沉降槽耙料機(jī)驅(qū)動方式比較

毛文睿* 王 璠 殷雨田 王 卉 馬涵托

（航天長征化學(xué)工程股份有限公司）

0 引言

沉降槽耙料機(jī)又稱作濃密機(jī)、濃縮機(jī)，是一種不間斷工作的固液分離設(shè)備[1-2]，目前被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、建材、化工、煤炭等行業(yè)的含固廢水濃縮過程。沉降槽耙料機(jī)通常架設(shè)在渣水處理單元的沉降槽上方，黑水及濾液等介質(zhì)在絮凝劑的作用下聚團(tuán)沉淀在沉降槽的錐形底部。耙料機(jī)通過旋轉(zhuǎn)刮耙不斷將淤漿收集到槽底中央的淤漿出口處，并最終通過渣漿泵將淤漿排出。根據(jù)驅(qū)動裝置所處位置不同，沉降槽耙料機(jī)可分為中心傳動式和周邊傳動式，一般是以沉降槽直徑30 m 為界[3]。由于煤化工行業(yè)沉降槽直徑普遍小于30 m，因此本文主要對中心傳動式耙料機(jī)進(jìn)行介紹。

1 沉降槽耙料機(jī)組成及工作原理

沉降槽耙料機(jī)由大梁、傳動裝置、穩(wěn)流裝置、傳動軸、耙料軸、物料刮集裝置等幾大部件組成。在運(yùn)行過程中，驅(qū)動裝置通過傳動軸帶動耙料軸動作，耙料軸帶動物料刮集裝置轉(zhuǎn)動。安裝在物料刮集裝置上的刮板把槽底沉降物收集到沉降槽底部中心出口處，并將沉降物排出槽外。

1.1 大梁

大梁是主要的受力鋼結(jié)構(gòu)件，其承受由傳動軸、耙料軸、主耙、副耙、部分管道支撐梁和部分管道構(gòu)成的集中載荷和大梁的自重形成的均布載荷。

1.2 穩(wěn)流裝置

穩(wěn)流裝置位于沉降槽中心，其主要作用是將上游來料和絮凝劑進(jìn)行混合，并在沉降槽中均勻地布料。穩(wěn)流裝置的主要元件為穩(wěn)流筒，其內(nèi)部設(shè)有弧形擋板，進(jìn)料漿液在切線運(yùn)動過程中與絮凝劑有效結(jié)合后沿筒壁向下布料，經(jīng)位于穩(wěn)流筒底部的錐形分料盤作用后呈拋物線狀向沉降槽四周布料。

1.3 物料刮集裝置

物料刮集裝置可將沉積的淤漿收集到槽底出口處，其主要由耙料軸、主耙和副耙組成。主耙由4 個耙架組成，耙架間通過水平拉索相互連接，每個耙架和耙料軸間通過斜拉索連接。因此，4 個耙架和耙料軸形成了一個整體的空間結(jié)構(gòu)。耙架上設(shè)置有多個刮板，運(yùn)行中通過主副耙共同作用，確保沉降槽錐底的沉積物能更徹底的刮集到排料口。

1.4 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置是沉降槽耙料機(jī)的核心部件，用于帶動物料刮集裝置轉(zhuǎn)動。驅(qū)動裝置設(shè)有機(jī)械和電氣過載保護(hù)裝置，可確保耙料機(jī)安全可靠地運(yùn)行，并在過載時能夠?qū)崿F(xiàn)載荷自動消除及過載報(bào)警。驅(qū)動裝置的性能對整個設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性具有較大影響。目前常用的驅(qū)動方式主要為機(jī)械驅(qū)動和液壓驅(qū)動，下文將對這兩種驅(qū)動方式分別進(jìn)行介紹。

通過研究沉降槽耙料機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動裝置是該裝置的核心。研究其驅(qū)動原理，選擇合適的驅(qū)動方式對于沉降槽耙料機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性有著決定性的影響。

2 沉降槽耙料機(jī)驅(qū)動方式的研究

2.1 機(jī)械驅(qū)動

機(jī)械驅(qū)動裝置主要由電動機(jī)、減速器、支座、提升裝置、回轉(zhuǎn)支承、護(hù)罩等部件組成，其驅(qū)動原理為：主傳動裝置由主電動機(jī)帶動的擺線針輪減速器驅(qū)動，通過聯(lián)軸節(jié)使小齒輪轉(zhuǎn)動；小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的外齒圈嚙合，并帶動回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動與其相連的耙料軸及耙臂旋轉(zhuǎn)，固定在耙臂上的刮板將錐底沉降物刮入位于槽底中央的沉降物出口。耙臂升降是通過提升電動機(jī)帶動的擺線針輪減速器經(jīng)一級齒輪減速和螺旋傳動后實(shí)現(xiàn)的。

機(jī)械驅(qū)動耙料機(jī)具有機(jī)械過載保護(hù)功能，并在電機(jī)和擺線針輪減速器間設(shè)置了扭矩傳感器。當(dāng)負(fù)載扭矩達(dá)到設(shè)定值時，主副耙自動升降，能自動消除過載現(xiàn)象，直到設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)負(fù)載扭矩繼續(xù)增大至最高設(shè)定值時，主傳動電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并發(fā)出報(bào)警信號，同時提耙電機(jī)開始動作直至物料刮集裝置提升到最高位。

機(jī)械驅(qū)動的核心部件為擺線針輪減速器[4]，其優(yōu)點(diǎn)如下：（1）傳動比大，單級傳動的傳動比一般為9～87, 若采用多級組合則可達(dá)到更大的傳動比；（2）可適配各類電機(jī)；（3）體積小、質(zhì)量輕，其體積與質(zhì)量約為普通減速器的一半；（4）運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且高效，因?yàn)閿[線針輪傳動有將近半數(shù)的齒嚙合，所以重疊系數(shù)大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)高效，效率可達(dá)90%以上。

2.2 液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動主要由油泵、液壓馬達(dá)和油箱等構(gòu)成（如圖1 所示），可滿足正常、反轉(zhuǎn)和提降三種工況。

圖1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

（1） 正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況

如圖1 所示，油泵2 由電動機(jī)帶動，液壓油經(jīng)過濾器進(jìn)入液壓泵腔，經(jīng)電磁換向閥10 和11 進(jìn)入液壓馬達(dá)9，進(jìn)而驅(qū)動耙料軸正向轉(zhuǎn)動。回油由液壓馬達(dá)流出，經(jīng)電磁換向閥10 和11，流入回油冷卻器13和過濾器14，經(jīng)冷卻、過濾后流回油箱。

（2） 反轉(zhuǎn)工況

在耙料機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，工況時常會產(chǎn)生變化。當(dāng)槽底物料逐漸增多后，物料刮集裝置的工作阻力增大，液壓系統(tǒng)的負(fù)荷也隨之增大。當(dāng)設(shè)備處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，檢測到油泵出口壓力變送器的輸出信號高于設(shè)定值，則控制系統(tǒng)首先驅(qū)動電磁換向閥10，通過變換給油方向使液壓馬達(dá)帶動耙料軸反轉(zhuǎn)，進(jìn)而排除過載工況。

（3） 提、降耙工況

在反轉(zhuǎn)工況結(jié)束以后，如果油泵出口壓力變送器的輸出信號仍然高于設(shè)定值，則電磁換向閥11 會切換位置并使液壓缸帶動物料刮集裝置向上提升。當(dāng)耙料機(jī)被提升至設(shè)定位置時，電磁換向閥11 變換位置使設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)物料刮集裝置被提升至上限位置時，提耙工況結(jié)束。設(shè)備繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，槽底於漿被不斷排出槽體，物料刮集裝置則在重力的作用下不斷下降，當(dāng)物料刮集裝置降至下限位置時，裝置繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況[5]。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）液壓驅(qū)動系統(tǒng)中的減速器為斜齒輪減速器，斜齒輪減速器的輸出扭矩大，齒輪強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)子不易損壞，可避免由于擺線針輪減速器損壞而導(dǎo)致設(shè)備頻繁檢修。

（2）采用電磁換向閥10 實(shí)現(xiàn)耙料機(jī)的反轉(zhuǎn)，降低了提耙的頻率及故障率，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加高效、穩(wěn)定。結(jié)合煤化工裝置的現(xiàn)場運(yùn)行情況可知，沉降槽耙料機(jī)的過載故障并非都是由于物料處理量激增引起的，更多是由于物料的黏性較大、流動性較差而引起的局部物料沉積造成的。該類故障可通過物料刮集裝置反轉(zhuǎn)一段距離來排除，降低了耙料機(jī)的提耙頻率，從而提高了耙料機(jī)的穩(wěn)定性和工作效率[6]；

（3）耙料機(jī)的部分控制任務(wù)由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，簡化了設(shè)備的控制邏輯；

（4）整個液壓系統(tǒng)在密閉條件下運(yùn)行，不受自然環(huán)境的影響，可以在潮濕、多塵的環(huán)境中使用；

（5）液壓系統(tǒng)具有更大的調(diào)節(jié)范圍，使得設(shè)備能適應(yīng)工況變化甚至過載。

3 驅(qū)動方式對比分析

目前耙料機(jī)常用的驅(qū)動方式是機(jī)械驅(qū)動，這種驅(qū)動方式具有操作和維護(hù)簡單、設(shè)備占地面積小、初期投入成本低等優(yōu)勢。但是在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械驅(qū)動存在許多不足：（1）耙料軸的轉(zhuǎn)速與電動機(jī)轉(zhuǎn)速相比較低，因此常常采用速比較大的擺線針輪減速器。該類減速器傳動件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制造精度的要求較高，否則無法達(dá)到多齒嚙合，且強(qiáng)度低、抗過載能力差[7]，導(dǎo)致設(shè)備滿載或負(fù)荷波動時極易損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，耙料機(jī)的各主要部件中，擺線針輪減速器的故障頻率位居榜首；（2）機(jī)械驅(qū)動一般采用扭矩傳感器檢測耙料機(jī)的過載情況，此方式常由于檢測環(huán)境惡劣、檢測點(diǎn)難以準(zhǔn)確把握而導(dǎo)致測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確；（3）對于直徑大于18 m 的耙料機(jī)，回轉(zhuǎn)支承無法承受單臺大功率電機(jī)所帶來的巨大扭矩，若更換強(qiáng)度更高的回轉(zhuǎn)支承則會影響設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，因此往往采用多臺小功率電機(jī)驅(qū)動的方式，這就會導(dǎo)致電機(jī)之間運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。

與機(jī)械驅(qū)動相比，液壓驅(qū)動以油泵加液壓馬達(dá)作為動力來源，其具有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）液壓驅(qū)動采用壓力傳感器代替扭矩傳感器來檢測設(shè)備的運(yùn)行狀況，可有效避免扭矩傳感器易失效、不靈敏等缺點(diǎn)；（2）低速大扭矩液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于電動機(jī)，可以大大降低減速器的速比，采用強(qiáng)度較高的齒輪減速器替代擺線針輪減速器，可以降低維修成本；（3）可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備反向運(yùn)轉(zhuǎn)刮料，有助于系統(tǒng)在輕度壓耙時通過反轉(zhuǎn)來擺脫不利工況，提高運(yùn)行效率；（4）在變工況甚至過載時，液壓驅(qū)動可以更好地保護(hù)設(shè)備、適應(yīng)新的需求。

總的說來，在耙料機(jī)尺寸較小、工作環(huán)境良好、設(shè)備工況穩(wěn)定、人員操作水平較高的情況下常采用機(jī)械驅(qū)動；而在大尺寸、變工況、工作環(huán)境較為惡劣的情況下，液壓驅(qū)動方式有著更為顯著的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

機(jī)械驅(qū)動和液壓驅(qū)動的耙料機(jī)在不同使用環(huán)境下有著不同的優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境良好、工況穩(wěn)定的小型耙料機(jī)中采用機(jī)械驅(qū)動較有優(yōu)勢；而在工況變動頻繁的大型耙料機(jī)上，液壓驅(qū)動更能適應(yīng)工藝需求。根據(jù)不同需求結(jié)合不同驅(qū)動方式的特點(diǎn)進(jìn)行選型，才能讓耙料機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定、高效。