水電站清污機(jī)改進(jìn)技術(shù)探討和實(shí)踐

1、    水電站清污機(jī)改進(jìn)技術(shù)探討和實(shí)踐    何斌生摘  要：該文簡(jiǎn)述了水電站清污機(jī)活動(dòng)耙有效開(kāi)口技術(shù)的探討和技術(shù)改善問(wèn)題。筆者通過(guò)觀察傳動(dòng)裝置及活動(dòng)耙的結(jié)構(gòu)，提出了縮短清污機(jī)活動(dòng)耙中的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r的改進(jìn)方案，并對(duì)清污機(jī)在改善方案中的傳動(dòng)裝置、機(jī)械零部件強(qiáng)度進(jìn)行校核驗(yàn)算，以確保機(jī)械零部件的使用安全。通過(guò)技術(shù)改善提高了清污機(jī)工作效率，提高33%，并收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：水頭損失;清污機(jī)活動(dòng)耙有效開(kāi)口;清污機(jī)傳動(dòng)零件的校核：tv73               

2、文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a0 概述大埔縣三河壩水電站是梅潭河梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中的最末一級(jí)電站。地處該河的出口，該站壩址以上集雨面積為1 603 km2，河流全長(zhǎng)為137 km，沿河的垃圾隨河水匯集于水電站的攔污柵前，帶來(lái)嚴(yán)重的水頭損失。為此，該站在上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的重視和關(guān)懷下，安裝了1臺(tái)自動(dòng)清污機(jī)。使用后，柵前垃圾由于清污機(jī)的經(jīng)常清理而收到了一定的效果，挽回了損失。由于該清污機(jī)活動(dòng)耙的有效開(kāi)口過(guò)小，只有670 mm，如圖1所示，按圖紙活動(dòng)粑轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（即有效開(kāi)口）為1 000 mm。該清污機(jī)存在粑裝不滿垃圾、效率低和清污時(shí)間長(zhǎng)等缺陷。1 清污機(jī)的結(jié)構(gòu)與開(kāi)口清污機(jī)開(kāi)合機(jī)構(gòu)使用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù)如下：jb3074-82;

3、yi32m2-6;額定轉(zhuǎn)速960 r/min;額定電流：12.1 a;額定電壓：交流380 v。當(dāng)操作活動(dòng)耙開(kāi)啟時(shí)，實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)電流為11.5 a12.1 a，活動(dòng)耙有效開(kāi)口為670 mm。由此可知：活動(dòng)耙有效開(kāi)口仍大有潛力可挖，但應(yīng)顧及電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力。為此，筆者通過(guò)觀察傳動(dòng)裝置及活動(dòng)耙的結(jié)構(gòu)，提出改進(jìn)方案。1）縮短移動(dòng)塊撞頭的間距以增長(zhǎng)螺桿的有效行程，增大活動(dòng)耙的開(kāi)口，如圖2所示。2）縮短活動(dòng)耙中的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r，如圖3所示，根據(jù)相似三角形原理，也可以使活動(dòng)耙開(kāi)口增大。根據(jù)方案1）：將撞頭的間距由130 mm縮短為40 mm，活動(dòng)耙有效開(kāi)口增大了180 mm。根據(jù)方案2）：預(yù)計(jì)活動(dòng)耙轉(zhuǎn)動(dòng)半徑由原

4、來(lái)的650 mm縮短為450 mm（如圖3所示），但此時(shí)的d'鋼絲繩的長(zhǎng)度l'將小于d鋼絲繩的長(zhǎng)度l，即移動(dòng)塊走同一行程時(shí)，活動(dòng)耙有效開(kāi)口較大。根據(jù)轉(zhuǎn)矩做功的定義公式：w=m（b-a）=f·r·式中：w轉(zhuǎn)矩功率（kgf·m）;m力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩（kgf·m）;（b-a）活動(dòng)耙開(kāi)合弧度差（度）;f鋼絲繩拉力（n）;r轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（m）;活動(dòng)耙開(kāi)口角度。減小了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r，在活動(dòng)耙開(kāi)同一開(kāi)口時(shí)（即角一樣時(shí)），要完成相等的功w，必須增大拉力f。此力通過(guò)鋼絲繩加在移動(dòng)塊上，最終負(fù)荷加給電動(dòng)機(jī)，并使其過(guò)載。為了使電動(dòng)機(jī)不致過(guò)載可采取增大傳動(dòng)裝置的從動(dòng)輪直徑

5、（由375 mm更換為530 mm）的方法，使其轉(zhuǎn)速降低，即移動(dòng)塊速度減慢。根據(jù)功率公式：有：式中：pd電動(dòng)機(jī)工作功率，pw工作機(jī)所需功率，指輸入工作機(jī)軸的功率，a由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率，f工作機(jī)的阻力，w工作機(jī)的效率）以及速度公式由此得出：在不更換電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)形式時(shí)，由于從動(dòng)輪直徑增大，轉(zhuǎn)速降低移動(dòng)塊速度v減小，力f必然增大。上述增大從動(dòng)輪直徑，使力增大的增量f=f2-f1與減小活動(dòng)耙半徑鋼絲繩拉力增大的增量f '=f2'-f1'能夠抵消，是保證電動(dòng)機(jī)不過(guò)載的前提。同時(shí)，上述的增量與原有的力迭加，均由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械零部件承擔(dān)，因此必須對(duì)其進(jìn)行必要的強(qiáng)度等驗(yàn)算。并驗(yàn)算

6、小輪包角，確定中心距、皮帶根數(shù)等。改進(jìn)的立足點(diǎn)是：用較少的經(jīng)濟(jì)開(kāi)支，達(dá)到同樣開(kāi)度增大的效果。后1種較為經(jīng)濟(jì)，并且經(jīng)過(guò)驗(yàn)算能保證機(jī)械零部件的使用安全，因此采用后1種方案實(shí)施。2 清污機(jī)改進(jìn)的計(jì)算及傳動(dòng)零件強(qiáng)度的校核2.1 預(yù)算改進(jìn)后活動(dòng)耙開(kāi)口的效果在圖4中：值為原活動(dòng)耙開(kāi)口弧長(zhǎng);670 mm為原活動(dòng)耙有效開(kāi)口;ob值為原鋼絲繩到轉(zhuǎn)軸的距離;ob值為活動(dòng)耙轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;ob'值為縮小鋼絲繩至轉(zhuǎn)軸的距離。2.1.1 用相似三角形原理作近似計(jì)算據(jù)實(shí)測(cè)知：移動(dòng)塊行程與活動(dòng)耙開(kāi)口（弧長(zhǎng)）有成倍的關(guān)系。即縮短活動(dòng)耙鋼絲繩位置到轉(zhuǎn)軸的距離后，移動(dòng)少走79 mm的行程，弧長(zhǎng)即可增加到158 mm，達(dá)到同樣的

7、開(kāi)口效果，折為弦長(zhǎng)（即有效開(kāi)口）為：則占總開(kāi)口的80.4%，即由原來(lái)的占總開(kāi)口的63.8%提高到80.4%。2.1.2 縮短撞頭的間距移動(dòng)塊的撞頭間距由130 mm縮為40 mm，則活動(dòng)耙開(kāi)口約增大180 mm，即再提高約18%的開(kāi)口。綜上2項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，即可把活動(dòng)耙的有效開(kāi)口打開(kāi)至約98.4%。2.2 求鋼絲繩的力（f1）和鋼絲繩拉活動(dòng)耙的力（f2）2.2.1 求電動(dòng)機(jī)工作功率根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)工作功率為：式中：pw工作機(jī)所需功率，指輸入工作機(jī)（這里即活動(dòng)耙）軸的功率，kw;a由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。根據(jù)工作機(jī)所需工作功率為式中：f工作機(jī)的阻力，n;v工作機(jī)的線速度，m/s;w工作機(jī)的效率。由以

8、上兩式有式中：a=1.?2.3式中：1，?2，3分別為帶傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承、螺旋副的傳動(dòng)效率。取1?=0.9，2=0.98，3=0.4，則a=0.353從（圖5）升角效率曲線圖知：當(dāng)螺紋升角為422'時(shí)，螺旋副效率為40%，即0.4。帶傳動(dòng)的效率一般為0.96，取0.9;滾動(dòng)軸承的效率為0.980.99，取0.98。工作機(jī)活動(dòng)耙的效率：w=4.5。式中：4，5分別為活動(dòng)鉸鏈和固定鉸鏈的傳動(dòng)效率。因其傳動(dòng)效率高，可忽略不計(jì)。根據(jù)公式式中：l行程開(kāi)關(guān)的間距，實(shí)測(cè)為0.45 m。t移動(dòng)塊走全行程所需時(shí)間，用機(jī)械秒表實(shí)測(cè)為6 s。則v=0.075 m/s由得此力（f1）即為電動(dòng)機(jī)傳遞給移動(dòng)塊的力。

9、2.2.2 計(jì)算力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩根據(jù)公式：m=f·r （1）式中：m力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩（n·m）; f對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體的切向力（n）; r轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（m）（注：r值實(shí)測(cè)為0.64 m）。（2）式中：w鋼絲繩拉活動(dòng)耙所做的功。（b-a）活動(dòng)耙開(kāi)合弧度差。w =pw·t=pd·a·t （3）式中：pd電動(dòng)機(jī)的功率，kw。即由式（2）有：由式（1）有：此力f2即為活動(dòng)耙通過(guò)鋼絲繩加在移動(dòng)塊上。2.3 求移動(dòng)塊推鋼絲繩的力f1'和鋼絲繩拉活動(dòng)耙的力f2'2.3.1 實(shí)測(cè)舉例根據(jù)改進(jìn)設(shè)想有：此時(shí)實(shí)測(cè)開(kāi)啟活動(dòng)耙電動(dòng)機(jī)電流為13.3 a14.4

10、a，超過(guò)其額定電流的19%?？紤]到工作條件和使用壽命，宜作更換530mm從動(dòng)輪的配套改進(jìn)。2.3.2 計(jì)算改變后的傳動(dòng)比改變從動(dòng)輪直徑（增大），其轉(zhuǎn)速降低給移動(dòng)塊推鋼絲繩的力（f1'）增大，此改變后的傳動(dòng)此 i為：符合要求根據(jù)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)公式：式中：d1，d2為主，從動(dòng)輪的直徑mm; n1，n2為主，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速rpm。移動(dòng)塊走全行程所需的時(shí)間與從動(dòng)輪直徑的改變（即轉(zhuǎn)速）成反比。因此改變從動(dòng)輪直徑，移動(dòng)塊推鋼絲繩力的增量（f1）為：f1=f1'-f1=3734.09-2641.49=1092.60kgf改變活動(dòng)耙鋼絲繩位置后， 鋼絲繩拉活動(dòng)耙的力的增量（f2）為：f2=f2-f

11、2=3306.23-2273.02=1033.23kgff1>f2 改變鋼絲繩位置后，電動(dòng)機(jī)既能夠拖動(dòng)活動(dòng)耙開(kāi)啟，又不至于過(guò)載。因?yàn)槠淞Φ脑黾邮峭ㄟ^(guò)傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但此力的增量將由傳動(dòng)裝置的零部件承擔(dān)，其是否安全有待驗(yàn)算。2.4 螺紋牙的強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)螺紋牙進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度校核，其危險(xiǎn)剖面處的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度條件為：式中：q作用在螺旋上的軸向力; h螺紋的工作高度; d螺母螺紋大徑;b螺紋牙底的寬度;z螺母的螺紋圈數(shù)。2.4.1 求q由圖6得式中：螺紋升角;摩擦角;r總反力;q軸向載荷。根據(jù)式中：s導(dǎo)程;snp;n線數(shù);螺距;d螺紋中距。對(duì)整體螺母：取h/d2=1.2

12、2.5。式中：h螺母高度，由清污機(jī)圖紙（圖號(hào)為g-2048-16代）查得：h=60 mm;由于工作時(shí)間短而間歇時(shí)間長(zhǎng)，所以h/d2值取1.2。即由圖查螺母型號(hào)為：t55×12-3，因此可知：p=12 mm，n=1，s=np=1×12=12mm將d2和s值代入公式得：4°22'=6°r=f2'=3306.23kgfq=r·cos（+）=3306.23cos（4°22'+6°）=3255.15kgf=31900.47 n2.4.2 求h由h=0.5p=0.5×12=6mm。2.4.3 求d根據(jù)圖

13、紙g-2048-18代，查得d=65mm。2.4.4 求b因?yàn)槭翘菪温菁y，因此b=0.65p=7.8mm。2.4.5 求螺母的螺紋圈數(shù)z根據(jù)得出z=5圈將上述所求參數(shù)分別供稿公式計(jì)算得：qf=9.25n/mm2;4n/mm2對(duì)青銅螺母的許用彎曲應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力分別為：of'=40 n/mm260 n/mm2=30 n/mm240 n/mm2由此可知，改變后，螺母強(qiáng)度滿足要求。2.5 耐磨性計(jì)算螺紋工作表面的平均壓強(qiáng)為式中：p螺旋副的許用壓強(qiáng)。因?yàn)檫x用的螺桿為45鋼，未淬火的螺桿對(duì)青銅螺母取p=9 n/mm2，將所求參數(shù)代入公式計(jì)算得p=6.77 n/mm2。p< p滿足耐磨性的

14、要求。2.6 螺桿軸最細(xì)處強(qiáng)度驗(yàn)算按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)式中：d軸最小處的直徑，mm;p為軸所傳遞的功率kw;n軸的轉(zhuǎn)速rpm;c由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。根據(jù)材料45鋼查表14-2得c=118pd電動(dòng)機(jī)的功率（kw），查電動(dòng)機(jī)銘牌知5.5 kw。a由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。n1，n2分別為主、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速rpm。r1，r2分別為主、從動(dòng)輪的直徑mm。將上述所求參數(shù)代入公式計(jì)算得：d計(jì)算=24.67 mm因?yàn)樵摻孛嬗墟I槽，因此將計(jì)算出的軸徑加大4%左右，即：d計(jì)算=24.67+24.67×4%=25.66 mm，園整為26 mm。由圖紙g204818代查的螺桿軸最細(xì)處直徑為38m

15、m。即d實(shí)物>d計(jì)算。由此可知：改變后螺桿軸使用安全。2.7 計(jì)算帶長(zhǎng)及中心距，驗(yàn)算小輪包角計(jì)算帶長(zhǎng)及中心距，驗(yàn)算小輪包角（至于計(jì)算膠帶根數(shù)，確定單根膠帶的預(yù)拉力、軸上的徑向力從略）。確定計(jì)算功率pc ，校核改變后膠帶型號(hào)是否仍合適。根據(jù)公式：pc=kap式中：p傳遞的額定功率，kw;  ka工作情況系數(shù)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)反復(fù)起動(dòng)，正反轉(zhuǎn)工作，工作條件惡劣，因此ka取1.1。pc=1.1×5.5=6.05 kw根據(jù)計(jì)算功率和小輪轉(zhuǎn)速n1，查圖13-14知：推薦選用b型（gb117174）與原圖所選相同，不用改型號(hào)。三角帶帶速度v數(shù)值在5 m/s25 m/s，因此符合要求。2

16、.7.1 計(jì)算帶長(zhǎng)及中心距根據(jù)公式計(jì)算膠帶節(jié)線長(zhǎng)度。試選at=480 mm，將主從動(dòng)輪直徑數(shù)值代入公式計(jì)算得lt=2073.78 mm查表13-2取內(nèi)周長(zhǎng)度=2 000 mm，節(jié)線周長(zhǎng)lp=2 040 mm，實(shí)際中心距即：雖然三角帶更換較原來(lái)長(zhǎng)（由1 600 mm更換為2 000 mm），但因受從動(dòng)輪直徑增大（由375 mm更換為530 mm）的影響，改變后的中心距比原來(lái)的中心距還?。ㄓ?70 mm變?yōu)?63.11 mm）。2.7.2 驗(yàn)算小輪包角根據(jù)公式計(jì)算得a1=130°17'>120°式中：d2大帶輪基準(zhǔn)直徑，mm;d1小帶輪基準(zhǔn)直徑，mm;a中心距，m

17、m。符合要求。3 改進(jìn)后的清污機(jī)善和效益開(kāi)啟活動(dòng)耙，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流為11 a，從而保證了電動(dòng)機(jī)不過(guò)載?；顒?dòng)耙有效開(kāi)口為1 000 mm，達(dá)到了預(yù)算的效果，使清污速度提高33%，因清污時(shí)機(jī)組只能開(kāi)空載都有利拉圾被清污耙爬起，不發(fā)出有功功率，按原來(lái)每次清污3 h計(jì)，全年每月平均3次，1年則合計(jì)36次，占用發(fā)電時(shí)間108 h。改進(jìn)后若節(jié)省清污時(shí)間36 h，多發(fā)電度9萬(wàn)kw·h，按每千瓦時(shí)四角三分計(jì)，年可挽回不必要的經(jīng)濟(jì)損失3.87萬(wàn)元，并相應(yīng)節(jié)約了人力和物力等，收到了一定的經(jīng)濟(jì)成效。4 結(jié)語(yǔ)筆者通過(guò)該清污機(jī)的改進(jìn)實(shí)踐，并經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的實(shí)際操作使用證明：改進(jìn)是必要的，而改進(jìn)的方案、計(jì)算以及傳動(dòng)裝置零件強(qiáng)度的校核也是正確的