泵吸式排泥机设计

王 健

（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410000）

1 埋管式排泥存在的问题及解决方案

在水处理系统中经常使用折板式絮凝池，水流在絮凝池内经过折板絮凝区、隔板絮凝区流至配水区的过程中，水流流速逐步递减，在隔板絮凝区、配水区内，流速降低将产生絮凝体的沉淀而形成污泥，沉淀于池底。污泥清除时，定期打开排泥阀，泥水通过排泥管上间隔设置的孔进入，并经排泥管将泥水排出。

埋管式排泥存在的主要问题包括以下4 点：1） 排泥管之间、排泥孔之间均有一定间距，排泥不均匀，距排泥孔较远处的污泥无法排出，较长时间后将形成污泥板结。2） 每根排泥管上的每个排泥孔到排泥管末端排泥阀的距离不同，因此每根排泥管上不同部位的排泥孔到排泥阀的水头损失不同，远端排泥孔的污泥更不易排出，运行一段时间后，排泥阀远端的污泥将产生板结，导致远端的排泥孔被堵塞。3） 因为排泥不均匀或排泥不畅导致排泥过程中的排水量大，排出的污泥含水率高，增大了后续的污泥处理规模，增加了污泥处理的建设造价和运行成本。4） 由于存在前述“污泥板结”“排泥孔被堵塞”等现象，大大增加了人工清除和检修的工作量，因此需要将絮凝池放空后再由人工清理或检修，不仅劳动强度大，而且会导致絮凝池的经常性停产。

解决方案：将池底污泥由底部排泥管排出方式，变更为由排泥泵从池底把污泥抽吸至池顶水槽排出方式，且在泵吸式排泥机上设置水面刮渣板。

2 泵吸式排泥机总体方案

2.1 排泥机组成及工作原理

如图1 所示，泵吸式排泥机主要由排泥系统、大车、小车、电气系统、纵向水槽、横向水槽、检修走廊和刮渣板等组成。排泥系统中的泵将污泥从池底抽排至横向水槽，再重力流至纵向水槽排出。排泥泵的横向移动由小车完成，纵向移动由大车完成。

图1 排泥泵移动路线

2.2 排泥泵移动路线及排泥机动作顺序

2.2.1 排泥泵移动路线

如图2 所示，每次排泥或刮渣周期完成后排泥泵的停止位置均为点17，该点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动路线为前行Ⅰ→退回Ⅰ→前行Ⅱ→退回Ⅱ→前行Ⅲ→退回Ⅲ。前行路线上排泥泵工作，退回路线上排泥泵停止工作。排泥行走路线上刮渣板电动推杆断电收回，刮渣板离开水面。具体施工内容包括以下7点：1） 前行Ⅰ：17→16→15→14→13→12→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1，此路线上排泥泵持续工作排泥。2） 退回Ⅰ：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16，此路线上排泥泵停止工作。3） 前行Ⅱ：16→19→20→2 1→22→23→24→25→26→27→28→29→30→31→32→33→34，此路线上排泥泵持续工作排泥。4） 退回Ⅱ：34 →33 →32 →3 1→30→29→28→27→26→25→24→23→22→21→20→19，此路线上排泥泵停止工作。5） 前行Ⅲ：19 →18，此路线上排泥泵持续工作排泥。6） 退回Ⅲ：18 →19 →16 →17，此路线上排泥泵停止工作。7） 刮渣工作中排泥泵的行走路线为前行Ⅳ→退回Ⅳ。此前行与退回路线上排泥泵停止工作。前行路线上刮渣板电动推杆通电推出，刮渣板进入水面，退回路线上刮渣板电动推杆断电收回，刮渣板离开水面。前行Ⅳ：17 →16 →19 →18，此路线上排泥泵停止工作，刮渣板电动推杆通电推出。退回Ⅳ：18 →19 →16 →17，此路线上排泥泵停止工作，刮渣板电动推杆断电收回。

2.2.2 排泥机动作顺序

排泥机动作分为排泥工作周期和刮渣工作周期2 个阶段，排泥和刮渣工作需要排泥泵、大车、小车和刮渣板推杆协调动作才能顺利完成，具体动作顺序见表1。

表1 排泥工作周期动作顺序表

图2 泵吸式排泥机

2.3 排泥系统

排泥系统由排泥泵、连接管道、横向水槽与纵向水槽等组成，具体安装方法包括3 点。1） 排泥泵。采用潜水泵排泥，通过平衡杆及输泥管道固定在小车上。2） 横向水槽。顶部水平，底部为斜面，安装于大车上。3） 纵向水槽。顶部水平，底部为斜面，安装于配水区外侧池顶。

2.4 大车

大车主要由横梁、端梁、驱动机构、导行机构和检修走廊等组成。1） 横梁。大车横梁采用槽钢、不锈钢板拼焊成箱梁形式。2） 端梁。采用槽钢制作。3） 驱动机构。采用“三合一”传动装置，减速机直接套装在车轮轴上，结构紧凑、重量轻、加工件少。大车主要技术参数：轨距、轨长、车轮外径、运行速度、车轮轴转速。采用变频调速与斜齿轮蜗杆减速机联合减速，变频电机调频范围5 Hz～50 Hz，为恒功率调速。4） 轨行机构。轨行机构包括轨道、安全机构等，轨道采用标准钢轨。5 ）检修走廊。检修走廊拟采用热镀锌钢格板。

（续表）

2.5 小车

小车车架采用槽钢制作，采用集中驱动方式。小车技术参数：轨距、轨长、车轮外径、运行速度、车轮轴转速。采用变频调速与斜齿轮蜗杆减速机联合减速，变频电机调频范围5 Hz～50 Hz，为恒功率调速。

2.6 刮渣装置

刮渣装置主要由24 V 直流电动推杆、刮板总成组成。刮渣工作时，电动推杆通电推出，刮渣板进入水面；停止刮渣时，电动推杆断电收回，刮渣板离开水面。

2.7 供电系统

采用市政供电，将380 V 市政电源接至池边，通过滑触线供电。

2.8 控制系统

操作方式采用现场操作与远程操作相结合的操作。运行模式有2 种。模式1：半自动运行模式，即操作人员根据泥位情况启动设备，排泥机完成一个排泥周期后自行停止运行。模式2：全自动运行模式，即在池底多个位置安装泥位测量装置，达到泥位设定值时，设备自动启动，完成1 个排泥周期后自行停止运行。控制方式：采用坐标与测距雷达相结合定位方式和PLC 控制。

3 大车、小车校核计算

为了防止大车、小车轮子打滑现象出现，需要按照如下计算公式分别进行校核计算。

3.1 运行阻力Fj

式中：Fj-在直线轨道上稳定运行的静阻力，N；Fm-摩擦阻力，N；Fp-坡道阻力，N；Fw- 风阻力，N。

3.1.1 摩擦阻力Fm

满载运行时最大摩擦阻力摩擦阻力Fm

式中：Fm-摩擦阻力，N；Q-起升载荷，N；G-自重载荷，N；f- 滚动摩擦系数，mm；μ-车轮轴承摩擦系数；d-与轴承相配合处车轮轴的直径，mm；D-车轮踏面直径，mm；β-附加摩擦阻力系数。

3.1.2 坡道阻力Fp

式中：i-轨道坡度。

3.1.3 风阻力Fw

式中：Fw-风阻力，N；C-风力系数；Kh-风力高度变化系数；q-计算风压，N/m2；A-迎风面积，m2。

3.2 电动机选择

3.2.1 电动机的静功率

式中：Pj-电动机的静功率，kW；Fj-在直线轨道上稳定运行的静阻力，N；v0- 初选运行速度（m/s）；η- 机构传动效率；m-电动机个数。

3.2.2 电动机初选

式中：P为电动机功率，kW；Kd为功率增大系数。

3.3 起动运行驱动轮打滑验算

起动时不打滑，需要满足如下条件[1]，如公式7 所示。

式中：ψ- 粘着系数；K-粘着安全系数；μ-轴承摩擦系数；d-轴承内径，mm；D-车轮踏面直径，mm；Rmin-驱动轮最小轮压，N；Tmg-打滑一侧电动机的平均起动转矩，N·m；k-计及其他传动件飞轮矩影响的系数；J1-电动机转子转动惯量，kg·m2；J2-电动机轴上带制动轮联轴器的转动惯量，kg·m2；a-起动平均加速度，m/s2；i-减速机传动比。

3.4 平稳运行驱动轮打滑验算

平稳运行时驱动轮不打滑，需要满足如下条件，如公式8所示和公式9 所示。

式中：μ-钢与钢的摩擦系数；F摩为驱动轮与钢轨之间的摩擦力，N；FN-驱动轮正压于大车轨道上的总压力，N；Fj-在直线轨道上稳定运行的静阻力，N。

4 结语

该泵吸式排泥机通过大、小车在轨道上的行走带动排泥泵在池底按预先规划好的路径在池底移动，其路径、移动速度以及泵的启停通过PLC 可编程控制器来进行调整和控制，路径根据池体结构尺寸和形状而变化，移动速度根据池底泥量、排泥泵流量等参数而定，并依据吸泥的工艺要求控制排泥泵的启停，力求排泥泵运行路径最短、池底清泥效果最佳、消耗电能最少。由于排泥泵在池底移动并连续吸泥，可以保证池底所有沉淀污泥全部清除干净，解决了埋管式排泥存在的一系列问题。刮渣板安装在大车上，可以通过提升机构将其提升使其底部离开水池水面或下放使其底部没入水池水面，在刮渣工序开始时将其底部没入水池水面，并随大车移动将水面浮渣撇入存渣斗排出。该机的设计重点在于排泥泵和刮渣板的移动路径规划与实现方式确定，以及大车、小车校核计算。