智能双驱大跨度回转式清污机研发与技术分析

张延忠，崔 杰，王宏培，杨文润

(1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050021；2.黄骅市五一机械有限公司，河北 沧州 061100；3.河北省水利工程局，河北 石家庄 050021)

1 研发背景

某泵站位于引黄渠道末端入淀口处，是引黄水扬水入白洋淀的关键工程，泵站设计流量30m3/s，泵站安装7台立式潜水轴流泵，水泵型号为1400QZ- 160，单泵设计流量5.16m3/s，扬程2.7m，叶轮直径1200mm。引黄入冀补淀工程渠道全长482km，采用明渠自流输水，河北段大部分利用原有渠道输水，沿途会有大量漂浮的树枝、杂草进入渠道。因此在泵站上游500m处设置一道拦污清污设施，用以拦阻水流中所携带的杂物[1- 2]，以保护泵站机组及辅助设施不受损害，保障泵站安全正常运行。

工程末端输水渠道为灌排两用渠道，引黄水入淀采用逆向壅水输水。拦污栅处渠道为梯形断面，渠底净宽43.6m，为不过多挤占渠道断面，尽量减少拦污栅孔数。经充分考虑拦污栅尺寸经济合理性，最终按5孔倾斜80°角布置，每孔净宽8m，最小工作水深2.5m。当前，水利工程输水渠道污物主要利用抓斗式清污机或回转式清污机进行清理[3]。抓斗式清污机一般需要人工辅助配合操作，其自动化程度和效率较低，难以应对渠道杂物较多情况，容易发生拦污栅堵塞而影响渠道正常输水。回转式清污机能实现连续工作、自动控制，正在逐步取代抓斗式清污机而被广泛应用[4]。但以往常规回转式清污机孔口宽度一般在6.5m以下，而且孔口较宽的清污机采用宽孔联体回转式清污机[5]。宽孔联体清污机设置中间竖梁来支承两侧栅体，竖梁宽约0.35mm，从而减小了有效过水断面，且造成该范围内污物无法清理而留下死区[6]，不能保证输水渠道污物及时安全清理干净；在清污机跨中设置2条传动链条，而中间链条极易被污物堵塞，影响清污效果甚至正常运转。根据该泵站渠道清污机的基本参数及性能要求，鉴于目前回转式清污机现状，急需研制一种能在孔口宽度极大条件下运用且无中间清污死区的大跨度回转式清污机，以保证引黄水能顺利入淀，从而发挥引黄入冀补淀工程的作用具有非常重要的现实意义。

2 研制技术需求

2.1 清污机基本要求

根据工程运用特点，清污设备的设计制造满足全年运行、频繁清污、方便维护的使用要求。清污机为回转链条式。清污机的结构和装配型式合理简化。拦污栅在设计水头差1.8m时需具有足够的强度和刚度，主梁变形应不大于主梁跨度1/800[7]，能有效保证格栅安全可靠运行；为达到良好的拦污清污效果，拦污栅栅条净距80mm，齿耙插入栅条内应不小于15mm[8]。齿耙轴额定荷载按每根跨中作用10kN集中荷载设计，为保证污物发生时清污机能正常运转，在额定荷载下的最大变形量控制在齿耙轴长度的1/500以内。

清污机机架采用容许应力较高的Q345B低碳合金钢钢板焊接而成，以保证机架强度和刚度满足要求[9]；栅条采用SUS304不锈钢；清污机链轮采用ZG35材料；齿耙、回转板链、套筒滚子链板及联接固件采用SUS304不锈钢[10]；传动轴采用无缝钢管组焊，轴表面应镀铬，颈表面做抗磨损硬化处理。为保证设备强度和使用寿命，清污机横撑不允许焊接，需一次性折弯成型。摆线针轮减速机与格栅导轮采用套筒滚子链传动。清污机减速机及传动机构采用水平布置，隐藏在机头内以保证美观。为减少维护工作量，支铰轴承、耙栅装置的驱动机构轴承均采用低摩阻自润滑滑动轴承。为防止杂物进入链条而影响设备的运行，回转链条上设置不锈钢挡板。清污机齿耙回转至格栅底部，为防止污物从拦污栅底部流入下游渠道，格栅底部设计前栅。

2.2 清污机智能控制要求

清污机工作模式应与渠道来污量多少相适应，来污量大则需要增加清污机运行频次，来污量小可减少清污频次。如果渠道来污量小，而清污机启动频繁会导致清污过度，造成清污费用和运行成本增加；反之，如果渠道来污量大，而污物清理不及时，导致拦污栅堵塞严重，栅前后液位差过大，会加大泵站净扬程和机组耗电量，还可能带来安全隐患。因而，清污机运行采用智能化自动控制，根据渠道来污量的大小和拦污栅前后液位差的变化，确定清污运行模式，使得水泵机组和清污机运行总费用最低[11]。

3 清污机结构计算及技术方案

回转式清污机以拦污栅为基体，组装传动装置、牵引链条和清污齿耙，将拦污栅和清污机两者有机结合为一体的固定式连续清污设备[12]。该设备运行平稳、清污效果好、高效率低耗能、操作维护简单，将电机水平布置于机头内部，这样一来防护效果好，可清理接近洞口宽度的大型超长污物。清污齿耙间隔1.5m均匀布置在绕栅体回转的板式滚子链上。在轴承座上设置调节螺杆，以实现两侧滚子链同步张紧调整[13]。

拦污栅孔口净宽达8m，回转式清污机采用单电机驱动，电机尺寸大、造价高，两侧链条同步性差，易造成安全销切断、卡阻，使清污机根本无法正常运行。因此，研制的新型清污机在保留回转式清污机所有优势的前提下，利用2台异步电机配合减速机驱动，在2台电机中间配有弹性联轴器，从而实现双机同步。机架两侧2台电机减速器同时运行，带动两侧链条也同时运行，清污齿耙平滑进入栅条中，顺利将污物清理。清污机采用双电机布置较单电机布置动力分配更合理，能有力保证两侧链条同步运行。由于该拦污栅栅体宽度较大，机架主梁若采用普通工字钢已无法满足要求，因此改用由钢板焊接而成的异形工字钢作为主梁，这样既能保证机架的整体刚度，又能保证过水有效断面；机架底部代用钢板焊接而成的箱体结构，能保证大跨度清污机运行时更加稳定；齿耙管采用φ245×10无缝钢管，以满足齿耙梁强度及挠度要求。为保证新型清污机在设计条件下既安全可靠又经济合理，对主要结构和技术参数进行计算优化[5]。

3.1 拦污栅主横梁及栅条计算

3.1.1栅条稳定性(为保守计，考虑跨中央作用集中荷载)

(1)

3.1.2主梁正应力(σmax)

(2)

式中，q—作用在主梁上的均布荷载，取值24.3kN/m；l0—计算跨度，取值7.75m；lh—荷载跨度，取值7.6m；Wmin—最小截面抵抗矩，取值1.658×10-3m3。

3.1.3主梁剪应力(τmax)

(3)

式中，Q—作用在主梁上的剪力，取值94.2kN；S—主梁中和轴一侧面积矩，取值9.62×10-4m3；I—截面惯性矩，取值5.805×10-1m4；δ—腹板厚度，取值0.006m。

3.1.4主横梁挠度(fmax)

(4)

经计算，栅条整体稳定的临界荷载PL=45.4kN，作用在栅条上的水压力为1.3kN，考虑潜没物体撞击力5kN，栅条整体稳定安全系数K=7.2>2，栅条稳定满足要求。主梁正应力 σmax=110N/mm2<160N/mm2；主梁剪应力τmax=26N/mm2<95N/mm2；主梁挠度fmax=9.5mm<9.7mm，主梁强度及刚度满足要求[5]。

3.2 清污齿耙管计算

3.2.1单根齿耙管荷载(P)

(5)

式中，M—清污能力，取值400kN/h；v—回转速度，取值6m/min；n1—齿耙根数，取值6；n2—回转链条全长，取值16m。

经计算P=3kN，考虑渠道来污不均匀性，为安全计取单根齿耙管集中荷载10kN/根，作用位置为齿耙管中间。

3.2.2齿耙管正应力(σmax)

(6)

式中，P—作用在齿耙上的集中荷载，取值10×103N；l0—计算跨度，取值7.33m；Wmin—最小截面抵抗矩，Wmin=π(D4-d4)/32D=4.168×10-4m3。

3.2.3单根齿耙管挠度(fmax)

(7)

式中，I—截面抵抗矩，I=π(D4-d4)/64=5.106×10-5m3；其余变量含义同前。

经计算，齿耙管正应力 σmax=44N/mm2<160N/mm2；挠度fmax=7.8mm<14.7mm。由此可见，齿耙管强度及刚度满足规范要求。

3.3 清污机驱动电机功率计算

清污机有效功率(N1)计算公式为：

(8)

式中，M—清污能力，取值40t/h；v—回转速度，取值0.1m/s；h—污物输送提升高度，取值6.8m。

经计算，清污机有效功率N1=0.8kW，清污机摩阻功率根据经验取为N2=1kW。清污机所配电机功率N=2.5(N1+N2)=4.5kW。考虑不可预见因素，电机功率留有适当安全余量，取N=8kW。

3.4 过载保护装置设计

回转式清污机设置有电机保护装置和机械过载保护装置；电机保护装置具有短路保护、过载保护、缺相保护等功能，保证在设备出现故障后能自动停机并发出信号，能有效地保护电机不被烧坏；机械过载保护装置是在传动链轮中设有安全销，能在清污机过载情况下瞬间切断动力输出，以达到预防传动件被损坏的目的[14]，该装置具有结构简单、动作可靠准确、方便维护等优点[15]。在以往清污机实际运用时，当安全销被剪断时，链轮与轮毂产生较大的作用力，导致配钻孔发生错位甚至变形，更换时不容易对孔，严重时配钻孔变形甚至须更换整个机械过载保护装置。新型清污机通过对原有机械过载保护装置改造，采用链轮、轮毂设计多个配钻孔方案解决这一问题，这样一来大大简化更换剪断销步骤，减少了更换操作的工时，延长了过载保护装置的使用寿命，节约了运行维护成本。

3.5 辅助刮物装置设计

新型清污机上部下方设置梳齿装置，以便清除粘在齿耙上的污物，避免污物回落至栅后渠道内。梳齿装置布置位置尽量合理，具有较大刚性及强度，工作可靠。通过大量调研，对以往清污机的梳齿装置进行了改进，将梳齿装置布置于清污机弯段处，改造后梳齿装置更容易刮除齿耙上附着的残余垃圾或缠绕污物，产品简单实用，布置位置合理，清理效果更好。

4 清污机智能控制特点

为实现泵站运行现场的“少人值守，无人值班”新模式，清污机运行采用智能化自动控制。在渠道上设置5台回转式清污机，并在每台清污机前后设栅差监测仪1套，用于监测拦污栅前后水位和控制清污机运行。清污机控制方式具备现地手动控制、自动控制和远方控制切换功能，现地自动控制方式分液位差控制和定时控制和2种模式。

现地手动控制方式是通过现地控制柜面板的控制按钮进行操作，以实现清污机的控制运行；液位差控制方式是通过采集拦污栅前后液位信号，并利用现地控制柜PLC控制程序，根据换算的液位差值控制清污机的启停；定时控制方式是通过现地控制柜内时间继电器来实现清污机的定时运行，可根据实际情况及时调整清污机启停时间和运行时间，以达到节能运行目的；远方控制方式是通过泵站中控室自动化监控系统实现清污机的远程控制。回转式清污机实际运用模式可根据现场实际情况选择适合的控制方式，一般情况下，手动控制方式的优先级高于其他控制方式[16]，渠道来污量较大时可选用液位差控制方式，渠道来污量较小时可选用定时控制方式，清污机控制方式可根据渠道来污流量灵活选择。

5 结语

根据本工程拦污栅孔口较大的特点设计研发了智能双驱大跨度回转式清污机，解决了以往使用宽孔联体清污机存在清污死区的问题。通过对新型清污机主要结构和技术参数的优化，使研制的新型清污机既结构安全又经济合理。最终新型回转式清污机采用双电机驱动，机头布置紧凑隐蔽，既能保证美观又方便维护；清污机机械过载保护采用多个配钻孔方案，大大延长了过载保护装置的使用寿命；改进了清污机辅助刮物装置设计，简单实用，清理效果更好。从实际运行效果看，新型清污机清污效果良好，运行可靠、维护方便、智能程度较高，有效保证了泵站运行可靠性和景观区的环境美化，为泵站安全经济运行及管理提供了有力保障。