙錐度輥，中間的平臺區較窄，在工業常用輥型中加工難度最大，而且對加工精度要求極高，故比其他輥形的加工成本高，具有較強的自糾偏能力，但該輥形適用的場合極少，主要用于運行介質有寬窄變化的工況。

鼓形凸度輥的整個輥身為帶有正凸度的鼓形輥，輥身輥形具有相同的曲率，根據不同工況、不同功能的需求，可以按照濾帶的寬度及實際工況設計不同凸度的鼓形凸度輥，該凸度輥本身也具備自糾偏的功能。

鼓形凸度輥、寬窄凸度錐度輥都有良好的自糾偏能力[6]。

2 自糾偏輥糾偏原理分析

2.1 濾帶跑偏的原因及糾偏作用

理想的濾帶和排列的輥應具有緊密完好的接觸，沒有任何幾何變形，在濾帶的運行過程中沒有橫向移動；但在實際情況中，各輥之間不可能有理想無誤的排列，由于濾帶自身一些不可避免的加工工藝缺陷、立式連續壓濾機的輥子制造工藝誤差和安裝調整誤差，以及濾帶在運行過濾中操作側和傳動側受泥漿壓力的不同、受熱受冷的不均和其他原因都會造成濾帶的跑偏（如圖4）[7-9]。

圖4 濾帶實際運行示意圖

帶有凸度的輥子都具有自糾偏作用，運行中跑偏的濾帶在經過帶有凸度的自糾偏輥時都會受到糾偏力，濾帶在糾偏力的作用下會逐步進行自我糾偏[10]，濾帶在自糾偏輥的帶動下運行，將跑偏的濾帶拉向中央（如圖5）。

圖5 鼓形輥的糾偏示意圖

2.2 自糾偏輥的分析方法介紹

20世紀80年代，以日本學者紉田良之、佐佐木徹為代表的國外研究人員就開始了對輥子糾偏的研究，對跑偏產生的因素和機理有了比較透徹的了解，新的技術已經能很好地抑制跑偏的產生[11]。

日本相關領域的學者通過大量的實驗來尋求跑偏問題處理方案，目前為止，日本專家的糾偏理論成果得到業界的認可，下面以鼓形凸度輥為例進行糾偏理論分析[12]。

濾帶在輥子運行的方向和輥子輥型凸度曲線的貼合運行方向有一個夾角β，如圖6所示。濾帶會沿著凸度輥中心方向向輥子中部移動，從而實現糾偏濾帶的作用[13]。當β=0°時，濾帶就不可能有向中部運動的趨勢，起不到糾偏作用。

圖6 凸度輥糾偏原理圖

用Δx表示橫向移動量，Δx可以近似用下式表示：

式中，R為接觸輥半徑。

當β=0°時，若將濾帶按照平面布置展開，就是圖中輥子上部實線圖形。這時糾偏輥的角度變化用θ表示，倘使糾偏輥的旋轉速度以單位角速度表示，單位寬度被用來表示濾帶的寬度，則濾帶的a邊和b邊的旋轉角速度為va和vb，Δv表示它們之間的差值，則Δv的計算公式為

這就形成了一個速度差，由于圖7所示的速度差的存在，濾帶會相應地受到一個向外的力矩，這個力矩就使得圖中的夾角β=0°。由此可以看出，Δv取決于θ，Δv致使產生力矩。當β>0°時，由于這個力矩的存在，濾帶就會向輥子中部移動，從而起到糾偏的作用。那么β和θ的關系為

如綜合性學習《孝親敬老，從我做起》《倡導低碳生活》等，都可以開展圖文并茂的手抄報比賽，培養學生的想象力和創造力。

圖7 濾帶自糾偏原理圖

濾帶纏繞在鼓形凸度輥的凸度區，或者纏繞在輥面帶錐度的區域，這時可引入一個平均傾角θm。θm為濾帶寬度方向接觸在輥面的平均傾角，它可以使濾帶向糾偏方向移動。因此式（4）又可表達為

式中：B為濾帶寬度；θ為輥子凸度角；R為凸度輥半徑；α為比例系數。

各國研究跑偏的學者經過系統嚴謹的試驗及生產實踐發現：平輥跑偏的現象最為顯著，對濾帶不能起到糾偏的作用；對于帶錐度角的錐度輥來說，濾帶不容易跑偏，帶有鼓形凸度輥的輥子同樣具有糾偏作用。由上述研究的發現可知，帶有凸度的輥子都有較好的糾偏作用[14]。

3 影響輥子自糾偏的多種因素研究

3.1 試驗方法

為了更好地解決濾帶跑偏這一問題，使自糾偏輥達到最優的糾偏效果，分析輥形因素對濾帶糾偏能力的影響，試驗的濾帶為所設計的新式壓濾機的選型，其透氣度為9240 m3/（m2·h），接頭是無痕形式和網面一樣平整，脫水效果良好，該濾帶具有高強度且具有一定的延展性，選用此濾帶就能模擬與實際生產運行時的工況效果，在此情況下進行模擬試驗。

試驗制作了圖8所示的試驗設備。圖8中的B輥是主動輥，由一臺三合一電動機進行驅動，其他輥子均為惰輥，A輥和B輥相當于立式連續壓濾機的右側上下的壓榨輥，E輥為主要研究對象，試驗設備中僅E輥是凸度輥，其他輥子都設計成平輥，以便分析凸度輥糾偏能力的相關參數。圖8所示的試驗中，運行介質直接選用實際使用的濾帶，濾帶接口為無頭制作以保證運行的連續穩定性，自糾偏輥的凸度輥選用鼓形凸度輥，張力是通過C輥軸承座的上下動作帶動輥子移動，實現對濾帶的建張和張力大小的調節。E輥軸承座帶有上下均壓板，中間安裝的張力計用于測定張力，凸度輥采用剖分式軸承座，既能快速更換試驗所需的不同條件，又能減小更換不同凸度和不同粗糙度輥子時引起的安裝誤差，使張力計有穩定的測量環境。

圖8 試驗裝置示意圖

本課題試驗中采用鼓形凸度輥，主要研究其相關重要參數與濾帶跑偏的關系，凸度輥外形如圖9所示。

圖9 試驗凸度輥外形圖

3.2 影響濾帶糾偏的各因素研究

試驗濾帶跑偏的方法：將濾帶放置在輥子上跑偏的位置，設置為偏離運行中心20 mm的位置。如圖10所示，Δx為濾帶偏離中心位置的距離，Δx=20 mm。一般按照輥面運行介質的寬度來確定輥身長度，本實驗中濾帶寬度為2500 mm，輥身長度通常取大于濾帶寬度200～300 mm，

圖10 凸度輥濾帶跑偏示意圖

3.2.1 輥子所受張力對自糾偏的影響

對濾帶糾偏的模擬需要在濾帶不變形的前提下進行，所以在模擬之前需要給濾帶施加一個合理的初始張力值，以確保濾帶的實驗運行過程中沒有不良變形。試驗濾帶的張力設定值分別為20 000、25 000、30 000 N。摩擦因數選定為0.2，輥子凸度定為Δh=5 mm，濾帶寬度為2500 mm，厚度為2.5 mm，運行速度為0.1 m/s 。

在3種張力設定下，這3種情況和濾帶跑偏量的邏輯關系如圖11所示。圖11中，橫坐標為鼓形凸度輥的旋轉時間，縱坐標為濾帶運行過程中向輥子中心移動的距離。對圖11分析可知，濾帶向運行中心移動的距離隨張力的變大而增大，張力的增大致使糾偏力隨之增大，對濾帶的糾偏效果產生了明顯影響。

圖11 張力與糾偏能力的關系

3.2.2 輥子自身凸度對自糾偏的影響

輥子的凸度Δh分別采用5、7、9 mm。濾帶通過驅動輥B以0.1 m/s的速度運行，帶寬度為2500 mm，厚度為2.5 mm，同樣以Δx的變化來評價輥子的糾偏能力。具體試驗結果如圖12所示。從圖12可以看出，隨著輥子凸度的增加，輥子對濾帶的糾偏能力呈現上升趨勢。試驗中輥子所選的凸度均為實際生產中常用的幾種凸度，為選擇更適合本機的糾偏輥凸度，對3種凸度進行對比分析。在試驗中發現，隨著輥子Δh的增加，當Δh≥11 mm時，經過一段時間的運行，濾帶向中心移動的距離和理論計算數據的差別變大，原因是：隨著Δh的增加，濾帶和輥面的鼓形區域貼合緊密的程度逐漸下降，Δh增加時，濾帶在這種情況下運行并受張力的影響，就會產生無規律的邊部應力集中并伴隨變形，這樣就更進一步使得濾帶和接觸面的不良貼合，從而導致糾偏輥起不到良好的糾偏效果[15]。因此，在實際運行中，自糾偏輥的凸度都選用合適的凸度范圍，而不是選擇較大凸度值。

圖12 凸度與糾偏能力的關系

3.2.3 輥面粗糙度對自糾偏的影響

濾帶在實際生產中經常發生輥面與濾帶之間打滑，為防止這一現象，保證濾帶能正常穩定地運行，合理地提高輥面粗糙度是一項簡單而必要的措施[16]。在濾帶的跑偏過程中，假如輥面不存在摩擦力，濾帶不可能通過鼓形凸度區來進行自糾偏。如圖13所示，研究不同的輥面粗糙度對自糾偏效果的影響，試驗中輥子E的輥面粗糙度設定為Ra1.6、Ra3.2、Ra6.3 μm，輥子凸度Δh=5 mm，濾帶寬度為2500 mm，厚度為2.5 mm，速度為0.1 m/s，張力為25 000 N。

由圖13可知，在其他設定條件不變的情況下，隨著凸度輥表面粗糙度的增加，凸度輥對濾帶的糾偏能力也在逐 漸 增強，濾帶向輥面中心移動的距離逐漸增加。由此可知，表面粗糙度對自糾偏輥的糾偏能力產生了影響，它們之間呈正比例的關系[17]。

圖13 表面粗糙度與糾偏能力的關系

4 結語

本文介紹了濾帶跑偏的原因和跑偏的特點，闡述了濾帶的糾偏機理，分析了3種主要因素對濾帶糾偏的影響：1）濾帶給定的張力越大，自糾偏輥的糾偏速度也顯著加快，糾偏能力也逐漸增強；2）自糾偏輥輥面凸度增加的同時，濾帶在大凸度輥上的糾偏效果明顯勝于小凸度輥的糾偏效果；3）在其他條件不變的情況下，隨著摩擦因數的增大，自糾偏輥所表現出來的糾偏能力也逐漸增強。