升降式输出轴减速机

浙江天鸿传动机械有限公司 龚学华



升降式输出轴减速机

浙江天鸿传动机械有限公司 龚学华

污水处理中有一称作曝气机的设备，需要立式安装大功率减速机配套，从使用节能和安全出发要求开发升降式输出轴减速机。如何满足功率和升降要求，是开发这种减速机的依据。该文详细论述了表曝机运行的安全性及其升降节能机构。

升降输出轴 减速机功率 升降行程与节能

减速机作为水处理设备的配套，整体称作表面曝气机，简称表曝机或曝气机。它的整体构造如图1所示。减速机部分，由减速机主体、输入电机和手控自控升降器组成；减速机通过机座用地脚螺栓固定在安装平台上。它所驱动的是曝气叶轮，由法兰联轴器连接。曝气叶轮由主轴和叶片组成。由减速机组成的表曝机整体，实际上是一种水力机械。当曝气叶轮以ω转速作圆周运动时，溅起大片水花与空气接触，使空气溶于水中，此一工艺过程称作曝气充氧。同时，叶轮转动的水泵效应产生动扬程和势扬程，推动水流流动。

图1 表曝机整体构造图

曝气叶轮的充氧效率，除了与叶片大小和叶轮转速有关外，与叶片在水中淹没深度有关。而且叶轮的淹没深度也影响水流推动力。开发升降式输出轴减速机，能根据污水处理要求手动或自动调节到最优位置。

1 升降式输出轴减速机

表曝机的曝气叶轮直径，常用2000～4000mm，相应输出轴转速58～30rpm。传动级数为3级。升降式输出轴减速机是在MTH3SV平行轴齿轮箱扩展改进而成。

表曝机的使用功率范围在22～160kW。

2 表曝机运行的安全性

作为污水处理的关键设备，表曝机必须不间断地连续运行，否则会中断污水处理进程。通常表曝机在户外使用，要充分考虑运行的安全性。图1中的曝气叶轮，据污水处理的工艺要求设计，应坚固耐用。减速机机座应有支撑减速机的足够强度。此外，需要减速机的安全性和输出轴连接法兰的可靠性。减速机由减速机本体和输入电机组成。

2.1 输入电机

输入电机常用三相异步电机，并应符合户外使用条件，且符合连续工作制S1的要求。防护等级不低于IP55，即防护灰尘和可用水冲洗。绝缘等级采用F级，最高耐温可达155℃。有的用户要求通过变频器调节（降低）电机转速和功率，宜采用SVPWM变频器。

2.2 减速机齿轮箱的安全选用

按工作条件，合理选用减速机的齿轮箱[1]，是表曝机运行的安全保证。下面以实例来说明齿轮箱的安全选用。

已知参数：减速机电机功率：P1=75kW；电机转速n1= 1500rpm；最大起动扭矩TA=720N·m；立式安装。曝气叶轮轴功率：P2=60kW；叶轮直径D=3m；转速n2=39rpm；工作制连续；环境温度40℃；室外安装(风速≥4m／s)；海拔高度1000m以下；减速器失效引起生产线停产SA=1.5。

选择齿轮箱的类型和规格：

2.2.1传动比计算

2.2.2确定额定功率

污水处理工作条件系数f1=2.0；原动机系数f2=1.0。则额定功率：

2.2.3检查起动扭矩

当峰值扭矩系数f3=1.25时

PN=180kW＞141.4kW

2.2.4确定热容量

不带冷却装置的MTH3型机号11的热容量PG1=149kW；环境温度系数f4=1.27；海拔高度系数f6=1.0；强制润滑系数f8=1.05；热容量系数f9=1.09，计算齿轮箱热容量。

P2=66 kW

说明齿轮箱可以不带辅助冷却装置。

3 升降式节能机构

升降式输出轴是这种减速机的一个创新，它适应了表曝机的节能要求。图2为表曝机在运行时的工况。

3.1 表曝机的水泵效应

3.1.1叶轮水泵扬程

叶轮在旋转时，叶片在离心力的作用下，把液流从径向摔出。除了曝气充氧，因叶轮封板中心设有导流孔，形成了离心泵直锥形吸入的水泵效应。径向式叶片的安装角βb2＝90°，由图2俯视图可见，绝对速度V2在圆周方向的投影等于圆周速度，Vu2＝U2＝V2cosα2，相对速度W2与轴面分速Vm2相等，W2＝Vm2＝V2sinα2。对于垂直进水，α1＝90°，Vu1＝U1＝V1cosα1＝0，叶片泵无限叶片方程改写为[2]：

叶轮的叶片由6～8片组成，采用小于1的滑移系数K来修正无限叶片的方程，即HT＝KHT∞。而以ηh表示水泵作用的水力效率，则曝气叶轮水泵的扬程表述为：

若以U2＝πD1n／60代入式，一般取ηhK＝0.5，考虑叶轮类水泵的效率η，则

式中，HT∞──无限叶片扬程，m；H──曝气叶轮扬程，m；n──曝气叶轮转速，rpm；D1──叶轮封板外径，m；g──重力加速度，m／s2；η──叶轮类水泵效率，%。

3.1.2叶轮水泵流量

叶轮水泵流量，可利用离心水泵原理[2]得：

式中，Q—提升流量，m3／s；B—封板出口宽度，m。

3.2 氧化沟流量与水头损失

表曝机用于循环流动的氧化沟[3]污水处理装置的关键设备，图3是双机四沟的氧化沟简图。根据需要也可以是单机双沟和三机六沟等形式。

图3 氧化沟简图和溶解氧控制

3.2.1氧化沟流量

流量等于氧化沟断面与流速乘积：

式中，QL──氧化沟流量，m3/s；B0──氧化沟宽度，m； H0──氧化沟水深，m；v──氧化沟流速，m。

3.2.2氧化届 沟水头损失

沿程水头损失，按流体力学的曼宁公式[4]：

式中，hL──氧化沟一周沿程水头损失，m；n0──粗糙系数，混凝土或砂浆抹面渠道，n0＝0.013～0.014；R──水力半径，m（断面积／湿周）；L──氧化沟表曝机一周行程长度，m。

局部水头损失[4]：

则沿程加局部总水头损失：

3.3 水泵效应的推流条件

3.3.1推流条件公式

据动量定律，推流条件是水泵作用的功率等于或大于氧化沟水流流动功率，即

3.3.2计算实例

已知：叶轮直径D=3m，叶轮封板直径D1=2.4m，封板出口宽度B=0.13m，转速n=40rpm，叶轮水泵效应效率取η=20%。

计算：按现行规范和规程，氧化沟流速宜大于0.25m／s，按v=0.3m／s计。常规的氧化沟最优断面[4]为深宽比H0: B0＝2:1，沟深取常用的H0＝1.2D，则H0＝3.6m，B0=7.2m。混凝土表面粗糙系数n0=0.0014。据式(1)、(2)、(3)、(6)可分别计算出H、Q、h、QL。

计算结果：HQ=0.258×0.985=0.254m4/s；

hQL=0.02×7.776=0.156m4/s，即HQ＞hQL

3.4 升降行程与节能

3.4.1升降行程

图3中，输出轴降至叶轮叶片上缘的最高水位，再低叶片淹没将没有曝气作用，下缘高于最低水位失去表曝机应有功能。最高水位与最低水位之差是叶片的轴向高度。根据叶轮的直径与水处理工艺要求，轴向高度在0.1～0.34m之间。输出轴升降行程±0.18m，即S=0.36m即可。

3.4.2升降调节与节能

主轴升降器可使叶轮叶片上下缘在最高水位与最低水位之间调节。污水处理优化理论认为：溶解氧分布应符合好氧（DO＞2mg/L）→有氧（0.5～2mg/L）→缺氧（0.2～0.5mg/L）→厌氧（0～0.2mg/L）的有机物降解规律。图3表明了每台表曝机的这样周期规律。理论计算，曝气机上游溶解氧趋近于0与溶解氧为2mg/L，节能24％[5]。只要调节升降器就能达到此目的。这可以通过氧化沟溶解氧测定仪，以电信号自动控制升降器调节曝气叶轮上下。

3.4.3水泵效应与节能

从推流条件实例证实，表曝机叶轮的水泵效应，可以推动氧化沟内水流达到0.3m/s流速流动。如果另行设置推流器推流，常用推流器的功率密度≥4W/m3，占表曝机常用功率密度（15 W/m3）的26.7％。可见表曝机的推流作用得以发挥，节能效果显著。

[1] 天鸿传动.减速机样本[Z].浙江天鸿传动机械有限公司, 2011.

[2] 刘竹溪，刘景植.水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社, 2006.

[3] 邓荣森.氧化沟污水处理理论与技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4] 陈文义.流体力学[M].天津：天津大学出版社,2004.

[5] 黄开坚.氧化沟竖轴表曝机的节能因素探讨[J].中国给水排水,2013(2)：99-102.