王月萍，王春蘭，吳天福

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005；2.機(jī)械工業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，北京 100823）

高效潛水推流器設(shè)計(jì)技術(shù)探討

王月萍1，王春蘭2，吳天福1

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005；2.機(jī)械工業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，北京 100823）

簡(jiǎn)介了潛水推流器的主要構(gòu)成部件及技術(shù)原理，分析了導(dǎo)致常規(guī)潛水推流器易損壞、壽命短、能耗高的主要原因，闡述了潛水推流器各主要部件在設(shè)計(jì)和選材時(shí)必須注意的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

推流器；減速機(jī)；槳葉；軸承；起吊裝置；能效比

前言

潛水推流器應(yīng)用于市政污水和各種工業(yè)廢水處理生化池，對(duì)混合液進(jìn)行攪拌、混合、推流，使混合液產(chǎn)生紊動(dòng)的流場(chǎng)和均勢(shì)流態(tài)，可有效防止污泥沉積，也適用于給水廠（站）、河、湖、塘、渠、景點(diǎn)水體等場(chǎng)所的造流。

潛水推流器完全浸沒(méi)在水中運(yùn)行，尤其是應(yīng)用于各種污水處理廠時(shí)，在臭、臟并有腐蝕性的污水中運(yùn)行，工作環(huán)境極其惡劣，而且不停歇地連續(xù)工作，設(shè)備的使用率高達(dá)100%，一旦發(fā)生故障，若不能及時(shí)察覺(jué)，各種后果都有可能發(fā)生。

國(guó)產(chǎn)潛水推流器普遍存在的共性問(wèn)題有：

（1）運(yùn)行不可靠，故障頻率高，使用壽命短。無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間大多不足5000h，運(yùn)行故障主要有機(jī)械密封損壞、減速機(jī)齒輪損壞、電機(jī)損壞、軸承損壞、槳葉水力構(gòu)造不符合水力學(xué)特性且易折斷等。整機(jī)的平均壽命難超過(guò)2年，主要原因是密封機(jī)構(gòu)布置不合理導(dǎo)致滲漏從而損壞了電機(jī)或減速機(jī)；齒輪制造選材不當(dāng)及熱處理工藝存在問(wèn)題，磨損極快，所采用的擺線針輪減速機(jī)不適應(yīng)連續(xù)運(yùn)行工況等，均導(dǎo)致整機(jī)的壽命縮短。

（2）起吊裝置不可靠，鋼絲繩易破斷。一些制造商為適應(yīng)低價(jià)位競(jìng)爭(zhēng)，偷工減料；另一方面，生產(chǎn)制造潛水推流器的企業(yè)技術(shù)人員很少懂得起吊裝置安全規(guī)范要求，不顧及安全性能，將卷?yè)P(yáng)筒徑向尺寸設(shè)計(jì)制作得很小，造成鋼絲繩的曲徑率與卷?yè)P(yáng)筒徑向尺寸不符合安全規(guī)范要求而引起鋼絲繩破斷，人為導(dǎo)致了安全隱患。

（3）不了解泥水混合液的水力原理及槳葉工作面的水力特性與構(gòu)造設(shè)計(jì)，不符合混合流體工況要求，導(dǎo)致推流、攪拌效果極差，造成生化池內(nèi)的污泥沉積嚴(yán)重，最終只能停產(chǎn)清淤。

目前，國(guó)產(chǎn)潛水推流器已成為污水處理廠維修率最高的設(shè)備之一，用戶只能不斷地維修和更換。因而國(guó)內(nèi)污水處理工程迫切需求可靠性高、效率高、能效比優(yōu)、價(jià)格適中、質(zhì)量堪與國(guó)外同類產(chǎn)品媲美的國(guó)產(chǎn)潛水推流器。

潛水推流器的機(jī)械系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、密封件、水力構(gòu)件（槳葉）、起吊裝置等構(gòu)成。本文就潛水推流器各構(gòu)成部分的可靠性、工作效率、能效比等方面的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了探討。

1 電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選型

電動(dòng)機(jī)是潛水推流器的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，目前國(guó)產(chǎn)潛水推流器多采用非標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，因?yàn)槭褂梅菢?biāo)準(zhǔn)電機(jī)可將電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成軸向尺寸大于徑向尺寸的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)的潛水推流器從整機(jī)外觀看起來(lái)似乎較小，質(zhì)量相對(duì)較輕，但因?yàn)椴捎玫氖欠菢?biāo)準(zhǔn)電機(jī)，因而能效比值較低，消耗相同的電能不可能達(dá)到相應(yīng)的效果與效率。因?yàn)槭欠菢?biāo)準(zhǔn)電機(jī)，除了制造單位的銘牌標(biāo)識(shí)外，供貨商不向用戶提供功率及電機(jī)性能及任何權(quán)威單

位的檢測(cè)報(bào)告等，因而該類電機(jī)的市場(chǎng)價(jià)格通常很便宜，但功率卻是以小充大，魚(yú)目混珠，具有一定的欺騙性，造成市場(chǎng)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)局面。

針對(duì)目前市場(chǎng)上現(xiàn)有潛水推流器的應(yīng)用現(xiàn)狀，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)優(yōu)先選用國(guó)家鼓勵(lì)并獎(jiǎng)勵(lì)使用的高效、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，以達(dá)到節(jié)能、增效、降耗的效果。

2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選用

減速機(jī)構(gòu)單元是潛水推流器的核心傳動(dòng)部件，其直接影響潛水推流器的使用壽命，作為使用率100%的設(shè)備，潛水推流器全年都在不停歇地運(yùn)轉(zhuǎn)，且要求連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低。

國(guó)內(nèi)大多生產(chǎn)商在競(jìng)爭(zhēng)中為提高中標(biāo)概率，采用低價(jià)位的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，然而這種低價(jià)位往往是以選材不當(dāng)、弄虛作假、偷工減料實(shí)現(xiàn)的，有的采用擺線針輪減速機(jī)欺騙用戶。擺線針輪減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式是采用圓弧針齒（實(shí)際為銷(xiāo)軸）環(huán)向固定安裝在減速箱體內(nèi)部，當(dāng)潛水推流器不停歇、滿載荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，難免松動(dòng)變形，圓弧齒形和銷(xiāo)軸針齒同時(shí)磨損，逐漸形成滑動(dòng)嚙合，隨著磨損加劇，傳動(dòng)效率逐日降低，最終導(dǎo)致?lián)p壞而中斷生產(chǎn)，使用壽命大多難以超過(guò)一年。也有的潛水推流器雖然采用了平行軸式齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，但因齒輪設(shè)計(jì)制造時(shí)選材、熱處理工藝以及加工工藝均達(dá)不到規(guī)范要求，最終導(dǎo)致這種潛水推流器的使用壽命也達(dá)不到預(yù)期要求。

潛水推流器減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不應(yīng)采用單齒嚙合傳動(dòng)，應(yīng)選用嚙合齒數(shù)多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，最好是星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是多齒同時(shí)嚙合，即便是齒輪制造選材稍次，也不至于造成運(yùn)行不到一年便損壞齒輪。

如黃石某污水處理廠選用的國(guó)外某品牌潛水推流器，它的減速機(jī)構(gòu)采用的是兩級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間才4年，第二級(jí)減速傳動(dòng)中的齒輪軸就損壞了（見(jiàn)圖1），這證明國(guó)外潛水推流器的使用壽命長(zhǎng)并不一定長(zhǎng)。

圖1 國(guó)外某品牌潛水推流器中損壞的齒輪軸

對(duì)于易損壞的零件，國(guó)內(nèi)的用戶通常是采用修復(fù)或更換，國(guó)外公司本應(yīng)該提供兩個(gè)小齒輪作為修復(fù)配件，或有正常的售后服務(wù)，但國(guó)外公司卻不提供配件，用戶只能重新采購(gòu)更換設(shè)備。

因此，對(duì)于潛水推流器齒輪減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選材、制造精度和熱處理要求一定要嚴(yán)謹(jǐn)。減速齒輪的材質(zhì)應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)合金鋼及與之相匹配的熱處理工藝，采用高精度齒輪金加工工藝。雖然在一定程度上稍微提高了生產(chǎn)制造成本，但齒輪的精度和耐磨性能得到了可靠保障，運(yùn)行噪聲也相應(yīng)降低。這樣潛水推流器傳遞效率大大提高，使用壽命也加倍延長(zhǎng)，更重要的是不僅可為用戶節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，還可為用戶節(jié)省維修或更換零配件的再投資。

3 槳葉設(shè)計(jì)

槳葉單元是潛水推流器的核心水力構(gòu)件，其水力特性和形狀與聯(lián)接形式直接影響產(chǎn)品的工作效率和能耗。

關(guān)于槳葉的形狀，目前市場(chǎng)上的潛水推流器槳葉多是根部粗大、尾稍狹窄的“香蕉”型或“彎刀”型（如圖2），這種形狀的槳葉無(wú)優(yōu)良的水力特性構(gòu)造可言，運(yùn)行時(shí)耗能高、效率低，用于推流、攪拌的作用功能不大，無(wú)用功消耗大于有用功消耗。山東某污水處理廠應(yīng)

用劣質(zhì)潛水推流器證明，采用這種形式的槳葉數(shù)年之后，氧化溝中的沉泥淤積高達(dá)1.5萬(wàn)m3之多。

圖2 國(guó)內(nèi)普遍采用的槳葉形狀

另外，槳葉的水力構(gòu)造及制造形狀誤差（幾何精度）也會(huì)直接影響潛水推流器的使用效果和能效比。當(dāng)槳葉的尺寸和形狀誤差較大時(shí)，在水中旋轉(zhuǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)失衡會(huì)使功率消耗增大，同時(shí)會(huì)削減整機(jī)的使用壽命。

槳葉的設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地模仿國(guó)外產(chǎn)品的投影形狀，而應(yīng)嚴(yán)格按相應(yīng)的水力特性要求設(shè)計(jì)槳葉的幾何形狀，首先槳葉應(yīng)呈升力系數(shù)較大的翼型，同時(shí)還要兼顧槳葉的剛度和強(qiáng)度，將槳葉設(shè)計(jì)為空間曲面形狀，迎水面呈對(duì)數(shù)螺旋線形，所有圓弧的截面形狀為流線型，翼型安放角從根部到末端逐漸呈流線型，槳葉的尾部設(shè)計(jì)成較大的后掠角，可有效防止雜物纏繞。

即使成功地設(shè)計(jì)出槳葉的形狀，在制造過(guò)程中還必須嚴(yán)格控制（尤其是槳葉工作面）各部位的尺寸和形狀誤差（即保證槳葉的制造幾何精度）；保證槳葉的對(duì)稱與平衡，槳葉工作面必須光滑平整，只有這樣，才能有效將運(yùn)行費(fèi)用壓降到最低。

符合水力特性的槳葉作用于泥水混合液時(shí)，摩擦損失小，推流、攪拌效果好，生化池的表、中、底部污泥均能獲得較理想的流場(chǎng)和流態(tài)而不致沉淀淤積（至少是沉積很少），電耗大多用來(lái)做有用功，從而提高設(shè)備運(yùn)行時(shí)的能效比值。

4 滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)選型

軸承的設(shè)計(jì)選型直接關(guān)聯(lián)到設(shè)備的運(yùn)行可靠性及壽命，應(yīng)按照電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，合理選用相應(yīng)型號(hào)與規(guī)格的軸承，合理有效地布置軸承支點(diǎn)，這樣才能合理分布電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的受力，延長(zhǎng)軸承及減速機(jī)構(gòu)的使用壽命。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)所有的有關(guān)招投標(biāo)書(shū)對(duì)軸承的壽命有統(tǒng)一要求：連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)105h（即11.4年）。這其實(shí)是個(gè)誤區(qū)，因?yàn)?4h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的軸承壽命不可能很長(zhǎng)，更不可能負(fù)載高速運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)11年多了。

事實(shí)是，在設(shè)計(jì)選用軸承時(shí)，參照使用工況為24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、軸承預(yù)期壽命為105h的機(jī)械設(shè)備確定軸承壽命的計(jì)算系數(shù)，而絕非是軸承的使用壽命需達(dá)到105h。

5 起吊裝置的設(shè)計(jì)

起吊裝置單元是潛水推流器進(jìn)行安裝、保養(yǎng)、維修（護(hù)）時(shí)才用得上的裝置，起吊裝置的可靠性關(guān)系到生產(chǎn)和操作員的人身安全，因此絕不能輕視。

5.1 鋼絲繩和卷?yè)P(yáng)筒的設(shè)計(jì)

目前，污水處理廠采用的都是手動(dòng)卷?yè)P(yáng)起吊裝置，其卷筒的徑向尺寸與鋼絲繩繩徑尺寸都沒(méi)有按安全規(guī)范要求設(shè)計(jì)制造，所以斷繩的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

設(shè)計(jì)計(jì)算起重卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按起重工作級(jí)別的規(guī)范選用安全系數(shù)，計(jì)算鋼絲繩的破斷拉力；卷?yè)P(yáng)筒的徑向尺寸必須是鋼絲繩曲徑率的N倍以上。因?yàn)榫頁(yè)P(yáng)筒徑向尺寸過(guò)小，會(huì)造成鋼絲繩卷繞時(shí)的曲徑率過(guò)大產(chǎn)生形變而引起破斷，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

5.2 升降導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)

起吊裝置的升降導(dǎo)桿必須要保證有足夠的剛度和強(qiáng)度，若達(dá)不到要求，輕則會(huì)影響正常生產(chǎn)，重則會(huì)引發(fā)安全事故（如圖3）。因潛水推流器完全浸沒(méi)于水中工作，一旦起吊裝置的某個(gè)系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，只能將生化池清空后才能將潛水推流器起吊再進(jìn)行維修和安裝。

圖3 起吊機(jī)構(gòu)歪斜存在安全隱患

考察眾多污水處理廠發(fā)現(xiàn)，某些不良企業(yè)為非法牟利而坑害用戶，如升降導(dǎo)桿采用壁厚僅3.5mm的馬氏體不銹鋼管（如圖4），更為惡劣的是潛水推流器安裝支座采用壁厚3mm的馬氏體不銹鋼管，并在管內(nèi)灌注混凝土欺騙用戶。

圖4 起吊裝置升降導(dǎo)桿壁薄而折斷

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的水處理裝備目前在國(guó)際上很少有話語(yǔ)權(quán)，主要原因是：1）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求過(guò)低，因?yàn)樽鞣皇街圃炱髽I(yè)眾多，為了兼顧各方利益，提高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求很不容易，故難與國(guó)外產(chǎn)品相抗衡。2）很多裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平不高，具有自主創(chuàng)新并能代表我國(guó)特色的環(huán)保產(chǎn)品為數(shù)極少，大部分產(chǎn)品基本都是仿照的設(shè)備，而且制造質(zhì)量粗劣。

潛水推流器機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到電機(jī)、減速機(jī)、密封、起重等專業(yè)技術(shù)，應(yīng)從各方面作詳細(xì)、周密的考慮、計(jì)算和校核，通過(guò)不斷創(chuàng)新、改進(jìn)或突破，使國(guó)產(chǎn)的潛水推流器不斷地優(yōu)化升級(jí)，延長(zhǎng)使用壽命，無(wú)故障運(yùn)行累計(jì)時(shí)間至少達(dá)1.8萬(wàn)h，（即2年以上），有效改善泥水混合液的流場(chǎng)和流態(tài)，防止淤泥沉積。

目前我國(guó)自主研發(fā)的同類產(chǎn)品“新型潛水推流器”已達(dá)到了世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，這種新型的潛水推流器能適應(yīng)市場(chǎng)需求并受到了用戶歡迎，其質(zhì)量可與國(guó)外產(chǎn)品媲美，提升了國(guó)產(chǎn)環(huán)保產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

張?chǎng)午?，錢(qián)衛(wèi)霞.國(guó)內(nèi)外的潛水?dāng)嚢铏C(jī)和倒傘曝氣機(jī)能效比較[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2006（12）：28-30.

Technical Discussion on Submersible Pusher Designing with High-efficiency

WANG Yue-ping1, WANG Chun-lan2, WU Tian-fu1
(1.Zhong Ye HuaTian Engineering & Technology Corporation MCC, Anhui Ma Anshan 243005, China; 2.Development Center for Machinery & Environmental Industries, Beijing 100823, China)

Pusher submersible’s main parts are introduced concern with safe-technology in this paper. Effects on vulnerability, operation-life and energy-consumption of Pusher submersible are analyzed. The important concerns during design ofPusher submersible’s major compenets are also proposed.

flowmakers; reducer; paddle; bearing; lifting device; life; energy efficiency ratio

X701

A

1006-5377（2015）12-0049-04