高效潜水推流器设计技术探讨

王月萍，王春兰，吴天福

（1.中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243005；2.机械工业环保产业发展中心，北京 100823）

高效潜水推流器设计技术探讨

王月萍1，王春兰2，吴天福1

（1.中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243005；2.机械工业环保产业发展中心，北京 100823）

简介了潜水推流器的主要构成部件及技术原理，分析了导致常规潜水推流器易损坏、寿命短、能耗高的主要原因，阐述了潜水推流器各主要部件在设计和选材时必须注意的技术关键点。

推流器；减速机；桨叶；轴承；起吊装置；能效比

前言

潜水推流器应用于市政污水和各种工业废水处理生化池，对混合液进行搅拌、混合、推流，使混合液产生紊动的流场和均势流态，可有效防止污泥沉积，也适用于给水厂（站）、河、湖、塘、渠、景点水体等场所的造流。

潜水推流器完全浸没在水中运行，尤其是应用于各种污水处理厂时，在臭、脏并有腐蚀性的污水中运行，工作环境极其恶劣，而且不停歇地连续工作，设备的使用率高达100%，一旦发生故障，若不能及时察觉，各种后果都有可能发生。

国产潜水推流器普遍存在的共性问题有：

（1）运行不可靠，故障频率高，使用寿命短。无故障连续运行的时间大多不足5000h，运行故障主要有机械密封损坏、减速机齿轮损坏、电机损坏、轴承损坏、桨叶水力构造不符合水力学特性且易折断等。整机的平均寿命难超过2年，主要原因是密封机构布置不合理导致渗漏从而损坏了电机或减速机；齿轮制造选材不当及热处理工艺存在问题，磨损极快，所采用的摆线针轮减速机不适应连续运行工况等，均导致整机的寿命缩短。

（2）起吊装置不可靠，钢丝绳易破断。一些制造商为适应低价位竞争，偷工减料；另一方面，生产制造潜水推流器的企业技术人员很少懂得起吊装置安全规范要求，不顾及安全性能，将卷扬筒径向尺寸设计制作得很小，造成钢丝绳的曲径率与卷扬筒径向尺寸不符合安全规范要求而引起钢丝绳破断，人为导致了安全隐患。

（3）不了解泥水混合液的水力原理及桨叶工作面的水力特性与构造设计，不符合混合流体工况要求，导致推流、搅拌效果极差，造成生化池内的污泥沉积严重，最终只能停产清淤。

目前，国产潜水推流器已成为污水处理厂维修率最高的设备之一，用户只能不断地维修和更换。因而国内污水处理工程迫切需求可靠性高、效率高、能效比优、价格适中、质量堪与国外同类产品媲美的国产潜水推流器。

潜水推流器的机械系统主要由电动机、减速机构、密封件、水力构件（桨叶）、起吊装置等构成。本文就潜水推流器各构成部分的可靠性、工作效率、能效比等方面的设计和制造进行了探讨。

1 电动机的设计与选型

电动机是潜水推流器的动力驱动单元，目前国产潜水推流器多采用非标准电机，因为使用非标准电机可将电机定子和转子设计成轴向尺寸大于径向尺寸的结构形式，这种结构的潜水推流器从整机外观看起来似乎较小，质量相对较轻，但因为采用的是非标准电机，因而能效比值较低，消耗相同的电能不可能达到相应的效果与效率。因为是非标准电机，除了制造单位的铭牌标识外，供货商不向用户提供功率及电机性能及任何权威单

位的检测报告等，因而该类电机的市场价格通常很便宜，但功率却是以小充大，鱼目混珠，具有一定的欺骗性，造成市场无序竞争局面。

针对目前市场上现有潜水推流器的应用现状，驱动电机应优先选用国家鼓励并奖励使用的高效、节能标准电机，以达到节能、增效、降耗的效果。

2 减速机构的设计与选用

减速机构单元是潜水推流器的核心传动部件，其直接影响潜水推流器的使用寿命，作为使用率100%的设备，潜水推流器全年都在不停歇地运转，且要求连续运行稳定、故障率低。

国内大多生产商在竞争中为提高中标概率，采用低价位的无序竞争，然而这种低价位往往是以选材不当、弄虚作假、偷工减料实现的，有的采用摆线针轮减速机欺骗用户。摆线针轮减速机构的传动方式是采用圆弧针齿（实际为销轴）环向固定安装在减速箱体内部，当潜水推流器不停歇、满载荷运转时，难免松动变形，圆弧齿形和销轴针齿同时磨损，逐渐形成滑动啮合，随着磨损加剧，传动效率逐日降低，最终导致损坏而中断生产，使用寿命大多难以超过一年。也有的潜水推流器虽然采用了平行轴式齿轮传动减速机构，但因齿轮设计制造时选材、热处理工艺以及加工工艺均达不到规范要求，最终导致这种潜水推流器的使用寿命也达不到预期要求。

潜水推流器减速机构的设计，不应采用单齿啮合传动，应选用啮合齿数多的传动机构，最好是星轮传动机构，因星轮传动机构是多齿同时啮合，即便是齿轮制造选材稍次，也不至于造成运行不到一年便损坏齿轮。

如黄石某污水处理厂选用的国外某品牌潜水推流器，它的减速机构采用的是两级斜齿轮传动，运行时间才4年，第二级减速传动中的齿轮轴就损坏了（见图1），这证明国外潜水推流器的使用寿命长并不一定长。

图1 国外某品牌潜水推流器中损坏的齿轮轴

对于易损坏的零件，国内的用户通常是采用修复或更换，国外公司本应该提供两个小齿轮作为修复配件，或有正常的售后服务，但国外公司却不提供配件，用户只能重新采购更换设备。

因此，对于潜水推流器齿轮减速机构的设计、选材、制造精度和热处理要求一定要严谨。减速齿轮的材质应选用优质合金钢及与之相匹配的热处理工艺，采用高精度齿轮金加工工艺。虽然在一定程度上稍微提高了生产制造成本，但齿轮的精度和耐磨性能得到了可靠保障，运行噪声也相应降低。这样潜水推流器传递效率大大提高，使用寿命也加倍延长，更重要的是不仅可为用户节约运行费用，还可为用户节省维修或更换零配件的再投资。

3 桨叶设计

桨叶单元是潜水推流器的核心水力构件，其水力特性和形状与联接形式直接影响产品的工作效率和能耗。

关于桨叶的形状，目前市场上的潜水推流器桨叶多是根部粗大、尾稍狭窄的“香蕉”型或“弯刀”型（如图2），这种形状的桨叶无优良的水力特性构造可言，运行时耗能高、效率低，用于推流、搅拌的作用功能不大，无用功消耗大于有用功消耗。山东某污水处理厂应

用劣质潜水推流器证明，采用这种形式的桨叶数年之后，氧化沟中的沉泥淤积高达1.5万m3之多。

图2 国内普遍采用的桨叶形状

另外，桨叶的水力构造及制造形状误差（几何精度）也会直接影响潜水推流器的使用效果和能效比。当桨叶的尺寸和形状误差较大时，在水中旋转工作时产生的运动失衡会使功率消耗增大，同时会削减整机的使用寿命。

桨叶的设计不能简单地模仿国外产品的投影形状，而应严格按相应的水力特性要求设计桨叶的几何形状，首先桨叶应呈升力系数较大的翼型，同时还要兼顾桨叶的刚度和强度，将桨叶设计为空间曲面形状，迎水面呈对数螺旋线形，所有圆弧的截面形状为流线型，翼型安放角从根部到末端逐渐呈流线型，桨叶的尾部设计成较大的后掠角，可有效防止杂物缠绕。

即使成功地设计出桨叶的形状，在制造过程中还必须严格控制（尤其是桨叶工作面）各部位的尺寸和形状误差（即保证桨叶的制造几何精度）；保证桨叶的对称与平衡，桨叶工作面必须光滑平整，只有这样，才能有效将运行费用压降到最低。

符合水力特性的桨叶作用于泥水混合液时，摩擦损失小，推流、搅拌效果好，生化池的表、中、底部污泥均能获得较理想的流场和流态而不致沉淀淤积（至少是沉积很少），电耗大多用来做有用功，从而提高设备运行时的能效比值。

4 滚动轴承的设计选型

轴承的设计选型直接关联到设备的运行可靠性及寿命，应按照电机和减速机构的结构形式，合理选用相应型号与规格的轴承，合理有效地布置轴承支点，这样才能合理分布电机和减速机构的受力，延长轴承及减速机构的使用寿命。

多年来，国内所有的有关招投标书对轴承的寿命有统一要求：连续运行时间达105h（即11.4年）。这其实是个误区，因为24h连续运转工况下的轴承寿命不可能很长，更不可能负载高速运转达11年多了。

事实是，在设计选用轴承时，参照使用工况为24h连续运转、轴承预期寿命为105h的机械设备确定轴承寿命的计算系数，而绝非是轴承的使用寿命需达到105h。

5 起吊装置的设计

起吊装置单元是潜水推流器进行安装、保养、维修（护）时才用得上的装置，起吊装置的可靠性关系到生产和操作员的人身安全，因此绝不能轻视。

5.1 钢丝绳和卷扬筒的设计

目前，污水处理厂采用的都是手动卷扬起吊装置，其卷筒的径向尺寸与钢丝绳绳径尺寸都没有按安全规范要求设计制造，所以断绳的现象时有发生。

设计计算起重卷扬机构时，应严格按起重工作级别的规范选用安全系数，计算钢丝绳的破断拉力；卷扬筒的径向尺寸必须是钢丝绳曲径率的N倍以上。因为卷扬筒径向尺寸过小，会造成钢丝绳卷绕时的曲径率过大产生形变而引起破断，导致安全事故的发生。

5.2 升降导杆的设计

起吊装置的升降导杆必须要保证有足够的刚度和强度，若达不到要求，轻则会影响正常生产，重则会引发安全事故（如图3）。因潜水推流器完全浸没于水中工作，一旦起吊装置的某个系统损坏严重，只能将生化池清空后才能将潜水推流器起吊再进行维修和安装。

图3 起吊机构歪斜存在安全隐患

考察众多污水处理厂发现，某些不良企业为非法牟利而坑害用户，如升降导杆采用壁厚仅3.5mm的马氏体不锈钢管（如图4），更为恶劣的是潜水推流器安装支座采用壁厚3mm的马氏体不锈钢管，并在管内灌注混凝土欺骗用户。

图4 起吊装置升降导杆壁薄而折断

6 结语

我国的水处理装备目前在国际上很少有话语权，主要原因是：1）产品标准要求过低，因为作坊式制造企业众多，为了兼顾各方利益，提高产品标准要求很不容易，故难与国外产品相抗衡。2）很多装置结构设计水平不高，具有自主创新并能代表我国特色的环保产品为数极少，大部分产品基本都是仿照的设备，而且制造质量粗劣。

潜水推流器机械系统的设计涉及到电机、减速机、密封、起重等专业技术，应从各方面作详细、周密的考虑、计算和校核，通过不断创新、改进或突破，使国产的潜水推流器不断地优化升级，延长使用寿命，无故障运行累计时间至少达1.8万h，（即2年以上），有效改善泥水混合液的流场和流态，防止淤泥沉积。

目前我国自主研发的同类产品“新型潜水推流器”已达到了世界领先的技术水平，这种新型的潜水推流器能适应市场需求并受到了用户欢迎，其质量可与国外产品媲美，提升了国产环保产品在国际市场上的竞争力。

张鑫珩，钱卫霞.国内外的潜水搅拌机和倒伞曝气机能效比较[J].中国环保产业，2006（12）：28-30.

Technical Discussion on Submersible Pusher Designing with High-efficiency

WANG Yue-ping1, WANG Chun-lan2, WU Tian-fu1
(1.Zhong Ye HuaTian Engineering & Technology Corporation MCC, Anhui Ma Anshan 243005, China; 2.Development Center for Machinery & Environmental Industries, Beijing 100823, China)

Pusher submersible’s main parts are introduced concern with safe-technology in this paper. Effects on vulnerability, operation-life and energy-consumption of Pusher submersible are analyzed. The important concerns during design ofPusher submersible’s major compenets are also proposed.

flowmakers; reducer; paddle; bearing; lifting device; life; energy efficiency ratio

X701

A

1006-5377（2015）12-0049-04