陈军，翟松

(1.江苏省水利机械制造有限公司，江苏 扬州 225003； 2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 扬州 225127)

0 引言

回转式清污机在水利水电工程中已得到广应用，但至今还没有设计与制造验收规范，仅有SL 382—2007《水利水电工程清污机型式 基本参数 技术条件》的技术规范。该规范仅对回转式清污机的基本参数和技术条件提出了控制性要求，但对具体的技术参数如何确定且在设备参数的选用方面缺少相关依据。本文着重对回转式清污机的主要技术参数进行分析，对技术参数的计算进行了细化。

1 回转式清污机的结构和工作原理

回转式清污机主要由栅体结构、传动机构和清污机构3个部分组成。栅体结构主要分为栅体框架和其上附着的拦污栅条。传动机构包括动力源电动机，减速机，主从动链轮，牵引链轮、中间轴以及调节支架。传动机构的负荷保护分为机械式和电气方式。机械方式主要是在主动轮(或从动链轮)中设置有机械式剪切销，当整机超负荷时，安全销被剪断，传动部分与后面的中间轴、从动链轮、链条脱开，同时设置脱离装置触发信号，清污机工作装置停止运转，或在电动机与减速器之间设置扭矩限制器，当超负荷时可自动脱开；纯电气保护方式为载荷限制器和低压电动机保护。清污机构包括牵引链条和回转齿耙，其中牵引链条在附着栅体上的固定回转轨道内行走。牵引链条带动回转齿耙在栅前面向上运动，回转齿耙上的竖齿的高度决定了齿耙清污量的大小。

回转式清污机是拦污和清污相结合、固定布置、连续运转的清污机械。拦污功能由机架栅体拦住河道内的漂流污物来实现；清污功能由传动机构中的电动机通过减速装置带动栅顶部中间轴旋转，再通过中间轴上的牵引链轮带动传动链，传动链在固定轨道内作回转运动，附在链条上的回转耙齿将栅体前的污物捞起，当耙齿旋转到顶部时，污物在重力作用下落到皮带输送机中，缠附在耙齿上的部分污物在经过刮齿装置后也落至皮带输送机中，最终通过皮带输送机将污物直接带送至站侧集污斗内或运输车内。主要污物种类包括农作物根茎、生活垃圾、树枝和水草等。

2 主要技术参数

回转式清污机的主要技术参数包括设计水头差、最大清污能力、孔口净宽、孔口高度、栅体倾斜角、栅条中心距等，其中孔口净宽、孔口高度和栅体倾斜角要根据泵站整体设计要求来确定，栅条中心距主要根据叶轮直径来确定。对清污机本身而言，设计水头差和清污能力为最基本参数，设计水头差是计算栅体框架强度的基础，用以确定框架结构，类似于拦污栅栅体设计；清污能力则是清污机各零部件(齿耙、链条、传动轴、减速电动机等)设计的原始依据，如何根据不同工程的特点和工况确定清污机的清污能力，以免造成清污能力不足或过剩，是保证清污机满足工程实际需要的关键。

2.1 栅体结构刚度及强度的计算

栅体结构计算主要分为栅体主梁和栅条的计算。在常规结构布置中，闸墩两边均设有清污机支撑埋件，栅体边梁直接搁置在支撑埋件上，故在此不作结构验算。

主梁载荷计算:

Fzh=gγshhL1，

(1)

式中：Fzh为主梁所受线载荷，kN/m；γsh为水的密度，kg/m3；h为栅前后水位差，m；L1为主梁间距，m；g为重力加速度，9.8 m/s2。

主梁弯矩计算：

(2)

式中：Mmax为主梁最大弯矩，kN·m；K为安全系数，1.1～1.3；L2为主梁跨度，m。

主梁的抗弯强度

(3)

需要满足

σ<[σ] ，

式中：σ为主梁抗弯强度，N/mm2；W为主梁结构的抗弯模量，cm3；[σ]为主梁材料的许用应力，N/mm2。

主梁的最大挠度为

(4)

式中：y为主梁最大挠度，mm；b为孔口净宽，m；E为钢材的弹性模量，N/cm2；I为主梁结构的惯性矩，cm4。

根据SL 382—2007《水利水电工程清污机型式 基本参数 技术条件》中的要求，需要满足

栅条单位长度荷载

Fsh=γhL3，

(5)

式中：Fsh为栅条单位长度载荷，kN/m；L3为栅条间距，m。间距m除了冲击式水轮机是根据喷嘴出口尺寸确定外，为保护后部水轮机或水泵叶片，其他均是根据水轮机或水泵转轮直径确定的。轴流式，栅条间距是转轮直径的1/20，混流式和贯流式栅条间距是转轮直径的1/30。

最大弯矩Mmax按均布载荷进行计算

(6)

式中：Mmax为栅条最大弯矩，kN·m ；K为安全系数，1.1～1.3。

根据SL 74—2013《水利水电工程钢闸门设计规范》中关于栅条稳定的计算，栅条临界载荷

(7)

需要满足

FL≥kFshL1,

需要特别注意的是，一般栅条固定于主梁上，其固定跨度可用主梁间距的跨度，在SL 74—2013《水利水电工程钢闸门设计规范》拦污栅章节中，栅条的固定跨度不大于70倍栅条厚度。所以，设计中应考虑当主梁跨度大于此要求时，有必要在中间部分增加连接支撑以保证栅条的侧向稳定性。

2.2 清污能力的计算

清污机的清污能力可参考提升运输机械的输送量进行计算

单根齿耙的清污容积

(8)

式中：V为污物容积，m3；h为齿耙耙齿有效高度，即从栅面到齿间的长度，m；θ为污物在齿耙上的堆积角，一般取60°；b为齿耙工作宽度，m。

设备总的理论最大清污量(包括部分齿耙未能盛满污物部分)

Q=VnγR，

(9)

设备实际清污量

Q1=Qφ，

(10)

式中：Q1为设备实际清污量；φ为不均匀系数，可在0.5～0.8范围内取值。

清污量的选择是在设备开始选型时必须要考虑的问题，虽然清污量越大，整个水泵系统拦污水头损失越小，拦污栅机构和水泵机组越安全。但在另一方面，清污功率过大所带来的功率损耗也就越大。进而影响到整个机组的运行费用，所以，对于清污功率应有一个合理、经济的选择，从而使泵站机组运行和清污总费用最少。

2.3 清污机功率的选择

在某些文献中，清污机结构的受力分析采用“逐点”计算法来确定清污机链传动的运行阻力，整个计算过程繁琐且容易出错。因此，根据设备受力分析以及逐点法计算分解的实际情况，采用一种相对简易的计算方式进行计算。回转式清污机主要外力来源有两处，一是耙齿上盛满污物后所受污物的重力，二是链条上的摩阻力，其中包括滚轮与轨道踏面之间的摩阻力以及链条进出顶部传动链轮所产生的摩阻力。链条及齿耙重力因前后均有，可视为相互平衡。

驱动链轮圆周力

Fyu=F1+f，

(11)

式中：Fyu为驱动链轮圆周力；F1为单面所有耙齿满负荷时链条所受拉力，简化计算F1=nV；n为单面最大齿耙数；f为摩阻力，可简化为0.1～0.2倍的F1。

清污机驱动电动机功率

(12)

式中：P1为清污机驱动电动机功率，kW；K为功率备用系数，K=1.2～1.5；υ为齿耙回转(提升)速度，m/h；η为清污机装置总效率，一般取75%～85%。

2.4 齿耙刚度及强度的计算

常规计算是按齿耙斗容综合齿耙自重进行挠度的计算

(13)

式中：yc为齿耙最大挠度，mm；w1为齿耙单位长度上所受载荷重力，kN/m；w2为齿耙单位长度自身产生的载荷重力，kN/m；L为齿耙两侧轮距，m。

根据SL 382—2007《水利水电工程清污机型式基本参数 技术条件》规范中的要求，需要满足

yc≤0.002L。

在某些特殊情况下，单个齿耙所捞污物并非单一或均布于整个工作齿上。例如，水花生为大面积团状的缠绕物，需要清污机单根齿耙具有较大的抗弯强度以及拉拽能力，参考某些文献及部分工程的做法，应考虑单根齿耙最大集中载荷的设定值Fn。

则齿耙的扰度值应相应调整为

(14)

同时满足

yc′≤0.002L。

设备功率的选择上也应考虑

式中：P2为最终确定的清污机设备电动机功率，kW；K′为污量折算系数(可取单面最大齿耙数量n的一半，即考虑单面齿耙满载后其中有一半齿耙处于极限载荷)。

3 结束语

近几年，回转式清污机因其清污效率高在泵站和电站工程中的应用越来越多，其中包括大量的老闸改造项目。对于清污机技术参数合理化的确定，在满足工程清污效果的前提下，该机能够节约工程造价。

参考文献：

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