寶應站清污機的優化設計和應用實踐

祁 潔，劉 軍，王彥軍，劉 菁，楊紅輝，張少卿

（1.南水北調東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210000；2.曲阜恒威水工機械有限公司，山東 濟寧 272000）

1 概 述

南水北調寶應站工程位于寶應縣氾水鎮境內，作為南水北調東線一期工程，其主要作用是與江都站共同組成第一級抽水站，以滿足南水北調東線一期工程抽江水北送的要求，并可抽排里下河地區澇水。寶應站抽水能力為100 m3/s，設置清污機橋長75.8 m，共計14 孔，中間10 孔布置回轉式清污機10臺，孔口寬度4.35 m，中間孔垂直安裝高度9.8 m（清污機底柵至清污橋板）。寶應站自2005 年建成，多次參加調水及排澇運行，由于地處里下河腹地，沿線河道內水草較多，尤其是夏秋兩季草量巨大，設備經多年連續長時間各工況運行，發生了不同程度的故障，清污機性能和清污效果有待改進。

2 原清污機存在問題及原因分析

2.1 工程基本情況和運行工況

寶應站前池設計最高水位2.25 m（黃海高程），最低水位為0.00 m，出水池設計最高水位8.23 m，最低水位為7.60 m，泵站設計水泵葉輪淹沒深度3.00 m。2019 年5-7 月，寶應站滿負荷抽水抗旱，泵站進水池平均水位0.11 m，平均揚程6.75 m，平均抽水流量為132 m3/s。2021 年7-8 月排澇期間，進水池平均水位2.78 m，揚程4.60 m，平均流量105 m3/s。

2.2 清污機存在問題和改造情況

（1）荷載過大。攔截大量水草時相互纏結、吸水過重、耙齒較長，清污機齒耙提升污物時往往會過載，超過部件材料的許用應力，則會造成斷裂、變形、脫軌等故障。

（2）部件磨損嚴重。寶應站內清污機齒耙管兩端立板磨損嚴重，立板螺栓孔磨損嚴重，水下部分鏈軌磨損嚴重，鏈條易脫軌。

（3）清污效率低。清污機打撈大團水草時易打滾脫落，只能打撈上數根水草，打撈效率低。寶應站下游河道中水草多為扁擔草，極易纏繞在柵條上，大量水草聚集在清污機前，如不能及時清除，將導致清污機柵前后水位差增大，運行時水泵葉輪淹沒深度不能滿足葉片汽蝕要求，難以清除附著于單根柵條上的細小水草，易造成攔污柵堵塞，增大攔污柵前后水位差，減小流量，需要人工乘船清污，工作量大，危險程度高。寶應站攔污柵前水草大量擁堵時，超出清污機工作能力，清污機過載，需停機反沖、逐步清理或吊機吊起攔污柵，清理水草才能使清污機正常運行。

（4）結構與安裝問題。清污機運行一段時間后鏈條易松導致脫軌，需及時調整保證緊度。清污機安裝精度不高時，軸頭、軸套易磨損。鏈條無限位裝置，或限位裝置不可靠，易脫軌。

（5）其他問題。寶應站清污機停止運轉時，攔污柵在一定水位會出現振動。

針對上述故障和存在問題，陸續采用減速電機增大功率，更換并優化齒耙，維修或更換鏈條，實施軌道、柵體、不銹鋼防脫鏈條和降速器等配套設備改造，但清污效果仍待提高，需進一步降低故障率。

3 改造技術方案要點

本次技術改造，針對清污機存在問題，吸收以往維修改造經驗，進一步分析故障成因，研究改造技術方案。

3.1 增加清污機設備功率

影響清污機的主要因素為齒耙的負載，根據清污機的工況和故障來看，寶應站的污物量較多，過柵流速較高，因此齒耙負載較大，且出現齒耙軸變形彎曲現象。增加清污機的功率可以相應提高過載保護、鏈條、齒耙軸等強度，從而降低故障率。

寶應站中間4孔清污機，孔口寬度4.35 m，垂直安裝高度9.80 m，齒耙長度4.06 m。齒耙間隔2.5 m，按4 道齒耙承載清污，包括將污物與柵條脫開并撈起時所有阻力，載荷依次為1.0 t、1.0 t、0.6 t、0.6 t 計算，則總載荷為3.2 t。以齒耙上輸送污物為研究對象，從能量轉換角度考慮，在單位時間內有3.2 t 污物被輸送到高度12 m處，同時又有同樣多的污物從靜止狀態變為一定速度的運動，其中清污機設計線速度為0.1 m/s?？紤]到清污機運轉速度較慢，可視為勻速運動，運行時間為120 s時求得清污有效功率為3.136 kW。

因寶應站污物量遠大于設計量，考慮清污機實際運行狀態存在各種摩擦阻力及運行的非連續性和實際情況，安全系數按1.6 選值。清污機設備功率為5.02 kW，選擇減速機功率5.5 kW，減速比127.68，則輸出扭矩為4 690 nm。

3.2 改進主軸支撐減少設備功率損耗

滑動軸承一般適用于低速重載工況的設備，清污機大軸轉速較低，徑向負載較大，滑動軸承適用于清污機，但是對設備的維護和保養要求較高。當2個軸座距離較遠時，同軸度要求較高，因此2個軸承座在調整鏈條節距時必須一致?；瑒虞S承相對滾動軸承來說摩擦力稍大，滾動軸承可以選擇雙列調心滾子軸承，在保證其負載能力的前提下，2個軸承座的同軸度要求降低。

3.3 優化牽引鏈條增加抗拉能力

升級傳動鏈條、鏈輪和過載保護，牽引鏈條將大軸扭矩轉化為齒耙的清污力，加大鏈板厚度和銷軸直徑可以提高清污機的清污能力，減低鏈板斷裂風險，提高鏈條耐磨性。

原清污機鏈條采用125 mm 節距，5 mm 鏈板，16 mm 銷軸，使用過程出現鏈板拉伸變形、斷裂，安裝齒耙的銷軸易折斷等情況，問題在于牽引鏈條負載超過鏈板強度，而發生塑性變形，使鏈板拉長。安裝齒耙的銷軸不僅承受齒耙的自身重力、污物重力、齒耙摩擦力及污物拉力，還承受齒耙反轉扭矩，其他鏈節的銷軸起到連接鏈板的作用。

由于清污機是通過傳動鏈條將減速機的功傳到大鏈輪中，由大鏈輪對大鏈條牽引。當清污機在正常運轉情況下，牽引鏈輪處的鏈條是受到拉力最大的地方。單側鏈條受力包括多支齒耙的自重、齒耙上的污物質量、單邊鏈條的自重、污物由于水壓而附著在清污機柵條上對齒耙產生的阻力及摩擦力等，其中前3 項作為計算的依據。根據單片鏈板的受力與最大危險面的面積比值計算出鏈板的拉應力，工況系數選取1.2，安全系數≥4 時為滿足要求［1-2］，根據計算結果初步選定8 mm 鏈板。安裝齒耙銷軸的設計參考齒耙自重、單耙最大污物量為主要計算依據，并附加工況系數，按照剪應力來校核，滿足安全系數≥4 可視為滿足要求。通過初步計算選定18 mm銷軸，其余柵節的銷軸直徑相同。

原傳動鏈條采用31.75 mm 節距精密套筒滾子鏈，過載保護采用剪斷銷保護，鏈條和剪斷銷都與原減速機電機功率配套。功率提高以后，加大了傳動鏈條直徑，過載保護剪斷銷由14 mm 調整為17 mm，增加了齒耙的抗負荷能力，從而系統地提高清污機綜合機械強度、操作方便性及可靠性。

3.4 優化柵體框架結構及柵條柵架固定方式

原柵體采用2 道邊梁、3 道橫梁框架結構，成中心對稱，上下2 道橫梁距離邊梁頂端300 mm，單節柵體寬4 622 mm，長3 200 mm，柵條采用卡栓鎖定在橫梁上，柵條與上下橫梁懸臂300 mm。新柵體結構仍采用2道邊梁、3道橫梁框架結構，橫梁與頂梁齊平。柵體寬度4 620 mm，長度調整為2 800 mm，以便于汽車運輸。柵條采用焊接方式焊接到3道橫梁上，取消卡栓，可以保證齒耙的最大插柵深度。取消柵條懸臂部分，保證2節柵體的柵條上下對齊，減少因柵條間距偏差導致清理污物的額外阻力。攔污柵體按設計水頭差1.0 m 進行校核，柵體采用實腹式梁，主橫梁使用工字鋼，材質Q235B，清污機主橫梁受力分析按簡支梁考慮。通過剛性校核，可認為清污機主梁已經滿足剛度要求。

同時，加高加厚柵條截面并更換材質，在保證柵條穩定性的同時減少柵條橫向支撐，防止水草懸掛在橫向支撐上。原柵條采用扁鋼材質Q235B，新清污機柵體扁鋼材質采用不銹鋼304。柵條加高，可以保證齒耙內齒的更大插柵深度，從而更便于清理附著于柵條上的水草、污物等。柵條加厚主要是為了取消橫向卡栓后保證柵條的橫向穩定性，強度和穩定性都滿足要求。

3.5 優化組合清污耙齒

清污機運行無水草阻水時，理論過柵流速等于平均抽水總流量除以理論過流面積，理論過流面積根據寶應站清污機不同底坎高程測算為107.6 m2，求得理論過柵流速為1.22 m/s。當泵站前池運行水位降低到0.1 m，柵條堵塞面積為50%時，過柵流速增大為2.5 m/s?？紤]到部分清污機的底部輔助柵基本無法過流，實際過柵流速可能會更高一些，通過增加插柵深度，可以提高清污效率。在柵條高度增加的情況下，在齒耙設計和制作時可以控制齒耙內齒的插柵深度，從而將2條柵條之間的水草、污物清理上來。

設計采用組合齒耙形式，合理布置各種齒耙形式［3-4］，充分發揮每種齒耙的清理效果，達到系統化清理柵體。目前回轉式清污機的齒耙形式多樣化，主要有常規齒耙、雙內齒梳柵齒耙、異形板梳柵齒耙、橡膠板梳柵齒耙、勾型齒耙、開刃齒耙等，每種齒耙針對性清理特定污物。寶應站水草較多，其中扁擔草比例較高，草體成面條狀狹長，很容易掛到柵條上，單純的常規齒耙無法清理干凈柵條緊貼的水草。

采用多種齒耙組合形式：第一道采用常規齒耙，清理超過柵條間距較大的污物；第二道采用雙內齒梳柵齒耙，可以清理部分掛在柵條上的水草，由于其內齒距離柵條仍為6~10 mm，部分緊貼柵條上的水草還會有殘余；第三道齒耙可以采用橡膠板梳柵齒耙，橡膠板與柵條沒有間距，可以對柵條進一步清理。另外，開刃齒耙，將柵條之間的水草切斷，防止清污機過載，勾型齒將大團的水草扯拉分開清理。通過幾道齒耙的逐級清理，柵面可以清理干凈，而且清污機的負載也最小。

加厚齒耙軸和齒耙連接板，增強清污耙抗彎能力，采用不銹鋼材質，有效減少銹蝕，新齒耙采用加厚管壁的無縫管，提高其剛度增加抗負載能力。齒耙擋板是齒耙安裝到鏈條銷軸的連接板，同時也是齒耙在左右軌道之間的定位板。原齒耙擋板為Q235B材質，鏈條銷軸為不銹鋼材質，齒耙擋板的安裝孔和銷軸存在一定的相對運動。碳鋼材質由于氧化腐蝕，安裝孔在長期銹蝕和受力作用下磨損較快，導致兩者之間間隙變大，使齒耙角度變化影響清污機效果。改用不銹鋼材質可以有效減少銹蝕，同時厚度增加到12 mm，從而更好地保持齒耙性能。

3.6 優化軌道結構

清污機軌道是控制牽引鏈條運動軌跡的部件，彎段軌道迫使牽引鏈條發生變形，受力較大。此外，軌道還是控制齒耙清污角度的部件，因此承受齒耙對軌道的反轉扭矩和壓力。

首先對齒耙進行力學分析，根據力的平衡可以看出，下軌道底板受力要大于軌道上底板受力。根據轉矩平衡進行轉矩計算，在確定單耙最大清污量和齒耙自重后，可以依據軌道底板受力對軌道底板進行校核計算。通過對底板校核計算選定軌道底板，同時由于鏈輪對軌道的碾壓，漆層破壞銹蝕較重，因此在軌道加裝不銹鋼墊板在一定程度上保護了底板，提高軌道耐磨性，延長使用壽命。另外，對于彎段部分軌道下底板受力較大，應考慮多增加下底板支撐和防變形加強筋板，以保證軌道的整體強度。

3.7 降低清污機輔助柵高度

以泵站中間4 臺清污機為例，原清污機輔助柵較高約1.6 m，在實際使用過程中，這部分空間將被污物、水草堵滿，不能過水。寶應站前池設計最低水位為高程0.00 m，其清污機底檻高程-5.00 m，1臺清污機過流高度5.0 m，輔助柵高度1.6 m，約占總過流面的32%，可見低水位運行時對整個過流影響還是較大的。

新清污機設計時盡可能考慮降低輔助柵高度，減少固定阻水面，改善過流條件，從而降低過柵流速，也有利于減輕清污機負載，提高清污機的可靠性。新型清污機相對于原設計的改進項目見表1。

表1 清污機相對于原設計的改進項目

4 寶應站應用評價

通過優化設計改造的新型回轉式清污機，2021年11 月安裝在寶應站4#孔位。試運行時已將清污機底板長期堆積的污物夾雜的污泥等順利清撈，降低輔助柵高度起到顯著效果，緊密形橡膠梳柵板，完全能夠將掛在柵條上的水草、塑料袋等進行梳理并清撈上來。2022 年寶應站北延應急供水和抗旱運行時，改造后的4#清污機對附著于單根柵條上細小水草清理效果好，清污能力、清污效率、整機機械強度、運行可靠性均達到改造效果。橫向比較其他未改造的清污機，4#清污機運行平穩、燥聲最小、電流穩定，清污機柵前和柵后無明顯水位差。由此可見，相關設計改造可滿足低水位工況下正常運行，改進提高清污效能，保障低水位引水條件下泵站主機穩定運行。

5 結 語

根據南水北調寶應站的實際情況，從運行工況影響、清污機結構等角度分析原清污機存在問題，研究成因，進行系統性設計，全面提升清污機綜合性能。在動力和傳動方面，采用增加清污機設備功率，升級傳動鏈條、鏈輪和過載保護，改進主軸支撐減少設備功率損耗等設計，增加了清污機整體強度。在結構改進方面，加固牽引鏈條以增加抗拉能力，優化柵體框架結構、柵條柵架固定方式、軌道結構以進一步增加強度，設計新型橡膠梳柵板齒以解決水草品種細軟問題，采用組合清污耙齒以提高清污能力。寶應站4#清污機試點實施，達到預期效果，為回轉式清污機在不同工況下的高效應用，為水草較多、水草品種細軟的泵站清污選型，提供相關依據和參考。