張延忠，崔 杰，王宏培，楊文潤(rùn)

(1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050021；2.黃驊市五一機(jī)械有限公司，河北 滄州 061100；3.河北省水利工程局，河北 石家莊 050021)

1 研發(fā)背景

某泵站位于引黃渠道末端入淀口處，是引黃水揚(yáng)水入白洋淀的關(guān)鍵工程，泵站設(shè)計(jì)流量30m3/s，泵站安裝7臺(tái)立式潛水軸流泵，水泵型號(hào)為1400QZ- 160，單泵設(shè)計(jì)流量5.16m3/s，揚(yáng)程2.7m，葉輪直徑1200mm。引黃入冀補(bǔ)淀工程渠道全長(zhǎng)482km，采用明渠自流輸水，河北段大部分利用原有渠道輸水，沿途會(huì)有大量漂浮的樹枝、雜草進(jìn)入渠道。因此在泵站上游500m處設(shè)置一道攔污清污設(shè)施，用以攔阻水流中所攜帶的雜物[1- 2]，以保護(hù)泵站機(jī)組及輔助設(shè)施不受損害，保障泵站安全正常運(yùn)行。

工程末端輸水渠道為灌排兩用渠道，引黃水入淀采用逆向壅水輸水。攔污柵處渠道為梯形斷面，渠底凈寬43.6m，為不過(guò)多擠占渠道斷面，盡量減少攔污柵孔數(shù)。經(jīng)充分考慮攔污柵尺寸經(jīng)濟(jì)合理性，最終按5孔傾斜80°角布置，每孔凈寬8m，最小工作水深2.5m。當(dāng)前，水利工程輸水渠道污物主要利用抓斗式清污機(jī)或回轉(zhuǎn)式清污機(jī)進(jìn)行清理[3]。抓斗式清污機(jī)一般需要人工輔助配合操作，其自動(dòng)化程度和效率較低，難以應(yīng)對(duì)渠道雜物較多情況，容易發(fā)生攔污柵堵塞而影響渠道正常輸水?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作、自動(dòng)控制，正在逐步取代抓斗式清污機(jī)而被廣泛應(yīng)用[4]。但以往常規(guī)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)孔口寬度一般在6.5m以下，而且孔口較寬的清污機(jī)采用寬孔聯(lián)體回轉(zhuǎn)式清污機(jī)[5]。寬孔聯(lián)體清污機(jī)設(shè)置中間豎梁來(lái)支承兩側(cè)柵體，豎梁寬約0.35mm，從而減小了有效過(guò)水?dāng)嗝?，且造成該范圍?nèi)污物無(wú)法清理而留下死區(qū)[6]，不能保證輸水渠道污物及時(shí)安全清理干凈；在清污機(jī)跨中設(shè)置2條傳動(dòng)鏈條，而中間鏈條極易被污物堵塞，影響清污效果甚至正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)該泵站渠道清污機(jī)的基本參數(shù)及性能要求，鑒于目前回轉(zhuǎn)式清污機(jī)現(xiàn)狀，急需研制一種能在孔口寬度極大條件下運(yùn)用且無(wú)中間清污死區(qū)的大跨度回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，以保證引黃水能順利入淀，從而發(fā)揮引黃入冀補(bǔ)淀工程的作用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研制技術(shù)需求

2.1 清污機(jī)基本要求

根據(jù)工程運(yùn)用特點(diǎn)，清污設(shè)備的設(shè)計(jì)制造滿足全年運(yùn)行、頻繁清污、方便維護(hù)的使用要求。清污機(jī)為回轉(zhuǎn)鏈條式。清污機(jī)的結(jié)構(gòu)和裝配型式合理簡(jiǎn)化。攔污柵在設(shè)計(jì)水頭差1.8m時(shí)需具有足夠的強(qiáng)度和剛度，主梁變形應(yīng)不大于主梁跨度1/800[7]，能有效保證格柵安全可靠運(yùn)行；為達(dá)到良好的攔污清污效果，攔污柵柵條凈距80mm，齒耙插入柵條內(nèi)應(yīng)不小于15mm[8]。齒耙軸額定荷載按每根跨中作用10kN集中荷載設(shè)計(jì)，為保證污物發(fā)生時(shí)清污機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在額定荷載下的最大變形量控制在齒耙軸長(zhǎng)度的1/500以內(nèi)。

清污機(jī)機(jī)架采用容許應(yīng)力較高的Q345B低碳合金鋼鋼板焊接而成，以保證機(jī)架強(qiáng)度和剛度滿足要求[9]；柵條采用SUS304不銹鋼；清污機(jī)鏈輪采用ZG35材料；齒耙、回轉(zhuǎn)板鏈、套筒滾子鏈板及聯(lián)接固件采用SUS304不銹鋼[10]；傳動(dòng)軸采用無(wú)縫鋼管組焊，軸表面應(yīng)鍍鉻，頸表面做抗磨損硬化處理。為保證設(shè)備強(qiáng)度和使用壽命，清污機(jī)橫撐不允許焊接，需一次性折彎成型。擺線針輪減速機(jī)與格柵導(dǎo)輪采用套筒滾子鏈傳動(dòng)。清污機(jī)減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水平布置，隱藏在機(jī)頭內(nèi)以保證美觀。為減少維護(hù)工作量，支鉸軸承、耙柵裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承均采用低摩阻自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承。為防止雜物進(jìn)入鏈條而影響設(shè)備的運(yùn)行，回轉(zhuǎn)鏈條上設(shè)置不銹鋼擋板。清污機(jī)齒耙回轉(zhuǎn)至格柵底部，為防止污物從攔污柵底部流入下游渠道，格柵底部設(shè)計(jì)前柵。

2.2 清污機(jī)智能控制要求

清污機(jī)工作模式應(yīng)與渠道來(lái)污量多少相適應(yīng)，來(lái)污量大則需要增加清污機(jī)運(yùn)行頻次，來(lái)污量小可減少清污頻次。如果渠道來(lái)污量小，而清污機(jī)啟動(dòng)頻繁會(huì)導(dǎo)致清污過(guò)度，造成清污費(fèi)用和運(yùn)行成本增加；反之，如果渠道來(lái)污量大，而污物清理不及時(shí)，導(dǎo)致攔污柵堵塞嚴(yán)重，柵前后液位差過(guò)大，會(huì)加大泵站凈揚(yáng)程和機(jī)組耗電量，還可能帶來(lái)安全隱患。因而，清污機(jī)運(yùn)行采用智能化自動(dòng)控制，根據(jù)渠道來(lái)污量的大小和攔污柵前后液位差的變化，確定清污運(yùn)行模式，使得水泵機(jī)組和清污機(jī)運(yùn)行總費(fèi)用最低[11]。

3 清污機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算及技術(shù)方案

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)以攔污柵為基體，組裝傳動(dòng)裝置、牽引鏈條和清污齒耙，將攔污柵和清污機(jī)兩者有機(jī)結(jié)合為一體的固定式連續(xù)清污設(shè)備[12]。該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、清污效果好、高效率低耗能、操作維護(hù)簡(jiǎn)單，將電機(jī)水平布置于機(jī)頭內(nèi)部，這樣一來(lái)防護(hù)效果好，可清理接近洞口寬度的大型超長(zhǎng)污物。清污齒耙間隔1.5m均勻布置在繞柵體回轉(zhuǎn)的板式滾子鏈上。在軸承座上設(shè)置調(diào)節(jié)螺桿，以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)滾子鏈同步張緊調(diào)整[13]。

攔污柵孔口凈寬達(dá)8m，回轉(zhuǎn)式清污機(jī)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)尺寸大、造價(jià)高，兩側(cè)鏈條同步性差，易造成安全銷切斷、卡阻，使清污機(jī)根本無(wú)法正常運(yùn)行。因此，研制的新型清污機(jī)在保留回轉(zhuǎn)式清污機(jī)所有優(yōu)勢(shì)的前提下，利用2臺(tái)異步電機(jī)配合減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，在2臺(tái)電機(jī)中間配有彈性聯(lián)軸器，從而實(shí)現(xiàn)雙機(jī)同步。機(jī)架兩側(cè)2臺(tái)電機(jī)減速器同時(shí)運(yùn)行，帶動(dòng)兩側(cè)鏈條也同時(shí)運(yùn)行，清污齒耙平滑進(jìn)入柵條中，順利將污物清理。清污機(jī)采用雙電機(jī)布置較單電機(jī)布置動(dòng)力分配更合理，能有力保證兩側(cè)鏈條同步運(yùn)行。由于該攔污柵柵體寬度較大，機(jī)架主梁若采用普通工字鋼已無(wú)法滿足要求，因此改用由鋼板焊接而成的異形工字鋼作為主梁，這樣既能保證機(jī)架的整體剛度，又能保證過(guò)水有效斷面；機(jī)架底部代用鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，能保證大跨度清污機(jī)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定；齒耙管采用φ245×10無(wú)縫鋼管，以滿足齒耙梁強(qiáng)度及撓度要求。為保證新型清污機(jī)在設(shè)計(jì)條件下既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化[5]。

3.1 攔污柵主橫梁及柵條計(jì)算

3.1.1柵條穩(wěn)定性(為保守計(jì)，考慮跨中央作用集中荷載)

(1)

3.1.2主梁正應(yīng)力(σmax)

(2)

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

3.1.3主梁剪應(yīng)力(τmax)

(3)

式中，Q—作用在主梁上的剪力，取值94.2kN；S—主梁中和軸一側(cè)面積矩，取值9.62×10-4m3；I—截面慣性矩，取值5.805×10-1m4；δ—腹板厚度，取值0.006m。

3.1.4主橫梁撓度(fmax)

(4)

經(jīng)計(jì)算，柵條整體穩(wěn)定的臨界荷載PL=45.4kN，作用在柵條上的水壓力為1.3kN，考慮潛沒(méi)物體撞擊力5kN，柵條整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=7.2>2，柵條穩(wěn)定滿足要求。主梁正應(yīng)力 σmax=110N/mm2<160N/mm2；主梁剪應(yīng)力τmax=26N/mm2<95N/mm2；主梁撓度f(wàn)max=9.5mm<9.7mm，主梁強(qiáng)度及剛度滿足要求[5]。

3.2 清污齒耙管計(jì)算

3.2.1單根齒耙管荷載(P)

(5)

式中，M—清污能力，取值400kN/h；v—回轉(zhuǎn)速度，取值6m/min；n1—齒耙根數(shù)，取值6；n2—回轉(zhuǎn)鏈條全長(zhǎng)，取值16m。

經(jīng)計(jì)算P=3kN，考慮渠道來(lái)污不均勻性，為安全計(jì)取單根齒耙管集中荷載10kN/根，作用位置為齒耙管中間。

3.2.2齒耙管正應(yīng)力(σmax)

(6)

式中，P—作用在齒耙上的集中荷載，取值10×103N；l0—計(jì)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單根齒耙管撓度(fmax)

(7)

式中，I—截面抵抗矩，I=π(D4-d4)/64=5.106×10-5m3；其余變量含義同前。

經(jīng)計(jì)算，齒耙管正應(yīng)力 σmax=44N/mm2<160N/mm2；撓度f(wàn)max=7.8mm<14.7mm。由此可見(jiàn)，齒耙管強(qiáng)度及剛度滿足規(guī)范要求。

3.3 清污機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

清污機(jī)有效功率(N1)計(jì)算公式為：

(8)

式中，M—清污能力，取值40t/h；v—回轉(zhuǎn)速度，取值0.1m/s；h—污物輸送提升高度，取值6.8m。

經(jīng)計(jì)算，清污機(jī)有效功率N1=0.8kW，清污機(jī)摩阻功率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為N2=1kW。清污機(jī)所配電機(jī)功率N=2.5(N1+N2)=4.5kW?？紤]不可預(yù)見(jiàn)因素，電機(jī)功率留有適當(dāng)安全余量，取N=8kW。

3.4 過(guò)載保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)設(shè)置有電機(jī)保護(hù)裝置和機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置；電機(jī)保護(hù)裝置具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、缺相保護(hù)等功能，保證在設(shè)備出現(xiàn)故障后能自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出信號(hào)，能有效地保護(hù)電機(jī)不被燒壞；機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置是在傳動(dòng)鏈輪中設(shè)有安全銷，能在清污機(jī)過(guò)載情況下瞬間切斷動(dòng)力輸出，以達(dá)到預(yù)防傳動(dòng)件被損壞的目的[14]，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠準(zhǔn)確、方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[15]。在以往清污機(jī)實(shí)際運(yùn)用時(shí)，當(dāng)安全銷被剪斷時(shí)，鏈輪與輪轂產(chǎn)生較大的作用力，導(dǎo)致配鉆孔發(fā)生錯(cuò)位甚至變形，更換時(shí)不容易對(duì)孔，嚴(yán)重時(shí)配鉆孔變形甚至須更換整個(gè)機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置。新型清污機(jī)通過(guò)對(duì)原有機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置改造，采用鏈輪、輪轂設(shè)計(jì)多個(gè)配鉆孔方案解決這一問(wèn)題，這樣一來(lái)大大簡(jiǎn)化更換剪斷銷步驟，減少了更換操作的工時(shí)，延長(zhǎng)了過(guò)載保護(hù)裝置的使用壽命，節(jié)約了運(yùn)行維護(hù)成本。

3.5 輔助刮物裝置設(shè)計(jì)

新型清污機(jī)上部下方設(shè)置梳齒裝置，以便清除粘在齒耙上的污物，避免污物回落至柵后渠道內(nèi)。梳齒裝置布置位置盡量合理，具有較大剛性及強(qiáng)度，工作可靠。通過(guò)大量調(diào)研，對(duì)以往清污機(jī)的梳齒裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將梳齒裝置布置于清污機(jī)彎段處，改造后梳齒裝置更容易刮除齒耙上附著的殘余垃圾或纏繞污物，產(chǎn)品簡(jiǎn)單實(shí)用，布置位置合理，清理效果更好。

4 清污機(jī)智能控制特點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的“少人值守，無(wú)人值班”新模式，清污機(jī)運(yùn)行采用智能化自動(dòng)控制。在渠道上設(shè)置5臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，并在每臺(tái)清污機(jī)前后設(shè)柵差監(jiān)測(cè)儀1套，用于監(jiān)測(cè)攔污柵前后水位和控制清污機(jī)運(yùn)行。清污機(jī)控制方式具備現(xiàn)地手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)方控制切換功能，現(xiàn)地自動(dòng)控制方式分液位差控制和定時(shí)控制和2種模式。

現(xiàn)地手動(dòng)控制方式是通過(guò)現(xiàn)地控制柜面板的控制按鈕進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)清污機(jī)的控制運(yùn)行；液位差控制方式是通過(guò)采集攔污柵前后液位信號(hào)，并利用現(xiàn)地控制柜PLC控制程序，根據(jù)換算的液位差值控制清污機(jī)的啟停；定時(shí)控制方式是通過(guò)現(xiàn)地控制柜內(nèi)時(shí)間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)清污機(jī)的定時(shí)運(yùn)行，可根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整清污機(jī)啟停時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行目的；遠(yuǎn)方控制方式是通過(guò)泵站中控室自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)清污機(jī)的遠(yuǎn)程控制?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)實(shí)際運(yùn)用模式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇適合的控制方式，一般情況下，手動(dòng)控制方式的優(yōu)先級(jí)高于其他控制方式[16]，渠道來(lái)污量較大時(shí)可選用液位差控制方式，渠道來(lái)污量較小時(shí)可選用定時(shí)控制方式，清污機(jī)控制方式可根據(jù)渠道來(lái)污流量靈活選擇。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本工程攔污柵孔口較大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)了智能雙驅(qū)大跨度回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，解決了以往使用寬孔聯(lián)體清污機(jī)存在清污死區(qū)的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)新型清污機(jī)主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化，使研制的新型清污機(jī)既結(jié)構(gòu)安全又經(jīng)濟(jì)合理。最終新型回轉(zhuǎn)式清污機(jī)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)頭布置緊湊隱蔽，既能保證美觀又方便維護(hù)；清污機(jī)機(jī)械過(guò)載保護(hù)采用多個(gè)配鉆孔方案，大大延長(zhǎng)了過(guò)載保護(hù)裝置的使用壽命；改進(jìn)了清污機(jī)輔助刮物裝置設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單實(shí)用，清理效果更好。從實(shí)際運(yùn)行效果看，新型清污機(jī)清污效果良好，運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、智能程度較高，有效保證了泵站運(yùn)行可靠性和景觀區(qū)的環(huán)境美化，為泵站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及管理提供了有力保障。