一種無軸螺旋排砂裝置設計

摘 要：針對兩種傳統沉砂池提砂法、氣提提砂法和砂泵抽砂法所存在的易堵料，堵料后嚴重影響輸送系統，大塊顆粒吸入管和葉輪流道，使得泵轉速下降，葉輪磨損，使用壽命減短的問題，發明了一種無軸螺旋排砂裝置。該裝置具有輸送量大、能耗低、排料口不堵塞、操作簡便和經濟耐用等優點，本技術已在國內多個市政工程中得到成功應用。

關鍵詞：提砂；無軸螺旋；二次砂水分離；排砂；含水率

中圖分類號：TU892 文獻標志碼：A

0 引言

在污水處理廠預處理工程中，預處理的工藝流程主要包括污水先經過格柵和篩網濾走較大的懸浮固體物，然后進入沉砂池進行沉淀分離，最后砂池泥斗里的砂水混合物通過砂水分離器進行分離。其中沉砂的目的是利用無機顆粒與污水的比重差異，讓無機顆粒通過自重沉淀到池底以達到篩選分離的目的。沉砂池傳統的排砂方式一般分為兩種：一種為氣力提升泵法，另一種為砂泵抽砂法。

1 傳統排砂法存在的問題

1.1 氣力提升泵法存在的問題

氣力提升泵法是利用空氣提砂機將比重較小的物質抽吸至污水，比重較大的砂礫等固體物通過自重沉降到池底，然后利用壓縮空氣將沉降在池底的砂礫、污泥等密度較大的顆粒和污水混合物攪動起來，抽吸提升到砂水分離器。這種方法不僅適用于城市污水也可應用于工業廢水處理廠的旋流式砂池。

氣力提升泵法主要使用的設備是氣提泵，該設備輸送物料的方式為垂直輸送軌跡，運輸管道為密閉腔體。當氣力提升泵工作運行時，抽吸的空氣將作為載體帶動物料在腔體內快速流動，為確保物料在輸送管道內流動順暢，壓縮空氣必須保證一定的流動速度，若空氣流通不順暢使得載體失敗，物料無法正常移動，或空氣升力不足使得物料無法懸浮在運輸管道中，就會沉積在管道側壁造成物料堵塞成團。物料堵塞最直接影響就是物料淤積成團無法流通，使得運輸流程截止，造成整個運輸系統的癱瘓。一旦堵料發生中斷生產，造成的經濟損失也是無法估量的。

1.2 砂泵抽砂法存在的問題

砂泵抽砂法是將抽砂泵安裝到沉砂池砂斗內，砂泵抽砂后，用砂水分離器脫水，將砂渣外排，分離后的濾液回流至工藝流程中。

同氣提提砂法，在提砂過程中，大塊顆粒易堵塞吸入管和葉輪流道，使得泵轉速下降，葉輪磨損，使用壽命減短。

這兩種傳統的砂渣提取方法都具有較高的含水率，需要對砂和水進行二次分離。在抽砂過程中，傳統方法大部分的能量都消耗在提升水中，使得操作成本增高。傳統的攪拌式潛水泵的楊砂過程同樣易堵塞，造成設備損壞更換，從而使得操作成本增高。

為克服提砂泵（或空氣提砂機）在輸送物料時不均勻、易堵塞、物料回流至葉輪發生磨損所存在的不足，本文提出一種無軸螺旋排砂裝置。該裝置不僅能有效保證砂石的輸送效率，還可減少提砂泵堵料、耗能和葉輪易磨損的現象。

2 工作原理

該裝置采用無軸螺旋排砂機排砂，將無軸螺旋體依附于砂池內的積砂斗側壁安裝，角度由積砂斗側壁的急緩程度決定。通過無軸螺旋體旋轉時產生的撓性牽引力將積砂斗內的礫石攪動揚送至卸砂口，由于砂水摩擦系數的不同，砂礫借助螺旋體的機械升力向上運輸，水則通過重力作用部分回流至砂池，從而達到砂水分離的目的。此時得到的砂渣含水量較低，無需進行二次脫水即可由皮帶運輸機直接外運。

3 結構設計

如圖1所示，該裝置的工藝技術方案為：這種用于沉砂池砂斗內排砂的無軸螺旋排砂機，包括無軸螺旋體、導槽、軸承函和驅動裝置。其中無軸螺旋體由數段無軸螺旋焊接，并與其端部的傳動凸緣焊成一個整體。導槽包括管型槽，槽內壁嵌入耐磨襯條，導槽卸水段的槽體下側設置泄水孔。軸承函依靠導槽支持，承受螺旋運行時產生的徑向荷載和軸向荷載。驅動裝置包括電動機、減速器、聯軸器。

3.1 連接方式

沉砂池底部的砂斗與該設備的砂槽前端部分相連，砂槽依附于砂斗的側壁并且砂槽頂端開孔嵌入砂斗中，為保證設備運行時不移位需要通過二次澆注固定砂槽的方式來確保其穩定性。砂槽上表面設有落砂孔，便于砂斗內礫石流入揚砂通道。

這種連接方式減少了無軸螺旋排砂裝置前端進沙口與砂斗之間的連接空隙，使得沉砂池里的沙礫有效地落入導管前端的落砂孔。當無軸螺旋體通過旋轉產生的撓性牽引力將落砂孔內的沙礫攪動向上提升時，運走的沙礫導致落砂孔短暫地出現空洞，砂斗內的沙礫由于重力作用源源不斷地補進落砂孔，使得排砂過程連續進行。

3.2 砂槽的設置

砂槽前端固定在砂斗內部，與砂斗形成一個整體。砂槽由不銹鋼材料制成，包裹在無軸螺旋體外部，其長度由沉砂池內的最高液位決定。浸沒在水面以下的無軸螺旋體置于砂槽的封閉式腔體內，可以保證沉砂池內的水流擾動不會影響砂礫的輸送行程。水面以上的無軸螺旋體置于半封閉式砂槽內，既方便操作者觀察物料的運輸情況，也可減少設備的成本投入。

3.3 安裝角度

輸送量是衡量無軸螺旋排砂機輸送能力的一個重要指標，物料輸送量可粗略按下式計算：

由式（1）、（2）可以看出無軸螺旋排砂裝置的傾斜角與排砂輸送量是負相關關系。當無軸螺旋排砂機的安裝傾斜角度增加時，輸送能力是隨之迅速降低的。

因此，在滿足工作條件的前提下，無軸螺旋排砂裝置應盡量避免過傾布置。為提高輸送效率，砂槽和水平面的傾斜角α應控制在10°～30°。

3.4 砂斗的設置

沉砂池的砂斗是用來收集污水經過沉砂池自然沉淀后的砂礫。由于無軸螺旋體和砂槽是依附砂斗側壁安裝的。所以砂斗側壁的傾角設置與無軸螺旋排砂機的安裝角度一致，砂斗安裝設備一側的傾斜角α應控制在10°～30°。

砂斗非安裝一側的側壁傾斜角應盡量設置得較大，方便沉砂池內自然沉淀的砂礫落入砂斗，不會因為砂礫摩擦力而淤積在沉砂池池底無法滾落至砂斗。建議非安裝一側的側壁傾斜角控制在60°～90°。

由于砂槽前端固定在砂斗內部，與砂斗形成一個整體，所以在砂斗施工時，要求砂斗底部先預留好安裝孔洞的尺寸，待砂槽放入后，方可用混凝土二次澆筑固定。砂槽安裝時，應注意落砂孔的邊緣應與砂斗斗底水平平齊，若落砂孔邊緣高于斗底易產生積砂。

3.5 耐磨層的設置

由于無軸螺旋體會因為其自重而接近管腔下壁，所以在砂槽的下壁上會設有一層耐磨層，從而可以通過耐磨層來緩沖無軸螺旋體與管道之間的磨損；而耐磨層也可以填補軸向之間的間隙從而增加摩擦力，防止提升過程中礫石滑動回流。

3.6 泄水孔的設置

導槽包括管型槽，槽內壁嵌入耐磨襯條，導槽卸水段的槽體下側設置多個直徑為1mm左右的泄水孔。

當砂礫輸送至導槽卸水段時，由無軸螺旋體帶出的砂水混合物中的水，一部分由于重力作用通過導槽回流至沉砂池，一部分通過泄水孔濾出至沉砂池。由于砂渣含水量低，可直接外運，解決了砂水二次分離和提砂效果不理想的問題。

結語

（1）這種無軸螺旋排砂裝置的優點是顯而易見的，由于包裹無軸螺旋體的砂槽為半封閉式的，且采用易于清洗的不銹鋼材料可保證所送物料不會受到外界污染，也不存在泄漏的隱患，因此環保性能好。

（2）該無軸螺旋排砂裝置輸送能力大，與相同直徑的有軸螺旋輸送機比較，其輸送量為前者的1.5倍。轉矩大，耗能低，卸料口無堵塞。輸送距離長。操作簡單，經濟耐用。

（3）解決了常規技術提砂效果不佳，且需要對一次提砂成果進行二次砂水分離的問題，簡化了工藝流程。

（4）利用本發明無軸螺旋排砂裝置，可生產出符合國家行業標準GB/T 14521.7—1993《運輸機械術語 螺旋輸送機》、JB/T 7679—2008《螺旋輸送機 》的合格產品。

（5）本技術已在國內多個市政工程中得到成功應用。

參考文獻

[1]何靜旻，李緒忠.一種無軸螺旋排砂裝置[P]：中國，ZL 201320721640.2，2013-11-13.

[2]向東枝，徐余偉.螺旋輸送機設計參數的選擇和確定[J].水泥技術，2010，1（4）：29-33.

[3]左章華.一種螺旋輸送機的改進設計[J].包裝與食品機械，2014，32（3）：63-66.

[4]董萌，沈才華，謝文寧.大傾角帶式輸送機中傾斜系數k的確定[J].建筑機械，2007（7）：73-74.

[5]蔣利強，李正峰.新型螺旋輸送機用支撐裝置[J].起重運輸機械，2014（7）：48-50.

[6]翟曉晨，孟文俊，張曉寒.基于DEM的散料在垂直螺旋輸送機中的運動分析[J].起重運輸機械，2014（3）：49-52.