高效潛水推流器設計技術探討

王月萍，王春蘭，吳天福

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

高效潛水推流器設計技術探討

王月萍1，王春蘭2，吳天福1

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

簡介了潛水推流器的主要構成部件及技術原理，分析了導致常規(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計和選材時必須注意的技術關鍵點。

推流器；減速機；槳葉；軸承；起吊裝置；能效比

前言

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

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

國產(chǎn)潛水推流器普遍存在的共性問題有：

（1）運行不可靠，故障頻率高，使用壽命短。無故障連續(xù)運行的時間大多不足5000h，運行故障主要有機械密封損壞、減速機齒輪損壞、電機損壞、軸承損壞、槳葉水力構造不符合水力學特性且易折斷等。整機的平均壽命難超過2年，主要原因是密封機構布置不合理導致滲漏從而損壞了電機或減速機；齒輪制造選材不當及熱處理工藝存在問題，磨損極快，所采用的擺線針輪減速機不適應連續(xù)運行工況等，均導致整機的壽命縮短。

（2）起吊裝置不可靠，鋼絲繩易破斷。一些制造商為適應低價位競爭，偷工減料；另一方面，生產(chǎn)制造潛水推流器的企業(yè)技術人員很少懂得起吊裝置安全規(guī)范要求，不顧及安全性能，將卷揚筒徑向尺寸設計制作得很小，造成鋼絲繩的曲徑率與卷揚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造設計，不符合混合流體工況要求，導致推流、攪拌效果極差，造成生化池內的污泥沉積嚴重，最終只能停產(chǎn)清淤。

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

潛水推流器的機械系統(tǒng)主要由電動機、減速機構、密封件、水力構件（槳葉）、起吊裝置等構成。本文就潛水推流器各構成部分的可靠性、工作效率、能效比等方面的設計和制造進行了探討。

1 電動機的設計與選型

電動機是潛水推流器的動力驅動單元，目前國產(chǎn)潛水推流器多采用非標準電機，因為使用非標準電機可將電機定子和轉子設計成軸向尺寸大于徑向尺寸的結構形式，這種結構的潛水推流器從整機外觀看起來似乎較小，質量相對較輕，但因為采用的是非標準電機，因而能效比值較低，消耗相同的電能不可能達到相應的效果與效率。因為是非標準電機，除了制造單位的銘牌標識外，供貨商不向用戶提供功率及電機性能及任何權威單

位的檢測報告等，因而該類電機的市場價格通常很便宜，但功率卻是以小充大，魚目混珠，具有一定的欺騙性，造成市場無序競爭局面。

針對目前市場上現(xiàn)有潛水推流器的應用現(xiàn)狀，驅動電機應優(yōu)先選用國家鼓勵并獎勵使用的高效、節(jié)能標準電機，以達到節(jié)能、增效、降耗的效果。

2 減速機構的設計與選用

減速機構單元是潛水推流器的核心傳動部件，其直接影響潛水推流器的使用壽命，作為使用率100%的設備，潛水推流器全年都在不停歇地運轉，且要求連續(xù)運行穩(wěn)定、故障率低。

國內大多生產(chǎn)商在競爭中為提高中標概率，采用低價位的無序競爭，然而這種低價位往往是以選材不當、弄虛作假、偷工減料實現(xiàn)的，有的采用擺線針輪減速機欺騙用戶。擺線針輪減速機構的傳動方式是采用圓弧針齒（實際為銷軸）環(huán)向固定安裝在減速箱體內部，當潛水推流器不停歇、滿載荷運轉時，難免松動變形，圓弧齒形和銷軸針齒同時磨損，逐漸形成滑動嚙合，隨著磨損加劇，傳動效率逐日降低，最終導致?lián)p壞而中斷生產(chǎn)，使用壽命大多難以超過一年。也有的潛水推流器雖然采用了平行軸式齒輪傳動減速機構，但因齒輪設計制造時選材、熱處理工藝以及加工工藝均達不到規(guī)范要求，最終導致這種潛水推流器的使用壽命也達不到預期要求。

潛水推流器減速機構的設計，不應采用單齒嚙合傳動，應選用嚙合齒數(shù)多的傳動機構，最好是星輪傳動機構，因星輪傳動機構是多齒同時嚙合，即便是齒輪制造選材稍次，也不至于造成運行不到一年便損壞齒輪。

如黃石某污水處理廠選用的國外某品牌潛水推流器，它的減速機構采用的是兩級斜齒輪傳動，運行時間才4年，第二級減速傳動中的齒輪軸就損壞了（見圖1），這證明國外潛水推流器的使用壽命長并不一定長。

圖1 國外某品牌潛水推流器中損壞的齒輪軸

對于易損壞的零件，國內的用戶通常是采用修復或更換，國外公司本應該提供兩個小齒輪作為修復配件，或有正常的售后服務，但國外公司卻不提供配件，用戶只能重新采購更換設備。

因此，對于潛水推流器齒輪減速機構的設計、選材、制造精度和熱處理要求一定要嚴謹。減速齒輪的材質應選用優(yōu)質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，運行噪聲也相應降低。這樣潛水推流器傳遞效率大大提高，使用壽命也加倍延長，更重要的是不僅可為用戶節(jié)約運行費用，還可為用戶節(jié)省維修或更換零配件的再投資。

3 槳葉設計

槳葉單元是潛水推流器的核心水力構件，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。

關于槳葉的形狀，目前市場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），這種形狀的槳葉無優(yōu)良的水力特性構造可言，運行時耗能高、效率低，用于推流、攪拌的作用功能不大，無用功消耗大于有用功消耗。山東某污水處理廠應

用劣質潛水推流器證明，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1.5萬m3之多。

圖2 國內普遍采用的槳葉形狀

另外，槳葉的水力構造及制造形狀誤差（幾何精度）也會直接影響潛水推流器的使用效果和能效比。當槳葉的尺寸和形狀誤差較大時，在水中旋轉工作時產(chǎn)生的運動失衡會使功率消耗增大，同時會削減整機的使用壽命。

槳葉的設計不能簡單地模仿國外產(chǎn)品的投影形狀，而應嚴格按相應的水力特性要求設計槳葉的幾何形狀，首先槳葉應呈升力系數(shù)較大的翼型，同時還要兼顧槳葉的剛度和強度，將槳葉設計為空間曲面形狀，迎水面呈對數(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，槳葉的尾部設計成較大的后掠角，可有效防止雜物纏繞。

即使成功地設計出槳葉的形狀，在制造過程中還必須嚴格控制（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，才能有效將運行費用壓降到最低。

符合水力特性的槳葉作用于泥水混合液時，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和流態(tài)而不致沉淀淤積（至少是沉積很少），電耗大多用來做有用功，從而提高設備運行時的能效比值。

4 滾動軸承的設計選型

軸承的設計選型直接關聯(lián)到設備的運行可靠性及壽命，應按照電機和減速機構的結構形式，合理選用相應型號與規(guī)格的軸承，合理有效地布置軸承支點，這樣才能合理分布電機和減速機構的受力，延長軸承及減速機構的使用壽命。

多年來，國內所有的有關招投標書對軸承的壽命有統(tǒng)一要求：連續(xù)運行時間達105h（即11.4年）。這其實是個誤區(qū)，因為24h連續(xù)運轉工況下的軸承壽命不可能很長，更不可能負載高速運轉達11年多了。

事實是，在設計選用軸承時，參照使用工況為24h連續(xù)運轉、軸承預期壽命為105h的機械設備確定軸承壽命的計算系數(shù)，而絕非是軸承的使用壽命需達到105h。

5 起吊裝置的設計

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

5.1 鋼絲繩和卷揚筒的設計

目前，污水處理廠采用的都是手動卷揚起吊裝置，其卷筒的徑向尺寸與鋼絲繩繩徑尺寸都沒有按安全規(guī)范要求設計制造，所以斷繩的現(xiàn)象時有發(fā)生。

設計計算起重卷揚機構時，應嚴格按起重工作級別的規(guī)范選用安全系數(shù)，計算鋼絲繩的破斷拉力；卷揚筒的徑向尺寸必須是鋼絲繩曲徑率的N倍以上。因為卷揚筒徑向尺寸過小，會造成鋼絲繩卷繞時的曲徑率過大產(chǎn)生形變而引起破斷，導致安全事故的發(fā)生。

5.2 升降導桿的設計

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

圖3 起吊機構歪斜存在安全隱患

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，并在管內灌注混凝土欺騙用戶。

圖4 起吊裝置升降導桿壁薄而折斷

6 結語

我國的水處理裝備目前在國際上很少有話語權，主要原因是：1）產(chǎn)品標準要求過低，因為作坊式制造企業(yè)眾多，為了兼顧各方利益，提高產(chǎn)品標準要求很不容易，故難與國外產(chǎn)品相抗衡。2）很多裝置結構設計水平不高，具有自主創(chuàng)新并能代表我國特色的環(huán)保產(chǎn)品為數(shù)極少，大部分產(chǎn)品基本都是仿照的設備，而且制造質量粗劣。

潛水推流器機械系統(tǒng)的設計涉及到電機、減速機、密封、起重等專業(yè)技術，應從各方面作詳細、周密的考慮、計算和校核，通過不斷創(chuàng)新、改進或突破，使國產(chǎn)的潛水推流器不斷地優(yōu)化升級，延長使用壽命，無故障運行累計時間至少達1.8萬h，（即2年以上），有效改善泥水混合液的流場和流態(tài)，防止淤泥沉積。

目前我國自主研發(fā)的同類產(chǎn)品“新型潛水推流器”已達到了世界領先的技術水平，這種新型的潛水推流器能適應市場需求并受到了用戶歡迎，其質量可與國外產(chǎn)品媲美，提升了國產(chǎn)環(huán)保產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。

張鑫珩，錢衛(wèi)霞.國內外的潛水攪拌機和倒傘曝氣機能效比較[J].中國環(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