水電站清污機(jī)改進(jìn)技術(shù)探討和實(shí)踐

何斌生

摘? 要：該文簡述了水電站清污機(jī)活動(dòng)耙有效開口技術(shù)的探討和技術(shù)改善問題。筆者通過觀察傳動(dòng)裝置及活動(dòng)耙的結(jié)構(gòu)，提出了縮短清污機(jī)活動(dòng)耙中的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R的改進(jìn)方案，并對清污機(jī)在改善方案中的傳動(dòng)裝置、機(jī)械零部件強(qiáng)度進(jìn)行校核驗(yàn)算，以確保機(jī)械零部件的使用安全。通過技術(shù)改善提高了清污機(jī)工作效率，提高33%，并收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：水頭損失;清污機(jī)活動(dòng)耙有效開口;清污機(jī)傳動(dòng)零件的校核

中圖分類號：TV73? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

大埔縣三河壩水電站是梅潭河梯級開發(fā)規(guī)劃中的最末一級電站。地處該河的出口，該站壩址以上集雨面積為1 603 km2，河流全長為137 km，沿河的垃圾隨河水匯集于水電站的攔污柵前，帶來嚴(yán)重的水頭損失。為此，該站在上級領(lǐng)導(dǎo)的重視和關(guān)懷下，安裝了1臺(tái)自動(dòng)清污機(jī)。使用后，柵前垃圾由于清污機(jī)的經(jīng)常清理而收到了一定的效果，挽回了損失。由于該清污機(jī)活動(dòng)耙的有效開口過小，只有670 mm，如圖1所示，按圖紙活動(dòng)粑轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（即有效開口）為1 000 mm。該清污機(jī)存在粑裝不滿垃圾、效率低和清污時(shí)間長等缺陷。

1 清污機(jī)的結(jié)構(gòu)與開口

清污機(jī)開合機(jī)構(gòu)使用的電動(dòng)機(jī)型號及參數(shù)如下：

JB3074-82;YI32M2-6;額定轉(zhuǎn)速960 r/min;額定電流：12.1 A;額定電壓：交流380 V。

當(dāng)操作活動(dòng)耙開啟時(shí)，實(shí)測電動(dòng)機(jī)電流為11.5 A～12.1 A，活動(dòng)耙有效開口為670 mm。由此可知：活動(dòng)耙有效開口仍大有潛力可挖，但應(yīng)顧及電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力。為此，筆者通過觀察傳動(dòng)裝置及活動(dòng)耙的結(jié)構(gòu)，提出改進(jìn)方案。1）縮短移動(dòng)塊撞頭的間距以增長螺桿的有效行程，增大活動(dòng)耙的開口，如圖2所示。2）縮短活動(dòng)耙中的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R，如圖3所示，根據(jù)相似三角形原理，也可以使活動(dòng)耙開口增大。

根據(jù)方案1）：將撞頭的間距由130 mm縮短為40 mm，活動(dòng)耙有效開口增大了180 mm。

根據(jù)方案2）：預(yù)計(jì)活動(dòng)耙轉(zhuǎn)動(dòng)半徑由原來的650 mm縮短為450 mm（如圖3所示），但此時(shí)的d'鋼絲繩的長度L'將小于d鋼絲繩的長度L，即移動(dòng)塊走同一行程時(shí)，活動(dòng)耙有效開口較大。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩做功的定義公式：

W=M（ΦB-ΦA(chǔ)）=F·R·θ

式中：W—轉(zhuǎn)矩功率（Kgf·m）;M—力對轉(zhuǎn)軸的力矩（Kgf·m）;（ΦB-ΦA(chǔ)）—活動(dòng)耙開合弧度差（度）;F—鋼絲繩拉力（N）;R—轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（m）;θ—活動(dòng)耙開口角度。

減小了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R，在活動(dòng)耙開同一開口時(shí)（即θ角一樣時(shí)），要完成相等的功W，必須增大拉力F。此力通過鋼絲繩加在移動(dòng)塊上，最終負(fù)荷加給電動(dòng)機(jī)，并使其過載。

為了使電動(dòng)機(jī)不致過載可采取增大傳動(dòng)裝置的從動(dòng)輪直徑（由Φ375 mm更換為Φ530 mm）的方法，使其轉(zhuǎn)速降低，即移動(dòng)塊速度減慢。根據(jù)功率公式：

有：

式中：Pd—電動(dòng)機(jī)工作功率，Pw—工作機(jī)所需功率，指輸入工作機(jī)軸的功率，ηa—由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率，F(xiàn)—工作機(jī)的阻力，ηw—工作機(jī)的效率）以及速度公式

由此得出：在不更換電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)形式時(shí)，由于從動(dòng)輪直徑增大，轉(zhuǎn)速降低移動(dòng)塊速度v減小，力F必然增大。

上述增大從動(dòng)輪直徑，使力增大的增量ΔF=F2-F1與減小活動(dòng)耙半徑鋼絲繩拉力增大的增量ΔF '=F2'-F1'能夠抵消，是保證電動(dòng)機(jī)不過載的前提。同時(shí)，上述的增量與原有的力迭加，均由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械零部件承擔(dān)，因此必須對其進(jìn)行必要的強(qiáng)度等驗(yàn)算。并驗(yàn)算小輪包角，確定中心距、皮帶根數(shù)等。

改進(jìn)的立足點(diǎn)是：用較少的經(jīng)濟(jì)開支，達(dá)到同樣開度增大的效果。后1種較為經(jīng)濟(jì)，并且經(jīng)過驗(yàn)算能保證機(jī)械零部件的使用安全，因此采用后1種方案實(shí)施。

2 清污機(jī)改進(jìn)的計(jì)算及傳動(dòng)零件強(qiáng)度的校核

2.1 預(yù)算改進(jìn)后活動(dòng)耙開口的效果

在圖4中：值為原活動(dòng)耙開口弧長;670 mm為原活動(dòng)耙有效開口;ob值為原鋼絲繩到轉(zhuǎn)軸的距離;OB值為活動(dòng)耙轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;ob'值為縮小鋼絲繩至轉(zhuǎn)軸的距離。

2.1.1 用相似三角形原理作近似計(jì)算

據(jù)實(shí)測知：移動(dòng)塊行程與活動(dòng)耙開口（弧長）有成倍的關(guān)系。即縮短活動(dòng)耙鋼絲繩位置到轉(zhuǎn)軸的距離后，移動(dòng)少走79 mm的行程，弧長即可增加到158 mm，達(dá)到同樣的開口效果，折為弦長（即有效開口）為：

則

占總開口的80.4%，即由原來的占總開口的63.8%提高到80.4%。

2.1.2 縮短撞頭的間距

移動(dòng)塊的撞頭間距由130 mm縮為40 mm，則活動(dòng)耙開口約增大180 mm，即再提高約18%的開口。

綜上2項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，即可把活動(dòng)耙的有效開口打開至約98.4%。

2.2 求鋼絲繩的力（F1）和鋼絲繩拉活動(dòng)耙的力（F2）

2.2.1 求電動(dòng)機(jī)工作功率

根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)工作功率為：

式中：PW—工作機(jī)所需功率，指輸入工作機(jī)（這里即活動(dòng)耙）軸的功率，kW;ηa—由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。

根據(jù)工作機(jī)所需工作功率為

式中：F—工作機(jī)的阻力，N;V—工作機(jī)的線速度，m/s;ηw—工作機(jī)的效率。

由以上兩式有

式中：ηa=η1.?????η2.η3

式中：η1，?????η2，η3分別為帶傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承、螺旋副的傳動(dòng)效率。

取η1?????=0.9，η2=0.98，η3=0.4，則ηa=0.353

從（圖5）升角效率曲線圖λ知：當(dāng)螺紋升角為4゜22'時(shí)，螺旋副效率為40%，即0.4。

帶傳動(dòng)的效率一般為0.96，取0.9;滾動(dòng)軸承的效率為0.98～0.99，取0.98。

工作機(jī)活動(dòng)耙的效率：ηW=η4.η5。

式中：η4，η5分別為活動(dòng)鉸鏈和固定鉸鏈的傳動(dòng)效率。因其傳動(dòng)效率高，可忽略不計(jì)。

根據(jù)公式

式中：L—行程開關(guān)的間距，實(shí)測為0.45 m。

t—移動(dòng)塊走全行程所需時(shí)間，用機(jī)械秒表實(shí)測為6 s。

則V=0.075 m/s

由

得

此力（F1）即為電動(dòng)機(jī)傳遞給移動(dòng)塊的力。

2.2.2 計(jì)算力對轉(zhuǎn)軸的力矩

根據(jù)公式：

M=F·R （1）

式中：M—力對轉(zhuǎn)軸的力矩（N·m）; F—對轉(zhuǎn)動(dòng)物體的切向力（N）; R—轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（m）（注：R值實(shí)測為0.64 m）。

（2）

式中：W—鋼絲繩拉活動(dòng)耙所做的功。

（φB-φA）—活動(dòng)耙開合弧度差。

W =Pw·t=Pd·ηa·t （3）

式中：Pd—電動(dòng)機(jī)的功率，kW。即

由式（2）有：

由式（1）有：

此力F2即為活動(dòng)耙通過鋼絲繩加在移動(dòng)塊上。

2.3 求移動(dòng)塊推鋼絲繩的力F1'和鋼絲繩拉活動(dòng)耙的力F2'

2.3.1 實(shí)測舉例

根據(jù)改進(jìn)設(shè)想有：

此時(shí)實(shí)測開啟活動(dòng)耙電動(dòng)機(jī)電流為13.3 A～14.4 A，超過其額定電流的19%?？紤]到工作條件和使用壽命，宜作更換Φ530mm從動(dòng)輪的配套改進(jìn)。

2.3.2 計(jì)算改變后的傳動(dòng)比

改變從動(dòng)輪直徑（增大），其轉(zhuǎn)速降低給移動(dòng)塊推鋼絲繩的力（F1'）增大，此改變后的傳動(dòng)此 i為：

符合要求

根據(jù)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)公式：

式中：d1，d2為主，從動(dòng)輪的直徑mm; n1，n2為主，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速rpm。

移動(dòng)塊走全行程所需的時(shí)間與從動(dòng)輪直徑的改變（即轉(zhuǎn)速）成反比。

因此

改變從動(dòng)輪直徑，移動(dòng)塊推鋼絲繩力的增量（ΔF1）為：

ΔF1=F1'-F1=3734.09-2641.49=1092.60kgf

改變活動(dòng)耙鋼絲繩位置后， 鋼絲繩拉活動(dòng)耙的力的增量（ΔF2）為：

ΔF2=F2-F2=3306.23-2273.02=1033.23kgf

∵ΔF1>ΔF2 ∴ 改變鋼絲繩位置后，電動(dòng)機(jī)既能夠拖動(dòng)活動(dòng)耙開啟，又不至于過載。因?yàn)槠淞Φ脑黾邮峭ㄟ^傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比的改變來實(shí)現(xiàn)的。但此力的增量將由傳動(dòng)裝置的零部件承擔(dān)，其是否安全有待驗(yàn)算。

2.4 螺紋牙的強(qiáng)度驗(yàn)算

對螺紋牙進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度校核，其危險(xiǎn)剖面處的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度條件為：

式中：Q—作用在螺旋上的軸向力; h—螺紋的工作高度; D—螺母螺紋大徑;b—螺紋牙底的寬度;Z—螺母的螺紋圈數(shù)。

2.4.1 求Q

由圖6得

式中：λ—螺紋升角;β—摩擦角;R—總反力;Q—軸向載荷。

根據(jù)

式中：S—導(dǎo)程;S—np;n—線數(shù);ρ—螺距;d—螺紋中距。對整體螺母：取H/d2=1.2～2.5。

式中：H—螺母高度，由清污機(jī)圖紙（圖號為G-2048-16代）查得：H=60 mm;由于工作時(shí)間短而間歇時(shí)間長，所以H/d2值取1.2。即

由圖查螺母型號為：T55×12-3，因此可知：P=12 mm，n=1，

∴S=np=1×12=12mm

將d2和S值代入公式得：λ≈4°22'<ρ=6

ρ=6°;R=F2'=3306.23kgf

∴Q=R·cos（λ+ρ）

=3306.23cos（4°22'+6°）=3255.15kgf=31900.47 N

2.4.2 求h

由h=0.5p=0.5×12=6mm。

2.4.3 求D

根據(jù)圖紙G-2048-18代，查得D=65mm。

2.4.4 求b

因?yàn)槭翘菪温菁y，因此b=0.65p=7.8mm。

2.4.5 求螺母的螺紋圈數(shù)Z

根據(jù)

得出Z=5圈

將上述所求參數(shù)分別供稿公式計(jì)算得：

QF=9.25N/mm2;τ≈4N/mm2

對青銅螺母的許用彎曲應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力分別為：

[OF']=40 N/mm2～60 N/mm2

τ=30 N/mm2～40 N/mm2

由此可知，改變后，螺母強(qiáng)度滿足要求。

2.5 耐磨性計(jì)算

螺紋工作表面的平均壓強(qiáng)為

式中：[P]—螺旋副的許用壓強(qiáng)。因?yàn)檫x用的螺桿為45鋼，未淬火的螺桿對青銅螺母取[P]=9 N/mm2，將所求參數(shù)代入公式計(jì)算得P=6.77 N/mm2。

∵P< [P]

∴滿足耐磨性的要求。

2.6 螺桿軸最細(xì)處強(qiáng)度驗(yàn)算

按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)

式中：d—軸最小處的直徑，mm;p—為軸所傳遞的功率kW;n—軸的轉(zhuǎn)速rpm;c—由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。

根據(jù)材料45鋼查表14-2得c=118

PD—電動(dòng)機(jī)的功率（kW），查電動(dòng)機(jī)銘牌知5.5 kW。

ηa—由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。

n1，n2—分別為主、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速rpm。

R1，R2—分別為主、從動(dòng)輪的直徑mm。

將上述所求參數(shù)代入公式計(jì)算得：d計(jì)算=24.67 mm

因?yàn)樵摻孛嬗墟I槽，因此將計(jì)算出的軸徑加大4%左右，即：d計(jì)算=24.67+24.67×4%=25.66 mm，園整為Φ26 mm。

由圖紙G―2048―18代查的螺桿軸最細(xì)處直徑為Φ38mm。即d實(shí)物>d計(jì)算。由此可知：改變后螺桿軸使用安全。

2.7 計(jì)算帶長及中心距，驗(yàn)算小輪包角

計(jì)算帶長及中心距，驗(yàn)算小輪包角（至于計(jì)算膠帶根數(shù)，確定單根膠帶的預(yù)拉力、軸上的徑向力從略）。

確定計(jì)算功率Pc ，校核改變后膠帶型號是否仍合適。

根據(jù)公式：Pc=KAP

式中：P—傳遞的額定功率，kW;? KA—工作情況系數(shù)。

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)反復(fù)起動(dòng)，正反轉(zhuǎn)工作，工作條件惡劣，因此KA取1.1。

∴PC=1.1×5.5=6.05 kW

根據(jù)計(jì)算功率和小輪轉(zhuǎn)速n1，查圖13-14知：推薦選用B型（GB1171—74）與原圖所選相同，不用改型號。

三角帶帶速度V

數(shù)值在5 m/s～25 m/s，因此符合要求。

2.7.1 計(jì)算帶長及中心距

根據(jù)公式

計(jì)算膠帶節(jié)線長度。

試選at=480 mm，將主從動(dòng)輪直徑數(shù)值代入公式計(jì)算得Lt=2073.78 mm

查表13-2取內(nèi)周長度=2 000 mm，節(jié)線周長Lp=2 040 mm，

實(shí)際中心距

即：雖然三角帶更換較原來長（由1 600 mm更換為2 000 mm），

但因受從動(dòng)輪直徑增大（由Φ375 mm更換為Φ530 mm）的影響，改變后的中心距比原來的中心距還?。ㄓ?70 mm變?yōu)?63.11 mm）。

2.7.2 驗(yàn)算小輪包角

根據(jù)公式

計(jì)算得a1=130°17'>120°

式中：d2—大帶輪基準(zhǔn)直徑，mm;d1—小帶輪基準(zhǔn)直徑，mm;a—中心距，mm。

∴符合要求。

3 改進(jìn)后的清污機(jī)善和效益

開啟活動(dòng)耙，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流為11 A，從而保證了電動(dòng)機(jī)不過載。

活動(dòng)耙有效開口為1 000 mm，達(dá)到了預(yù)算的效果，使清污速度提高33%，因清污時(shí)機(jī)組只能開空載都有利拉圾被清污耙爬起，不發(fā)出有功功率，按原來每次清污3 h計(jì)，全年每月平均3次，1年則合計(jì)36次，占用發(fā)電時(shí)間108 h。改進(jìn)后若節(jié)省清污時(shí)間36 h，多發(fā)電度9萬kW·h，按每千瓦時(shí)四角三分計(jì)，年可挽回不必要的經(jīng)濟(jì)損失3.87萬元，并相應(yīng)節(jié)約了人力和物力等，收到了一定的經(jīng)濟(jì)成效。

4 結(jié)語

筆者通過該清污機(jī)的改進(jìn)實(shí)踐，并經(jīng)過改進(jìn)后的實(shí)際操作使用證明：改進(jìn)是必要的，而改進(jìn)的方案、計(jì)算以及傳動(dòng)裝置零件強(qiáng)度的校核也是正確的。它對進(jìn)一步提高清污機(jī)的清污能力，充分發(fā)揮其清污作用，及時(shí)清除因垃圾造成的水頭損失以及提高發(fā)電量等，將起到積極的作用具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果。隨著設(shè)備的不斷完善、改造挖潛勢在必行。

參考文獻(xiàn)

[1]胡琴.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018.