行车式泵吸单管吸泥机的设计.pdf

行车式泵吸单管吸泥机的设计陆大玮楼上游马殿旗周书征摘要本文主要介绍了行车式泵吸单管吸泥机设计过程，分别介绍了行走系统和吸泥排泥系统的结构、动力、阻力和水头损失等的设计计算，重点介绍了核心部分一单管吸泥管的设计，包括改变配孔比和等孔径变孔距分布这两种。关键词吸泥机吸泥管单管泵吸泥均匀度配孔比A b s t r a c tt h ee s s a yi n t r o d u c e st h ed e s i g no fj e n n yp u m ps i n g l ep i p ea b s o r b i n gs l u d g em a c h i n e，i n c l u d et h es t r u c t u r e，d r i v ep o w e r,r e s i s t a n c ep o w e ra n dt h ep r e s s u r el o s i n ga l o n gp i p e I nd e t a i li n t r o d u c e st h ec o r e 一s i n 9 1 ep i p ea b s o r b i n gs l u d g ep i p e Sd e s i g e n，i th a st w ow a y s：c h a n g i n gh o l e sa r e ar a t i oa n ds a n l eh o l e sd i a m e t e rb u td i f f e r e n td i s t a n c e sa m o n gh o l e s K e yw o r d sa b s o r b i n gs l u d g em a c h i n ea b s o r b i n gs l u d g ep i p es i n g l ep i p ep u m pt h em e a nr a t eo fa b s o r b i n gs l u d g eh o l e sa r e ar a t i o污水处理中的平流沉淀池的排泥方式主要有两种，一种采用泵吸式吸泥机排泥，另一种采用的是虹吸式吸泥机排泥，两者都有各自的优点，但虹吸式吸泥机由于是纯粹利用水压差来排泥的，因此流速偏小，在有些情况下虹吸式吸泥机会出现吸泥不尽，造成沉淀池泛泥的现缘，对出水水质产生了不好的影响，故目前在选择排泥方式时偏重于泵吸式。针对我单位所接触的废水污泥的特点，借鉴国内、外同类设备的先进技术，我们开发设计了适用于目前废水处理的平流式沉淀池的机械排泥系统行车式泵吸单管吸泥机。该机符合水处理机械朝着高效、节能、轻质高强、耐久性好，操作运转灵活可靠，机电一体化的发展方向。一行车式泵吸单管吸泥机的工作原理。行车式泵吸单管吸泥机是利用行车的移动和置于行车上的吸泥系统，抽吸池底污泥。因此它主要有吸泥排泥系统和行走系统组成。行走系统：电动机通过减速机带动铸钢车轮在池边轻轨上滚动，使吸泥系统边行进边吸泥。用行程开关控制吸泥机往返运动行程，使之不停地往返行走吸泥，并设置有延时开关及急停装置，防止设备出现故障时，空转。吸泥排泥系统：在多管吸泥机中，污泥的吸入系统是由多个大吸口、与吸口一一对应吸泥管和集泥刮泥装置组成，结构较复杂，成本较高，安装维修都不便；吸口一般较大，有的采用喇叭型，这样就容易将池底一些大杂物吸入管内，造成管路的堵塞和泵的损坏；随着运行时间的增加，集泥刮泥装1 1 6置的磨损会越来越严重，从而吸泥不尽的现象也越来越严重，为此，我们设计了单管吸泥机，污泥的吸入是靠一根接近池底且平行于池底的吸泥管完成的，吸泥管上有若干小孔，污泥从池底经由小孔进入吸泥管，在泵的作用下，行走系统的传动机构启动时，同步启动污泥泵，经排泥管排出池外，等待进一步的处理。行走系统的传动机构启动时，同步启动污泥泵，吸泥机工作时，污泥泵可根据废水特性选用无堵塞潜污泵或液下泵，无需引水装置，就可将污泥抽出池外。二行车式泵吸单管吸泥机的结构设计1 行车架的构造型式及设计计算行车架采用桁架形式(见图1)，由主梁、端梁、水平桁架及其他构件焊接而成。其中主梁主要承受吸泥机的自重及活载(包括人员和所携带的工具器材等)所产生的垂直载荷，采用小型钢焊接，大幅度降低设备的重量和材料消耗，加工周期短，成本低。水平桁架作为工作走道、吸泥管路和驱动装置的支架，同时承受吸泥机行驶时所受的惯性、风载及集泥阻力等水平载荷，主粱刚度的计算是主梁设计的首要任务，由均布载荷产生的最大挠度为：y=皇翌!L 三铲【y】(1)式中：W l 钢结构重力(单侧主梁自重+U 2 水平桁架重+1 2 工作走道等重)(N)；W 2 一设备重力(驱动机构、吸泥管及管内泥水重力，不包括行车车轮的重力)(N)；w 3 一活载(一般取15 0 0 N m)(N)；l 隐吣绷I I、葺吣&-I I 入I V l 卅I 八I口二_ C 矿-H、强I L 厂I、l、J l I1 7 一I、J矿9，：。1、吣j罩fl】驱动装置2 桥架3 池壁4 吸泥管5 排泥管6 泵7 拉绳图l 吸泥机结构简图w 4 一由刮板上的泥水阻力对主梁所产生的力矩而转化成主粱上的载荷(N)；L 一主梁跨距(m)；E 材料弹性模量；1 一惯性矩(m 4)；1 1 7【y 一主梁的许用挠度，应小于L 7 0 0(m)。2 驱动装置设计计算行车两侧的驱动轮分别由独立的电机带动二级减速器驱动，且两侧的驱动装置由相同的机件组成，并同步运行。车轮选用有单轮缘的铸钢车轮，轮缘的作用是导向和防止脱轨，当两侧车轮不同步时，单轮缘车轮可起到自动调偏的安全保护作用。选用轻型钢轨作为吸泥机行车的轨道，钢轨在混凝土面上平整铺设。考虑到车轮的安装误差与行车受温差的影响，车轮凸缘的内净间距与轨项宽度问留有适当的间隙，其值为1 5 2 0 m m。吸泥机行车跨距与前后轮的轮距根据平流式沉淀池的池宽确定，行车跨距比池宽大4 0 0 6 0 0 r a m，主、从动轮轮距与行车跨距之比为1：8 1：6。1)驱动功率P 的计算：尸：!墨一墨一墨墨墨业(K)6 0 0 0 0 7 7 m、(2)式中：a：P 一车轮行驶阻力(N)；只：1 3 矿2 1 d+2 KD(3)W z：吸泥机总重力(包括活载)(N)；u1：轮轴与轴衬的滚动摩擦系数，取0 1；D：车轮直径(c r n)；K：车轮滚动摩擦力臂，铸钢滚轮与钢轨的摩擦力臂O 0 5(锄)；d：车轮轮轴直径(c m)。b：P 2 道面坡度阻力(N)P 2 _ W z K 坡K 埴；道面坡度阻力系数，一般取1 1 0 0 0。c：P 3 风压阻力(N)P 3=q A Cq：基本风压，内地为1 0 0 P a，沿海地区为1 5 0 P a；A：吸泥机的有效迎风面积(m 2)；C：体型系数，桁架形式为1 2 1 6。d：P 4 一集泥阻力(N)P 4-K L。K：单位吸泥管长度阻力(N)；k：吸泥管长度(m)e：P 5 一水下拖曳阻力(N)由于水与淹没体间的相对速度极底，此设计中水下拖曳阻力可忽略不计。n：总机械效率()；v：吸泥机行驶速度(r n m i n)；m：电机台数。2)吸泥机的倾翻力矩核算：吸泥机在工作时，由于受到水和水下污泥的阻力，对吸泥机行车产生倾翻力矩，因而由吸泥机重力对前进车轮为支点产生的力矩必须大于倾翻力矩，才能保证吸泥机行车不致倾覆。吸泥机的最小倾覆重力可按下式验算：。警()(4)式中：P。：集泥阻力(N)；h：阻力点至车轮中心点的垂直距离(m)，B：吸泥机重，t l,至前进车轮中心点的距离(m)。3)驱动车轮打滑验算吸泥机的行使是靠驱动车轮与轨道之间的粘着力工作的。如果驱动轮与钢轨间粘着力不够时，则出现驱动轮打滑现象。因此，当粘着力不足时，应在车轮的承压条件许可下增加压重，或采取其他增加阻力系数的措施。驱动轮打滑验算工况，应在吸泥机自重不受外来载荷，而且处子驱动阻力最大的条件下计算，计算公式为：五P=丢(研)彳l,g()(5)P：驱动阻力(N)；u：钢轮与钢轨之间的滑动摩擦系数，取0 2-0 4。4)泵吸与排泥系统结构及计算主要由泵和吸泥管组成，吸泥管由排泥管接入水泵，吸入管内的污泥经水泵和排泥管输出平流池外。泵选用立式液下排污泵，泵的扬程应大于管路及配件的总摩擦水头损失l 1 5 m。吸泥管内的水流一般为紊流状态，流体在管内的摩擦水头损失大致上与流速成正比所以管路的摩擦水头损失可按式(6)计算，管配件的摩擦水头损失可按式(7)计算：(6)(7)式中：v；管内平均流速(m s)；入：摩擦损失系数，在紊流状态，入=O 0 2 0+0 0 0 0 5 D；D：管道内径(m)；L：管长(m)；f 各种管配件的摩擦水头损失系数。三吸泥管的设计计算单管吸泥机的核心技术在吸泥管上，吸泥机的吸泥效果(主要指标是吸泥均匀性)取决于吸泥管上的孔的大小及其分布，为了提高吸泥机吸泥均匀的均匀性，有三种方式：1)改变配孔比(开孔的总面积与吸泥管横截面积之比)，孔是等孔径等孔距分布：2)孔是等孔径变孔距分布；3)孔是等孔距变孔径分布。这里主要讨论前两种情况。1 1 9弦：、堡砂睾五|I|矗矗1 改变配孔比在吸泥管直径不变的情况下，等孔径等孔距的吸泥管不可能做到吸泥完全均匀，要达到污水处理工艺上的吸泥均匀，就要降低配孑L I：L，其实质是增大吸泥孔的阻力以达到减小吸泥孔内部压力分布不均匀的影响。这类问题通常是根据吸泥管管内的压强水头系数刃来进行计算：矽=(，一吾)+芸(t 一参)日。+矽专V 2(8)(9)如图1 所示，式中：L 为吸泥管吸泥部分的长度，D o 为吸泥管直径，x 为吸泥管计算断面到起端断面的距离，A 为水管的摩阻系数，其大小与管道直径有关，表1 中列出了部分管径时的A 值，H。为吸泥管末端断面的压强水头，V。为吸泥管末端断面的流速。表1部分管径下的对应的管道排泥摩阻系数式(2)表明吸泥管内压力分布只与压强水头系数g 有关，管内压力随泥水流方向减少，在x=L处压力最小，在管的始端x-0 时压强水头系数彩=1+又L 3 D。吸泥管孔孔眼的泥水流属于眼模式孔口出流，故孔口流量q=L t s 西(1 0)式中：u 为孔眼流量系数，取u=0 6 2，S 为孔眼面积，h 为孔眼作用水头，即管内外压力差。各孔眼的作用水头不相同，因此出现积泥不均匀，其积泥均匀度由玎：红确定，即首尾两孔的流量之比。如图2 所示，设水面至吸泥管轴线的距离为H o，第一孔处和最后一孔处的水头压强分别为H，和H。则第一孔处的作用水头最后一孔的作用水头H。，=h。=H o H。由式(3)得1 2 0(】i)(1 2)7 7：坠：g 一匠H,-H 毛,I=陌I1H骂1-H,=乒1+雨办29(Ho(1 3)j=趟；山忙“晓l一!r1 孙-：g 四：灭d、，矗o目目J崮J d罾1_IXL-一d 工v nC图2 吸泥管示意图n(1 4)如图2 所示，设水面至吸泥管轴线的距离为H o，第一孔处和最后一孔处的水头压强分别为H。和H。则第一孔处的作用水头H。i。：h l=H o-H l(11)最后一孔的作用水头H。，=h。=H o H。(1 2)由式(3)得-H 互=I l l 丽H l-H77=瓦qmin=蹈1H1-H,由孔口流量公式庐 1+；b I2 9(H 磊o _：庐蕊巩n：等(1 3)(1 4)(1 5)和孔眼流速公式u：堡：业(1 6，n S，z S式中：U 为孔口流速，瓯为吸泥管末端流量，s。为管横截面积，n 为吸泥孔个数】2 1得1 1)t X式=由移I|坠=刁得Q式由得出7 7=乒甭(t 7)式中p=n s S o，即配；f L I；k。由式(1 0)知，当吸泥管给定后，即给定了管道特性系数，吸泥均匀度只与配孔比有关，故可以调节配；L L L 来达到需要的均匀度。例如，一吸泥管L=I O 米，管径D o=2 5 0 m m，入=O 0 4 2，取孔眼直径d=3 0 m m，求孔眼间距使积泥均匀度T 1=0 9。解：管道特性系数矽：1+兰生：1+0 0 4 2 x 1 0：1 5 63 哦3xo 2 5由式(1 0)得=0 6 2力：丛：0 6 2 x0：2 5 2：2 5 8 个，取n：26，S0 0 3 2布孔间距易：三：望之：0 3 7 0”2 即可达到吸泥均匀度r 1：o 9 的要求。玎4-12 6+12 等扎砼 雯扎跑分布在图2 中，吸泥管均匀吸泥，其管径为D，管长为L，单位管长的吸入量为q，Z o 为吸泥泵离吸泥管中心线的距离，吸泥管末端为端面1，距起始端x 处为端面X，其余参数如图所示。在端面X 处，流量为Q f q x，在此处取微长d x，如图1 所示，则通过d x 管长的沿程压力损失为d h，=彳g d x=A q 2 x 2 d x(1 8)式中川5 嘉为管段的比阻耗，K 为沿程阻力损失系数，对钢管取K 瓠0 2 4。由式(1 1)知从X-X 端面到1 1 端面的沿程压力损失为7 z l 一=r 彳9 2 工2 出=弘12 阳：=弘12 口一12 x 3，对图2 中吸泥管列伯努利方程如下：7 p 十瓦V 2=Z o+卷2 饥，(2 0)又v：Q S=4 Q 兀D 2，故有1 2 2等=Z o+立2 9 一蔓2 9+啊-x=Z o+茹(“2)+j 1 砰(h 3)(2 1)则X 端面处孔E l 的出流水头为q=乙号=Z 口一茹(“2)一(“3)令Z。Z o _ H o，根据孔E l 流量公式得旷肛瓜讪”。了8 q。2，(L Z _ x 2)_ 圭A q 2(L 3-x 3)1 2=胪正面K。=9 0 K q(2 3)式中K 为流量减小系数Z aViV；-二=2 9 一菊西zP zV iq 1 I v oQo、1一43V xQ】【2XX图3 吸泥管示意图K。=18 q 2(L 2-i f)一鑫(t 3-x 3)l 2则X 端面处的开孔率(单位长度上开孔的个数)：m x2 丢q2 去2 卺xq o KqKq式中聊。=q q。为吸泥管末端的开孔率。(2 4)(2 5)由于流量减小系数的存在，要做到完全均匀出流是不可能，实际上往往采用分段处理法处理，将吸泥管分成J L 段，对每段分别计算平均开孔率，按每段的开孔率开孔。例如，一吸泥管为直径D=3 5 0 m m 的钢管，吸泥长度L=2 0 m，开孔孔径d=3 0 m m，吸泥量Q=0 0 8 m 3 s，H o=1 0 c m，试对其进行设计计算。分成四段进行处理，从末端起依次为1、2、3 和4 段，根据图l 所示，1 段的x 值取该段的中点处的值即x=1 7 5，管段排水率：q=Q L=O 0 8 2 0=0 0 0 4 m 3(m s)管末端流速：v o=Q(5 1 R 2)=0 0 8 X 4(3 1 4 X 0 3 5 2)=O 8 3 r r g s孔口自由出流流量g o=s 瓜=0 6 2 i 2 2 x0 0 3 2x 瓜丽丽=o 6 1 4 x 1 嘞3 s则流量减小系数：l：f 0 9 3 0开孔率m=q q o K=4(0 6 1 4 X 0 9 3 0)-7 0(个m)孔距1=1 m=1 7 0=0 1 4 3 m=1 4 3 m ml 段管上的开孔数：n：L l：5 O 1 4 3：3 5 个其它管段同样计算，结果如表2第1 段单位长度上出水量：q l=0，6 1 4 3 5 5=4 3 0U(s m)第5 段单位长度上出水量：q 5=O 4 3X4 6 5=3 9 6 L (s m)则吸泥均匀度：r l=q J q 产3 9 6 4 3 0：9 2 表2 各管段参数项目管段1 段2 段3 段4 段计算距离值X(1 1 1)17 51 2 57 52 5流量减小系数K，0 9 3 00 8 1 40 7 3 70 7 0 1开孔率(个m)7 08 08 89 3孔距1(m)0 1 4 30 1 2 5O 1 1 40 1 0 8开孔数n(个)3 54 04 44 6第一种方法是通过降低开孔比来提高吸泥均匀度，尽管可以提高吸泥均匀度，但降低开孔比也就减小开孔的个数，孔数过少，会使池底吸泥不净：第二种方法是分段处理，段分得越细，吸泥均匀度越高，且没有其他负效果，因此该方法实际应用效果要好些。四结论行车式泵吸单管吸泥机在吸收行车式多管吸泥机的一些优点的基础上，采用了一根吸泥管的优化结构而得到的，通过建立一套完善的水力模型，可以确保布水均匀，排泥均匀，克服多管吸泥机结构复杂、易堵塞和吸泥不尽等缺点，具有自动化程度高、投资省、运行费用低、处理效果稳定可靠、操作方便易于维修的优点。该系列产品已成功应用于青岛平度污水处理厂(3 台)、河北高阳县污水处理厂(8 台)的平流池中。针对吸泥机的特性和平流池的实际情况，本文研究了主梁的刚度、驱动功率、排阻力、管路及配件的总摩擦水头损失的计算过程，重点研究了单管吸泥管的设计，保证了该种吸泥机在结构和功用上都有一些不可比拟的优点，提高了污水处理设备的装备水平，增强了我单位在市场中的竞争力。参考文献：1 崔玉川，员建，陈宏平给水厂处理设施设计计算北京：化学工业出版社，2 0 0 32 严煦世，范谨初给水工程北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 93 许保玩安鼎年给水处理理论与设计北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 24 禹华谦，莫乃榕工程流体力学北京：高等教育出版社，2 0 0 4陆大玮机械科学研究总院环境保护技术与装备研究所l u d w 2 0 0 8 s i n a C O I T l0 1 0 8 8 3 0 1 3 1 6楼上游机械科学研究总院l o u s h a n g y o u 2 6 3 n e t1 2 5