陈 军，仇宝云，严天序，刘 地，张 偲



高效回转式泵站拦污清污机研制

陈 军1,2，仇宝云1※，严天序1，刘 地1，张 偲1

（1. 扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州 225127； 2. 江苏省水利机械制造有限公司，扬州 225003）

为提高拦污清污设备的可靠性和清污效率，对齿耙牵引链条采用滚轮凸轨行走方式和限位装置，避免脱轨，提高齿耙左右定位精度；在此基础上，优化栅条、耙齿和齿耙管断面形状，实现耙齿、齿耙与栅条精确紧密配合，减少栅条污物粘附与卡堵，切断拖拽的水草，避免清污初期由于栅前过多的水草造成耙齿和齿耙过载损坏；单孔较宽的拦污栅采用2～3片分体结构拦污栅架，便于栅体吊装检修和更换；采用侧边导污板和底部弧形前置栅，提高侧边和底部污物清污效率。应用结果表明，回转式拦污清污机通过结构改进，提高了运行可靠性和拦污清污效率，降低了设备故障率和维护成本，减小了拦污栅前后水位差，提高了泵站运行可靠性和效率，运行维护费用节省9%以上，清污效率提高30%以上，拦污栅体前后平均水位差由60 cm减小到10 cm以下，泵站运行费用减小8%左右。

设备；泵站；回转式拦污清污机；结构改进；维修性；拦污清污效率

0 引 言

中国沿江滨湖地区和平原圩区河湖众多，水系发达，河网密集。为了调水、灌溉、排涝，兴建了许多泵站。由于河道水体中含有大量水生植物和工农业及生活废弃物，为保护水泵机组的安全运行，一般在泵站进水口设置拦污栅，但污物在拦污栅前堆积，如不及时清除，将在栅体前后形成0.5～3 m的水位差，轻则减小水泵流量、增大机组功率，重则压垮拦污栅，造成泵站安全事故。

早期建设的泵站，大多仅设置拦污栅，未配备清污设备，清污工作主要靠人工，工作量大、效率低、安全性差。为保证泵站安全运行，江苏省从20世纪80年代开始研制和应用清污机，早期在淮安二站和皂河一站配备耙斗式清污机[1]，后又研制出挖斗式清污机。此后，在从日本引进链回转式清污设备的基础上，通过消化吸收和技术改进创新，研制适合中国国情的回转式拦污清污机，其综合性能优于耙斗式清污机和挖斗式清污机，在新、改建泵站中得到大规模的推广应用[2]。

刘光临[3]介绍了日本泵站的拦污栅和清污机的使用情况，SuzannePritchard[4]介绍了德国巴特阿巴赫水电站世界上最大的液压回转式拦污栅清污机的应用情况。芮守东[5]对泵站拦污清污设备的选择，研究进展和应用情况等进行了论述和分析，对清污模式进行了分类并对清污运行方式进行了优化设计。吴军[6]对江苏省内泵站所配套的清污设备设计、使用做了描述，并在设备的设计和污物的处理等方面提出了一些建议。杨俊敬等[7]通过对清污机的主要参数和造价分析，得出了经济孔口的大小；刘军等[8-11]介绍了泵站配套清污机的应用情况。Schleiss等[12]研究了拦污栅发生振动的原因，根据测量和计算结果提出相应的减振措施，总结用于判定拦污栅条振动敏感性的理论依据，给出不同情况下拦污栅的振动特性或自振频率的估算。祁林攀等[13]的研究表明拦污栅靠栅条拦截污物，水流绕流栅条时，栅条尾部脱流产生卡门涡街会引起横向激振力，激振频率随流速加快而增高，当激振频率与栅条的固有频率一致或接近时，引起栅条共振，导致栅条损坏。

河流中的大量垃圾，要求泵站拦污栅及时清污。常规回转式拦污清污机因结构缺陷，拦污率低，故障发生率高，影响拦污清污设备和泵站机组的正常运行。为提高拦污清污设备的可靠性和清污效率，对齿耙牵引链条采用滚轮凸轨行走方式和限位装置，避免脱轨，提高齿耙左右定位精度；在此基础上，优化栅条、耙齿和齿耙管断面形状，以期实现耙齿、齿耙与栅条精确紧密配合，为研制高可靠性和高效回转式拦污清污机提供参考。

1 常规回转式拦污清污机

1.1 常规回转式拦污清污机的应用

回转式拦污清污机能连续大量清污，清污量大，特别是在夏季水草爆发式增长期间，其优点能够得到充分发挥。目前已广泛应用于大中型泵站，仅江苏省就有60多座泵站配置了回转式拦污清污机，为泵站安全高效运行发挥了重要作用。

以南水北调东线江都泵站为例，该泵站共装机33台大型立式轴流泵机组，泵站的日均最大排涝量为510 m3/s。2006年前，泵站未设置拦污清污机，每年排涝时，河道中大量水草、秸杆、生活生产废弃物在泵站进水流道进口的拦污栅前形成堵塞，拦污栅受压变形严重，水泵吸程增大，机组发生强烈振动，能耗增加，流量减小，需要经常停机捞污。据统计，仅2006年排涝期间停机25台时，少排涝水4 333万m3，期间还需抢修拦污栅，排涝时间延长。2006年底，在泵站引河东闸前加装使用回转式拦污清污机，2007年泵站运行时，由于来流污物在引河就被拦污清污机及时拦截清除，全泵站日均最大排涝量提高到533 m3/s，水泵机组运行平稳，回转式拦污清污机为泵站安全高效运行发挥了巨大的作用。

1.2 常规回转式拦污清污机存在问题

经过对泵站回转式拦污清污机使用情况调查，发现设备在运行过程中仍存在如下问题：

1）常规回转式拦污清污机齿耙在拦污栅正面捞起污物通过两侧回转牵引链条的牵引向上运动、在拦污栅顶部卸载污物、在拦污栅背面向下作回转运动。如图1所示，牵引链条在轨道内无侧向限位，仅靠齿耙侧板作为防止链条滑出轨道的限位。

1.耙齿 2.齿耙管 3.齿耙侧板 4.行走滚轮 5.行走轨道 6.连接销轴 7.牵引链条

栅前拦截污物不对称造成齿耙受力不均、发生侧移，侧板偏向一边，轻则碰擦轨道，重则齿耙卡阻在轨道内，链条无限位控制，容易脱轨。

2）当栅前集聚污物过多时，捞污瞬间的拉扯力容易造成清污机超负荷[14]，损坏齿耙和耙齿。

3）如图1，清污机齿耙为圆钢管齿耙管上焊接三角形耙齿，耙齿管同时受到承载污物和链条牵引的作用，圆形齿耙管与栅条之间的容污空间自上而下由大变小，容易造成污物卡堵。

4）拦污栅栅体为整体框架，发生部分损坏后须整体吊出栅体检修，吊装起重力大，泵站现场难以满足要求，检修维护费用高、周期长[15]。

5）清污机侧边轨道与孔口侧墩之间存在清污死角，污物堆积于清污机侧面，无法清除。主拦污栅底部采用直立前置栅，底部较大范围齿耙无法到达，无法清污，易堵塞，部分污物极易从下部漏走进入水泵，引起堵塞。常规回转式拦污清污机由于栅体底部前置栅处、两孔隔墩和拦污栅边梁处污物无法清除、栅面污物清除不干净，造成拦污栅前后0.5～1.0 m的水位差，增加了水泵机组运行功率，减小了抽水流量。

2 高效回转式泵站拦污清污机

2.1 链条与轨道的防脱设计

常规回转式拦污清污机牵引链条易脱落[16]，如图2所示，对原轨道槽和牵引滚子链进行改进，增加侧向限位装置。在轨道槽上下内表面焊接方形长钢条作为行走轨道，滚子链的链轮由光面滚轮改为带有单侧边凸缘结构的滚轮，前后2个滚轮的凸缘分别左、右布置，侧边凸缘内外交叉布置，卡在轨道的两侧。此种结构形式的链轨，上下有方形长钢条行走轨道作为约束，左右有带凸边缘滚轮作为约束，限制位置且留有间隙，运行平稳，链条不会出现脱轨现象；当齿耙捞取污物偏于一侧，齿耙管荷载集中一端时，也不会因两侧链条受力不匀而出现扭链现象。

1.托污板 2.三角形筋板 3.齿耙侧板 4.矩形耙齿管 5.带交叉布置的凸边缘滚轮 6.上、下方形长钢条滚轮轨道

2.2 钻石箭形断面拦污栅条

常规拦污栅栅条断面形状为扁长矩形，为提高其侧向稳定性，采用钻石箭形断面，如图3所示。

注：h断面高度，mm；δ为断面宽度，mm。

1）抗弯截面模量与临界荷载提高

以设定栅条断面高度=80 mm为例，对比钻石箭形栅条，在截面面积不变的情况下，常规矩形栅条断面宽度=9.087 5 mm，栅条截面对–轴的惯性矩I= 0.49 cm4，相应的截面抗扭惯性矩I=1.96 cm4；钻石箭形栅条断面max=16 mm，栅条截面对–轴的惯性矩I= 0.59 cm4，相应的截面抗扭惯性矩I=2.36 cm。根据SL74-2013《水利水电工程钢闸门设计规范》，栅条稳定临界载荷P为

式中为与荷载、支撑等诸因素有关的系数；为栅条跨度，m；为弹性模量，N/mm2；为剪切模量，N/mm2。

设定栅条间距100 mm，横梁支承间距1 200 mm，经过计算，常规矩形栅条的临界荷载值24 807 N，而钻石箭形栅条的临界荷载值29 870 N，提高了20.4%。由此可见，通过断面形状的优化，栅条侧向稳定性得到了增强，降低了发生扭曲或侧向弯曲的可能性。

在刚度上，常规矩形栅条I=38.4 cm4，钻石箭形栅条I=36.38 cm4，对比虽然降低了5.2%，普通矩形栅条扰度达到1/2 200，同等工况下钻石箭形栅条达到1/2 100，相对于规范中栅条扰度值1/500的要求，均远小于要求值；在强度上，根据材料特性，W为I等比例数值，对应普通矩形栅条，钻石箭形栅条同等比例降低了5.2%，其计算栅条的抗弯强度分别为：普通矩形栅条为33.4 MPa、钻石箭形栅条为35.4 MPa，均远低于材料本身的允许应力[]，（碳钢Q235材质取值为160 MPa，不锈钢304材质取值为137 MPa）。

2）流动阻力与激振力减小

根据Kirschmer试验，栅条水力损失系数采用公式（2）计算[17]。

式中为栅条断面形状系数，如图4和表1所示；为拦污栅与水平面所成的角度。

栅条断面越接近流线形，形状系数就越低。钻石箭形断面栅条取值在d和f之间，约为0.9，矩形断面栅条取值为2.42。考虑钻石箭形断面和矩型断面宽度，则两者水力损失系数之比为

即钻石箭形断面栅条水力损失系数约为矩形断面栅条的79%，水力损失有所减小。

表1 栅条断面形状系数

柳海涛等用CFD和模型试验对大型水电站叠梁门进水口拦污栅流速分布特性进行了研究[18]。本文采用CFX流动计算软件，对矩型断面和钻石箭形断面栅条在相同的流场中进行流态分析，给定条件为栅条间距100 mm，跨度为1 200 mm，水流流速为1.0 m/s，数值模拟流场显示结果如图5所示。矩形断面栅条过流在其迎水面端部有明显流速降低区域，前端侧边有脱流漩涡区，造成了能量损失；钻石箭形断面栅条头部绕流较为平顺，迎水面无明显流速降低和脱流漩涡区，尾部脱落漩涡小，水流通过栅条时更加顺畅，因而，拦污栅过流阻力小，栅条水流激振力小。

图5 矩形栅条和钻石箭形栅条流场

2.3 矩形截面齿耙与板式耙齿

齿耙是回转式拦污清污机的重要运动构件，清污机能否正常工作，全靠齿耙的耙齿捞取污物。清污机在运行过程中出现脱链、过载，多数是齿耙强度低、刚度差造成的。清污过程中，齿耙承受集中载荷作用力较大时，发生变形、易造成脱链、减速机过载，设备无法运行。清污机刚开始清污启动阶段，经常是一、二道耙齿就捞起数百千克、甚至上吨纠缠在一起的污物，特别是汛期第一场洪水时，拦污栅前会在短时间内聚集大量的污物，从交织在一起的污物中拉扯并捞出一团污物的瞬间扯断力需要很大，因此，齿耙设计应该按照单耙集中载荷进行校核[19]，降低故障率。

1）矩形齿耙管与板式耙齿

如图6所示，将图6a的三角形耙齿与圆形齿耙管组焊结构改为图6b的板式耙齿与矩形齿耙管组焊结构。

单根齿耙（中部）受集中荷载时其扰度的计算采用公式（3）。

式中为中部集中受力；为耙齿净跨距，m。

在受力、跨度、材质一定的情况下，要减小扰度值，需要提高截面对水平对称轴-轴的惯性矩I的取值。对圆形齿耙管，可以通过增大齿耙管截面尺寸或者增加管壁厚,带来的影响是纳污空间即单根齿耙捞污量的减少或齿耙质量增加（设备成本增加）；而对于矩形齿耙管，可通过增加断面方向的高度，来提高齿耙管断面对轴的惯性矩I值，同时不挤占纳污空间。相比圆形齿耙管，相同惯性矩I时矩形齿耙管质量较小，且采用板式耙齿后，提高了单耙捞污承载能力，增大了捞污体积，清污能力提高。

1.三角形耙齿 2.圆形齿耙管 3.三角加筋板 4.板式耙齿 5.矩形齿耙管

2）板式反齿与钻石箭形栅条配合切断污物

如图7所示，矩形齿耙管的板式反齿与钻石箭形断面栅条前部尖峰相啮合，钻石箭形栅条前部尖峰为固定刃口，板式反齿为活动刃口，齿耙向上运动时，能够拖拽切断被水流压在栅前的团状污物，减小齿耙受力，降低齿耙过载损坏的可能性。

图7 齿耙板与钻石箭形栅条的配合

2.4 分体结构拦污栅架

将若干栅条单独组成一组栅条架，单孔拦污栅由若干片（2～3片）栅条架并列组成。栅条架与栅体框架通过螺栓连接，有别于常规拦污栅直接将栅条焊接固定于栅体框架上。应用时，如果某片栅条架损坏，仅需拆装维修该片栅条架，减轻起吊质量、减少维修工作量。并且预先准备好备用分片栅条架，某片栅条架损坏时，可以在很短时间内更换新栅条架，较多的节省了检修费用和时间。

2.5 侧边导污板与底部弧形前置栅

如图8所示，增加侧边导污板，能够有效消除常规回转式拦污清污机边梁与孔口侧墩之间的清污死角的污物。导污板从底板一直到主栅体的最上端，按一定的倾斜角布置，一边焊接在链轮运行导轨上方，另一边固定在孔口侧墩上，当有污物接近拦污清污机时，边角处污物会顺着导污板被水流带至齿耙工作区域内，被回转齿耙清除。

1.侧边导污板 2.板式齿耙 3.栅体框架

如图9所示，将栅体底部前置栅由直栅改为弧形栅，其弧度与齿耙的旋转半径吻合。弧形前置栅既可固定于底板上，也可固定于主栅体上。弧形前置栅与主栅体间因齿耙能贴合通过，所以附着于前置栅上的水底沉积污物也能被齿耙捞起，减少底部堵塞淤积，相比于直立式前置栅，配备弧形前置栅的拦污清污机清污范围更接近底板，对清除像牛仔布、旧衣物等比水重的污物尤为重要。

图9 直立前置栅与弧形前置栅

综上所述，改进后的回转式拦污清污机，扩大了侧边和底部污物的收集范围和栅面污物清除能力，采用CFD并基于VOF方法计算表明，降低拦污栅前后平均水位差0.5 m以上。

3 高效回转式泵站拦污清污机应用

3.1 石港泵站基本情况及设备配置

石港泵站位于江苏省金湖县金北镇刘庄村，淮河入江水道左岸，安装大型水泵机组4台套，泵装置设计扬程5.5 m，单泵设计流量22.5 m3/s，总流量90 m3/s，单机额定功率1 800 kW，用于灌溉和排涝。泵站配置了8台本文设计的新型回转式拦污清污机，设备安装角度75°，孔口尺寸4.25 m×5.5 m，栅体设计水位差1.5 m，栅条间距100 mm，单台清污机配套电机功率5.5 kW。

3.2 泵站与改进拦污清污设备运行情况

改进回转式泵站拦污清污机于2016年初在石港泵站安装调试完毕，2016年6月24日正值汛期，根据省防汛防旱指挥部办公室调度指令，泵站开机、清污设备启用，共排涝运行14 d，抽排宝应湖地区涝水0.9亿 m3，累计捞草约600 m3，发挥了工程设计效益。

石港泵站近半个月的运行表明：改进回转式泵站拦污清污机与常规回转式拦污清污机相比，具有以下优点：

1）拦污栅前，包括两侧和底部，水草污物拦截清理干净，清污效率提高30%以上，未出现水草污物大量聚集的情况，拦污栅体前后水位差由60 cm减小到10 cm以下；

2）未造成水草污物在拦污栅和清污机上附着和卡堵；

3）未发生初期清污因大量水草污物拖拽造成耙齿弯折、齿耙管弯曲情况；

4）未发生两侧牵引链条脱轨现象。

3.3 改进回转式拦污清污设备应用效益分析

根据石港站改进回转式泵站拦污清污机2016年运行实际情况，对比常规回转式拦污清污机运行经济数据，假定2种拦污清污机都在石港站运行，设备按20 a使用寿命，平均年折旧4%，年运行时间120 d，拦污清污机小保养每年1次，改进回转式泵站拦污清污机大保养5 a 1次，配备运行人员1人；常规回转式拦污清污机大保养3 a 1次，配备运行人员2人，计算2种拦污清污机运行台班费用，对比情况如表2所示。

表2 改进和常规回转式泵站拦污清污机经济分析

设备台班运行费用，改进回转式泵站拦污清污机比常规回转式拦污清污机节省9%。经测算，该泵站每年可节省拦污清污设备运行维护检修费用18.4万元。费用组成：单机运行费=（252.4−230.12）元×3台班×8台×120 d= 6.4万元；设备年故障处理费=1.5万元×8台=12万元。

改进回转式泵站拦污清污机较高的清污率，将拦污平均水位差由0.6 m以上降低到0.1 m以内，显著减小了泵装置运行扬程，增大了抽水流量，每年按运行120 d、电价0.6元/kW·h计，节省泵站主机组总运行费用97.6万元。

4 结 论

本文提出的改进回转式泵站拦污清污机拦污清污能力强、运行可靠性高。主要表现在以下几个方面：

1）在两侧障碍区增加侧边导污板，能有效引导并消除清污机边梁与孔口侧墩之间清污死角的污物，防止污物在墩梁处和底部堆积。将底部辅助栅由直立式改为弧形，其弧度与齿耙的旋转半径吻合，附着于前置辅助栅上的水底沉积污物也能被齿耙捞起，清污范围更接近底板。清污效率提高降低了拦污栅前后水位差，减少泵站年运行费用近百万元。

2）栅条断面由矩形改成钻石箭形，减小了拦污栅过流阻力，提高了稳定性。齿耙管由圆管改为矩形管，加大了齿耙抗弯强度，提高了单耙捞污承载能力，避免了污物卡堵。耙齿采用板式齿面，增大了单耙捞污面积，齿板的后缘反齿与钻石箭形栅条前部形成切割刀锋，通过齿耙的运动将依附于栅条上的带状污物拖拽切断，避免了因提升力太大造成耙齿弯折、齿耙管弯曲和清污机电机过载。

3）不脱轨链条与轨道结构避免了齿耙牵引链条脱轨故障发生。特别是在大深度和大宽度孔口尺寸的孔口和水闸中，常规回转式拦污清污机因链条易脱轨的限制而不能得到有效应用，通常采用的耙斗式清污机，受制多，清污效率较低。改进回转式清污机的不脱链结构，尤其适用于大宽度孔口前水体沉飘物的打捞，可以实现连续清污，清污量大，可避免泵站、水电站停机清污，充分发挥泵站、水电站的经济效益。

4）改进回转式泵站拦污清污机改进回转式泵站拦污清污机于2016年初在石港泵站安装调试完毕，2016年6月正值汛期，泵站开机、清污设备启用，共排涝运行14 d，抽排宝应湖地区涝水0.9亿m3，累计捞草约600 m3，发挥了工程设计效益。拦污栅栅面采用多片单独栅条架的组装结构，发生损坏时，只需更换修理损坏的单片架体，更换方便，缩短了维护周期，故障率降低，年节省检修维护费用18.4万元。

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Development of rotary sewage interceptor and cleaning machine with high efficiency in pumping station

Chen Jun1,2, Qiu Baoyun1※, Yan Tianxu1, Liu Di1, Zhang Cai1

(1.,225127,; 2..,225003,)

In the past decades, China had rapid economic development accompanied by a large number of garbage production, eventually most of them converge in various rivers. In order to protect the normal operation of the pumping station, it is required that the trash rack of the pumping station can be cleaned in time. Due to the structural defects, the conventional rotary sewage interceptor and cleaning machine has low waste clean efficiency, high leakage rate of the waste and high failure rate of equipment, which affects the normal operation of the sewage interception and cleaning equipment and pumping station units. In order to improve the reliability and efficiency of the cleaning equipment, the structure of the conventional rotary sewage interceptor and cleaning machine is improved and optimized. The walking mode of the roller convex rail and the limit device are advanced on the rack traction chain to avoid the derailment of the chain and improve the positioning accuracy of the rack. On this basis, the rack bar section is changed from rectangle to diamond arrow type, and the rack teeth are changed from triangle to plate type. The plate tooth surface is supported by a triangular stiffened plate, and the tooth harrow pipe is changed from a circular pipe to a rectangular one, which enhances the load-carrying capacity of the single harrow tooth and the bending strength of the tooth harrow. It has been realized that the harrow teeth, the tooth harrow and the rack are precisely matched with each other, the adhesive blockage of the rack is reduced, the overload of harrow tooth and harrow pipe is avoided by cutting off the dragging weeds in front of the rack in the initial cleaning stage, and the broken accidents of harrow tooth and harrow tube are avoided, also. 2-3 pieces of split structure trash rack are used in the wide single-hole trash rack to facilitate the lifting, maintenance and replacement of the grid. Side dirt guide plates and bottom arc front rack are used to clean the trash accumulating at the pier beam and bottom of the rack and improve the trash-cleaning efficiency at the sides and bottom. The application results show that through structure improvement, the operation reliability and the trash-cleaning efficiency of the rotary sewage interceptor and cleaning machine has been improved, the equipment failure rate and maintenance cost has been reduced, the water level difference before and after the trash rack has been reduced also, and therefore, the operation reliability and the efficiency of the pump station have been improved. Compared with the conventional rotary sewage interceptor and cleaning machine, the improved rotary sewage interceptor and cleaning machine has higher reliability, increases the cleaning efficiency by more than 30%, reduces the average water level difference before and after the trash interception grid from 60 cm to less than 10 cm, and reduces the operation cost of the pumping station by about 184 thousand yuan.

equipment; pumping plant; rotary sewage interceptor and cleaning machine; structural improvement; maintainability; trash blocking and cleaning efficiency

陈 军，仇宝云，严天序，刘 地，张 偲.高效回转式泵站拦污清污机研制[J]. 农业工程学报，2019，35(4)：81－87. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.010 http://www.tcsae.org

Chen Jun, Qiu Baoyun, Yan Tianxu, Liu Di, Zhang Cai. Development of rotary sewage interceptor and cleaning machine with high efficiency in pumping station[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 81－87. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.010 http://www.tcsae.org

2018-09-25

2019-01-28

国家自然科学基金（51679208，51379182）和江苏省水利科技重点资助项目（2014023）联合资助

陈 军，高级工程师，主要从事水工钢结构设计研究。Email：bacj@163.com

仇宝云，博士，教授，博士生导师，从事泵及泵站研究。Email：byqiu@yzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.010

S277.9+2

A

1002-6819(2019)-04-0081-07