浙江天鴻傳動(dòng)機(jī)械有限公司 龔學(xué)華

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升降式輸出軸減速機(jī)

浙江天鴻傳動(dòng)機(jī)械有限公司 龔學(xué)華

污水處理中有一稱作曝氣機(jī)的設(shè)備，需要立式安裝大功率減速機(jī)配套，從使用節(jié)能和安全出發(fā)要求開發(fā)升降式輸出軸減速機(jī)。如何滿足功率和升降要求，是開發(fā)這種減速機(jī)的依據(jù)。該文詳細(xì)論述了表曝機(jī)運(yùn)行的安全性及其升降節(jié)能機(jī)構(gòu)。

升降輸出軸 減速機(jī)功率 升降行程與節(jié)能

減速機(jī)作為水處理設(shè)備的配套，整體稱作表面曝氣機(jī)，簡(jiǎn)稱表曝機(jī)或曝氣機(jī)。它的整體構(gòu)造如圖1所示。減速機(jī)部分，由減速機(jī)主體、輸入電機(jī)和手控自控升降器組成；減速機(jī)通過機(jī)座用地腳螺栓固定在安裝平臺(tái)上。它所驅(qū)動(dòng)的是曝氣葉輪，由法蘭聯(lián)軸器連接。曝氣葉輪由主軸和葉片組成。由減速機(jī)組成的表曝機(jī)整體，實(shí)際上是一種水力機(jī)械。當(dāng)曝氣葉輪以ω轉(zhuǎn)速作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，濺起大片水花與空氣接觸，使空氣溶于水中，此一工藝過程稱作曝氣充氧。同時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的水泵效應(yīng)產(chǎn)生動(dòng)揚(yáng)程和勢(shì)揚(yáng)程，推動(dòng)水流流動(dòng)。

圖1 表曝機(jī)整體構(gòu)造圖

曝氣葉輪的充氧效率，除了與葉片大小和葉輪轉(zhuǎn)速有關(guān)外，與葉片在水中淹沒深度有關(guān)。而且葉輪的淹沒深度也影響水流推動(dòng)力。開發(fā)升降式輸出軸減速機(jī)，能根據(jù)污水處理要求手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)到最優(yōu)位置。

1 升降式輸出軸減速機(jī)

表曝機(jī)的曝氣葉輪直徑，常用2000～4000mm，相應(yīng)輸出軸轉(zhuǎn)速58～30rpm。傳動(dòng)級(jí)數(shù)為3級(jí)。升降式輸出軸減速機(jī)是在MTH3SV平行軸齒輪箱擴(kuò)展改進(jìn)而成。

表曝機(jī)的使用功率范圍在22～160kW。

2 表曝機(jī)運(yùn)行的安全性

作為污水處理的關(guān)鍵設(shè)備，表曝機(jī)必須不間斷地連續(xù)運(yùn)行，否則會(huì)中斷污水處理進(jìn)程。通常表曝機(jī)在戶外使用，要充分考慮運(yùn)行的安全性。圖1中的曝氣葉輪，據(jù)污水處理的工藝要求設(shè)計(jì)，應(yīng)堅(jiān)固耐用。減速機(jī)機(jī)座應(yīng)有支撐減速機(jī)的足夠強(qiáng)度。此外，需要減速機(jī)的安全性和輸出軸連接法蘭的可靠性。減速機(jī)由減速機(jī)本體和輸入電機(jī)組成。

2.1 輸入電機(jī)

輸入電機(jī)常用三相異步電機(jī)，并應(yīng)符合戶外使用條件，且符合連續(xù)工作制S1的要求。防護(hù)等級(jí)不低于IP55，即防護(hù)灰塵和可用水沖洗。絕緣等級(jí)采用F級(jí)，最高耐溫可達(dá)155℃。有的用戶要求通過變頻器調(diào)節(jié)（降低）電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率，宜采用SVPWM變頻器。

2.2 減速機(jī)齒輪箱的安全選用

按工作條件，合理選用減速機(jī)的齒輪箱[1]，是表曝機(jī)運(yùn)行的安全保證。下面以實(shí)例來說明齒輪箱的安全選用。

已知參數(shù)：減速機(jī)電機(jī)功率：P1=75kW；電機(jī)轉(zhuǎn)速n1= 1500rpm；最大起動(dòng)扭矩TA=720N·m；立式安裝。曝氣葉輪軸功率：P2=60kW；葉輪直徑D=3m；轉(zhuǎn)速n2=39rpm；工作制連續(xù)；環(huán)境溫度40℃；室外安裝(風(fēng)速≥4m／s)；海拔高度1000m以下；減速器失效引起生產(chǎn)線停產(chǎn)SA=1.5。

選擇齒輪箱的類型和規(guī)格：

2.2.1傳動(dòng)比計(jì)算

2.2.2確定額定功率

污水處理工作條件系數(shù)f1=2.0；原動(dòng)機(jī)系數(shù)f2=1.0。則額定功率：

2.2.3檢查起動(dòng)扭矩

當(dāng)峰值扭矩系數(shù)f3=1.25時(shí)

PN=180kW＞141.4kW

2.2.4確定熱容量

不帶冷卻裝置的MTH3型機(jī)號(hào)11的熱容量PG1=149kW；環(huán)境溫度系數(shù)f4=1.27；海拔高度系數(shù)f6=1.0；強(qiáng)制潤滑系數(shù)f8=1.05；熱容量系數(shù)f9=1.09，計(jì)算齒輪箱熱容量。

P2=66 kW

說明齒輪箱可以不帶輔助冷卻裝置。

3 升降式節(jié)能機(jī)構(gòu)

升降式輸出軸是這種減速機(jī)的一個(gè)創(chuàng)新，它適應(yīng)了表曝機(jī)的節(jié)能要求。圖2為表曝機(jī)在運(yùn)行時(shí)的工況。

3.1 表曝機(jī)的水泵效應(yīng)

3.1.1葉輪水泵揚(yáng)程

葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在離心力的作用下，把液流從徑向摔出。除了曝氣充氧，因葉輪封板中心設(shè)有導(dǎo)流孔，形成了離心泵直錐形吸入的水泵效應(yīng)。徑向式葉片的安裝角βb2＝90°，由圖2俯視圖可見，絕對(duì)速度V2在圓周方向的投影等于圓周速度，Vu2＝U2＝V2cosα2，相對(duì)速度W2與軸面分速Vm2相等，W2＝Vm2＝V2sinα2。對(duì)于垂直進(jìn)水，α1＝90°，Vu1＝U1＝V1cosα1＝0，葉片泵無限葉片方程改寫為[2]：

葉輪的葉片由6～8片組成，采用小于1的滑移系數(shù)K來修正無限葉片的方程，即HT＝KHT∞。而以ηh表示水泵作用的水力效率，則曝氣葉輪水泵的揚(yáng)程表述為：

若以U2＝πD1n／60代入式，一般取ηhK＝0.5，考慮葉輪類水泵的效率η，則

式中，HT∞──無限葉片揚(yáng)程，m；H──曝氣葉輪揚(yáng)程，m；n──曝氣葉輪轉(zhuǎn)速，rpm；D1──葉輪封板外徑，m；g──重力加速度，m／s2；η──葉輪類水泵效率，%。

3.1.2葉輪水泵流量

葉輪水泵流量，可利用離心水泵原理[2]得：

式中，Q—提升流量，m3／s；B—封板出口寬度，m。

3.2 氧化溝流量與水頭損失

表曝機(jī)用于循環(huán)流動(dòng)的氧化溝[3]污水處理裝置的關(guān)鍵設(shè)備，圖3是雙機(jī)四溝的氧化溝簡(jiǎn)圖。根據(jù)需要也可以是單機(jī)雙溝和三機(jī)六溝等形式。

圖3 氧化溝簡(jiǎn)圖和溶解氧控制

3.2.1氧化溝流量

流量等于氧化溝斷面與流速乘積：

式中，QL──氧化溝流量，m3/s；B0──氧化溝寬度，m； H0──氧化溝水深，m；v──氧化溝流速，m。

3.2.2氧化屆 溝水頭損失

沿程水頭損失，按流體力學(xué)的曼寧公式[4]：

式中，hL──氧化溝一周沿程水頭損失，m；n0──粗糙系數(shù)，混凝土或砂漿抹面渠道，n0＝0.013～0.014；R──水力半徑，m（斷面積／濕周）；L──氧化溝表曝機(jī)一周行程長度，m。

局部水頭損失[4]：

則沿程加局部總水頭損失：

3.3 水泵效應(yīng)的推流條件

3.3.1推流條件公式

據(jù)動(dòng)量定律，推流條件是水泵作用的功率等于或大于氧化溝水流流動(dòng)功率，即

3.3.2計(jì)算實(shí)例

已知：葉輪直徑D=3m，葉輪封板直徑D1=2.4m，封板出口寬度B=0.13m，轉(zhuǎn)速n=40rpm，葉輪水泵效應(yīng)效率取η=20%。

計(jì)算：按現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程，氧化溝流速宜大于0.25m／s，按v=0.3m／s計(jì)。常規(guī)的氧化溝最優(yōu)斷面[4]為深寬比H0: B0＝2:1，溝深取常用的H0＝1.2D，則H0＝3.6m，B0=7.2m。混凝土表面粗糙系數(shù)n0=0.0014。據(jù)式(1)、(2)、(3)、(6)可分別計(jì)算出H、Q、h、QL。

計(jì)算結(jié)果：HQ=0.258×0.985=0.254m4/s；

hQL=0.02×7.776=0.156m4/s，即HQ＞hQL

3.4 升降行程與節(jié)能

3.4.1升降行程

圖3中，輸出軸降至葉輪葉片上緣的最高水位，再低葉片淹沒將沒有曝氣作用，下緣高于最低水位失去表曝機(jī)應(yīng)有功能。最高水位與最低水位之差是葉片的軸向高度。根據(jù)葉輪的直徑與水處理工藝要求，軸向高度在0.1～0.34m之間。輸出軸升降行程±0.18m，即S=0.36m即可。

3.4.2升降調(diào)節(jié)與節(jié)能

主軸升降器可使葉輪葉片上下緣在最高水位與最低水位之間調(diào)節(jié)。污水處理優(yōu)化理論認(rèn)為：溶解氧分布應(yīng)符合好氧（DO＞2mg/L）→有氧（0.5～2mg/L）→缺氧（0.2～0.5mg/L）→厭氧（0～0.2mg/L）的有機(jī)物降解規(guī)律。圖3表明了每臺(tái)表曝機(jī)的這樣周期規(guī)律。理論計(jì)算，曝氣機(jī)上游溶解氧趨近于0與溶解氧為2mg/L，節(jié)能24％[5]。只要調(diào)節(jié)升降器就能達(dá)到此目的。這可以通過氧化溝溶解氧測(cè)定儀，以電信號(hào)自動(dòng)控制升降器調(diào)節(jié)曝氣葉輪上下。

3.4.3水泵效應(yīng)與節(jié)能

從推流條件實(shí)例證實(shí)，表曝機(jī)葉輪的水泵效應(yīng)，可以推動(dòng)氧化溝內(nèi)水流達(dá)到0.3m/s流速流動(dòng)。如果另行設(shè)置推流器推流，常用推流器的功率密度≥4W/m3，占表曝機(jī)常用功率密度（15 W/m3）的26.7％。可見表曝機(jī)的推流作用得以發(fā)揮，節(jié)能效果顯著。

[1] 天鴻傳動(dòng).減速機(jī)樣本[Z].浙江天鴻傳動(dòng)機(jī)械有限公司, 2011.

[2] 劉竹溪，劉景植.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社, 2006.

[3] 鄧榮森.氧化溝污水處理理論與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[4] 陳文義.流體力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社,2004.

[5] 黃開堅(jiān).氧化溝豎軸表曝機(jī)的節(jié)能因素探討[J].中國給水排水,2013(2)：99-102.