一、技術(shù)概況
污水處理行業(yè)中廣泛使用一種叫潛水推流器的設(shè)備，工作在水下5～7m的位置，具有推動水體介質(zhì)流動，增加池底流速，防止污泥沉降及提高污水處理效率的功能，是污水處理廠的基本配置，也是多種污水處理工藝必不可少的、具有較高技術(shù)含量的關(guān)鍵定型設(shè)備。
根據(jù)污水處理工況和工藝對設(shè)備要求，潛水推流器葉輪直徑較大，達2 500mm左右，輸出轉(zhuǎn)速較小，為38～52r/min，則從原動電動機到工作葉輪之間必須設(shè)置閉式減速傳動裝置，即減速機，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。減速機在干式傳動中運用較廣，有各種規(guī)格系列的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可供選擇，但在水下和污水環(huán)境中，很難有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供直接選用和配套。污水處理用減速機應(yīng)具有潛水密封功能;防腐、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、抗振及抗沖擊載荷的特點。普通減速機無法滿足這樣的特殊要求。
潛水推流器開發(fā)應(yīng)用的早期，一般只能選用普通減速機，傳動比滿足要求后，再在其輸入聯(lián)接和輸出聯(lián)接上增加潛水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對外殼做強化性的二次防腐處理，這種勉強地將就使用，實際情況很不理想：一是通用減速機體積大，三級傳動環(huán)節(jié)多，整機配套結(jié)構(gòu)松散，不適應(yīng)潛水結(jié)構(gòu)緊湊型布置和體積重量小的要求;二是密封緒構(gòu)可改進空間小，可靠性差，容易滲水和泄漏;三是齒輪、軸承等傳動件污水工況下的綜合機械強度低，抗沖擊性能差，故障率高。
為改變普通減速機不適應(yīng)污水使用的現(xiàn)狀，提高潛水推流設(shè)備使用可靠性和機械效率，故對減速裝置進行專配式應(yīng)用改進設(shè)計，將各種影響傳動效果、可靠性和使用壽命的水下工況復(fù)雜因素考慮進去，開發(fā)了污水處理專用潛水式減速機。新型潛水式減速機解決了傳統(tǒng)減速機構(gòu)重量大、使用壽命短，容易損壞及需經(jīng)常維修更換的技術(shù)難題，滿足了實際應(yīng)用工況的需求，推動了產(chǎn)品技術(shù)升級。
二、應(yīng)用設(shè)計
1.系統(tǒng)總成
新型減速傳動機構(gòu)潛水推流器系統(tǒng)總成主要由電動機部件、滲漏保護裝置、輸入端密封系統(tǒng)、減速傳動機構(gòu)、輸出端密封系統(tǒng)和葉輪組成。其技術(shù)方案凸顯直聯(lián)剛性傳動，電動機與減速機構(gòu)直聯(lián)驅(qū)動，減速機構(gòu)與葉輪直聯(lián)驅(qū)動，電動機部件輸出軸即為減速機構(gòu)輸入軸，減速機構(gòu)輸出軸即為葉輪軸，從電動機到葉輪，中間無聯(lián)軸器、無過渡性法蘭，傳動簡潔，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。
在整個傳動線上又分隔為三個密封腔，電動機密封腔、減速機構(gòu)密封腔、輸出端密封腔，密封腔之間分別由輸入端密封系統(tǒng)和輸出端密封系統(tǒng)隔離，每個腔既能保持獨立性，又能服從整機協(xié)調(diào)工作。密封系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)交叉設(shè)計，合理組合，一體式布置構(gòu)成潛水推流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，充分體現(xiàn)專配性、簡潔性和可靠性。另外，在電動機部件合適位置設(shè)計了滲漏保護裝置，由傳感器組成，能夠有效預(yù)知密封狀態(tài)，監(jiān)護系統(tǒng)密封情況，保護電動機及傳動件的完好性。
2.減速機結(jié)構(gòu)
減速機主要由箱體、高速級輸入齒輪、高速級從動齒輪、高速級從動軸承、低速級從動軸承、低速級主動齒輪、低速級輸出齒輪、減速機輸出軸、減速機蓋和軸承蓋組成。
根據(jù)輸入和輸出轉(zhuǎn)速要求及水下工作的綜合需要，巧妙分配傳動比和精致設(shè)計傳動件，減速結(jié)構(gòu)優(yōu)化為兩級斜齒輪傳動，分別為高速級和低速級，同時保證輸入和輸出同心傳動。其傳動路線由高速級輸入主動齒輪傳遞給高速級從動齒輪;通過高速級從動齒輪連體傳動到低速級主動齒輪，再由齒輪傳遞給低速級從動齒輪。高速輸入齒輪轉(zhuǎn)速高、扭矩小，直接套裝在電動機軸上，根據(jù)運動特點和結(jié)構(gòu)需要，該齒輪直徑可以較小，耐磨性必須高。同時滿足這幾個條件，則選用了坦克用高強度齒輪材料，并嚴(yán)格其加工、制造和裝備工藝，最大限度發(fā)揮高強度材料的性能。高速輸入齒輪的精小，保證了整個傳動結(jié)構(gòu)的小巧。高速級從動齒輪因傳動比的要求，直徑較大，其彎曲強度足夠，適度校核接觸強度即可。低速級主動齒輪參數(shù)設(shè)計和材料選用都比較關(guān)鍵，它轉(zhuǎn)速中等，承載一定的扭矩，直徑又不能太大，還要兼顧輸出與輸入的中心同軸，綜合各種因素，將其設(shè)計為齒輪軸式結(jié)構(gòu)，并與高速級從動齒輪連體，這樣壓縮了結(jié)構(gòu)尺寸，提高了傳動效率，滿足了強度要求。低速級輸出齒輪轉(zhuǎn)速低，扭矩大，不僅要滿足同心傳動、尺寸結(jié)構(gòu)要求、接觸強度和彎曲強度要求，還要滿足水下工況抗振性和抗沖擊載荷要求，故其齒輪寬度較大。
關(guān)于軸承的選用，考慮到污水和水下工況的惡劣復(fù)雜性，高速級和低速級都選用了圓錐滾子軸承，并適當(dāng)加大尺寸規(guī)格，滿足支承承受徑向力、軸向力和沖擊力的需要。
減速機箱體、減速機蓋和軸承蓋的設(shè)計，適應(yīng)內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)的布置安排，考慮輸入和輸出端密封聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠合理，滿足抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)強度，配套水下固定夾緊和整機協(xié)調(diào)美觀的外形結(jié)構(gòu)等，雖然相對靜態(tài)，但同樣體現(xiàn)專配應(yīng)用的配套性、適合性和耐用性。
減速機輸出軸，也是葉輪工作軸，應(yīng)具有足夠的抗扭、抗彎和抗沖擊性能的綜合機械強度，滿足傳動齒輪箱內(nèi)部運動結(jié)構(gòu)要求、葉輪軸懸伸剛度要求、葉輪和箱體之間的動密封腔安裝結(jié)構(gòu)要求，還有防腐的技術(shù)要求。一般采用20Crl3不銹鋼材料，既能防腐，又能熱處理。
減速機構(gòu)是傳動的核心，這樣專用性潛水式非標(biāo)設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，傳動可靠，與輸入和輸出端的配套性、聯(lián)接性及密封性好，適應(yīng)水下工況需要的各種結(jié)構(gòu)尺寸、強度要求和材料選用等調(diào)整控制方便，并且體積小巧，穩(wěn)定高效，協(xié)調(diào)美觀，解決了傳統(tǒng)通用減速機構(gòu)配套性差、綜合機械強度低和故障率高的技術(shù)難題。
3.密封設(shè)計
減速機潛水式應(yīng)用還有一個重要的環(huán)節(jié)就是密封設(shè)計，可靠的密封性能是水下推流設(shè)備的工作保障。這里的密封設(shè)計是全局考慮的，減速機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性和整機各環(huán)節(jié)的密封要求完全融會在一起，密封結(jié)構(gòu)設(shè)計從動態(tài)和靜態(tài)上分為動密封系統(tǒng)和靜密封系統(tǒng)，從傳動前后順序：動、靜密封組合又分為兩個密封隔離帶，隔離帶再將減速機構(gòu)前后分隔為三個密封腔。
靜密封系統(tǒng)含輸入端靜密封O形圈、輸出端精密封O形圈等其他O形圈，以及各種聯(lián)接法蘭O形圈止口結(jié)構(gòu);動密封系統(tǒng)包含輸入端單端面機封、輸出端雙端面機封，以及電動機軸、減速機軸和各種安裝附件。
輸入端靜密封和輸入端動密封構(gòu)成第一道密封隔離帶，分隔電動機腔和減速機構(gòu)腔，保持電動機腔的密封性和干燥絕緣性，防止減速機構(gòu)腔齒輪油滲入電動機腔，影響電動機正常工作。靜密封的作用是密封污水。
動密封的作用是密封齒輪油。輸入端動密封根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)要求，選用單端面機封，套裝在電動機軸上，懸伸在減速機構(gòu)腔內(nèi)，由齒輪油對機封潤滑。輸
出端靜密封和輸出端動密封構(gòu)成第二道密封隔離帶，動密封選用雙端面機封，并將其設(shè)置成內(nèi)置式、油潤滑的單獨密封腔。通過靜密封系統(tǒng)和動密封系統(tǒng)的組合配置和設(shè)計，分隔減速機構(gòu)密封腔、動密封機構(gòu)腔和外部污水環(huán)境，動密封最外面密封污水，內(nèi)部密封油，實際對減速機構(gòu)腔有兩道密封把關(guān)功能，確保減速機構(gòu)腔處于絕對的密封可靠工作狀態(tài)。
另外，關(guān)于動密封需要油潤滑才能保持長期穩(wěn)定工作性能，油對機封來說，不僅是潤滑，還有清洗和降溫的作用。要注意加油量占油腔高度的2/3，多與少都不合適，要保證機封全部浸沒在油中，同時滿足油溫升高后的熱脹冷縮空間，避免內(nèi)腔油壓增大而損壞機封。
4.技術(shù)特點
潛水式減速機專用化設(shè)計，突破了通用減速機固有的技術(shù)限制，發(fā)揮的余地大，適用性強，具有很多技術(shù)優(yōu)勢。
1)專用性強，針對污水工況原創(chuàng)設(shè)計，起點高、標(biāo)準(zhǔn)高、要求高。
2)體積小巧，采用小中心距、小模數(shù)齒輪、小箱體外形的設(shè)計方案，設(shè)備更趨向小巧化。
3)材料強度高，核心受力部位、易損壞部位、抗沖擊部位采用了坦克用高強度齒輪材料，并嚴(yán)格按高加工精度要求，高標(biāo)準(zhǔn)裝配要求保證過程質(zhì)量和整體質(zhì)量。
4)傳動轉(zhuǎn)矩大，抗沖擊性能強、機械效率高。
5)密封可靠，專業(yè)性密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)全面、穩(wěn)定可靠。
6)配套性好，與其他部件組裝聯(lián)接性好，整體外觀協(xié)調(diào)性強。
三、應(yīng)用情況
減速機潛水式應(yīng)用改進設(shè)計后，潛水推流器性能和品質(zhì)都提升了檔次，以其特有的專用和專配設(shè)計，實現(xiàn)了高可靠性、高適應(yīng)性和高技術(shù)性的應(yīng)用需求，獲
得了市場的高度認同，市場應(yīng)用被迅速打開，近幾年來新建的污水處理廠大量選用了這種設(shè)備，實際使用中設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠、高效，用戶評價較高。
特別典型的是在污水處理廠設(shè)備升級改造中替代進口，早期一級市場的大型污水處理廠，設(shè)備配置較高，關(guān)鍵性設(shè)備選用的是進口產(chǎn)品，幾年使用下來，由于污水環(huán)境的惡劣及其他復(fù)雜因素，進口設(shè)備也需要維修和更換，實際操作中，程序煩瑣、周期長，價格昂貴，國內(nèi)污水處理廠家深陷困境，迫切希望國產(chǎn)設(shè)備能替代進口，解決設(shè)備升級更換的應(yīng)用技術(shù)問題。經(jīng)過這些污水處理廠多次的調(diào)研考察和技術(shù)論證，終于認可了這種潛水式減速機型推流器，從試用到完全采用，經(jīng)歷曲折，但結(jié)果較為理想。
西安市水務(wù)公司第四污水處理廠，25萬t/d的處理規(guī)模，厭氧池上四十多臺潛水推流器，采用的都是國際上著名的進口品牌。長時間的使用，有兩臺設(shè)備故障，不能正常運行，拖了很長時間，未能圓滿解決，在迫于無奈的情況下，試用這種減速機改進型推流器替代，三個月的試運行，效果較好，力學(xué)性能、水力性能和降耗節(jié)能等各項性能指標(biāo)都符合工藝技術(shù)要求和出水排放標(biāo)準(zhǔn)，用戶驚喜不已。緊接著該公司下屬第三污水處理廠改造，15萬t/d的處理量，已經(jīng)訂好了全部進口設(shè)備合同，由于進口設(shè)備供貨期長，趕不上改造工程完成時間，臨時決定改用這種改進型推流器替代，這些設(shè)備一直在正常運行，機械噪聲和振動小，推流效果好、節(jié)能效率高，第三污水處理廠比較滿意。有了第四和第三污水處理廠的設(shè)備使用基礎(chǔ)，西安水務(wù)公司將在二期改擴建工程中全部采用這種設(shè)備，完全替代進口。
四，總結(jié)
減速機的應(yīng)用非常廣泛，但在污水處理行業(yè)潛水技術(shù)中無直接可以選用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，為滿足環(huán)保污水處理設(shè)備技術(shù)需要，開發(fā)潛水式減速機，來與各種潛水設(shè)備配套。潛水推流器離不開減速傳動，鑒于污水工況的特殊性及使用經(jīng)驗，為其配備專用減速機構(gòu)，滿足水下工況的強度、剛度、沖擊、防腐和密封等需要，提高產(chǎn)品的綜合性能和質(zhì)量品質(zhì)，是很值得的。
事實上，新型潛水減速機的設(shè)計和應(yīng)用，推流器的力學(xué)性能和各項配套技術(shù)都有了大的提升，產(chǎn)品的市場占有率迅速提高，并能夠替代進口。這不僅解決了困擾行業(yè)多年的應(yīng)用技術(shù)難題，同時推動了產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步，提高了國產(chǎn)設(shè)備競爭力。
污水處理水下減速機的應(yīng)用需求也是很多的，目前還停留在專用化的非標(biāo)設(shè)計，適用性不強。市場呼喚開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)型的水下減速機，在工況應(yīng)用、水下密封和生產(chǎn)成本等方面有較大優(yōu)勢，能直接與各種水下設(shè)備配套和組合，拓展減速機水下應(yīng)用范圍，提高環(huán)保污水處理設(shè)備的適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性和先進性。