上懸移動式自動格柵除污機的研究
摘要：對上懸移動式自動格柵除污機的組成、機理及結構特性進行 研究 ，解決了格柵除污機在運動過程中的定位、液壓系統輸油管線動靜結合及清渣齒耙的結構形式等關鍵技術 問題 ，完成了上懸移動式自動格柵除污機的技術研究工作。
關鍵詞：格柵除污機 液壓清渣齒耙 液壓動靜密封
1 前言
國內 目前 使用于水處理工程中的移動式格柵除污機品種較少，能夠較好地滿足工藝要求，且運行可靠、操作管理方便、維護檢修簡單、 經濟 耐用的品種則更是少之又少。多年來，國內學者和工程技術人員在引進、消化、吸收國外新型移動格柵除污機技術的基礎上，為提高格柵的除污效率及自動化程度，解決移動格柵行走對位準確性、降低功耗、減少工程投資等問題，進行了大量深入和細致的研究工作。
為了適應我國水 工業 發展 的需要，經廣泛調研，查詢了大量國內外機械格柵的相關資料 文獻 ，在吸收消化國外先進技術前提下，結合我國水工業的現狀，針對國內現有移動式格柵除污機存在的不足，作者研究開發出一種新型格柵除污機——上懸移動式自動格柵除污機。其主要適用于均布在同一直線或具有一定曲率半徑工作軌跡上的城市給水、排水、取水泵站等多進水渠道或寬柵面處的格柵清污設備。
2 現有移動格柵除污機的結構組成、工作原理
目前國內用于給排水進水渠道和取水泵站的移動式格柵除污機主要有：
(1)移動式鋼絲繩牽引耙斗格柵除污機
主要由卷揚機構、鋼絲繩、耙斗、鋼絲繩滑輪、耙斗張合裝置、機械過力矩保護、移動行車、地面固定式軌道及移動行車定位裝置組成。整機定位清污動作、耙斗升降、耙斗張合、耙斗污物刮除等與固定安裝的鋼絲繩牽引耙斗式格柵除污機相同，唯有上機架與下機架分體，上機架全部設在移動行車上。其工作原理為：除污時，通過行程開關控制，使機架移動到需清污的格柵位置，當上下機架對位準確后，耙斗才可順利下放除污。對于寬幅格柵，除污機除污完畢移動一個齒耙有效寬度，繼續除污，直至格柵柵面污物清除完畢，柵前后水位差達到正常值時為止。對于多溝渠分布格柵，除污機除污完一個溝渠的格柵后，移動至另一溝渠，繼續除污，直至所有溝渠格柵柵面污物清除完畢，柵前后水位差達到正常值時為止。
(2)移動式鋼絲繩牽引伸縮臂格柵除污機
主要由卷揚提升機構、臂角調整機構和行走機構等組成。
卷揚提升機構由電動機、蝸輪減速器和開式齒輪減速器驅動卷筒，由鋼絲繩牽引四節矩形伸縮套管組成的耙臂，耙斗固定在末級耙臂的端部，耙齒由鋼板制成并焊接在耙斗上，耙斗內有一塊借助于杠桿作用動作的刮污板，刮除耙斗內的污物。耙斗和耙臂的下降及閉耙完全靠其自重，上升則靠鋼絲繩的牽引力。在卷筒的另一端還有一對開式齒輪，帶動螺桿螺母，由螺母控制鋼絲繩在卷筒上的排列，避免由于鋼絲繩疊繞而導致動作不準確。
臂角調整機構由電動機經皮帶傳動和蝸輪減速器帶動螺桿螺母，螺母和耙臂鉸接在一起。在耙臂下伸前，應使耙斗脫開格柵。在耙斗刮污前，應使耙斗接觸格柵。這兩個動作通過改變臂角的大小來實現。
行走機構由電動機經蝸輪減速器和開式齒輪減速，帶動槽輪行走。軌道為20號工字鋼。在耙臂另一側的車架下部裝有兩個錐形滾輪，可沿工字鋼軌道上的翼緣的下表面滾動，當耙臂伸開，整機偏重時，可防止機體傾覆。
該機的供電方式采用懸掛式移動電纜，設備的各種動作由人工控制機上按鈕實現，各動作的定位由行程開關控制。
(3)鏟抓式移動格柵除污機
鏟抓式移動格柵除污機由格柵部件、鏟抓部件、電動葫蘆、開閉耙裝置、升降電纜卷筒、機架部件及電控柜等構成。
除污機工作時，鏟抓部件處于卸渣處上行最高位置，且鏟抓在張開狀態時，操作手動控制按鈕，啟動行走按鈕，鏟抓部件沿工字鋼軌道水平行走至需除污的格柵段停止。這時啟動下降按鈕，卷鏈裝置機構開始向下放鏈，鏟抓部件下降，當鏟抓與柵條上端接觸后，在鏟抓兩側導向條的作用下，鏟抓插入柵條間隙，鏟抓繼續沿柵條向下滑行鏟推集渣，直至抵達渠(井)底，鏈松弛后自動停止，啟動安置在鏟抓上的水下電機，通過連桿閉鏟機構，閉合鏟抓。待鏟抓閉合到位后，起升機構開始提升，拖動鏟抓部件沿柵條面上行至限位運行停止。啟動行走機構，使鏟抓部件沿工字鋼軌道向卸渣場移動。行至渣場處，觸發限位開關而停車。鏟抓張開卸渣，完成一個工作循環。
3 目前使用的移動格柵除污機存在問題與不足
(1)重力式除渣耙斗
目前使用移動式格柵除污機的耙斗(柵耙)絕大多數為重力式除渣耙斗，其開閉采用鋼絲繩或鏈牽引，依靠耙斗的自重來實現清污過程，即在重力作用下，使耙斗端部耙齒插入沉積在格柵根部渣物和柵條間隙中，對附著在格柵上的污渣進行清除。由此可見，在一定結構尺寸和清渣容量情況下，勢必需加大耙斗的結構重量，增加耙斗提升機構的動力消耗。
再之，由于耙斗對沉積在格柵根部的渣物的插入力與耙斗的重量成正比，耙斗自重越大，則插入渣物的作用力則越大，而實際情況是耙斗自重不可能過大，由此導致柵耙的齒端對格柵根部沉積的大塊渣物的插入力不夠，清污效果不夠理想。
目前已有的增力式除渣耙斗(鏟抓式移動格柵除污機的除渣耙斗)采用水下電機驅動，通過連桿機構來實現耙斗的增力閉合。但存在如下問題：其一，由于采用水下電機，在使用中缺乏安全性;其二，由于耙斗的執行機構結構較復雜，在水下容易造成渣物纏繞破壞。
(2)移動定位準確度低
移動格柵除污機在多渠道格柵清渣過程中，關鍵之處是移動位置的控制準確性。國內目前使用中的移動格柵除污機多數采用簡單的行程開關控制來實現除污機除渣位置定位，為了克服行走裝置的慣性作用，往往采用結構較為復雜的電氣和機械制動裝置，造成設備結構復雜，且定位精度和使用效果均不夠理想。
移動格柵清污機的正確定位是困繞著清污設備發展的技術關鍵，多年來由于不能解決上述問題而形成了普遍選用多臺固定式布置的局面，國內許多工程中曾先后引進了德國、英國的地面移動式清污機，但由于移動定位精度差問題而最終改為利用人工插銷進行定位，既增加了操作人員的勞動強度，又易造成由于定位的偏差而產生設備運行故障。
(3)功耗高
目前使用的移動格柵除污機均在進水溝渠或取水泵站地面上安裝軌道操作運行。使用過程中，除污機為滿足工藝及結構的要求(如除渣寬度、清渣量、撈渣深度等)，考慮除污機構的穩定性，往往將其機架制作得體積龐大，自重較大，以增強其設備在運行過程中的抗傾覆性。如此，即增加了金屬材料用量，又加大了格柵除污機的運行功耗。
(4)操作環境差
由于目前使用中的大多數移動格柵除污機為地面式運行，撈渣、卸渣過程中，勢必會造成對操作環境的二次污染，使得工作環境和人員的工作條件極其惡劣，同時也會對除污機的行走機構、機架等部件及運行軌道等具有較強的腐蝕破壞作用。如此的操作運行環境，無形中就會增加設備的運行維護管理費用，也大大地縮短了格柵除污機的使用壽命。再之，地面式運行，對操作人員的運行管理帶來極大不便，減小了操作場地和空間，并帶來了許多操作安全隱患。
4 上懸移動式自動格柵除污機結構組成、工作原理及工作過程
(1)結構組成
上懸移動式自動格柵除污機由懸掛載重小車、小車行走軌道、液壓清渣齒耙和電氣控制系統四部分組成，其結構組成示意圖見圖1。
1、懸掛載重小車;2、液壓清渣齒耙;3、小車行走軌道;4、電氣控制柜
圖1 移動格柵除污機結構組成示意圖
其中：
懸掛載重小車由小車行走機構(電機、減速器、傳動軸、主動行走輪、從動行走輪、滾動支承裝置、水平行走位置控制等裝置)、清渣耙斗升降機構(電機、減速器、鋼絲繩卷筒、升降行程控制等裝置)、液壓工作站(馬達，泵，油箱、電磁閥，過濾器、壓力釋放開關、油路管件、油管卷筒、油路動靜密封裝置、油管卷筒與鋼絲繩卷筒同步反向傳動裝置)及載重小車機架構成。
小車行走軌道由型鋼通過剛性連接構成，并在兩端裝有行走緩沖減振橡膠，軌道內裝有電纜滑動裝置，并裝有光電行程控制系統。
液壓清渣齒耙由直齒、弧型齒耙及開閉柵耙的液壓執行機構——液壓缸構成，弧型齒耙裝有可更換齒板。
電氣控制系統由PLC邏輯控制器、調速變頻器、位置檢測傳感器、傳感控制器和低壓控制電器等組成。
(2)工作原理
上懸移動式自動格柵除污機的工作原理是通過設置于載重小車上方的驅動裝置，帶動小車沿軌道作平面移動，并通過變頻技術和光電數字模塊感應控制技術確保載重小車在格柵柵面范圍內移動的位置準確度。當到達預定格柵除渣位置后，利用卷揚機工作原理，載重小車內的減速機構按照指令啟動，帶動兩組鋼絲繩卷筒，使除渣齒耙在鋼絲繩牽引下實現上下運動;同時采用同步齒輪傳動機構實現液壓軟管與鋼絲繩卷筒同步運動。當除渣齒耙抵達格柵底部時，預設高程控制系統發出停機，并提供液壓系統電機工作指令，使除渣齒耙按照預定的閉合角度關閉弧形齒耙撈渣，同時指令提升電機提升除渣齒耙;齒耙到達預設提升高度后，控制系統指令載重小車移動，將污物送入垃圾儲物倉，由此完成一個格柵清污的過程。
(3)工作過程
上懸移動式自動格柵除污機安裝在進水渠道上方，初始位置在垃圾儲物倉上方，弧形齒耙張開。工作時，啟動系統電源開關，驅動系統帶動載重小車沿軌道運行，移動清渣齒耙至清污格柵處，啟動升降電機，減速器帶動鋼絲繩卷筒轉動，同時通過開式齒輪傳動機構帶動液壓軟管卷筒轉動，使除渣齒耙由上至下運動，齒耙的直齒部分伸入柵條縫隙之中，依靠齒耙自重滑至格柵底部，同時將對格柵從上至下進行清理;除渣齒耙通過設置在載重小車內的垂直定位裝置控制其升降高度，當其到達預定清渣位置時，升降電機停止工作，齒耙液壓系統啟動，弧形齒耙在活塞桿推動下閉合清渣。弧形齒耙閉合后，液壓電機停止工作，升降電機啟動，鋼絲繩卷筒及液壓軟管卷筒反轉，除渣齒耙由下至上運動，到達一定高度后升降電機停止工作。載重小車沿軌道移動齒耙至卸料區，液壓系統再次啟動，弧形齒耙開啟，將污物倒進卸料箱，完成一清污過程。
上懸移動式自動格柵除污機可根據水中渣物量，通過預設格柵清污次數，實現多次清污過程。其工作過程示意、控制原理框圖、液壓系統工作原理示意見圖2、圖3、圖4。
圖2 上懸移動式自動格柵除污機工作過程示意圖
圖3 上懸移動式自動格柵除污機控制原理框圖
圖4 上懸移動式自動格柵除污機液壓系統工作原理示意圖
5 上懸移動式自動格柵除污機關鍵技術 研究
(1)行走機構的正確定位
上懸移動式自動格柵除污機在使用過程中最關鍵之處是其在多渠道或寬柵面格柵清渣過程中，移動位置的控制準確性。移動格柵清污機的正確定位 問題 已經是困繞著清污設備 發展 的技術關鍵，多年來由于不能很好地解決上述問題而形成了普遍選用多臺固定式布置的局面。
國內 目前 使用中的移動格柵除污機多數采用簡單的行程開關控制來實現除污機清渣位置定位，為了克服行走裝置的慣性作用，往往采用結構較為復雜的電氣和機械制動裝置，造成設備結構復雜，且定位精度和使用效果均不夠理想。
本研究針對該現狀， 參考 國外引進格柵除污機的性能特點，通過對引進移動格柵除污的運行情況考察，采用PLC邏輯控制器、行走電動機驅動系統變頻調速器及位置檢測光電傳感器的組合系統來進行載重小車行走機構的準確定位，在各區格內設置感應控制器，確保其控制值在預先設定的偏差范圍內，以實現行走載重小車清渣位置的最終定位。
(2)齒耙的結構設計
針對目前除渣齒耙因重量較輕，在使用中產生耙斗易浮于水面，造成提升耙斗的鋼絲繩亂繩，或因除渣齒耙過重，造成齒耙提升能耗增加等狀況，本次研究在認真 分析 了進水渠道中水流狀態、垃圾成分等 影響 齒耙結構設計的因素，將除渣齒耙設計成兩部分，即直齒部分和弧形齒結構，一方面使齒耙在水下便于撈取較大尺寸的垃圾，同時使齒耙的自重能夠滿足自由下落，便于齒耙的直齒部分在插入格柵柵間隙后能夠順利下行至渠底，避免產生齒耙因自重較輕而漂浮，導致牽引齒耙的鋼絲繩發生松繩現象，提高清污效率。研究中為改變齒耙在格柵根部單一靠自重清渣作用力較小的狀況，在結構形式上采用液壓執行機構，利用液壓推桿對齒耙實行強制性合耙，確保齒耙在使用過程中始終能有效完成清污工作。
(3)液壓系統
液壓系統是格柵除污機齒耙開閉的關鍵裝置，也是格柵除污機整個開發研究過程中的核心 內容 之一。其系統性能好壞，直接影響格柵除污機的除渣效果及使用性能。
本研究將常規的液壓控制原理引入，采用常規的液壓執行元件，將其有機組合成液壓操作系統，同時對該系統進行節流、溢流、調速，使系統中的壓力差和流量基本保持不變，以此穩定齒耙閉耙機構的運動速度。在研究開發的液壓操作系統中，為實現輸油管路的動靜配合，針對除污機的結構特點及運動特性，開發出一套特定的動靜密封裝置(該裝置目前正在申請專利)以滿足整個液壓操作系統的使用要求。通過該動靜密封裝置，將整個液壓系統有機地結合在一起，以實現齒耙的除渣過程。該動靜密封裝置具有結構緊湊、重量輕、標準化程度高、維護更換簡單等特點。
水下齒耙的開閉采用液壓執行機構來完成，從根本上克服了水下齒耙的開閉采用水下電機帶動連桿執行機構所存在的安全性差、執行機構復雜等問題。再之，液壓系統各元件間采用管道連接，對系統結構布局、安裝有很大的靈活性，整個齒耙裝置的體積和重量都比以往其它通過機械裝置加力齒耙要小得多。
6 研究 結論
隨著國內水處理工程項目建設的逐漸增多以及處理工藝技術的不斷完善提高，對與之相配套機械設備的技術性能和使用性能要求也越來越高。上懸移動式自動格柵除污機的研究成功勢必可以從根本上改變“一渠一機”的傳統模式，而使格柵除污機更能適應 目前 水處理系統多進水渠道，單機運行的要求。
目前該技術已基本完成研究開發工作，正在進行國家實用新型專利申請的階段。經對研究成果的技術 分析 及對部分關鍵部件的性能研究結果表明，移動格柵除污機具有以下主要特點：
(1)無永久性浸泡部件，耐腐蝕性強，使用壽命長;
(2)整機結構緊湊、檢修維護方便;
(3)整機運行能耗低，操作控制方便，能實現完全自動化;
(4)除渣齒耙在使用中可直接將污物排放在收集處，除污效率高，無渣物回落現象;
(5)清渣齒耙的開閉采用液壓系統控制，性能穩定，結構簡單、安全可靠;
(6)開放式結構使工作平臺潔凈，工作環境好;
(7)適用范圍廣，特別適用于多渠道或寬渠道進水的格柵清渣狀況;
(8)安裝簡便，節約土建投資;
(9)特別適合格柵除污機的改造情況。
7 效益分析及前景展望
目前該種類型的移動格柵除污機完全依賴于引進，國內無生產，其設備引進費用極高，如成都市污水處理廠為改善格柵除渣效果，引進了兩臺(套)上懸移動式全自動格柵除污機(一臺為德國產品、一臺為英國產品)，其價格均在百萬元人民幣以上。
經國內水處理設備市場 經濟 信息調查，新研究開發的移動格柵除污機作為一種技術先進的水處理清污除渣設備，經技術經濟分析，與國外同類產品比較，在同等規格、性能相近的基礎上，其價格僅為國外產品的1/3～1/2左右。若國內水處理工程中普遍采用移動格柵除污機來取代固定式格柵除污機，可節省大量工程投資。其推廣 應用 前景十分廣泛，具有較好的經濟效益、環境效益和 社會 效益。
由于受客觀條件限制，本研究僅對移動格柵除污機的工作機理、結構形式、電氣控制等方面作了一定程度的探討，而對清渣齒耙在水下的水力狀況、水頭損失、除污力度以及除污機的使用壽命等方面，則需作進一步研究和探討，致使移動格柵除污機的綜合技術性能得以不斷提高，讓其能在我國水 工業 的快速 發展 中，充分發揮其固有的作用，顯示出它在技術性能方面獨特的優越性。
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