沉降槽耙料机驱动方式比较

毛文睿* 王 璠 殷雨田 王 卉 马涵托

（航天长征化学工程股份有限公司）

0 引言

沉降槽耙料机又称作浓密机、浓缩机，是一种不间断工作的固液分离设备[1-2]，目前被广泛应用于钢铁、建材、化工、煤炭等行业的含固废水浓缩过程。沉降槽耙料机通常架设在渣水处理单元的沉降槽上方，黑水及滤液等介质在絮凝剂的作用下聚团沉淀在沉降槽的锥形底部。耙料机通过旋转刮耙不断将淤浆收集到槽底中央的淤浆出口处，并最终通过渣浆泵将淤浆排出。根据驱动装置所处位置不同，沉降槽耙料机可分为中心传动式和周边传动式，一般是以沉降槽直径30 m 为界[3]。由于煤化工行业沉降槽直径普遍小于30 m，因此本文主要对中心传动式耙料机进行介绍。

1 沉降槽耙料机组成及工作原理

沉降槽耙料机由大梁、传动装置、稳流装置、传动轴、耙料轴、物料刮集装置等几大部件组成。在运行过程中，驱动装置通过传动轴带动耙料轴动作，耙料轴带动物料刮集装置转动。安装在物料刮集装置上的刮板把槽底沉降物收集到沉降槽底部中心出口处，并将沉降物排出槽外。

1.1 大梁

大梁是主要的受力钢结构件，其承受由传动轴、耙料轴、主耙、副耙、部分管道支撑梁和部分管道构成的集中载荷和大梁的自重形成的均布载荷。

1.2 稳流装置

稳流装置位于沉降槽中心，其主要作用是将上游来料和絮凝剂进行混合，并在沉降槽中均匀地布料。稳流装置的主要元件为稳流筒，其内部设有弧形挡板，进料浆液在切线运动过程中与絮凝剂有效结合后沿筒壁向下布料，经位于稳流筒底部的锥形分料盘作用后呈抛物线状向沉降槽四周布料。

1.3 物料刮集装置

物料刮集装置可将沉积的淤浆收集到槽底出口处，其主要由耙料轴、主耙和副耙组成。主耙由4 个耙架组成，耙架间通过水平拉索相互连接，每个耙架和耙料轴间通过斜拉索连接。因此，4 个耙架和耙料轴形成了一个整体的空间结构。耙架上设置有多个刮板，运行中通过主副耙共同作用，确保沉降槽锥底的沉积物能更彻底的刮集到排料口。

1.4 驱动装置

驱动装置是沉降槽耙料机的核心部件，用于带动物料刮集装置转动。驱动装置设有机械和电气过载保护装置，可确保耙料机安全可靠地运行，并在过载时能够实现载荷自动消除及过载报警。驱动装置的性能对整个设备运行的稳定性和可靠性具有较大影响。目前常用的驱动方式主要为机械驱动和液压驱动，下文将对这两种驱动方式分别进行介绍。

通过研究沉降槽耙料机的结构及运行原理可以发现，驱动装置是该装置的核心。研究其驱动原理，选择合适的驱动方式对于沉降槽耙料机运行的稳定性和可靠性有着决定性的影响。

2 沉降槽耙料机驱动方式的研究

2.1 机械驱动

机械驱动装置主要由电动机、减速器、支座、提升装置、回转支承、护罩等部件组成，其驱动原理为：主传动装置由主电动机带动的摆线针轮减速器驱动，通过联轴节使小齿轮转动；小齿轮与回转支承的外齿圈啮合，并带动回转支承旋转，进而带动与其相连的耙料轴及耙臂旋转，固定在耙臂上的刮板将锥底沉降物刮入位于槽底中央的沉降物出口。耙臂升降是通过提升电动机带动的摆线针轮减速器经一级齿轮减速和螺旋传动后实现的。

机械驱动耙料机具有机械过载保护功能，并在电机和摆线针轮减速器间设置了扭矩传感器。当负载扭矩达到设定值时，主副耙自动升降，能自动消除过载现象，直到设备正常运转；当负载扭矩继续增大至最高设定值时，主传动电机停止运转并发出报警信号，同时提耙电机开始动作直至物料刮集装置提升到最高位。

机械驱动的核心部件为摆线针轮减速器[4]，其优点如下：（1）传动比大，单级传动的传动比一般为9～87, 若采用多级组合则可达到更大的传动比；（2）可适配各类电机；（3）体积小、质量轻，其体积与质量约为普通减速器的一半；（4）运转平稳且高效，因为摆线针轮传动有将近半数的齿啮合，所以重叠系数大、运转平稳高效，效率可达90%以上。

2.2 液压驱动

液压驱动主要由油泵、液压马达和油箱等构成（如图1 所示），可满足正常、反转和提降三种工况。

图1 液压驱动系统原理图

（1） 正常运转工况

如图1 所示，油泵2 由电动机带动，液压油经过滤器进入液压泵腔，经电磁换向阀10 和11 进入液压马达9，进而驱动耙料轴正向转动。回油由液压马达流出，经电磁换向阀10 和11，流入回油冷却器13和过滤器14，经冷却、过滤后流回油箱。

（2） 反转工况

在耙料机的实际运行过程中，工况时常会产生变化。当槽底物料逐渐增多后，物料刮集装置的工作阻力增大，液压系统的负荷也随之增大。当设备处于正常运转工况时，检测到油泵出口压力变送器的输出信号高于设定值，则控制系统首先驱动电磁换向阀10，通过变换给油方向使液压马达带动耙料轴反转，进而排除过载工况。

（3） 提、降耙工况

在反转工况结束以后，如果油泵出口压力变送器的输出信号仍然高于设定值，则电磁换向阀11 会切换位置并使液压缸带动物料刮集装置向上提升。当耙料机被提升至设定位置时，电磁换向阀11 变换位置使设备继续运行。当物料刮集装置被提升至上限位置时，提耙工况结束。设备继续运转，槽底於浆被不断排出槽体，物料刮集装置则在重力的作用下不断下降，当物料刮集装置降至下限位置时，装置继续正常运转工况[5]。

液压驱动系统具有下列优点：

（1）液压驱动系统中的减速器为斜齿轮减速器，斜齿轮减速器的输出扭矩大，齿轮强度高，转子不易损坏，可避免由于摆线针轮减速器损坏而导致设备频繁检修。

（2）采用电磁换向阀10 实现耙料机的反转，降低了提耙的频率及故障率，使设备运转更加高效、稳定。结合煤化工装置的现场运行情况可知，沉降槽耙料机的过载故障并非都是由于物料处理量激增引起的，更多是由于物料的黏性较大、流动性较差而引起的局部物料沉积造成的。该类故障可通过物料刮集装置反转一段距离来排除，降低了耙料机的提耙频率，从而提高了耙料机的稳定性和工作效率[6]；

（3）耙料机的部分控制任务由液压系统实现，简化了设备的控制逻辑；

（4）整个液压系统在密闭条件下运行，不受自然环境的影响，可以在潮湿、多尘的环境中使用；

（5）液压系统具有更大的调节范围，使得设备能适应工况变化甚至过载。

3 驱动方式对比分析

目前耙料机常用的驱动方式是机械驱动，这种驱动方式具有操作和维护简单、设备占地面积小、初期投入成本低等优势。但是在实际应用中，机械驱动存在许多不足：（1）耙料轴的转速与电动机转速相比较低，因此常常采用速比较大的摆线针轮减速器。该类减速器传动件结构复杂，对制造精度的要求较高，否则无法达到多齿啮合，且强度低、抗过载能力差[7]，导致设备满载或负荷波动时极易损坏。据统计，耙料机的各主要部件中，摆线针轮减速器的故障频率位居榜首；（2）机械驱动一般采用扭矩传感器检测耙料机的过载情况，此方式常由于检测环境恶劣、检测点难以准确把握而导致测量结果不够准确；（3）对于直径大于18 m 的耙料机，回转支承无法承受单台大功率电机所带来的巨大扭矩，若更换强度更高的回转支承则会影响设备的经济性，因此往往采用多台小功率电机驱动的方式，这就会导致电机之间运转不同步，对设备运转产生负面影响。

与机械驱动相比，液压驱动以油泵加液压马达作为动力来源，其具有诸多优点：（1）液压驱动采用压力传感器代替扭矩传感器来检测设备的运行状况，可有效避免扭矩传感器易失效、不灵敏等缺点；（2）低速大扭矩液压马达转速远低于电动机，可以大大降低减速器的速比，采用强度较高的齿轮减速器替代摆线针轮减速器，可以降低维修成本；（3）可以实现设备反向运转刮料，有助于系统在轻度压耙时通过反转来摆脱不利工况，提高运行效率；（4）在变工况甚至过载时，液压驱动可以更好地保护设备、适应新的需求。

总的说来，在耙料机尺寸较小、工作环境良好、设备工况稳定、人员操作水平较高的情况下常采用机械驱动；而在大尺寸、变工况、工作环境较为恶劣的情况下，液压驱动方式有着更为显著的优势。

4 结论

机械驱动和液压驱动的耙料机在不同使用环境下有着不同的优点。在环境良好、工况稳定的小型耙料机中采用机械驱动较有优势；而在工况变动频繁的大型耙料机上，液压驱动更能适应工艺需求。根据不同需求结合不同驱动方式的特点进行选型，才能让耙料机运行更加稳定、高效。