可调式周边传动刮泥机的研制

姚爱萍，陈长卿，黄东明，张加清

（浙江省农业机械研究院，浙江 金华 321000）

随着我国对污水治理工作重视程度的不断提高，在污水处理领域的投入不断增大，对污水处理设备的需求数量也不断增加。污水沉淀是污水处理过程中的重要环节，排除污泥、撇渣的效果将直接影响水质处理。刮泥机是承担排泥、撇渣功能的主要处理设备，一般分为四大类：周边传动刮泥机（GA）、中心传动刮泥机（GZ）、桁车式刮泥机（GH）、链传动式刮泥机（GL）。适用于中大池径辐流沉淀池的主要是周边传动刮泥机[1]。目前大部分的周边传动刮泥机的刮泥装置分固定式和拖拽式两种形式。固定式的刮泥装置在工作中，如果遇到污泥板结过厚或障碍物产生过大阻力时，因刮泥装置固定无法自行调整，由此产生的过大扭矩会导致刮泥板或是刮泥装置变形甚至工作桥被顶起变形；拖拽式的刮泥装置在工作时，由于刮泥装置整体质量过小不能形成有效的刮除力，如遇到污泥板结或沉降过快时只能刮除厚度很小的污泥层，刮除速度跟不上污泥的沉积速度，从而导致污泥越积越多，出现刮泥板被污泥层抬起的情况。本设计为可调式周边传动刮泥机，调节装置能根据污泥的沉降速度和板结程度进行调节，给刮泥装置一定的预压力，以便能及时有效地刮除污泥；同时池底有大阻力障碍物时刮板能自行调节掠过障碍物，保证了刮泥时设备的安全，也能有效地减震。

1 主要结构及工作原理

可调式周边传动刮泥机整机结构如图1所示，由稳流筒2、中心支座3、工作桥4、撇渣板13、桁架5、刮泥板 12、落渣斗 8、溢流装置 6、驱动装置 10、电控系统9等组成。整机主要包括两个部分，即行走装置和刮泥装置。行走装置由驱动装置10、电控系统9、中心支座3和工作桥4组成。其中驱动装置通常由户外式电机，斜齿轮减速机，驱动箱体，钢芯包胶轮、传动轴、轨道清理器等部件组成；中心支座则包括回转支承、支撑座、集电装置等。刮泥装置包括槽钢支架15、刮泥桁架5、铰链16、压力调节器18、刮泥板12、聚氨酯行走轮20。工作桥4下部设有槽钢支架，槽钢支架上连接有刮泥桁架，刮泥桁架与槽钢支架通过铰链连接。刮泥桁架下端安装有刮泥板，呈弧形。刮泥桁架底部安装有聚氨酯行走轮。刮泥桁架与槽钢支架之间安装有压力调节器。

刮泥机的工作原理：刮泥机实际工作时，工作桥由安装在周边的驱动机构带动，绕安装在池中心支墩上的中心支座旋转，安装在工作桥上的刮泥装置在旋转过程中，将沉降在池底部的污泥刮向池中心的集泥斗。当刮泥板遇到污泥板结过厚或障碍物时产生过大阻力，当阻力对铰链产生的力矩大于刮泥装置下压力对铰链产生的力矩时，刮泥板连同刮泥桁架就会绕铰链转动，同时压力调节器上的弹簧也会被压缩，刮泥板就能自行调节掠过障碍物，保证了刮泥时设备的安全，也能有效地减震。一般当遇到污泥板结或沉降过快时只能刮除厚度很小的污泥层，此时当刮除速度跟不上污泥的沉积速度时，可以调节压力调节器上的调节螺母，使弹簧产生更大的压缩力，从而对刮泥装置施加更大的下压力，这样就能加大刮泥板的刮泥厚度，在刮泥机转速不变的情况下加快刮除速度，可及时有效地清除污泥。

图1 整机结构示意图

2 主要部件的设计计算

可调式周边传动刮泥机的设计开发过程采用了优化设计、模块化设计、人机工程学等设计方法。整机设计分别从动力源选择、传动装置设计、桥架设计、中心支承设计、调节装置设计等几方面入手，整机各项性能要求符合参数指标。

2.1 动力源选择

刮泥机动力源一般选用电机。本设计所需电机功率较小，采用交流电动机。为满足不同的输出轴要求和安装需要，同一类型的电动机可制成几种安装结构形式，并以不同的机座号来区别。各型号电动机的技术数据，如额定功率、满载转速、启动转矩和额定转矩之比、外形及安装尺寸等，经查阅有关机械设计手册或电动机产品目录[2]获得。

图2 刮泥装置示意图

2.2 传动装置设计

传动装置在原动机与工作机之间传递运动和动力，并籍以改变运动的形式、速度大小和转矩大小，传动装置的性能和质量对机器的工作影响也很大[3]。各传动形式各有特点：带传动的承载能力较小，传递相同转矩时结构尺寸较其他传动形式大，但传动平稳，宜布置在高速级（级数较高，传递相同效率时转矩较小）；链传动运转不均匀，有冲击，不适合于高速转动，应布置在低速级；蜗杆传动可以实现较大的传动比，尺寸紧凑，传动平稳，但效率较低，适合于中、小功率，间隙运转的场合；斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合；开式齿轮传动的工作环境差，润滑条件不好，磨损较严重，寿命较短，应布置在低速级。

合理的方案应保证工作可靠，并且结构简单，尺寸紧凑，加工方便，传动效率高和使用维护便利。根据刮泥机的工作特性，采用轴装式斜齿轮减速机直接带动轴旋转的方式，优点为结构简单，安装维修方便。

刮泥机设计的关键便是驱动功率的确定。为了保证刮泥机运行可靠和具有良好使用性能，必须计算出驱动刮泥机运转所需要的最小电机功率。根据文献[4～5]，可知半桥式周边传动刮泥机驱动功率包括中心支承旋转功率、行驶功率、刮泥功率三部分。

假设运行设备的总重为W，则作用在中心支承上的载荷W1为：

中心支承旋转阻力Pf和旋转功率Nf为：

式中：d1为支承钢球直径，m；f为轴承摩擦力臂，m；V1为轴承中心圆的圆周线速度，m/s。

行驶阻力Pβ和行驶功率Nβ为：

式中：μ为滚轮与轨道的摩擦系数；d2为行走轮直径，m。

刮泥阻力Pγ和刮泥功率Nγ为：

式中：Q1为刮泥机每转一周的时间内所沉淀的污泥量，根据给排工艺提供的 Q1=（100～150）m3/周；v 为污泥比重，一般v=1.03；μ1为污泥与池底的摩擦系数；V2为污泥刮板线速度，m/s，一般按刮臂的2/3直径处的线速度计算。

刮泥机运行时总阻力功率为

机械传动效率η=0.95（双级圆柱齿轮减速器效率0.95）

所以刮泥机最小驱动功率

如25 m池径半桥式周边传动刮泥机，有效深度为3.5 m，周边线速度为V=2 m/min，行走轮直径为d2=400 mm，可得刮泥机最小驱动功率N1为0.18 kW,故选用0.37 kW的减速机。

2.3 桥架设计

周边传动刮泥机桥架大致分三种结构形式：桁架梁最轻巧，但刚性较差；箱梁式结构耗材较多，但刚性好，外观美观；槽钢梁耗材也较多，刚性也较差，外形比较笨重。综合比较，选择箱梁式结构桥架。确定桥架宽度为1.28 m，高度0.5 m(不包括扶手栏杆)。

2.4 中心支承设计

采用四点接触球式回转支承代替平面圆柱轴承支承，其承受的轴向力、径向力和倾覆力矩均比平面圆柱轴承效果好。根据桥架的宽度和整机设备的质量，选用型号为010.30.560的回转支承。

2.5 调节装置设计

本设计为弥补固定式和拖拽式两种周边传动刮泥机的不足，设计为带调节装置的刮泥机构。安装在花架连杆与槽钢支架之间的压力调节器由调节螺母、缸筒、活塞、弹簧、止片组成，形似汽车上的避震器。压力调节器通过调节螺母使弹簧承受一定的压缩力，与之相连的刮泥桁架产生下压力。通过调节螺母可以实现下压力大小的调节。能根据污泥的沉降速度和板结程度进行调节，给刮泥装置一定的预压力，以便能及时有效地刮除污泥。同时池底有大阻力障碍物时刮板能自行调节掠过障碍物，保证了刮泥时设备的安全，也能有效地减震。

2.6 整机主要技术参数

驱动功率：0.37～1.5 kW

沉淀池直径：20～50 m

沉淀池有效深度：3～4.4 m

周边线速度：2～3 m/min

减速机型号：TFA型斜齿轮减速机

防腐图层厚度：150 μm

3 对比试验情况

本设计刮泥机为GA 25型可调式周边传动刮泥机，制作的样机在城市污水处理厂进行了运行测试。同型号不带调节装置的拖拽式周边传动刮泥机处理污水量为0.8万吨/天，而可调式周边传动刮泥机的处理量可达1万吨/天，处理效果提升了25%，刮泥效果显著提升。同尺寸的固定式周边传动刮泥机的桁架结构较为复杂，耗材多，而可调式周边传动刮泥机桁架结构结构紧凑，可节省材料达40%以上。由此还可节省整机的运行功耗，此型号固定式周边传动刮泥机驱动功率为0.55 kW，可调式周边传动刮泥机为0.37 kW，节电可达33%，节能效果好。

4 结论

（1）可调式周边传动刮泥机结构适用于城镇污水处理厂、工业污水处理中初沉池和二沉池以及其他行业辐流沉淀池，是一种高效的排泥设备。

（2）刮泥板采用对数螺旋曲线形式，刮泥效果好，对池底形状适应性强，可解决现有刮泥机的刮泥装置在阻力过大时不能自行调节、因自身质量过小而不能有效刮除板结、过厚污泥层的技术问题。

（3）计算表明，整机行走功耗和刮泥功耗都比较小，节能效果好。

（4）经济、生态效益：以企业生产直径25 m的周边传动刮泥机为例，生产成本13万元/台，市场销售价格20万元/台，一个小型制造企业一年内生产50台，年产值可达 1000万元，利税可达 130万元，效益显著。同时企业对产品的研究开发，将促进污水处理技术的发展，使污水得到进一步的控制，具有良好的生态环境效益。

[1]张大群.污水处理机械设备设计及应用[M].北京：化学工业出版社，1982：125-128.

[2]闻邦椿，张义民，鄂中凯.机械设计手册：第5卷[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]闻邦椿，陈良玉，巩云鹏.机械设计手册：第2卷[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]上海建筑设计院.给水排水设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997：368-369.

[5]韩志强，原培胜，李勇华.中心传动刮泥机驱动功率的计算方法[J].舰船防化，2008（1）：48-51.