泵吸式排泥機設計

王 健

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410000）

1 埋管式排泥存在的問題及解決方案

在水處理系統中經常使用折板式絮凝池，水流在絮凝池內經過折板絮凝區、隔板絮凝區流至配水區的過程中，水流流速逐步遞減，在隔板絮凝區、配水區內，流速降低將產生絮凝體的沉淀而形成污泥，沉淀于池底。污泥清除時，定期打開排泥閥，泥水通過排泥管上間隔設置的孔進入，并經排泥管將泥水排出。

埋管式排泥存在的主要問題包括以下4 點：1） 排泥管之間、排泥孔之間均有一定間距，排泥不均勻，距排泥孔較遠處的污泥無法排出，較長時間后將形成污泥板結。2） 每根排泥管上的每個排泥孔到排泥管末端排泥閥的距離不同，因此每根排泥管上不同部位的排泥孔到排泥閥的水頭損失不同，遠端排泥孔的污泥更不易排出，運行一段時間后，排泥閥遠端的污泥將產生板結，導致遠端的排泥孔被堵塞。3） 因為排泥不均勻或排泥不暢導致排泥過程中的排水量大，排出的污泥含水率高，增大了后續的污泥處理規模，增加了污泥處理的建設造價和運行成本。4） 由于存在前述“污泥板結”“排泥孔被堵塞”等現象，大大增加了人工清除和檢修的工作量，因此需要將絮凝池放空后再由人工清理或檢修，不僅勞動強度大，而且會導致絮凝池的經常性停產。

解決方案：將池底污泥由底部排泥管排出方式，變更為由排泥泵從池底把污泥抽吸至池頂水槽排出方式，且在泵吸式排泥機上設置水面刮渣板。

2 泵吸式排泥機總體方案

2.1 排泥機組成及工作原理

如圖1 所示，泵吸式排泥機主要由排泥系統、大車、小車、電氣系統、縱向水槽、橫向水槽、檢修走廊和刮渣板等組成。排泥系統中的泵將污泥從池底抽排至橫向水槽，再重力流至縱向水槽排出。排泥泵的橫向移動由小車完成，縱向移動由大車完成。

圖1 排泥泵移動路線

2.2 排泥泵移動路線及排泥機動作順序

2.2.1 排泥泵移動路線

如圖2 所示，每次排泥或刮渣周期完成后排泥泵的停止位置均為點17，該點也是每次排泥或刮渣工作中排泥泵的起始位置。排泥工作中排泥泵的移動路線為前行Ⅰ→退回Ⅰ→前行Ⅱ→退回Ⅱ→前行Ⅲ→退回Ⅲ。前行路線上排泥泵工作，退回路線上排泥泵停止工作。排泥行走路線上刮渣板電動推桿斷電收回，刮渣板離開水面。具體施工內容包括以下7點：1） 前行Ⅰ：17→16→15→14→13→12→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1，此路線上排泥泵持續工作排泥。2） 退回Ⅰ：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16，此路線上排泥泵停止工作。3） 前行Ⅱ：16→19→20→2 1→22→23→24→25→26→27→28→29→30→31→32→33→34，此路線上排泥泵持續工作排泥。4） 退回Ⅱ：34 →33 →32 →3 1→30→29→28→27→26→25→24→23→22→21→20→19，此路線上排泥泵停止工作。5） 前行Ⅲ：19 →18，此路線上排泥泵持續工作排泥。6） 退回Ⅲ：18 →19 →16 →17，此路線上排泥泵停止工作。7） 刮渣工作中排泥泵的行走路線為前行Ⅳ→退回Ⅳ。此前行與退回路線上排泥泵停止工作。前行路線上刮渣板電動推桿通電推出，刮渣板進入水面，退回路線上刮渣板電動推桿斷電收回，刮渣板離開水面。前行Ⅳ：17 →16 →19 →18，此路線上排泥泵停止工作，刮渣板電動推桿通電推出。退回Ⅳ：18 →19 →16 →17，此路線上排泥泵停止工作，刮渣板電動推桿斷電收回。

2.2.2 排泥機動作順序

排泥機動作分為排泥工作周期和刮渣工作周期2 個階段，排泥和刮渣工作需要排泥泵、大車、小車和刮渣板推桿協調動作才能順利完成，具體動作順序見表1。

表1 排泥工作周期動作順序表

圖2 泵吸式排泥機

2.3 排泥系統

排泥系統由排泥泵、連接管道、橫向水槽與縱向水槽等組成，具體安裝方法包括3 點。1） 排泥泵。采用潛水泵排泥，通過平衡桿及輸泥管道固定在小車上。2） 橫向水槽。頂部水平，底部為斜面，安裝于大車上。3） 縱向水槽。頂部水平，底部為斜面，安裝于配水區外側池頂。

2.4 大車

大車主要由橫梁、端梁、驅動機構、導行機構和檢修走廊等組成。1） 橫梁。大車橫梁采用槽鋼、不銹鋼板拼焊成箱梁形式。2） 端梁。采用槽鋼制作。3） 驅動機構。采用“三合一”傳動裝置，減速機直接套裝在車輪軸上，結構緊湊、重量輕、加工件少。大車主要技術參數：軌距、軌長、車輪外徑、運行速度、車輪軸轉速。采用變頻調速與斜齒輪蝸桿減速機聯合減速，變頻電機調頻范圍5 Hz～50 Hz，為恒功率調速。4） 軌行機構。軌行機構包括軌道、安全機構等，軌道采用標準鋼軌。5 ）檢修走廊。檢修走廊擬采用熱鍍鋅鋼格板。

（續表）

2.5 小車

小車車架采用槽鋼制作，采用集中驅動方式。小車技術參數：軌距、軌長、車輪外徑、運行速度、車輪軸轉速。采用變頻調速與斜齒輪蝸桿減速機聯合減速，變頻電機調頻范圍5 Hz～50 Hz，為恒功率調速。

2.6 刮渣裝置

刮渣裝置主要由24 V 直流電動推桿、刮板總成組成。刮渣工作時，電動推桿通電推出，刮渣板進入水面；停止刮渣時，電動推桿斷電收回，刮渣板離開水面。

2.7 供電系統

采用市政供電，將380 V 市政電源接至池邊，通過滑觸線供電。

2.8 控制系統

操作方式采用現場操作與遠程操作相結合的操作。運行模式有2 種。模式1：半自動運行模式，即操作人員根據泥位情況啟動設備，排泥機完成一個排泥周期后自行停止運行。模式2：全自動運行模式，即在池底多個位置安裝泥位測量裝置，達到泥位設定值時，設備自動啟動，完成1 個排泥周期后自行停止運行。控制方式：采用坐標與測距雷達相結合定位方式和PLC 控制。

3 大車、小車校核計算

為了防止大車、小車輪子打滑現象出現，需要按照如下計算公式分別進行校核計算。

3.1 運行阻力Fj

式中：Fj-在直線軌道上穩定運行的靜阻力，N；Fm-摩擦阻力，N；Fp-坡道阻力，N；Fw- 風阻力，N。

3.1.1 摩擦阻力Fm

滿載運行時最大摩擦阻力摩擦阻力Fm

式中：Fm-摩擦阻力，N；Q-起升載荷，N；G-自重載荷，N；f- 滾動摩擦系數，mm；μ-車輪軸承摩擦系數；d-與軸承相配合處車輪軸的直徑，mm；D-車輪踏面直徑，mm；β-附加摩擦阻力系數。

3.1.2 坡道阻力Fp

式中：i-軌道坡度。

3.1.3 風阻力Fw

式中：Fw-風阻力，N；C-風力系數；Kh-風力高度變化系數；q-計算風壓，N/m2；A-迎風面積，m2。

3.2 電動機選擇

3.2.1 電動機的靜功率

式中：Pj-電動機的靜功率，kW；Fj-在直線軌道上穩定運行的靜阻力，N；v0- 初選運行速度（m/s）；η- 機構傳動效率；m-電動機個數。

3.2.2 電動機初選

式中：P為電動機功率，kW；Kd為功率增大系數。

3.3 起動運行驅動輪打滑驗算

起動時不打滑，需要滿足如下條件[1]，如公式7 所示。

式中：ψ- 粘著系數；K-粘著安全系數；μ-軸承摩擦系數；d-軸承內徑，mm；D-車輪踏面直徑，mm；Rmin-驅動輪最小輪壓，N；Tmg-打滑一側電動機的平均起動轉矩，N·m；k-計及其他傳動件飛輪矩影響的系數；J1-電動機轉子轉動慣量，kg·m2；J2-電動機軸上帶制動輪聯軸器的轉動慣量，kg·m2；a-起動平均加速度，m/s2；i-減速機傳動比。

3.4 平穩運行驅動輪打滑驗算

平穩運行時驅動輪不打滑，需要滿足如下條件，如公式8所示和公式9 所示。

式中：μ-鋼與鋼的摩擦系數；F摩為驅動輪與鋼軌之間的摩擦力，N；FN-驅動輪正壓于大車軌道上的總壓力，N；Fj-在直線軌道上穩定運行的靜阻力，N。

4 結語

該泵吸式排泥機通過大、小車在軌道上的行走帶動排泥泵在池底按預先規劃好的路徑在池底移動，其路徑、移動速度以及泵的啟停通過PLC 可編程控制器來進行調整和控制，路徑根據池體結構尺寸和形狀而變化，移動速度根據池底泥量、排泥泵流量等參數而定，并依據吸泥的工藝要求控制排泥泵的啟停，力求排泥泵運行路徑最短、池底清泥效果最佳、消耗電能最少。由于排泥泵在池底移動并連續吸泥，可以保證池底所有沉淀污泥全部清除干凈，解決了埋管式排泥存在的一系列問題。刮渣板安裝在大車上，可以通過提升機構將其提升使其底部離開水池水面或下放使其底部沒入水池水面，在刮渣工序開始時將其底部沒入水池水面，并隨大車移動將水面浮渣撇入存渣斗排出。該機的設計重點在于排泥泵和刮渣板的移動路徑規劃與實現方式確定，以及大車、小車校核計算。