壓濾機傳動系統動態特性分析及結構參數優化

胡 瑾

（西山煤電集團設計院（有限公司）， 山西 太原 030053）

引言

壓濾機作為一種加壓過濾設備，基于其操作簡便、安全可靠的使用性能，已被廣泛應用于各工業領域的固液分離應用當中。某煤礦洗煤廠應用4 臺KM500-2000 快速隔膜壓濾機進行原煤處理，在設備運行過程中經常出現因傳動系統的斷鏈、卡鏈甚至傳動軸斷裂的事故。壓濾機事故的頻發，設備的頻繁維修工作嚴重影響到了洗煤廠洗煤效率，因此，對壓濾機傳動系統進行動態分析，并進行針對性的結構參數優化，來解決壓濾機傳動系統事故頻發現狀。

1 壓濾機運行原理

壓濾機在運行過程中由液壓進行驅動，先通過鏈條帶動濾板合攏，然后將物料通過管道泵入濾板之間的密封空間當中，完成第一部分工序；之后物料在密封空間當中會進行過濾分離，固體積聚殘留，同時泵入高壓水，進行二次過濾降低含水量，第二部分工序完成；之后拉開濾板進行吹漿，此時固體擠壓形成濾餅完成脫水過程，最后進行卸料處理完成整套工序。其中KM500-2000 型號壓濾機的設計參數如表1 所示。

表1 壓濾機技術參數

可以看出該型號壓濾機單臺過濾面積可達500m2，濾板的設計尺寸為2000 mm×2000 mm，濾室深度為40 mm，總計濾室容積達到10 m3，設計產量達到了20～30 t/h。按每小時每臺設備清洗原煤25 t 進行計算，該煤礦4 臺KM500-2000 型號快速隔膜壓濾機每天可完成2400 t 原煤清洗工作，壓濾效果較好。

2 傳動系統動態分析

2.1 系統構成分析

一臺壓濾機設備的濾板有78 塊左右，分13 組每組6 塊構成，因此壓濾機每次傳動循環要存在13次拉板動作。拉板過程主要由PLC 進行電機控制轉動，通過減速器對速度進行調節，由電機帶動鏈輪鏈條完成拉板操作[1]。設計的PLC 控制程序可進行自動或手動切換操作，自動設計程序可自動完成壓濾機的控制程序過程，無需人工介入；人工控制可對拉板過程中推進以及后退動作進行分布控制，可實現根據物料對壓濾需要的靈活調整，具體流程如下頁圖1 所示。整體傳動系統由兩部分組成，一部分為PLC 控制器自動控制，通過對終端壓濾機傳動系統上設計的傳感器對運行狀態進行數據收集，并由控制器進行具體運行狀態調節，實現系統的自動化控制；另一部分則為手動操作，與自動化控制流程類似完成運行數據的收集處理，而上傳到上位機控制室后的數據將不再自動控制，而是由人工進行參數調節，可以根據壓濾機現場實際工作需要進行參數合理設計。

圖1 拉板傳動系統

2.2 傳動過程動態分析

拉板過程中變頻電機的正轉反轉過程，實現了對拉板的推移與后退動作，因此其電機軸部要進行正反切換造成兩個方向進行受力，這對軸部的破壞以及鏈輪的損壞情況較為嚴重。同時基于傳動過程的動態分析可以看出拉板推進與后退過程中會發生卡鏈現象，在軸部還會出現振動現象。基于現場壓濾機運行過程中出現的一些故障問題進行模擬試驗可以發現，卡鏈現象及斷鏈現象出現的根本原因在于鏈條設計上的不合理情況，設計尺寸較細是斷鏈發生的根本原因。同時傳動軸在傳動過程中出現斷裂情況也是因為傳動軸直徑偏低，承受載荷較大造成的；直徑偏低而長度又長，設計比例上存在著不協調，導致壓濾機傳動系統在運行過程中經常發生設備的抖動振動情況，造成了設備整體運行不穩定[2]。

對實際運行過程中傳動鏈條斷鏈現象進行觀測，其運行過程中鏈條轉動不能同時進行可能是斷鏈現象發生的另一部分原因；同時對鏈條設計上尺寸較小承載能力不夠也會造成鏈條的斷裂現象。在對電機部傳動軸進行分析可以看出傳動軸與鏈槽部的連接部分會發生磨損損壞，甚至有傳動軸斷裂的風險存在。因此進行傳動軸于鏈槽部分之間接觸方式的優化設計也極為關鍵。拉板傳動過程控制示意圖如圖2 所示。

圖2 拉板傳動過程控制示意圖

2.3 傳動過程故障分析

傳動鏈條的設計型號為20A-1，具體參數上節距為32 mm，滾子的直徑為19 mm，針對運行過程中的斷鏈情況可以看出鏈條的承載能力不夠，需進行尺寸參數優化設計；基于傳動軸傳動過程中因頻繁切換轉向出現的斷裂情況，對其尺寸進行加固處理，原始的寬度50 mm、長度2500 mm 的軸承尺寸設計不合理，經常出現鏈條傳動不同步的現象，且寬度較低容易發生斷裂；軸部鏈輪槽設計不合理，初始軸槽尺寸為12 mm，槽深尺寸為3.6 mm，由于傳動軸不斷變向很容易發生斷裂損壞現象。因此壓濾機傳動系統的結構參數優化設計主要包含對鏈條的選型調整設計、傳動軸尺寸調整以及傳動軸與鏈輪槽部接觸方式優化三個方面。

3 結構參數優化

基于壓濾機運行過程中上述參數設計出現的問題，進行結構參數優化改進，鏈條強度方面進行增強加寬處理，選用28A-1 型號的鏈條尺寸更換原先20A-1 鏈條，新鏈條的節距為44 mm 比原先型號增加了12 mm，滾子的直徑達到了25 mm 增寬了6 mm，強度上更高，耐受的載荷也更大；基于傳動輪直徑偏低發生斷裂的現狀進行加寬尺寸設計，將傳動輪的直徑增至60 mm，增強其在轉向過程中的扭矩承受力；將鏈槽的尺寸加寬為16 mm，槽深尺寸加深為4.4 mm，同時更改之前單面接觸的接觸方式，增加雙鏈槽與鏈輪進行連接，增大接觸面積及連接強度。具體參數優化如表2 所示。

表2 結構參數優化

由表2 可以看出結構參數進行優化設計后，鏈條的整體強度得到了提高，傳動軸的直徑進行了增強，這對傳動系統的抗拉能力有了顯著增強，設備運行過程中也將更為平穩；更換鏈輪槽與傳動軸之間的接觸方式，通過設計雙鏈槽結構進行連接，通過增大接觸面積的方式來提高傳動系統的平穩運行效果，并提高其強度，也有效緩解傳動系統運行過程中的抖動情況[3]。

4 現場應用效果及效益分析

對壓濾機傳動系統結構參數進行優化后進行現場試驗，可以看出優化后的壓濾機運行更為平穩，振動情況明顯好轉，鏈條傳動也保持同步運行，框板的推移及后退工序也可正常進行，基本可以滿足煤礦物料的壓濾需求。

1）基于原先壓濾機在設備維修過程中對傳動軸、鏈輪鏈條的更換費用，按每年維修兩次進行保守計算，結構參數優化設計后煤礦4 臺壓濾機將節省數十萬元的設備維修費用；

2）基于設備的不斷維修工作將極大影響到煤礦的洗煤工作需要，通過收集一年內四臺壓濾機損壞時間可以看出，損壞時間超過100 h 以上時，按處理原煤量30 t/h 進行計算，1 年將少洗12000 t 原煤。

基于優化后壓濾機拉板傳動系統的進行現場應用，將降低壓濾機傳動系統損壞率，對煤礦工人的生命安全有了極大保障，同時對其他型號壓濾機傳動系統地改造提高了成功示范案例。

5 結語

對某礦KM500-2000 型號快速隔膜壓濾機的傳動系統進行運行動態分析，并針對運行過程中出現的鏈條斷裂、傳動軸斷裂以及兩鏈條運行狀態不同步的現狀，對壓濾機鏈條尺寸以及傳動軸尺寸進行優化設計。優化后的壓濾機傳動系統傳動效率得到了顯著增強，設備運行更加平穩，經現場運行測試，基本不會發生傳動軸的振動失穩以及鏈條斷裂等現象，為煤礦企業的高產高效發展帶來了便利。