張延忠，崔 杰，王宏培，楊文潤

(1.河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊 050021；2.黃驊市五一機械有限公司，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，是引黃水揚水入白洋淀的關鍵工程，泵站設計流量30m3/s，泵站安裝7臺立式潛水軸流泵，水泵型號為1400QZ- 160，單泵設計流量5.16m3/s，揚程2.7m，葉輪直徑1200mm。引黃入冀補淀工程渠道全長482km，采用明渠自流輸水，河北段大部分利用原有渠道輸水，沿途會有大量漂浮的樹枝、雜草進入渠道。因此在泵站上游500m處設置一道攔污清污設施，用以攔阻水流中所攜帶的雜物[1- 2]，以保護泵站機組及輔助設施不受損害，保障泵站安全正常運行。

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。當前，水利工程輸水渠道污物主要利用抓斗式清污機或回轉式清污機進行清理[3]。抓斗式清污機一般需要人工輔助配合操作，其自動化程度和效率較低，難以應對渠道雜物較多情況，容易發(fā)生攔污柵堵塞而影響渠道正常輸水?；剞D式清污機能實現(xiàn)連續(xù)工作、自動控制，正在逐步取代抓斗式清污機而被廣泛應用[4]。但以往常規(guī)回轉式清污機孔口寬度一般在6.5m以下，而且孔口較寬的清污機采用寬孔聯(lián)體回轉式清污機[5]。寬孔聯(lián)體清污機設置中間豎梁來支承兩側柵體，豎梁寬約0.35mm，從而減小了有效過水斷面，且造成該范圍內(nèi)污物無法清理而留下死區(qū)[6]，不能保證輸水渠道污物及時安全清理干凈；在清污機跨中設置2條傳動鏈條，而中間鏈條極易被污物堵塞，影響清污效果甚至正常運轉。根據(jù)該泵站渠道清污機的基本參數(shù)及性能要求，鑒于目前回轉式清污機現(xiàn)狀，急需研制一種能在孔口寬度極大條件下運用且無中間清污死區(qū)的大跨度回轉式清污機，以保證引黃水能順利入淀，從而發(fā)揮引黃入冀補淀工程的作用具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 研制技術需求

2.1 清污機基本要求

根據(jù)工程運用特點，清污設備的設計制造滿足全年運行、頻繁清污、方便維護的使用要求。清污機為回轉鏈條式。清污機的結構和裝配型式合理簡化。攔污柵在設計水頭差1.8m時需具有足夠的強度和剛度，主梁變形應不大于主梁跨度1/800[7]，能有效保證格柵安全可靠運行；為達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集中荷載設計，為保證污物發(fā)生時清污機能正常運轉，在額定荷載下的最大變形量控制在齒耙軸長度的1/500以內(nèi)。

清污機機架采用容許應力較高的Q345B低碳合金鋼鋼板焊接而成，以保證機架強度和剛度滿足要求[9]；柵條采用SUS304不銹鋼；清污機鏈輪采用ZG35材料；齒耙、回轉板鏈、套筒滾子鏈板及聯(lián)接固件采用SUS304不銹鋼[10]；傳動軸采用無縫鋼管組焊，軸表面應鍍鉻，頸表面做抗磨損硬化處理。為保證設備強度和使用壽命，清污機橫撐不允許焊接，需一次性折彎成型。擺線針輪減速機與格柵導輪采用套筒滾子鏈傳動。清污機減速機及傳動機構采用水平布置，隱藏在機頭內(nèi)以保證美觀。為減少維護工作量，支鉸軸承、耙柵裝置的驅動機構軸承均采用低摩阻自潤滑滑動軸承。為防止雜物進入鏈條而影響設備的運行，回轉鏈條上設置不銹鋼擋板。清污機齒耙回轉至格柵底部，為防止污物從攔污柵底部流入下游渠道，格柵底部設計前柵。

2.2 清污機智能控制要求

清污機工作模式應與渠道來污量多少相適應，來污量大則需要增加清污機運行頻次，來污量小可減少清污頻次。如果渠道來污量小，而清污機啟動頻繁會導致清污過度，造成清污費用和運行成本增加；反之，如果渠道來污量大，而污物清理不及時，導致攔污柵堵塞嚴重，柵前后液位差過大，會加大泵站凈揚程和機組耗電量，還可能帶來安全隱患。因而，清污機運行采用智能化自動控制，根據(jù)渠道來污量的大小和攔污柵前后液位差的變化，確定清污運行模式，使得水泵機組和清污機運行總費用最低[11]。

3 清污機結構計算及技術方案

回轉式清污機以攔污柵為基體，組裝傳動裝置、牽引鏈條和清污齒耙，將攔污柵和清污機兩者有機結合為一體的固定式連續(xù)清污設備[12]。該設備運行平穩(wěn)、清污效果好、高效率低耗能、操作維護簡單，將電機水平布置于機頭內(nèi)部，這樣一來防護效果好，可清理接近洞口寬度的大型超長污物。清污齒耙間隔1.5m均勻布置在繞柵體回轉的板式滾子鏈上。在軸承座上設置調節(jié)螺桿，以實現(xiàn)兩側滾子鏈同步張緊調整[13]。

攔污柵孔口凈寬達8m，回轉式清污機采用單電機驅動，電機尺寸大、造價高，兩側鏈條同步性差，易造成安全銷切斷、卡阻，使清污機根本無法正常運行。因此，研制的新型清污機在保留回轉式清污機所有優(yōu)勢的前提下，利用2臺異步電機配合減速機驅動，在2臺電機中間配有彈性聯(lián)軸器，從而實現(xiàn)雙機同步。機架兩側2臺電機減速器同時運行，帶動兩側鏈條也同時運行，清污齒耙平滑進入柵條中，順利將污物清理。清污機采用雙電機布置較單電機布置動力分配更合理，能有力保證兩側鏈條同步運行。由于該攔污柵柵體寬度較大，機架主梁若采用普通工字鋼已無法滿足要求，因此改用由鋼板焊接而成的異形工字鋼作為主梁，這樣既能保證機架的整體剛度，又能保證過水有效斷面；機架底部代用鋼板焊接而成的箱體結構，能保證大跨度清污機運行時更加穩(wěn)定；齒耙管采用φ245×10無縫鋼管，以滿足齒耙梁強度及撓度要求。為保證新型清污機在設計條件下既安全可靠又經(jīng)濟合理，對主要結構和技術參數(shù)進行計算優(yōu)化[5]。

3.1 攔污柵主橫梁及柵條計算

3.1.1柵條穩(wěn)定性(為保守計，考慮跨中央作用集中荷載)

(1)

3.1.2主梁正應力(σmax)

(2)

式中，q—作用在主梁上的均布荷載，取值24.3kN/m；l0—計算跨度，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。主梁正應力 σmax=110N/mm2<160N/mm2；主梁剪應力τmax=26N/mm2<95N/mm2；主梁撓度fmax=9.5mm<9.7mm，主梁強度及剛度滿足要求[5]。

3.2 清污齒耙管計算

3.2.1單根齒耙管荷載(P)

(5)

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

經(jīng)計算P=3kN，考慮渠道來污不均勻性，為安全計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齒耙管正應力(σmax)

(6)

式中，P—作用在齒耙上的集中荷載，取值10×103N；l0—計算跨度，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)計算，齒耙管正應力 σmax=44N/mm2<160N/mm2；撓度fmax=7.8mm<14.7mm。由此可見，齒耙管強度及剛度滿足規(guī)范要求。

3.3 清污機驅動電機功率計算

清污機有效功率(N1)計算公式為：

(8)

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

經(jīng)計算，清污機有效功率N1=0.8kW，清污機摩阻功率根據(jù)經(jīng)驗取為N2=1kW。清污機所配電機功率N=2.5(N1+N2)=4.5kW?？紤]不可預見因素，電機功率留有適當安全余量，取N=8kW。

3.4 過載保護裝置設計

回轉式清污機設置有電機保護裝置和機械過載保護裝置；電機保護裝置具有短路保護、過載保護、缺相保護等功能，保證在設備出現(xiàn)故障后能自動停機并發(fā)出信號，能有效地保護電機不被燒壞；機械過載保護裝置是在傳動鏈輪中設有安全銷，能在清污機過載情況下瞬間切斷動力輸出，以達到預防傳動件被損壞的目的[14]，該裝置具有結構簡單、動作可靠準確、方便維護等優(yōu)點[15]。在以往清污機實際運用時，當安全銷被剪斷時，鏈輪與輪轂產(chǎn)生較大的作用力，導致配鉆孔發(fā)生錯位甚至變形，更換時不容易對孔，嚴重時配鉆孔變形甚至須更換整個機械過載保護裝置。新型清污機通過對原有機械過載保護裝置改造，采用鏈輪、輪轂設計多個配鉆孔方案解決這一問題，這樣一來大大簡化更換剪斷銷步驟，減少了更換操作的工時，延長了過載保護裝置的使用壽命，節(jié)約了運行維護成本。

3.5 輔助刮物裝置設計

新型清污機上部下方設置梳齒裝置，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，具有較大剛性及強度，工作可靠。通過大量調研，對以往清污機的梳齒裝置進行了改進，將梳齒裝置布置于清污機彎段處，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)品簡單實用，布置位置合理，清理效果更好。

4 清污機智能控制特點

為實現(xiàn)泵站運行現(xiàn)場的“少人值守，無人值班”新模式，清污機運行采用智能化自動控制。在渠道上設置5臺回轉式清污機，并在每臺清污機前后設柵差監(jiān)測儀1套，用于監(jiān)測攔污柵前后水位和控制清污機運行。清污機控制方式具備現(xiàn)地手動控制、自動控制和遠方控制切換功能，現(xiàn)地自動控制方式分液位差控制和定時控制和2種模式。

現(xiàn)地手動控制方式是通過現(xiàn)地控制柜面板的控制按鈕進行操作，以實現(xiàn)清污機的控制運行；液位差控制方式是通過采集攔污柵前后液位信號，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的啟停；定時控制方式是通過現(xiàn)地控制柜內(nèi)時間繼電器來實現(xiàn)清污機的定時運行，可根據(jù)實際情況及時調整清污機啟停時間和運行時間，以達到節(jié)能運行目的；遠方控制方式是通過泵站中控室自動化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)清污機的遠程控制?；剞D式清污機實際運用模式可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇適合的控制方式，一般情況下，手動控制方式的優(yōu)先級高于其他控制方式[16]，渠道來污量較大時可選用液位差控制方式，渠道來污量較小時可選用定時控制方式，清污機控制方式可根據(jù)渠道來污流量靈活選擇。

5 結語

根據(jù)本工程攔污柵孔口較大的特點設計研發(fā)了智能雙驅大跨度回轉式清污機，解決了以往使用寬孔聯(lián)體清污機存在清污死區(qū)的問題。通過對新型清污機主要結構和技術參數(shù)的優(yōu)化，使研制的新型清污機既結構安全又經(jīng)濟合理。最終新型回轉式清污機采用雙電機驅動，機頭布置緊湊隱蔽，既能保證美觀又方便維護；清污機機械過載保護采用多個配鉆孔方案，大大延長了過載保護裝置的使用壽命；改進了清污機輔助刮物裝置設計，簡單實用，清理效果更好。從實際運行效果看，新型清污機清污效果良好，運行可靠、維護方便、智能程度較高，有效保證了泵站運行可靠性和景觀區(qū)的環(huán)境美化，為泵站安全經(jīng)濟運行及管理提供了有力保障。