上悬移动式自动格栅除污机的研究
1 前言
国内目前使用于水处理工程中的移动式格栅除污机品种较少，能够较好地满足工艺要求，且运行可靠、操作管理方便、维护检修简单、经济耐用的品种则更是少之又少。多年来，国内学者和工程技术人员在引进、消化、吸收国外新型移动格栅除污机技术的基础上，为提高格栅的除污效率及自动化程度，解决移动格栅行走对位准确性、降低功耗、减少工程投资等问题，进行了大量深入和细致的研究工作。
为了适应我国水工业发展的需要，经广泛调研，查询了大量国内外机械格栅的相关资料文献，在吸收消化国外先进技术前提下，结合我国水工业的现状，针对国内现有移动式格栅除污机存在的不足，作者研究开发出一种新型格栅除污机——上悬移动式自动格栅除污机。其主要适用于均布在同一直线或具有一定曲率半径工作轨迹上的城市给水、排水、取水泵站等多进水渠道或宽栅面处的格栅清污设备。
2 现有移动格栅除污机的结构组成、工作原理
目前国内用于给排水进水渠道和取水泵站的移动式格栅除污机主要有：
（1）移动式钢丝绳牵引耙斗格栅除污机
主要由卷扬机构、钢丝绳、耙斗、钢丝绳滑轮、耙斗张合装置、机械过力矩保护、移动行车、地面固定式轨道及移动行车定位装置组成。整机定位清污动作、耙斗升降、耙斗张合、耙斗污物刮除等与固定安装的钢丝绳牵引耙斗式格栅除污机相同，唯有上机架与下机架分体，上机架全部设在移动行车上。其工作原理为：除污时，通过行程开关控制，使机架移动到需清污的格栅位置，当上下机架对位准确后，耙斗才可顺利下放除污。对于宽幅格栅，除污机除污完毕移动一个齿耙有效宽度，继续除污，直至格栅栅面污物清除完毕，栅前后水位差达到正常值时为止。对于多沟渠分布格栅，除污机除污完一个沟渠的格栅后，移动至另一沟渠，继续除污，直至所有沟渠格栅栅面污物清除完毕，栅前后水位差达到正常值时为止。
（2）移动式钢丝绳牵引伸缩臂格栅除污机
主要由卷扬提升机构、臂角调整机构和行走机构等组成。
卷扬提升机构由电动机、蜗轮减速器和开式齿轮减速器驱动卷筒，由钢丝绳牵引四节矩形伸缩套管组成的耙臂，耙斗固定在末级耙臂的端部，耙齿由钢板制成并焊接在耙斗上，耙斗内有一块借助于杠杆作用动作的刮污板，刮除耙斗内的污物。耙斗和耙臂的下降及闭耙完全靠其自重，上升则靠钢丝绳的牵引力。在卷筒的另一端还有一对开式齿轮，带动螺杆螺母，由螺母控制钢丝绳在卷筒上的排列，避免由于钢丝绳叠绕而导致动作不准确。
臂角调整机构由电动机经皮带传动和蜗轮减速器带动螺杆螺母，螺母和耙臂铰接在一起。在耙臂下伸前，应使耙斗脱开格栅。在耙斗刮污前，应使耙斗接触格栅。这两个动作通过改变臂角的大小来实现。
行走机构由电动机经蜗轮减速器和开式齿轮减速，带动槽轮行走。轨道为20号工字钢。在耙臂另一侧的车架下部装有两个锥形滚轮，可沿工字钢轨道上的翼缘的下表面滚动，当耙臂伸开，整机偏重时，可防止机体倾覆。
该机的供电方式采用悬挂式移动电缆，设备的各种动作由人工控制机上按钮实现，各动作的定位由行程开关控制。
（3）铲抓式移动格栅除污机
铲抓式移动格栅除污机由格栅部件、铲抓部件、电动葫芦、开闭耙装置、升降电缆卷筒、机架部件及电控柜等构成。
除污机工作时，铲抓部件处于卸渣处上行最高位置，且铲抓在张开状态时，操作手动控制按钮，启动行走按钮，铲抓部件沿工字钢轨道水平行走至需除污的格栅段停止。这时启动下降按钮，卷链装置机构开始向下放链，铲抓部件下降，当铲抓与栅条上端接触后，在铲抓两侧导向条的作用下，铲抓插入栅条间隙，铲抓继续沿栅条向下滑行铲推集渣，直至抵达渠（井）底，链松弛后自动停止，启动安置在铲抓上的水下电机，通过连杆闭铲机构，闭合铲抓。待铲抓闭合到位后，起升机构开始提升，拖动铲抓部件沿栅条面上行至限位运行停止。启动行走机构，使铲抓部件沿工字钢轨道向卸渣场移动。行至渣场处，触发限位开关而停车。铲抓张开卸渣，完成一个工作循环。
3 目前使用的移动格栅除污机存在问题与不足
（1）重力式除渣耙斗
目前使用移动式格栅除污机的耙斗（栅耙）绝大多数为重力式除渣耙斗，其开闭采用钢丝绳或链牵引，依靠耙斗的自重来实现清污过程，即在重力作用下，使耙斗端部耙齿插入沉积在格栅根部渣物和栅条间隙中，对附着在格栅上的污渣进行清除。由此可见，在一定结构尺寸和清渣容量情况下，势必需加大耙斗的结构重量，增加耙斗提升机构的动力消耗。
再之，由于耙斗对沉积在格栅根部的渣物的插入力与耙斗的重量成正比，耙斗自重越大，则插入渣物的作用力则越大，而实际情况是耙斗自重不可能过大，由此导致栅耙的齿端对格栅根部沉积的大块渣物的插入力不够，清污效果不够理想。
目前已有的增力式除渣耙斗（铲抓式移动格栅除污机的除渣耙斗）采用水下电机驱动，通过连杆机构来实现耙斗的增力闭合。但存在如下问题：其一，由于采用水下电机，在使用中缺乏安全性；其二，由于耙斗的执行机构结构较复杂，在水下容易造成渣物缠绕破坏。
（2）移动定位准确度低
移动格栅除污机在多渠道格栅清渣过程中，关键之处是移动位置的控制准确性。国内目前使用中的移动格栅除污机多数采用简单的行程开关控制来实现除污机除渣位置定位，为了克服行走装置的惯性作用，往往采用结构较为复杂的电气和机械制动装置，造成设备结构复杂，且定位精度和使用效果均不够理想。
移动格栅清污机的正确定位是困绕着清污设备发展的技术关键，多年来由于不能解决上述问题而形成了普遍选用多台固定式布置的局面，国内许多工程中曾先后引进了德国、英国的地面移动式清污机，但由于移动定位精度差问题而最终改为利用人工插销进行定位，既增加了操作人员的劳动强度，又易造成由于定位的偏差而产生设备运行故障。
（3）功耗高
目前使用的移动格栅除污机均在进水沟渠或取水泵站地面上安装轨道操作运行。使用过程中，除污机为满足工艺及结构的要求（如除渣宽度、清渣量、捞渣深度等），考虑除污机构的稳定性，往往将其机架制作得体积庞大，自重较大，以增强其设备在运行过程中的抗倾覆性。如此，即增加了金属材料用量，又加大了格栅除污机的运行功耗。
（4）操作环境差
由于目前使用中的大多数移动格栅除污机为地面式运行，捞渣、卸渣过程中，势必会造成对操作环境的二次污染，使得工作环境和人员的工作条件极其恶劣，同时也会对除污机的行走机构、机架等部件及运行轨道等具有较强的腐蚀破坏作用。如此的操作运行环境，无形中就会增加设备的运行维护管理费用，也大大地缩短了格栅除污机的使用寿命。再之，地面式运行，对操作人员的运行管理带来极大不便，减小了操作场地和空间，并带来了许多操作安全隐患。
4 上悬移动式自动格栅除污机结构组成、工作原理及工作过程
（1）结构组成
上悬移动式自动格栅除污机由悬挂载重小车、小车行走轨道、液压清渣齿耙和电气控制系统四部分组成，其结构组成示意图见图1。
1、悬挂载重小车；2、液压清渣齿耙；3、小车行走轨道；4、电气控制柜
图1 移动格栅除污机结构组成示意图
其中：
悬挂载重小车由小车行走机构（电机、减速器、传动轴、主动行走轮、从动行走轮、滚动支承装置、水平行走位置控制等装置）、清渣耙斗升降机构（电机、减速器、钢丝绳卷筒、升降行程控制等装置）、液压工作站（马达，泵，油箱、电磁阀，过滤器、压力释放开关、油路管件、油管卷筒、油路动静密封装置、油管卷筒与钢丝绳卷筒同步反向传动装置）及载重小车机架构成。
小车行走轨道由型钢通过刚性连接构成，并在两端装有行走缓冲减振橡胶，轨道内装有电缆滑动装置，并装有光电行程控制系统。
液压清渣齿耙由直齿、弧型齿耙及开闭栅耙的液压执行机构——液压缸构成，弧型齿耙装有可更换齿板。
电气控制系统由PLC逻辑控制器、调速变频器、位置检测传感器、传感控制器和低压控制电器等组成。
（2）工作原理
上悬移动式自动格栅除污机的工作原理是通过设置于载重小车上方的驱动装置，带动小车沿轨道作平面移动，并通过变频技术和光电数字模块感应控制技术确保载重小车在格栅栅面范围内移动的位置准确度。当到达预定格栅除渣位置后，利用卷扬机工作原理，载重小车内的减速机构按照指令启动，带动两组钢丝绳卷筒，使除渣齿耙在钢丝绳牵引下实现上下运动；同时采用同步齿轮传动机构实现液压软管与钢丝绳卷筒同步运动。当除渣齿耙抵达格栅底部时，预设高程控制系统发出停机，并提供液压系统电机工作指令，使除渣齿耙按照预定的闭合角度关闭弧形齿耙捞渣，同时指令提升电机提升除渣齿耙；齿耙到达预设提升高度后，控制系统指令载重小车移动，将污物送入垃圾储物仓，由此完成一个格栅清污的过程。
（3）工作过程
上悬移动式自动格栅除污机安装在进水渠道上方，初始位置在垃圾储物仓上方，弧形齿耙张开。工作时，启动系统电源开关，驱动系统带动载重小车沿轨道运行，移动清渣齿耙至清污格栅处，启动升降电机，减速器带动钢丝绳卷筒转动，同时通过开式齿轮传动机构带动液压软管卷筒转动，使除渣齿耙由上至下运动，齿耙的直齿部分伸入栅条缝隙之中，依靠齿耙自重滑至格栅底部，同时将对格栅从上至下进行清理；除渣齿耙通过设置在载重小车内的垂直定位装置控制其升降高度，当其到达预定清渣位置时，升降电机停止工作，齿耙液压系统启动，弧形齿耙在活塞杆推动下闭合清渣。弧形齿耙闭合后，液压电机停止工作，升降电机启动，钢丝绳卷筒及液压软管卷筒反转，除渣齿耙由下至上运动，到达一定高度后升降电机停止工作。载重小车沿轨道移动齿耙至卸料区，液压系统再次启动，弧形齿耙开启，将污物倒进卸料箱，完成一清污过程。
上悬移动式自动格栅除污机可根据水中渣物量，通过预设格栅清污次数，实现多次清污过程。其工作过程示意、控制原理框图、液压系统工作原理示意见图2、图3、图4。
图2 上悬移动式自动格栅除污机工作过程示意图
图3 上悬移动式自动格栅除污机控制原理框图
图4 上悬移动式自动格栅除污机液压系统工作原理示意图
5 上悬移动式自动格栅除污机关键技术研究
（1）行走机构的正确定位
上悬移动式自动格栅除污机在使用过程中最关键之处是其在多渠道或宽栅面格栅清渣过程中，移动位置的控制准确性。移动格栅清污机的正确定位问题已经是困绕着清污设备发展的技术关键，多年来由于不能很好地解决上述问题而形成了普遍选用多台固定式布置的局面。
国内目前使用中的移动格栅除污机多数采用简单的行程开关控制来实现除污机清渣位置定位，为了克服行走装置的惯性作用，往往采用结构较为复杂的电气和机械制动装置，造成设备结构复杂，且定位精度和使用效果均不够理想。
本研究针对该现状，参考国外引进格栅除污机的性能特点，通过对引进移动格栅除污的运行情况考察，采用PLC逻辑控制器、行走电动机驱动系统变频调速器及位置检测光电传感器的组合系统来进行载重小车行走机构的准确定位，在各区格内设置感应控制器，确保其控制值在预先设定的偏差范围内，以实现行走载重小车清渣位置的最终定位。
（2）齿耙的结构设计
针对目前除渣齿耙因重量较轻，在使用中产生耙斗易浮于水面，造成提升耙斗的钢丝绳乱绳，或因除渣齿耙过重，造成齿耙提升能耗增加等状况，本次研究在认真分析了进水渠道中水流状态、垃圾成分等影响齿耙结构设计的因素，将除渣齿耙设计成两部分，即直齿部分和弧形齿结构，一方面使齿耙在水下便于捞取较大尺寸的垃圾，同时使齿耙的自重能够满足自由下落，便于齿耙的直齿部分在插入格栅栅间隙后能够顺利下行至渠底，避免产生齿耙因自重较轻而漂浮，导致牵引齿耙的钢丝绳发生松绳现象，提高清污效率。研究中为改变齿耙在格栅根部单一靠自重清渣作用力较小的状况，在结构形式上采用液压执行机构，利用液压推杆对齿耙实行强制性合耙，确保齿耙在使用过程中始终能有效完成清污工作。
（3）液压系统
液压系统是格栅除污机齿耙开闭的关键装置，也是格栅除污机整个开发研究过程中的核心内容之一。其系统性能好坏，直接影响格栅除污机的除渣效果及使用性能。
本研究将常规的液压控制原理引入，采用常规的液压执行元件，将其有机组合成液压操作系统，同时对该系统进行节流、溢流、调速，使系统中的压力差和流量基本保持不变，以此稳定齿耙闭耙机构的运动速度。在研究开发的液压操作系统中，为实现输油管路的动静配合，针对除污机的结构特点及运动特性，开发出一套特定的动静密封装置（该装置目前正在申请专利）以满足整个液压操作系统的使用要求。通过该动静密封装置，将整个液压系统有机地结合在一起，以实现齿耙的除渣过程。该动静密封装置具有结构紧凑、重量轻、标准化程度高、维护更换简单等特点。
水下齿耙的开闭采用液压执行机构来完成，从根本上克服了水下齿耙的开闭采用水下电机带动连杆执行机构所存在的安全性差、执行机构复杂等问题。再之，液压系统各元件间采用管道连接，对系统结构布局、安装有很大的灵活性，整个齿耙装置的体积和重量都比以往其它通过机械装置加力齿耙要小得多。
6 研究结论
随着国内水处理工程项目建设的逐渐增多以及处理工艺技术的不断完善提高，对与之相配套机械设备的技术性能和使用性能要求也越来越高。上悬移动式自动格栅除污机的研究成功势必可以从根本上改变“一渠一机”的传统模式，而使格栅除污机更能适应目前水处理系统多进水渠道，单机运行的要求。
目前该技术已基本完成研究开发工作，正在进行国家实用新型专利申请的阶段。经对研究成果的技术分析及对部分关键部件的性能研究结果表明，移动格栅除污机具有以下主要特点：
（1）无永久性浸泡部件，耐腐蚀性强，使用寿命长；
（2）整机结构紧凑、检修维护方便；
（3）整机运行能耗低，操作控制方便，能实现完全自动化；
（4）除渣齿耙在使用中可直接将污物排放在收集处，除污效率高，无渣物回落现象；
（5）清渣齿耙的开闭采用液压系统控制，性能稳定，结构简单、安全可靠；
（6）开放式结构使工作平台洁净，工作环境好；
（7）适用范围广，特别适用于多渠道或宽渠道进水的格栅清渣状况；
（8）安装简便，节约土建投资；
（9）特别适合格栅除污机的改造情况。
7 效益分析及前景展望
目前该种类型的移动格栅除污机完全依赖于引进，国内无生产，其设备引进费用极高，如成都市污水处理厂为改善格栅除渣效果，引进了两台（套）上悬移动式全自动格栅除污机（一台为德国产品、一台为英国产品），其价格均在百万元人民币以上。
经国内水处理设备市场经济信息调查，新研究开发的移动格栅除污机作为一种技术先进的水处理清污除渣设备，经技术经济分析，与国外同类产品比较，在同等规格、性能相近的基础上，其价格仅为国外产品的1/3～1/2左右。若国内水处理工程中普遍采用移动格栅除污机来取代固定式格栅除污机，可节省大量工程投资。其推广应用前景十分广泛，具有较好的经济效益、环境效益和社会效益。
由于受客观条件限制，本研究仅对移动格栅除污机的工作机理、结构形式、电气控制等方面作了一定程度的探讨，而对清渣齿耙在水下的水力状况、水头损失、除污力度以及除污机的使用寿命等方面，则需作进一步研究和探讨，致使移动格栅除污机的综合技术性能得以不断提高，让其能在我国水工业的快速发展中，充分发挥其固有的作用，显示出它在技术性能方面独特的优越性。