寶應(yīng)站清污機(jī)的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用實踐

祁 潔，劉 軍，王彥軍，劉 菁，楊紅輝，張少卿

（1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.曲阜恒威水工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

1 概 述

南水北調(diào)寶應(yīng)站工程位于寶應(yīng)縣氾水鎮(zhèn)境內(nèi)，作為南水北調(diào)東線一期工程，其主要作用是與江都站共同組成第一級抽水站，以滿足南水北調(diào)東線一期工程抽江水北送的要求，并可抽排里下河地區(qū)澇水。寶應(yīng)站抽水能力為100 m3/s，設(shè)置清污機(jī)橋長75.8 m，共計14 孔，中間10 孔布置回轉(zhuǎn)式清污機(jī)10臺，孔口寬度4.35 m，中間孔垂直安裝高度9.8 m（清污機(jī)底柵至清污橋板）。寶應(yīng)站自2005 年建成，多次參加調(diào)水及排澇運(yùn)行，由于地處里下河腹地，沿線河道內(nèi)水草較多，尤其是夏秋兩季草量巨大，設(shè)備經(jīng)多年連續(xù)長時間各工況運(yùn)行，發(fā)生了不同程度的故障，清污機(jī)性能和清污效果有待改進(jìn)。

2 原清污機(jī)存在問題及原因分析

2.1 工程基本情況和運(yùn)行工況

寶應(yīng)站前池設(shè)計最高水位2.25 m（黃海高程），最低水位為0.00 m，出水池設(shè)計最高水位8.23 m，最低水位為7.60 m，泵站設(shè)計水泵葉輪淹沒深度3.00 m。2019 年5-7 月，寶應(yīng)站滿負(fù)荷抽水抗旱，泵站進(jìn)水池平均水位0.11 m，平均揚(yáng)程6.75 m，平均抽水流量為132 m3/s。2021 年7-8 月排澇期間，進(jìn)水池平均水位2.78 m，揚(yáng)程4.60 m，平均流量105 m3/s。

2.2 清污機(jī)存在問題和改造情況

（1）荷載過大。攔截大量水草時相互纏結(jié)、吸水過重、耙齒較長，清污機(jī)齒耙提升污物時往往會過載，超過部件材料的許用應(yīng)力，則會造成斷裂、變形、脫軌等故障。

（2）部件磨損嚴(yán)重。寶應(yīng)站內(nèi)清污機(jī)齒耙管兩端立板磨損嚴(yán)重，立板螺栓孔磨損嚴(yán)重，水下部分鏈軌磨損嚴(yán)重，鏈條易脫軌。

（3）清污效率低。清污機(jī)打撈大團(tuán)水草時易打滾脫落，只能打撈上數(shù)根水草，打撈效率低。寶應(yīng)站下游河道中水草多為扁擔(dān)草，極易纏繞在柵條上，大量水草聚集在清污機(jī)前，如不能及時清除，將導(dǎo)致清污機(jī)柵前后水位差增大，運(yùn)行時水泵葉輪淹沒深度不能滿足葉片汽蝕要求，難以清除附著于單根柵條上的細(xì)小水草，易造成攔污柵堵塞，增大攔污柵前后水位差，減小流量，需要人工乘船清污，工作量大，危險程度高。寶應(yīng)站攔污柵前水草大量擁堵時，超出清污機(jī)工作能力，清污機(jī)過載，需停機(jī)反沖、逐步清理或吊機(jī)吊起攔污柵，清理水草才能使清污機(jī)正常運(yùn)行。

（4）結(jié)構(gòu)與安裝問題。清污機(jī)運(yùn)行一段時間后鏈條易松導(dǎo)致脫軌，需及時調(diào)整保證緊度。清污機(jī)安裝精度不高時，軸頭、軸套易磨損。鏈條無限位裝置，或限位裝置不可靠，易脫軌。

（5）其他問題。寶應(yīng)站清污機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，攔污柵在一定水位會出現(xiàn)振動。

針對上述故障和存在問題，陸續(xù)采用減速電機(jī)增大功率，更換并優(yōu)化齒耙，維修或更換鏈條，實施軌道、柵體、不銹鋼防脫鏈條和降速器等配套設(shè)備改造，但清污效果仍待提高，需進(jìn)一步降低故障率。

3 改造技術(shù)方案要點(diǎn)

本次技術(shù)改造，針對清污機(jī)存在問題，吸收以往維修改造經(jīng)驗，進(jìn)一步分析故障成因，研究改造技術(shù)方案。

3.1 增加清污機(jī)設(shè)備功率

影響清污機(jī)的主要因素為齒耙的負(fù)載，根據(jù)清污機(jī)的工況和故障來看，寶應(yīng)站的污物量較多，過柵流速較高，因此齒耙負(fù)載較大，且出現(xiàn)齒耙軸變形彎曲現(xiàn)象。增加清污機(jī)的功率可以相應(yīng)提高過載保護(hù)、鏈條、齒耙軸等強(qiáng)度，從而降低故障率。

寶應(yīng)站中間4孔清污機(jī)，孔口寬度4.35 m，垂直安裝高度9.80 m，齒耙長度4.06 m。齒耙間隔2.5 m，按4 道齒耙承載清污，包括將污物與柵條脫開并撈起時所有阻力，載荷依次為1.0 t、1.0 t、0.6 t、0.6 t 計算，則總載荷為3.2 t。以齒耙上輸送污物為研究對象，從能量轉(zhuǎn)換角度考慮，在單位時間內(nèi)有3.2 t 污物被輸送到高度12 m處，同時又有同樣多的污物從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)橐欢ㄋ俣鹊倪\(yùn)動，其中清污機(jī)設(shè)計線速度為0.1 m/s。考慮到清污機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢，可視為勻速運(yùn)動，運(yùn)行時間為120 s時求得清污有效功率為3.136 kW。

因?qū)殤?yīng)站污物量遠(yuǎn)大于設(shè)計量，考慮清污機(jī)實際運(yùn)行狀態(tài)存在各種摩擦阻力及運(yùn)行的非連續(xù)性和實際情況，安全系數(shù)按1.6 選值。清污機(jī)設(shè)備功率為5.02 kW，選擇減速機(jī)功率5.5 kW，減速比127.68，則輸出扭矩為4 690 nm。

3.2 改進(jìn)主軸支撐減少設(shè)備功率損耗

滑動軸承一般適用于低速重載工況的設(shè)備，清污機(jī)大軸轉(zhuǎn)速較低，徑向負(fù)載較大，滑動軸承適用于清污機(jī)，但是對設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)要求較高。當(dāng)2個軸座距離較遠(yuǎn)時，同軸度要求較高，因此2個軸承座在調(diào)整鏈條節(jié)距時必須一致。滑動軸承相對滾動軸承來說摩擦力稍大，滾動軸承可以選擇雙列調(diào)心滾子軸承，在保證其負(fù)載能力的前提下，2個軸承座的同軸度要求降低。

3.3 優(yōu)化牽引鏈條增加抗拉能力

升級傳動鏈條、鏈輪和過載保護(hù)，牽引鏈條將大軸扭矩轉(zhuǎn)化為齒耙的清污力，加大鏈板厚度和銷軸直徑可以提高清污機(jī)的清污能力，減低鏈板斷裂風(fēng)險，提高鏈條耐磨性。

原清污機(jī)鏈條采用125 mm 節(jié)距，5 mm 鏈板，16 mm 銷軸，使用過程出現(xiàn)鏈板拉伸變形、斷裂，安裝齒耙的銷軸易折斷等情況，問題在于牽引鏈條負(fù)載超過鏈板強(qiáng)度，而發(fā)生塑性變形，使鏈板拉長。安裝齒耙的銷軸不僅承受齒耙的自身重力、污物重力、齒耙摩擦力及污物拉力，還承受齒耙反轉(zhuǎn)扭矩，其他鏈節(jié)的銷軸起到連接鏈板的作用。

由于清污機(jī)是通過傳動鏈條將減速機(jī)的功傳到大鏈輪中，由大鏈輪對大鏈條牽引。當(dāng)清污機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，牽引鏈輪處的鏈條是受到拉力最大的地方。單側(cè)鏈條受力包括多支齒耙的自重、齒耙上的污物質(zhì)量、單邊鏈條的自重、污物由于水壓而附著在清污機(jī)柵條上對齒耙產(chǎn)生的阻力及摩擦力等，其中前3 項作為計算的依據(jù)。根據(jù)單片鏈板的受力與最大危險面的面積比值計算出鏈板的拉應(yīng)力，工況系數(shù)選取1.2，安全系數(shù)≥4 時為滿足要求［1-2］，根據(jù)計算結(jié)果初步選定8 mm 鏈板。安裝齒耙銷軸的設(shè)計參考齒耙自重、單耙最大污物量為主要計算依據(jù)，并附加工況系數(shù)，按照剪應(yīng)力來校核，滿足安全系數(shù)≥4 可視為滿足要求。通過初步計算選定18 mm銷軸，其余柵節(jié)的銷軸直徑相同。

原傳動鏈條采用31.75 mm 節(jié)距精密套筒滾子鏈，過載保護(hù)采用剪斷銷保護(hù)，鏈條和剪斷銷都與原減速機(jī)電機(jī)功率配套。功率提高以后，加大了傳動鏈條直徑，過載保護(hù)剪斷銷由14 mm 調(diào)整為17 mm，增加了齒耙的抗負(fù)荷能力，從而系統(tǒng)地提高清污機(jī)綜合機(jī)械強(qiáng)度、操作方便性及可靠性。

3.4 優(yōu)化柵體框架結(jié)構(gòu)及柵條柵架固定方式

原柵體采用2 道邊梁、3 道橫梁框架結(jié)構(gòu)，成中心對稱，上下2 道橫梁距離邊梁頂端300 mm，單節(jié)柵體寬4 622 mm，長3 200 mm，柵條采用卡栓鎖定在橫梁上，柵條與上下橫梁懸臂300 mm。新柵體結(jié)構(gòu)仍采用2道邊梁、3道橫梁框架結(jié)構(gòu)，橫梁與頂梁齊平。柵體寬度4 620 mm，長度調(diào)整為2 800 mm，以便于汽車運(yùn)輸。柵條采用焊接方式焊接到3道橫梁上，取消卡栓，可以保證齒耙的最大插柵深度。取消柵條懸臂部分，保證2節(jié)柵體的柵條上下對齊，減少因柵條間距偏差導(dǎo)致清理污物的額外阻力。攔污柵體按設(shè)計水頭差1.0 m 進(jìn)行校核，柵體采用實腹式梁，主橫梁使用工字鋼，材質(zhì)Q235B，清污機(jī)主橫梁受力分析按簡支梁考慮。通過剛性校核，可認(rèn)為清污機(jī)主梁已經(jīng)滿足剛度要求。

同時，加高加厚柵條截面并更換材質(zhì)，在保證柵條穩(wěn)定性的同時減少柵條橫向支撐，防止水草懸掛在橫向支撐上。原柵條采用扁鋼材質(zhì)Q235B，新清污機(jī)柵體扁鋼材質(zhì)采用不銹鋼304。柵條加高，可以保證齒耙內(nèi)齒的更大插柵深度，從而更便于清理附著于柵條上的水草、污物等。柵條加厚主要是為了取消橫向卡栓后保證柵條的橫向穩(wěn)定性，強(qiáng)度和穩(wěn)定性都滿足要求。

3.5 優(yōu)化組合清污耙齒

清污機(jī)運(yùn)行無水草阻水時，理論過柵流速等于平均抽水總流量除以理論過流面積，理論過流面積根據(jù)寶應(yīng)站清污機(jī)不同底坎高程測算為107.6 m2，求得理論過柵流速為1.22 m/s。當(dāng)泵站前池運(yùn)行水位降低到0.1 m，柵條堵塞面積為50%時，過柵流速增大為2.5 m/s?？紤]到部分清污機(jī)的底部輔助柵基本無法過流，實際過柵流速可能會更高一些，通過增加插柵深度，可以提高清污效率。在柵條高度增加的情況下，在齒耙設(shè)計和制作時可以控制齒耙內(nèi)齒的插柵深度，從而將2條柵條之間的水草、污物清理上來。

設(shè)計采用組合齒耙形式，合理布置各種齒耙形式［3-4］，充分發(fā)揮每種齒耙的清理效果，達(dá)到系統(tǒng)化清理柵體。目前回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的齒耙形式多樣化，主要有常規(guī)齒耙、雙內(nèi)齒梳柵齒耙、異形板梳柵齒耙、橡膠板梳柵齒耙、勾型齒耙、開刃齒耙等，每種齒耙針對性清理特定污物。寶應(yīng)站水草較多，其中扁擔(dān)草比例較高，草體成面條狀狹長，很容易掛到柵條上，單純的常規(guī)齒耙無法清理干凈柵條緊貼的水草。

采用多種齒耙組合形式：第一道采用常規(guī)齒耙，清理超過柵條間距較大的污物；第二道采用雙內(nèi)齒梳柵齒耙，可以清理部分掛在柵條上的水草，由于其內(nèi)齒距離柵條仍為6~10 mm，部分緊貼柵條上的水草還會有殘余；第三道齒耙可以采用橡膠板梳柵齒耙，橡膠板與柵條沒有間距，可以對柵條進(jìn)一步清理。另外，開刃齒耙，將柵條之間的水草切斷，防止清污機(jī)過載，勾型齒將大團(tuán)的水草扯拉分開清理。通過幾道齒耙的逐級清理，柵面可以清理干凈，而且清污機(jī)的負(fù)載也最小。

加厚齒耙軸和齒耙連接板，增強(qiáng)清污耙抗彎能力，采用不銹鋼材質(zhì)，有效減少銹蝕，新齒耙采用加厚管壁的無縫管，提高其剛度增加抗負(fù)載能力。齒耙擋板是齒耙安裝到鏈條銷軸的連接板，同時也是齒耙在左右軌道之間的定位板。原齒耙擋板為Q235B材質(zhì)，鏈條銷軸為不銹鋼材質(zhì)，齒耙擋板的安裝孔和銷軸存在一定的相對運(yùn)動。碳鋼材質(zhì)由于氧化腐蝕，安裝孔在長期銹蝕和受力作用下磨損較快，導(dǎo)致兩者之間間隙變大，使齒耙角度變化影響清污機(jī)效果。改用不銹鋼材質(zhì)可以有效減少銹蝕，同時厚度增加到12 mm，從而更好地保持齒耙性能。

3.6 優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)

清污機(jī)軌道是控制牽引鏈條運(yùn)動軌跡的部件，彎段軌道迫使?fàn)恳湕l發(fā)生變形，受力較大。此外，軌道還是控制齒耙清污角度的部件，因此承受齒耙對軌道的反轉(zhuǎn)扭矩和壓力。

首先對齒耙進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)力的平衡可以看出，下軌道底板受力要大于軌道上底板受力。根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算，在確定單耙最大清污量和齒耙自重后，可以依據(jù)軌道底板受力對軌道底板進(jìn)行校核計算。通過對底板校核計算選定軌道底板，同時由于鏈輪對軌道的碾壓，漆層破壞銹蝕較重，因此在軌道加裝不銹鋼墊板在一定程度上保護(hù)了底板，提高軌道耐磨性，延長使用壽命。另外，對于彎段部分軌道下底板受力較大，應(yīng)考慮多增加下底板支撐和防變形加強(qiáng)筋板，以保證軌道的整體強(qiáng)度。

3.7 降低清污機(jī)輔助柵高度

以泵站中間4 臺清污機(jī)為例，原清污機(jī)輔助柵較高約1.6 m，在實際使用過程中，這部分空間將被污物、水草堵滿，不能過水。寶應(yīng)站前池設(shè)計最低水位為高程0.00 m，其清污機(jī)底檻高程-5.00 m，1臺清污機(jī)過流高度5.0 m，輔助柵高度1.6 m，約占總過流面的32%，可見低水位運(yùn)行時對整個過流影響還是較大的。

新清污機(jī)設(shè)計時盡可能考慮降低輔助柵高度，減少固定阻水面，改善過流條件，從而降低過柵流速，也有利于減輕清污機(jī)負(fù)載，提高清污機(jī)的可靠性。新型清污機(jī)相對于原設(shè)計的改進(jìn)項目見表1。

表1 清污機(jī)相對于原設(shè)計的改進(jìn)項目

4 寶應(yīng)站應(yīng)用評價

通過優(yōu)化設(shè)計改造的新型回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，2021年11 月安裝在寶應(yīng)站4#孔位。試運(yùn)行時已將清污機(jī)底板長期堆積的污物夾雜的污泥等順利清撈，降低輔助柵高度起到顯著效果，緊密形橡膠梳柵板，完全能夠?qū)煸跂艞l上的水草、塑料袋等進(jìn)行梳理并清撈上來。2022 年寶應(yīng)站北延應(yīng)急供水和抗旱運(yùn)行時，改造后的4#清污機(jī)對附著于單根柵條上細(xì)小水草清理效果好，清污能力、清污效率、整機(jī)機(jī)械強(qiáng)度、運(yùn)行可靠性均達(dá)到改造效果。橫向比較其他未改造的清污機(jī)，4#清污機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、燥聲最小、電流穩(wěn)定，清污機(jī)柵前和柵后無明顯水位差。由此可見，相關(guān)設(shè)計改造可滿足低水位工況下正常運(yùn)行，改進(jìn)提高清污效能，保障低水位引水條件下泵站主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語

根據(jù)南水北調(diào)寶應(yīng)站的實際情況，從運(yùn)行工況影響、清污機(jī)結(jié)構(gòu)等角度分析原清污機(jī)存在問題，研究成因，進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計，全面提升清污機(jī)綜合性能。在動力和傳動方面，采用增加清污機(jī)設(shè)備功率，升級傳動鏈條、鏈輪和過載保護(hù)，改進(jìn)主軸支撐減少設(shè)備功率損耗等設(shè)計，增加了清污機(jī)整體強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，加固牽引鏈條以增加抗拉能力，優(yōu)化柵體框架結(jié)構(gòu)、柵條柵架固定方式、軌道結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步增加強(qiáng)度，設(shè)計新型橡膠梳柵板齒以解決水草品種細(xì)軟問題，采用組合清污耙齒以提高清污能力。寶應(yīng)站4#清污機(jī)試點(diǎn)實施，達(dá)到預(yù)期效果，為回轉(zhuǎn)式清污機(jī)在不同工況下的高效應(yīng)用，為水草較多、水草品種細(xì)軟的泵站清污選型，提供相關(guān)依據(jù)和參考。