CN105274975A - 一种摆臂式弧形格栅除污机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆臂式弧形格栅除污机，包括摇杆、曲柄、驱动装置、渠道、弧形格栅、集渣槽、清渣机构、除污摆臂、机架、除污耙；除污耙位于除污摆臂的末端且与其在同一条直线上，其上固定有清污耙齿；摇杆和曲柄的上端与除污摆臂铰接，下端与机架铰接，共同组成了一个具有四个转动副的四杆机构；驱动装置包括减速电机和双输出轴减速器，曲柄与双输出轴减速器的输出轴固定联接。除污耙的运动轨迹与弧形格栅的弧度相匹配吻合，清污耙齿的运动轨迹为等曲率圆弧形，格栅呈等曲率圆弧形。结构紧凑、弧形格栅加工制作简单、运行噪声低、摩擦阻力小。

Description

一种摆臂式弧形格栅除污机

技术领域

本发明涉及一种用于去除污水中的漂浮物和悬浮物的装置，尤其涉及一种摆臂式弧形格栅除污机。

背景技术

随着社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，给水或排水等公用工程事业迅速发展，水质净化处理的重要性日益被人们所认识。格栅及与其配套的格栅除污机是给水或排水处理工艺流程中最常用的预处理设备，其作用在于来水中含有的较大悬浮物，保护后续处理设施的正常运行，以及降低其他处理设施的工作负荷。随着技术水平的不断提高和人们对劳动保护问题的日益关注，机械格栅除污机已经逐步取代“格栅+人工清渣”而成为给水或排水工程领域预处理环节的标配型设备。格栅除污机的种类有很多，目前工程实际中使用较多的有链条回转式多耙格栅除污机、高链式格栅除污机、回转式固液分离机(自清式格栅除污机)、移动式伸缩臂格栅除污机、弧形格栅除污机、阶梯式格栅除污机、转鼓式格栅除污机等。

弧形格栅除污机适用于中小型污水处理厂或泵站水位较浅的渠道中，其最大特点是主体结构部分没有浸没在水中，维护保养方便；格栅片依耙齿回转的运动轨迹制成弧形，设于过水渠的横截面上，截留过流水体中的污物。弧形格栅除污机主要有旋臂式、摆臂式和伸缩耙式等三种结构形式，基本上都由驱动机构、弧形格栅以及运动轨迹与弧形格栅相匹配吻合的耙齿三大部分组成。旋臂式弧形格栅除污机结构最为简单，主要由机架、带电机的减速器、旋臂、传动轴、耙齿、弧形格栅和刮渣板等组成。两端带耙齿的旋臂在“电机+减速器”的驱动下，以1.5～3.0r/min的速度绕固定传动轴作360°回转运动。工作时，耙齿插入栅片间隙内，自下而上回转，扒除栅渣，旋臂每旋转一周扒污两次。不仅工作效率较低，而且所占用的绝对运动空间过大，耙齿上残存的栅渣也可能会发生飞溅，存在较大的安全环保隐患，目前基本上处于被淘汰的状态。伸缩耙式弧形格栅除污机主要由液压驱动机构、耙臂、弧形格栅、齿耙、除污器等组成，液压驱动机构包括液压动力源、液压马达、双作用液压缸三个主要元件，耙臂与双作用液压缸联接，实现伸缩运动；液压马达实现耙臂与双作用液压缸联接组合件的旋转运动。由于整套系统总体较为复杂，运行维护成本较高，影响了其在工程实际中的推广应用。相对而言，基于四杆机构工作原理的摆臂式为目前弧形格栅除污机的主流结构模式，不仅总体成本不高，而且运转较为平稳。但是，目前国内外在役的大多数摆臂式弧形格栅除污机结构都不太紧凑，占地空间大，而且与耙齿运动轨迹匹配吻合的弧形格栅制作较为困难。

鉴于常规摆臂式弧形格栅除污机结构上的固有缺陷，国内外研究人员尝试从设计理念上进行突破。世界知名环保设备厂商德国HuberTechnology公司近期推出了系列弧形格栅除污机，虽然同样是基于曲柄摇杆机构的工作原理，但从产品宣传资料上来看，与同类产品相比，其占地面积明显减小。弧形格栅有效利用了渠道宽度，与渠道底部充分接触，且其弧度为标准等曲率圆弧的一部分，制作简单。但其设计过程和相关技术细节厂家对外界保密，具体结构尺寸参数无从知晓。

国内也有一些技术人员围绕常规摆臂式弧形格栅除污机开展了设计研究工作。江苏天雨环保集团有限公司的潘庆权、卢德纯在专利ZL200420054660.X中提出了一种摆臂式弧形格栅除污机的结构，包括机架、清渣机构、冲洗装置、转耙，在转耙沿其长度方向开设长槽，转耙通过与该长槽配合的销轴铰连接在机架上，在机架上固定有传动机构，传动机构的输出轴套接曲柄，曲柄的另一端与转耙铰接。该装置采用曲柄滑杆机构原理，传动机构中减速机出轴通过曲柄滑杆机构，驱动曲柄作单方向回转运动，实现转耙组合的进程伸出、回程缩回动作。转耙顶点轨迹(即耙齿运行轨迹)为腰型曲线，腰型曲线为两段近似圆弧，两段近似圆弧的曲率半径不相等；腰型曲线末端点运行速度接近于零，实现转耙组合的停息动作，清渣机构在自身重力作用下自动清渣。虽然该专利初步解决了旋臂式弧形格栅除污机运行空间较大的问题，但此种曲柄滑杆机构运行时的摩擦力大，转耙容易磨损，减少了设备的使用寿命，清渣机构在复位时产生较大的冲击和噪声；此外，弧形格栅为一不等曲率的腰形曲线，加工制作困难。宜兴泉溪环保有限公司的姚茂红、吴志强等人在专利ZL201210024731.0中提出了一种弧形格栅除污机，主要包括机架、传动机构、转耙、栅条及其上方的卸渣机构，传动机构由减速电机和蜗轮蜗杆减速器组成，蜗轮蜗杆减速器的输出轴连接曲柄一端，曲柄的另一端铰接在转耙上，减速电机、蜗轮蜗杆减速器固定在机架的下部，摇杆的一端铰接在机架上部，所述摇杆的另一端铰接在转耙后端，曲柄与转耙的铰接点位于摇杆与转耙的铰接点之前。该设备构造简单，相对曲柄滑杆机构而言，大大降低了格栅除污机运行时的摩擦力，冲击小、噪声低、除污能力强，但其占地面积偏大，弧形格栅不是等曲率半径圆弧的一部分，加工制作困难。

有鉴于此，有必要从设计方法和设计手段上进行彻底变革，克服以往通过“手工计算”或“试凑计算”进行摆臂式弧形格栅除污机所关联四杆机构运动学分析的不足，在实现机构运动学分析电算化和可视化的基础上，方便快捷地筛选设计出一种结构紧凑、弧形格栅制作简单、噪声小、摩擦阻力小的摆臂式弧形格栅除污机。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、弧形格栅加工制作简单、运行噪声低、摩擦阻力小的摆臂式弧形格栅除污机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的摆臂式弧形格栅除污机，包括摇杆、曲柄、驱动装置、渠道、弧形格栅、集渣槽、清渣机构、除污摆臂、机架、除污耙；

所述除污耙位于所述除污摆臂的末端且与其在同一条直线上，其上固定有清污耙齿；

所述摇杆和曲柄的上端与所述除污摆臂铰接，下端与所述机架铰接，共同组成了一个具有四个转动副的四杆机构，所述曲柄为该机构的主动件，所述摇杆为该机构的从动件，所述除污摆臂为该机构的连杆，所述机架为该机构的连架杆；

所述清污耙齿的运动轨迹为等曲率圆弧形，所述格栅呈等曲率圆弧形。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的摆臂式弧形格栅除污机，结构紧凑、弧形格栅加工制作简单、运行噪声低、摩擦阻力小，主要应用于城市污水预处理、自来水预处理、电厂进口水预处理等场所。

附图说明

图1为本发明实施例提供的摆臂式弧形格栅除污机的结构示意图。

图2a为本发明实施例中曲柄摇杆机构的运动简图。

图2b为本发明实施例中弧形格栅的结构示意图。

图3为本发明实施例中设计计算方法的流程图。

图4a为现有技术中非紧凑型格栅除污机机构的示意图。

图4b为本发明实施例中紧凑型格栅除污机机构的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的摆臂式弧形格栅除污机，其较佳的具体实施方式是：

包括摇杆、曲柄、驱动装置、渠道、弧形格栅、集渣槽、清渣机构、除污摆臂、机架、除污耙；

所述除污耙位于所述除污摆臂的末端且与其在同一条直线上，其上固定有清污耙齿；

所述摇杆和曲柄的上端与所述除污摆臂铰接，下端与所述机架铰接，共同组成了一个具有四个转动副的四杆机构，所述曲柄为该机构的主动件，所述摇杆为该机构的从动件，所述除污摆臂为该机构的连杆，所述机架为该机构的连架杆；

所述清污耙齿的运动轨迹为等曲率圆弧形，所述格栅呈等曲率圆弧形。所述驱动装置固定在机架上，包括减速电机和双输出轴减速器，所述曲柄与所述双输出轴减速器的输出轴固定联接。

所述摆臂式弧形格栅除污机通过减小所述机架和所述除污摆臂的长度，使整个机构更为紧凑，从而减小所述摆臂式弧型格栅除污机的占地面积。

所述除污耙的运动轨迹与所述弧形格栅的弧度相匹配吻合，且清污耙齿的宽度小于所述弧形格栅的间隙。

所述四杆机构的传动角在工作行程中大于或等于50°，且小于80°，在非工作行程大于等于40°。

本发明的摆臂式弧形格栅除污机，结构紧凑、弧形格栅加工制作简单、运行噪声低、摩擦阻力小的摆臂式弧形格栅除污机。

本发明主要由摇杆、曲柄、驱动装置、渠道、弧形格栅、集渣槽、清渣机构、除污摆臂、机架、除污耙等组成。曲柄与双输出轴减速器的输出轴固定联接；驱动装置主要由减速电机和双输出轴减速器组成，其固定在机架上；除污耙位于除污摆臂的末端且与其在同一条直线上，其上固定有清污耙齿。双输出轴减速器的输出轴连接曲柄一端，曲柄的另一端铰接在除污摆臂上，摇杆的另一端铰接在除污摆臂的后端，曲柄与除污摆臂的铰接点位于摇杆与除污摆臂铰接点之前。

对于一个由曲柄、摇杆、连杆、机架四个组件组成的曲柄摇杆机构而言，当曲柄为主动件时，可以通过四个转动副之间的线性距离(即杆件尺寸)的合理搭配组合，使得连杆及其延长线上一点实现预定的轨迹。而具体到本发明所涉及的摆臂式格栅除污机而言，摇杆、曲柄、除污摆臂以及机架共同组成了一个具有四个转动副的四杆机构(准确而言为曲柄摇杆机构)，曲柄、摇杆分别充当机构中的主动件和从动件，除污摆臂、机架分别充当该机构的连杆和连架杆。工作过程中，曲柄在电动机和减速器的作用下作定轴转动，摇杆作定轴摆动，可以通过四个转动副之间线性距离尺寸的合理搭配，使除污摆臂上的清污耙齿按照与弧形格栅相匹配吻合的预定圆弧曲线轨迹运动。清污时，清污耙齿插入栅条间隙，将弧形格栅上截留的固体杂质和污物扒集上行，在清渣机构的配合作用下依靠重力将栅渣卸入集渣槽中；然后，曲柄转入内半径运转，除污摆臂继续做平面运动，将耙齿退出栅条间隙，随即下行复位至上行初始位置，从而进入下一个清捞循环，曲柄每回转一周除污一次。

一般而言，为了使曲柄摇杆机构的传动性能良好，设计时对其最小传动角有一定要求：若只传递运动，通常使机构的最小传动角≥40°即可；而在传递动力时，最小传动角需≥50°，且最小传动角出现在曲柄与机架共线的位置。鉴于曲柄摇杆机构运动平面区域大小的关键在于最小传动角的设定，最小传动角越大所涉及的平面区域越大，因此可以通过减小最小传动角，实现曲柄摇杆机构的紧凑化。对于本发明的摆臂式弧形格栅除污机而言，由于总体上其运动速度较慢，仅有半程运动在传递动力，且最小传动角出现的位置在耙齿回程(即非工作行程)过程中，所以在设置传动角时仅需在清除污物即传递动力的半程中保持传动角≥50°，而在非工作行程传动角只需≥40°即可。本发明利用传动角这一特点，运用软件编程手段，将其作为构成曲柄摇杆机构的重要判定条件，通过画程序流程图，建立摆臂式弧形格栅除污机四杆机构设计的运行程序来确定最优杆长，从而使设计所得曲柄摇杆机构的紧凑性大大提高。在程序中通过控制连杆延长线上一点的运动轨迹与标准圆弧的误差，使最终确定的杆长组合中，连杆延长线上一点的运动轨迹为一等曲率半径的圆弧，从而使与其相匹配吻合的弧形格栅呈等曲率半径的圆弧形，且其最低点几乎位于双输出轴减速器的正下方。

本发明基于对曲柄摇杆机构的运动学分析，不仅实现了整个设计过程的电算化和可视化，而且通过控制连架杆和除污摆臂等杆件的尺寸，使得整个机构实现了紧凑化；与此同时，由于可以通过电算化实现清污耙齿的运动轨迹为单一曲率半径圆弧，进而可以实现格栅呈单一曲率半径圆弧，使其加工制作趋于简单。

具体实施例：

如图1所示，弧形格栅除污机主要包括摇杆1、曲柄2、驱动装置3、渠道4、弧形格栅5、集渣槽6、清渣机构7、除污摆臂8、机架9、除污耙10，曲柄2与双输出轴减速器的输出轴固定联接；驱动装置3固定在机架上，主要由减速电机和双输出轴减速器组成；除污耙10位于除污摆臂8的末端且与其在同一条直线上，其上固定有清污耙齿。摇杆1、曲柄2、除污摆臂8以及机架9共同组成了一个具有四个转动副的四杆机构(准确而言为曲柄摇杆机构)，曲柄2、摇杆1分别充当该机构的主动件和从动件，除污摆臂8、机架9分别充当该机构的连杆和连架杆。工作过程中，曲柄2在电动机和减速器的作用下作定轴转动，摇杆1作定轴摆动，可以通过四个转动副之间线性距离尺寸的合理搭配，使除污耙10上的清污耙齿按照与弧形格栅5相匹配吻合的预定曲线轨迹运动。清污时，清污耙齿插入栅条间隙，并将弧形格栅上截留的固体杂质和污物扒集上行，在清渣机构7的配合作用下依靠重力将栅渣卸入集渣槽6中；然后，曲柄2转入内半径运转，除污摆臂8继续作平面运动，将耙齿退出栅条间隙，随即下行复位至上行初始位置，从而进入下一个清捞循环，曲柄每回转一周除污一次。

图2a所示，为与摆臂式弧形格栅除污机所对应曲柄摇杆机构的运动简图，其中A、B、C、D为转动副，杆AD为机架(或连架杆)，相应的长度为d；杆AB代表图1中的曲柄2，相应的长度为a；杆CD代表图1中的摇杆1，相应的长度为c；杆BC代表图1中的除污摆臂8(连杆)，相应的长度为b。机构设计的要求就是通过a、b、c、d四个线段长度尺寸的合理搭配，使杆BC反向延长线上一点E的运动轨迹按照预定的曲线运动。需要强调的是，图2a中仅仅用二维平面图形来近似代表曲柄摇杆机构，实际产品中出于受力更为均衡、运行更为平稳等方面的考虑，往往将曲柄摇杆机构中的一个或多个部件设计成非单一平面结构。图2b所示为弧形格栅的三维示意图，弧形格栅的弧度与E点的运动轨迹相匹配吻合，为一标准圆弧，宽度一般与沟渠相同，栅条与栅条之间的空隙略大于除污耙耙齿的宽度。

图3为本发明基于对曲柄摇杆机构的运动学分析，为实现整个设计过程电算化所提出的设计计算方法流程图。首先给曲柄长度a、机架长度d、沟深h、杆长增量k、角度增量δ，机架长度d终止值u、杆长e终止值v、杆长c终止值w、杆长b终止值m、计算次数counter、点的个数s，半径差值n、曲柄转角终止值f赋值，然后进入循环结构，此循环结构中包括四个嵌套循环和三个判断语句，其中四个循环分别给杆长e、摇杆长度c、连杆长度b、工作行程开始时的曲柄转角赋初值，在每一个循环结束后，分别将其对应的杆长或角度增加杆长增量或角度增量(通过调节增量的数值可控制计算精度)。在循环结构的设计上，为保证机构紧凑性要求，首先将曲柄摇杆机构的存在条件和最小传动角的角度范围作为判定条件，其次寻找工作行程横坐标的最小值，从而筛选出符合条件的杆长组合。为保证连杆延长线上一点E的运动轨迹在工作行程中为圆弧曲线，首先给定工作行程中曲柄的转角，并从E点工作行程运动轨迹上取间隔较大的三点，求出这三点所决定之圆的圆心(q1,q2)和半径R；再以该圆心(q1,q2)与工作行程中每个曲柄转角对应轨迹上的点之间的距离为r，并求出差值(R-r)，将该差值控制在一定范围内。具体实施过程为：以工作行程中曲柄转角为变量构成一个循环结构，此循环结构中嵌套一个判断结构，以工作行程中曲柄转角对应的差值(R-r)控制在一定范围内为判断条件，若满足判断条件，则曲柄转角对应轨迹上点的个数s相应加一，进入后续计算流程，若不满足此判断条件直接进入后续计算流程。然后，曲柄转角增加角度增量δ，计算次数counter相应加一，若曲柄转角在工作行程所给定的范围内，则继续此循环，否则跳出以工作行程中曲柄转角为变量的循环。此循环结束后，若曲柄转角对应点的个数s等于计算次数counter，则输出其对应的四杆杆长，从而使E点在工作行程中的运动轨迹为一圆弧。经过多次循环最终确定符合条件的最佳四杆机构杆长组合。具体编程时可以使用MicrosoftVisualC++6.0等开发工具来进行，这样不仅可以实现整个设计过程的电算化，而且可以实现连杆及其延长线上任意一点运动轨迹的可视化。

基于所编写的计算软件，通过控制连架杆和除污摆臂等杆件的尺寸，能够使得整个机构实现紧凑化。图4a、图4b所示为非紧凑型摆臂式弧形格栅除污机与紧凑型摆臂式弧形格栅除污机的机构对比示意图，图4a为非紧凑型机构示意图，图4b为紧凑型机构示意图。由图可见：在沟深相同的情况下，图4b中连架杆杆长d和连杆杆长e明显小于图4a中连架杆杆长d和连杆杆长e，且图4b中DG的水平距离明显小于图4a中DG的水平距离，从而能够大幅度减小占地面积。之所以能够实现摆臂式弧形格栅除污机占地面积的紧凑化，关键在于需要充分认识到曲柄摇杆机构紧凑化的关键为最小传动角的设定，最小传动角越大占地面积越大。考虑到紧凑型摆臂式弧形格栅除污机的总体运动速度较慢，仅有半程运动在传递动力，且最小传动角出现的位置在耙齿空转(即非工作行程)过程中，因此仅仅需要在清除污物即传递动力的半程中保持传动角大于50°，其余非工作行程中保持传动角大于40°即可。基于上述认识，可以在计算机编程时将最小传动角作为四杆机构设计过程中的重要判定条件，通过减小机架(连架杆AD)和摆臂(连杆BC)的长度，从而实现整体结构的紧凑性。由图依然可看出：图4a所示的普通格栅除污机的除污耙运动轨迹为腰性曲线，图4b所示的本发明的除污耙运动轨迹为标准圆弧曲线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种摆臂式弧形格栅除污机，其特征在于，包括摇杆(1)、曲柄(2)、驱动装置(3)、渠道(4)、弧形格栅(5)、集渣槽(6)、清渣机构(7)、除污摆臂(8)、机架(9)、除污耙(10)；

所述除污耙(10)位于所述除污摆臂(8)的末端且与其在同一条直线上，其上固定有清污耙齿；

所述摇杆(1)和曲柄(2)的上端与所述除污摆臂(8)铰接，下端与所述机架(9)铰接，共同组成了一个具有四个转动副的四杆机构，所述曲柄(2)为该机构的主动件，所述摇杆(1)为该机构的从动件，所述除污摆臂(8)为该机构的连杆，所述机架(9)为该机构的连架杆；

所述清污耙齿的运动轨迹为等曲率圆弧形，所述格栅(5)呈等曲率圆弧形。

2.根据权利要求1所述的摆臂式弧形格栅除污机，其特征在于，所述驱动装置(3)固定在机架上，包括减速电机和双输出轴减速器，所述曲柄(2)与所述双输出轴减速器的输出轴固定联接。

3.根据权利要求1所述的摆臂式弧形格栅除污机，其特征在于，通过减小所述机架(9)和所述除污摆臂(8)的长度，使整个机构更为紧凑，从而减小所述摆臂式弧型格栅除污机的占地面积。

4.根据权利要求1所述的摆臂式弧形格栅除污机，其特征在于，所述除污耙(10)的运动轨迹与所述弧形格栅(5)的弧度相匹配吻合，且清污耙齿的宽度小于所述弧形格栅的间隙。

5.根据权利要求1所述的摆臂式弧形格栅除污机，其特征在于，所述四杆机构的传动角在设定工作行程中大于或等于50°，且小于80°，在非工作行程大于等于40°。