双钢丝绳牵引式刮泥机的设计与应用

李绍武，郑凤厚
中国市政工程东北设计研究院]吉林长春(130021

　　摘　要：双钢丝绳牵引式刮泥机是近十几年发展起来的一种沉淀池刮泥设备，在斜管、斜板沉淀池和浮沉池中都得到了普遍的应用。本文不仅对双钢 丝绳牵引式刮泥机与虹吸式刮泥机在应用中的优缺点进行了分析比较，而且对双钢丝绳牵引式刮泥机的发展过程、设计应用、施工安装、工程实例等方面做了详细介绍。
　　关键词：双钢丝绳；牵引式刮泥机；设计与应用
　　中图分类号：TU991.23
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(1999)11-0045-03

1 特点

　　双钢丝绳牵引式刮泥机是80年代由日本政府援建的长春中日人民友好水厂中斜板沉淀池的刮泥设备。日方援建部分设计规模为18×10⁴m³/d，工艺流程与国内其他水厂的工艺大体相同，即反应、沉淀、过滤。沉淀池分4个系列，内装斜板，单组斜板沉淀池长32m， 宽12m，每组沉淀池设4套双钢丝绳牵引式刮泥机，共计16套。刮泥机布置方式为横向刮泥，刮泥机型式为卧式，刮泥小车轨距为3.2m。该工程自1988年6月建成投产至今效果一直很好，沉淀池的排泥浓度一直在95%～98%,沉淀池出水浊度<8 NTU，水厂出水浊度<3NTU。?
　　长期以来，斜管沉淀池的排泥一般采用虹吸式或泵吸式刮泥机。由于虹吸式刮泥机自身结构的特点，在沉淀池宽度方向的两侧必须为设备的立桁架留有600～700mm的运行通道。当斜管沉淀池的长度超过25m时，沉淀池架设斜管的混凝土悬墙使结构设计和施工十分困难，从而使斜管沉淀池的长度受到限制。另外为设备预留的运行通道内不能架设斜管(此处相当于平流沉淀池)，斜管沉淀池的斜管铺设面积不能达到100%。池体外侧同时要设置600mm宽的与沉淀池长度相同的排泥槽，造成净化车间的建筑跨度亦要相应加大，增大了采暖面积，同时虹吸式和泵吸式刮泥机的水量损失也较大，增大了运行费用。对于单钢丝绳牵引式刮泥机国内也早有应用，由于单根钢丝绳很难控制刮泥车的跑偏现象，目前尚未发现成功的工程实例。
　　双钢丝绳牵引式刮泥机从结构设计上完全避免了单绳牵引刮泥车的弊病，巧妙地将一套驱动 机构与两台刮泥车组成一个运动整体。我们通过对引进设备的消化理解，结合我国国情，对进口设备进行了改造设计。初期由于我国没有生产不锈钢钢丝绳的厂家，仅能用普通碳钢钢丝绳代替，通过对辽宁丹东化纤厂工业水处理厂的实际应用，效果不甚理想。由于钢丝绳是在沉淀池的水下向驱动装置上的卷筒卷绕，钢丝绳表面的水渍加速了钢丝绳在大气中的锈蚀，卷筒上的锈水又被钢丝绳带入沉淀池污染了水质，钢丝绳仅用一年就发生了断裂。若采用镀锌钢丝绳，钢丝表面的镀锌层很容易被磨损，效果也不理想。?
　　目前，双钢丝绳牵引式刮泥机通过十几年的工程摸索、总结、改造，已得到了较彻底的完善。不锈钢钢丝绳国内已能生产，钢丝绳卷筒、改向滚筒均可采用不锈钢材质，同时刮泥机的换向机构采用了无机械接触式的接近开关。通过对上海宝钢、大庆采油十厂、大庆油田中引水厂、吉林市二水厂、大连金州水厂等十几个工程的实际测试，设备运行可靠度已优于国外引进设备。?

2 设计中需注意事项

　　 双钢丝绳牵引式刮泥机由1套驱动卷扬装置、2台刮泥小车、2套换向机构、8套立式滑轮、12套卧式滑轮及牵引钢丝绳组成。
　　①驱动卷扬装置设在池顶挑台板上，设备自重3.5 t，钢丝绳最大牵引力约为1.5t，故此卷扬机构的向下总作用力约为5t。挑台板下设两道混凝土梁，由于设备振动较小，一般结构设计不考虑动负荷。
　　②长度<25m的斜管沉淀池应采用纵向刮泥布置。由于沉淀池进水端的沉泥厚度大于出水端的沉泥厚度，故此刮泥小车的布置应从出水端向进水端逆水流刮泥，排泥斗应设在进水端，以利提高刮泥效率。泥斗的容积应大于刮泥小车每次的刮泥量。
　　③长度>25m的斜管沉淀池可采用横向刮泥布置。由于沉淀池进出水端的沉泥厚度不同，为使每组沉淀池中各套刮泥机的负荷基本相同，进水端刮泥小车轨距可窄些，以后向出水端逐级加大，这样每套刮泥机的寿命基本接近。也可采用刮泥小车轨距相同的布置方法。
　　④钢丝绳为刮泥机的重要部件，由于钢丝绳在工作中反复弯曲缠绕，为提高钢丝绳的寿命，应采用柔性较好的同向捻。在保证钢丝绳破断拉力的前提下，钢丝绳直径宜小不宜大，一般为9.3～11mm，材质为1Cr18Ni9Ti。
　　⑤水下刮泥小车的转动件均为不锈钢材质，采用水润滑，维修量很小。一般不必在斜管区下部设人孔，如遇特殊水下故障，可临时掀开一组斜管体做为人孔。正常情况下可结合斜管的老化更换对设备进行一次检修。

3 安装时应注意事项

　　①斜管沉淀池施工完毕后，应先安装刮泥机，待刮泥机安装调试合格后再铺设斜管。?
　　②刮泥机在安装过程中关键技术是调整两根钢丝绳的张力。若两根钢丝绳的张力不同则影响刮泥小车的正常运行，造成跑偏现象。有条件的情况下采用张力测试仪检测，一般要求是：钢丝绳水平段，水平长度中间点的垂度值<水平长度的1/1000；对于两根钢丝绳的张力可采用在钢丝绳水平段的中间点悬挂5kg的重物，两根钢丝绳的垂度误差值应<5mm。
　　③由于钢丝绳出厂后在初始使用时期有自然松劲伸长的特点，刮泥机钢丝绳连接后在调试过程中应反复预紧。空载试运行时，4、8、12 h各预紧一次，然后再检测两根钢丝绳的张力，满足要求方可投入使用。
　　④斜管安装中，在斜管与钢丝绳相碰的部位，将斜管切割一条缝隙，钢丝绳沿斜管切割缝穿过，不必考虑切割的斜管缝隙是否光滑。在钢丝绳反复穿过斜管体的过程中，自然将斜管体 磨出与钢丝绳直径相吻合的孔洞，以后将不再相互磨擦。

4 设计计算公式

　　仅对采用双钢丝绳牵引式刮泥机沉淀池的设计，按工艺要求的具体计算步骤如下：?
　　沉淀池每系列刮泥机负担水量Q₁(m³/s)：?
　　　　　　　　?Q＝KQ₁?
　　式中?K——系列刮泥机数量?
　　每系列每日沉淀泥渣之干泥量G(t/d)：?
　　　　　　　　　?G＝Q₁(S₁-S₄)86400/10⁶?
　　式中?S₁——沉淀池进水悬浮物，mg/L?
　　　　　S₄——沉淀池出水悬浮物，mg/L?
　　每系列每日沉淀泥渣之泥浆体积V₀(m³/d)：?
　　　　　　　　　　V₀＝100G/ν(100-P₂)?
　　式中?ν——泥浆容重，t/m³?
　　　　　P₂——泥浆含水率，%?
　　每套刮泥机一个工作循环刮泥量V₁（m³）：?
　　　　　　　　　　V₁＝bh²/tgγ?
　　式中?b——刮泥小车刮泥板宽度，m?
　　　　?h——刮泥小车刮泥板高度，m?
　　　　?γ——刮泥时刮板前泥浆堆积角，度?
　　每套刮泥机平均单位时间刮泥能力Q₂(m³/h)：?
　　　　　Q₂＝60V₁/t?
　　　　　式中?t——刮泥机每个工作循环所需时间，min?
　　　?t＝2S/v
　　　　式中?S——刮泥小车行车路程，m?
　　　　　　　v——刮泥小车行车速度，m/min?
　　刮泥机刮泥能力与沉淀池产泥量之比：?
　　　　　　　　　　B＝Q₂·h’/V₀≥1?
　　式中 h′——每系列采用的刮泥机台数?

5　 工程实例

　　 吉林省辽源市杨木水库净水工程设计规模10×10⁴m³/d，原水为杨木水库水。来水悬浮物：春秋季节小于100 mg/L，夏季小于150 mg/L，暴雨期最大悬浮物为500mg/L，冬季结冰期悬浮物小于8mg/L。针对北方地区的季节温度、来水浊度变化较大，尤其冬季低温低浊水难于处理的特殊情况，本工程沉淀池采用浮沉工艺，即冬季低温低浊期作为气浮池使用，水面上设双刮板刮沫机，其他季节作为斜管沉淀池使用，斜管区下部设双钢丝绳牵引式刮泥机。沉淀池分4个系列，每系列设2台双钢丝绳牵引式刮泥机，刮泥小车行走速度为1m/min，刮泥机驱动功率为0.75kW。?
　　设计计算：?
　　①已知条件?
　　水厂自用水系数：0.08；?
　　设计水量：Q＝108 000 m³/d；?
　　单系列水量：Q₁＝0.312 5m³/s；?
　　沉淀池进水悬浮物：S₁＝500 mg/L(夏季暴雨期最大悬浮物)，S₁＝150 mg/L；?
　　沉淀池出水悬浮物：S₄＝10 mg/L；?
　　沉淀规格(长×宽×高)：15.6 m×11.8 m×4.9 m；?
　　刮泥小车轨距：L_K＝2.70 m；?
　　刮泥小车刮板宽：b＝2.43 m；?
　　刮泥小车刮板高：h＝0.5 m；?
　　刮泥小车单程距离：S＝11.8 m。?
　　②计算(按暴雨期最大悬浮物考虑)?
　　每系列每日沉淀之干泥量：?
　　　　　　　　G＝0.312 5(500-10)86 400/10⁶＝13.23 (t/d)?
　　每系列每日沉淀泥渣之泥浆体积：?
　　　　　　　V₀＝100×13.23/1.03(100-98)＝642.23 (m³/d)?
　　每套刮泥机一个工作循环刮泥量：?
　　　　　　　V₁＝2.43×0.5²/tg5°＝6.9 (m³)?
　　每套刮泥机平均单位时间刮泥能力：?
　　　　　　　Q₂＝60×6.9/2×11.8×1＝17.5 (m³/h)?
　　刮泥能力与沉淀池产泥量之比：?
　　　　　　　B＝17.5×2×24/642.23＝1.3≥1?
　　即：在来水最大悬浮物达到500 mg/L时，采用连续刮泥，满足刮泥机刮泥能力大于沉淀池产泥量的条件。?
　　夏季一般天气的计算(按来水悬浮物150 mg/L计)结果为：?
　　　　　　　G＝3.78 t/d　　V₀＝183.5 m³/d?
　　　　　　?V₁＝6.9 m³Q₂＝17.5 m³/h?
　　　　　　　B＝4.5≥1?
　　每天刮泥次数：?
　　　　　　?K＝183.5/6.9×2＝13.29次 (取14次)?
　　时间间隔约为80min。?
　　本工程已运行多年，经过有关部门的检测及验收，证明该工程的设计方案、设计数据的选用及所采用的双钢丝绳牵引式刮泥机是合理、成功的，达到了设计要求，为今后推广使用双钢丝绳牵引式刮泥机提供了一个较好的范例。?

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　　电　　话：(0431)5653550×2363(O) 5638778(H)?
　　收稿日期：1999-08-02