（机械电子工程专业论文）卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现.pdf

卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现 摘要 卧式螺旋卸料离心脱水机( 简称卧螺离心机) 是实现固液分离的关键设备。 卧螺离心机工作时，转鼓转速及其与螺旋输送器之间的差速，决定着物料的分 离效果和分离效率等。是离心机的重要控制参数。离心机的高效分离性能必须 通过完善的自控系统才能得以实现。随着离心机设备的要求越来越高，设备不 断更新，可靠性、易操作性、可监视性和易维护性已是最基本的要求了。由继 电器组成的控制电路具有可靠性差、不易维护、不易监示等缺点，己不能适应 当前的要求。随着电子技术、软件技术和控制技术飞速发展，可编程控制器( p l c l 控制已成为国内外的主流控制方式。 本课题主要是根据卧式螺旋卸料离心脱水机的特点，设计研制满足卧式螺 旋卸料离心脱水机使用要求的、高性能的控制系统。本课题深入分析了离心脱 水机的工作原理及其关键技术，选用电磁调速电机驱动污泥泵，选用变频器调 速方式驱动卧式螺旋卸料离心脱水机的转鼓和螺旋输送器，实现了对污泥泵、 转鼓和螺旋输送器的无级调速。并对转鼓支承轴承实行温度自动控制，保证了 设备的长期可靠运行。 我们根据设备的特点与要求，完成了p l c 电控系统的操作方便性设计和可 靠性设计，结合软件编程实现系统的功能。在制作控制箱及现场调试的过程中， 进行了抗干扰分析，并从硬件和软件等方面采取措施，提高了控制系统的抗干 扰能力。 在本课题的设计与研究中，以实用为原则，注意设计方案的可行性、可靠 性及稳定性等。本课题虽然是选择的某一特定型号的卧螺离心机，但其设计思 路和方法可为其他型号的卧螺离心机控制系统的设计提供参考。 关键词：卧螺离心机，控制系统，变频器，可编程控制器，抗干扰 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo f h o r i z o n t a ls c r e w - c o n v e y o r c e n t r i f u g e a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a ls c r e w c o n v e y o rc e n t r i f u g ei st h ek e ye q u i p m e n tt oa c t u a l i z e t h es e p a r a t i o no fs o l i d sa n dl i q u o r r o t a r yd r u m sr o t a r ys p e e da n dt h er o t a r ys p e e d d i f e r e n c eb e t w e e nr o t a r yd r u ma n ds c r e w c o n v e y o ra r ev e r yi m p o r t a n tv a r i a b l e p a r a m e t e r so ft h eh o r i z o n t a ls c r e w - c o n v e y o rc e n t r i f u g ew h e ni ti sb e i n go p e r a t e d t h ee f f e c ta n do u t p u to fs e p a r a t i o na r ed e t e r m i n e db yt h er o t a r ys p e e da n dt h e r o t a r ys p e e d d i f e r e n c eb e t w e e nd r u ma n d s c r e w - c o n v e y o r h i g h e f f i c i e n t d e h y d r a t i o no fc e n t r i f u g ej u s tc a nb er e a l i z e db yp e r f e c ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m s i n c et h er e q u e s t so ft h ec e n t r i f u g ee q u i p m e n ta r eb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r , c e n t r i f u g e h a v e b e e n r e n e w i n gc o n t i n u o u s l y r e l i a b i l i t y , e a s yo p e r a b i l i t y , c a n - b e s u r v e i l l e d ，e a s ym a i n t e n a n c eh a v eb e e nt h eb a s i cr e q u i r e m e n t t h er e l a y c o n t r o ls y s t e mi su n d e p e n d a b l e ，a n di t sm a i n t e n a n c ea n ds u r v e i l l a n c ea r eh a r d i t h a dn o ta d a p tt ot h ec u r r e n tr e q u i r e m e n ta n ym o r e p l ch a sb e c o m et h em a i n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc o n t r o lm e t h o da sd e v e l o p i n go fe l e c t r o n i c st e c h n i q u e ， c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dc o n t r o lt e c h n i q u e t h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi sm e e tt ot h er e q u i r e m e n t so fs p e e d a d j u s t i n gh a s b e e nd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh o r i z o n t a l s c r e w - c o n v e y o r c e n t r i f u g e a f t e rt h ep r i n c i p l ea n dk e yt e c h n i q u eo fc e n t r i f u g ew e r ea n a l y z e d t h o r o u g h l y , m u dp u m pw a s d e c i d e dt ob ed r o v e b ye l e c t r o m a g n e t i ct i m i n g e l e c t r o m o t o r , a n dr o t a r yd r u ma n ds c r e w - c o n v e y o rt ob e d r o v eb yt r a n s d u c e r s t e p l e s ss p e e d a d j u s t i n gc anb ea c t u a l i z e d t e m p e r a t u r ea u t o m a t i cc o n t r o l l e rw a s s e to nt h eb a c k u pb e a r i n gt og u a r a n t e el o n g - t e r mr e l i a b i l i t yo fc e n t r i f u g e c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i r e m e n to ft h ee q u i p m e n t ，p l c c o n t r o ls y s t e mw i t hf a c i l i t ya n dr e l i a b i l i t yw a sf i n i s h e d s y s t e mf u n c t i o n sw e r e r e a l i z e db ys o f t w a r e d u r i n gt h ep r o g r e s so fc o n t o lt a n km a k i n ga n dl o c a l e d e b u g g i n g ，g o i n gi n t ot e c h n i q u e o fa n t i - j a m m i n g ，s o m em e a s u r e s ，i n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w e r et o o kt op r o t e c tt h ec o n t r o ls y s t e mf r o mj a m i nt h i st a s k ，f o rt h es a k eo fp r a c t i c a b i l i t y ，w em o s t l yp a y e da t t e n t i o nt ot h e f e a s i b i l i t y o ft h ed e s i g np r o je c t a l t h o u g hj u s tonec e r t a i nc e n t r i f u g ew a s c o n s i d e r e di nt h i st h e s i s ，i t si d e a sa n dm e t h o d sc a no f f e rr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g n o fh o r i z o n t a ls c r e w c o n v e y o rc e n t r i f u g eo fo t h e rt y p e s k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls c r e w c o n v e y o rc e n t r i f u g e ，c o n t r o ls y s t e m ，t t r a n s d u e e r ， p l c ，a n t i - j a m m i n g 插图清单 图2 一l污水处理过程8 图2 - 2卧螺离心机结构图9 图3 1离心机系统总体结构1 4 图3 2变频器结构图1 5 图3 3变频器的功用1 6 图3 - 4电动势原理图1 6 图3 - 5变频器并联操作两个及两个以上电动机一1 9 图3 - 6变频器顺次起动多台电动机1 9 图3 7p l c 机硬件构成2 0 表3 - ip l c 端子分配表2 1 图3 8 控制系统硬件配置图2 3 图3 - 9p l c 外部硬件配置图2 4 图3 1 0 污泥泵调速电机接线图2 5 图3 - 1 1 共直流母线交流变频调速系统的结构2 6 图3 - 1 2 卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的面板2 7 图3 1 3 卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的外型2 8 图3 1 4 卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的内部结构2 9 图4 1卧式螺旋卸料离心脱水机的工作过程3 2 图4 2转鼓和螺旋输送器的升速流程图3 2 图4 3离心机污泥泵控制电压的计算程序流程图3 5 图4 - 4p l c 、变频器及若干外围设备的综合接线图3 6 图5 1采用继电器进行隔离4 2 图5 2d i 输入模块光电隔离4 3 图5 3d o 输出模块光电隔离4 3 图5 - 4变频器抗干扰外部接线4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些杰堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：张l 轷字日期_ 。) 年月伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金腿工业杰堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 册露 导师签名 签字日期：d 7 年占月f 谓 签字日期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 占月，二日 电话： 邮编： z 沙f 年 依广7 ， 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师陈远龙表示最真诚的感谢和敬意! 在研究生阶段近三年的学习和生活期间，陈老师都给予了我无微不至的关 怀和毫无保留的教导。本论文的选题、资料收集到撰写、修改都凝聚着陈老师 的心血陈老师渊博的学术知识、严谨的治学态度、诲人不倦的育人精神都使 我受益终身，并将指导我在以后的人生道路中不断进步。谨向导师陈远龙致以 最诚挚的敬意和衷心的感谢。 感谢万胜美老师，丁苏赤老师，是他们的聪明智慧和辛勤劳动才使课题得 以顺利完成。十分感谢他们给予我的关心和帮助。 感谢我所有的授课老师，感谢师弟贾志华、徐必超，以及宿舍里我亲密的 室友对我在学习上和生活上的关心和帮助。 尤其要感谢我的父母，他们教给我做人的道理，他们给予我向前的勇气， 他们是我挫折后永远的避风港。 最后，衷心感谢所有给予我帮助的人! 作者：张凤霞 2 0 0 7 年5 月 1 1 我国水污染控制现状 第一章绪论 随着人口的增加，经济的发展以及工业化步伐的加快，我国城市污水的排 放量也与日俱增，导致水体污染严重。近2 0 年来，污水的年排放量在大幅度增 加。1 9 9 9 年全国工业和城市生活废水排放总量为4 0 1 亿吨，比上年增加1 5 。 其中工业废水排放量1 9 7 亿吨，比上年减少2 o ；生活污水排放量2 0 4 亿吨， 比上年增加5 2 ；生活污水排放量超过工业废水摊放量。2 0 0 3 年全国工业和 城镇生活废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量 2 1 2 4 亿吨，比上年增加2 5 ；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增加 6 6 1 1 】i ”。由此可见，我国污水的排放量逐年上升，并且上升的速度有增加的 趋势。我国人均水量少，只有世界平均水量的1 4 ，水资源供需矛盾突出，加 上污染严重，水资源问题是当前我国社会经济可持续发展最突出的问题之一。 为适应经济发展和人民生活水平不断提高的要求，加快城市污水治理工作已刻 不容缓。 然而，污水处理是一门涉及化学、物理、生物等多门科学的综合性技术， 其工艺机理复杂，操作要求十分严格，实现起来难度较高。如果单凭现场人员 手动操作，往往操作繁琐，劳动强度大，处理效果差。我国水污染控制水平尤 其是工业废水的污染控制水平较低。虽然工业废水水量相对较少，但是它分散 广，浓度高，处理工艺流程复杂。这与我国现阶段自控水平低，控制设备落后 的状况形成尖锐的矛盾，以致工业废水难以得到有效的处理，出水水质状况差， 处理水不达标的情况。 面对水量增加，处理效率低的双重压力，增加对污水处理的资金投入，应 用性能优良的污泥处理设备和控制技术，是尽快解决我国城市水环境污染问题 的关键，这也可以为未来的城市污水处理打下良好的基础。 1 2 污泥脱水设备性能比较 过去，国内城市污水处理厂的污泥( 浓缩) 脱水，绝大部分都采用带式压 滤机，离心机因其噪音大、能耗高、处理能力低而很少采用，然而，最近几年 来，卧螺离心机( 简称离心机) 的应用大有超过带式压滤机( 简称带滤机) 之势。 在国外，卧螺离心机的应用很普遍。而在国内，卧螺离心机的推广主要得 益于离心机厂家成功的市场营销。国外采用离心机的主要原因是其脱水后含固 率高，可达3 0 以上，而国内由于污泥处置费用不高，对含固率要求也不高， 一般只要求超过2 0 ，这样国外供给国内的离心机的材质和加工精度降低一个 档次仍能满足要求。由于国内部分设计人员对采用离心机的认识模糊，选用离 心机而对其处理后含固率仍与带滤机要求相同，这样离心机就失去了其竞争优 势。国内许多设计院或用户常常忽视了这一点。下面根据带滤机和离心机的使 用调查情况，就污泥浓缩脱水设备的性能作以下探讨。 由于带滤机为污水处理厂污泥脱水的主流，因此离心机的优点主要建立在 与带滤机的比较上，离心机对带滤机来说，具有如下优点： 卧螺离心机利用离心沉降原理，使固液分离，由于没有滤网，不会引起 堵塞，而带滤机利用滤带使固液分离，为防止滤带堵塞，需高压水不断冲刷； 离心机适用各类污泥的浓缩和脱水，带滤机也适用各类污泥，但对活性 污泥需投药量大且脱水困难； 离心机在脱水过程中当进料浓度变化时，转鼓和螺旋输送器的转差和扭 矩会自动跟踪调整，所以可不设专人操作，而带滤机在脱水过程中当进料浓度 变化时，带速、带的张紧度、加药量、冲洗水压力均需调整，操作要求较高； 在离心机内，细小的污泥也能与水分离，所以絮凝剂的投加量较少，一 般混合污泥脱水时的加药量为3 k g a 干泥】，污泥回收率为9 5 以上，脱水后泥 饼的含水率为6 5 7 5 左右，而带滤机由于滤带不能织得太密，为防止细小 的污泥漏网，需投加较多的絮凝剂以使污泥形成较大絮团，一般混合污泥脱水 时的加药量大于3 k g ，t 千泥 ，污泥回收率为9 0 左右，脱水后泥饼含水率8 0 左右： 离心机污泥脱水耗电为1 2 k w m 3 ，运行时噪音为7 6 8 0 d b ，全天2 4 h 连 续运行，运行中不需清洗水，停机除外；而带滤机污泥脱水耗电为o 8 k w m 3 ， 运行时噪音为7 0 7 5 d b ，滤布需松驰保养，一般每天只安排二班操作，运行过 程中需不断用高压水冲洗滤布； 离心机占用空间小，安装调试简单，配套设备仅有加药和进出料输送机， 整机全密封操作，车间环境好；而带滤机占地面积大，配套设备除加药和进出 料输送机外，还需冲洗泵，空压机，污泥调理器等等，整机密封性差，高压清 洗水雾和臭味污染环境，如管理不好，会造成泥浆四溢； 离心机易损件为轴承和密封件，螺旋输送器的维修周期一般在3 年以上； 而带滤机易损件除轴承、密封件外，滤带也需更换，价格昂贵； 运行费用的计算。离心机厂商在进行离心脱水与带式压滤脱水运行费用 比较时，采用如下算法p l ： 假设： 以8 x 1 0 4 t d 的污水处理厂为例，泥浆量为3 3 3 m 3 d ，干泥量为l o t d ，进泥 含固量为3 ( 浓缩后污泥) ，脱水后污泥含固率 2 0 。 带机投药量4 k # t 干泥】计，单机处理电耗以o 8 k w m 3 泥浆计，冲洗水：污 泥浆为l ：l ；离心机投药量以3 k g & 干泥1 计，单机处理电耗以1 2 k w m 3 泥浆计， 2 冲洗水以0 计，电费o 5 3 元k w ，水费1 0 元m 3 ，药费8 0 元k g 。 计算得： 带式压滤机：药费为3 2 0 0 元d ；电费为1 4 1 1 9 2 元，d ；水费为3 3 3 元，d 。则 带机的日运行费用为= 3 2 0 0 + 1 4 1 1 9 2 + 3 3 3 = 3 6 7 4 1 9 2 元，d 。 离心机：药费为2 4 0 0 元d ；电费为2 1 1 7 8 8 元d i 水费为o 元d ；则离心机 的日运行费用为= 2 4 0 0 + 2 1 1 7 8 8 + 0 = 2 6 1 1 7 8 8 元d 。 运行费差额：1 0 6 2 4 0 4 元，d ，1 年以3 6 0 d 计，= 1 0 6 2 4 0 4 元d x 3 6 0 d - 3 8 2 4 6 5 4 4 元人民币。即1 年运行费带机大约比离心机多3 8 2 5 万元人民币 根据上述分析，得出如下结论：污泥脱水采用离心机比带滤机更合适；离 心机由于分离效率高，对污泥的絮凝要求比带滤机低，所以药耗低，且运行费 用低、月收益和脱水效果好。 1 3 离心机概况 随着工业的不断发展，在化工、石油化工、石油炼制、轻工、食品，医药、 纺织、冶金、煤炭、船舶、国防工业等各个领域都需要进行固液分离。在固液 分离的主要方法中离心分离得到了广泛应用，实现这种离心分离的机器叫离心 机。离心机与其它分离机械相比，不仅能得到含湿量较低的固体和较高纯度的 液相，而且能节省劳动力、降低劳动强度，可使劳动条件和劳动环境得到很好 的改善：离心机还具有处理量大，操作简单，自动化程度高、占地少等优点。 因此，离心机是现代工业中普遍用来分离固、液混合物的机械【4 1 。 我国生产离心机至今已有2 0 余年的历史，开始大多是立式离心机和其他形 式的推料或过滤离心机，卧螺离心机是近几年随着污水处理工程的增多才大量 开始研制和生产的机型。 目前，国内生产卧螺离心机的厂家有重庆江北机械厂，广州重型机械厂、 湘潭离心机厂、解放军4 8 1 9 工厂、浙江青田特种设备厂、南京绿洲机械厂、上 海化工机械厂、上海离心机械研究所等十余家企业，其中在行业内具有代表性 的企业有：重庆江北机械厂、解放军4 8 1 9 工厂、上海离心机械研究所等。其技 术有一部分主要来源于直接与国外离心机公司的技术合作、引进以及生产，如 与法国坚纳( g u i n a r d ) ，德国洪堡( h u m b o l d t ) 等公司的合作。另有一部分厂 家的技术主要源于自主开发，或对国外技术进行引进、消化和吸收的基础上逐 步发展起来的，但仍有一部分停留在模仿国外公司的技术上，基本上属于对国 外技术的简单翻版，缺少自主创新。目前在我国常见的进口卧螺离心机厂家 主要有：较早进入中国市场的瑞典的阿法拉伐( a i f al a v a l ) 、德国维斯伐利亚 ( w e s t f a l i a ) 、福乐伟( f l o t t w e g ) 、洪堡( h u m b o l d t ) 、意大利的贝亚雷斯 ( p i e r a l i s i ) 、日本巴工业株式会社等，以及近期进入中国的瑞典诺克森 ( n o x o n ) 、法国坚纳( g u i n a r d ) 等公司，产品主要集中在市政以及工业污水 处理中的污泥脱水领域。主要技术特点基本相同，但在技术细节上存在较大的 差异。 国内外卧螺离心机技术对比情况如下： ( 1 ) 材料。目前国内与国外设备中，主要部件都采用不锈钢制造，尤其是 转鼓与螺旋输送器部分全部采用不锈钢，只有少数国外厂家可针对不同的处理 对象及介质的要求，采用适合的材质，如对于市政污水处理和无腐蚀性场合， 采用高强度碳钢防腐，避免了过度设计，大大降低了制造成本，通过十余年的 实践证明，在市政污水处理中采用碳钢防腐的材质是完全可行的 ( 2 ) 高干( 效) 型机型设计。所谓高干( 效) 型机型是国外较常用的叫法， 国内则习惯称为浓缩脱水一体化机。可对未经浓缩的污泥直接进行脱水，通常 可处理含固量在0 4 0 8 左右的市政及工业污泥。 目前，国内仅有部分厂家拥有此项技术，技术主要来源于与国外公司技术 合作、引进，仅有少数厂家是对国外技术进行消化吸收、改进后的创新技术， 但又各有不同。 国内另有一小部分公司则吸收了阿法拉伐公司的b d 挡板技术，或其他公 司的压榨式螺旋设计，即在离心机锥段的螺旋出料端设置一个特殊挡板，即b d 挡板，或增大锥段螺旋设计( 内锥体) ，可使离心机处于超深液池状态，使池中 液面处于高于固体排放面状态下运行，并在锥段减小污泥空间体积，增加对泥 饼的压力，并且只输送下部沉渣，而将上部含水率高的污泥截留在压榨锥段外 侧，实现压榨脱水( 类似于螺旋压榨脱水机) ，使出泥更干。螺旋输送器的螺旋 叶片设计成螺距渐变的形式，螺距从转鼓大端至小端逐渐减小，使沉渣在输送 时出受到径向的离心力压实外，还受到轴向的双向挤压作用，沿轴向产生挤压 力。于是沉渣的毛细孔隙减小，所含的水分向外排放，从而使沉渣的含水量降 低。另一种设计是在螺旋简体上设置横截面为阿基米德螺线形的压榨板。当沉 渣从螺旋圆柱段推向锥段时，螺线形压榨板将沉渣逐渐压缩。由于压榨板与转 鼓筒体形成楔形通道压渣压力逐渐升高，在出口处达到最大，并将滤液沿楔形 间隙的切线方向从较宽的方向排出。 国外离心机的高干型设计除上述两种之外，近期瑞典诺克森( n o x o n ) 公司推出一种新型专利技术，称为l a m e l l a 技术，即采用斜板沉淀的原理，将 离心机螺旋输送器叶片设计成倾斜状态，其叶片倾角、螺距、叶片间距等参数 经过优化设计，达到最佳处理效果。使固体沉降时间缩短数倍，大大减少螺旋 输送器叶片对澄清液池的扰动，絮凝剂的消耗量比普通离心机减少3 0 4 0 ，而处理能力比普通离心机提高4 0 。特别适用于处理一些超细或凝胶状固 体。目前处理的最低进料浓度可达0 2 。国外不同厂家的离心机在高于( 效) 型设计方面采用不同的技术，在实现的方式也各有差异，高干型设计主要是通 过改变转鼓与螺旋输送器结构实现的，但也有部分厂家通过对差速的反馈控制 实现。限于篇幅在此不再一一赘述。 4 ( 3 ) 驱动方式。在驱动方式上，国内与国外有较大的差异，同时进口设备 又有多达5 6 种不同的驱动方式。国内离心机驱动方式大多采用的是双电机结 构，即一台电机( 通常为变频电机) 通过皮带直接驱动转鼓产生转动，另一台 电机( 也可为变频电机) 通过减速器( 差速器) 驱动螺旋输送器这种驱动方 式优点是控制方便、节约能源，差速可以任意调节，实现无级调速。进口设备 中往往可提供除常用的双电机驱动方式外，还有多种驱动方式的选择。 单电机驱动形式；即一台电机通过主皮带轮驱动转鼓，次级皮带驱动差速 器的轴，从而产生差速，调整差速时需要停机进行，属于简单驱动方式；或差 速器输入轴固定，转鼓由单电机驱动；还有一种单电机驱动方式，如阿法拉伐 ( a l f a l a v a l ) 公司与国内少数厂家采用单电机驱动主转鼓产生转动，通过电磁 涡流差速器产生差速，这是一种制动的驱动方式，类似于刹车装置，产生负差 速，优点是控制方便、节约能源，缺点是推料扭矩小。 再有一种常见驱动方式是采用液压驱动，即转鼓及螺旋输送器分别由独立 的液压系统驱动( 或转鼓由变频电机直接驱动) ，它具有较大的驱动扭矩( 通常 可达几千几万n m ，是普通电机驱动的2 4 倍) 、具有更为简便的差速控制 方式以及更低的差速。目前国外采用液压驱动方式的公司有：德国的洪堡 ( h u m b o l d t ) 、福乐伟( f l o t t o w e g ) 、瑞典的诺克森( n o x o n ) 等。其中诺克 森( n o x o n ) 产品在该种驱动方式上又有改进和创新，使机器的差速达到0 2 r p m ，差速精度达o 0 1r p m 。这种驱动方式的缺点是设备成本较高，对液压系统 以及电控系统要求极高，由于液压联接点较多，存在泄漏的机会也较多。因此 这种驱动方式对液压元件的质量和可靠性均有严格的要求。 由于不同驱动方式最终会导致不同的差速，国产设备的差速一般最低值都 在数转分钟，仅有少数厂家可达0 5r p m ，而国外的最低差速可达到o 2r p m ， 相差十余倍，即污泥的停留时间可增加十余倍。差速是影响泥饼含水率的关键 因素，低差速可产生更干的泥饼，对螺旋输送器的磨损也相应减少，从而可大 大延长螺旋输送器的使用寿命。 ( 4 ) 差速器。在卧螺离心机中泥饼在转鼓表面的移动全靠差速器产生的螺 旋输送器对转鼓的相对运动来实现，由于卧螺离心机的转鼓与螺旋输送器之问 差速小而扭矩大，一般差速器采用周转轮系结构，常采用行星摆线针轮、渐开 线齿轮差速器。其优点是体积小、重量轻、传动比大、效率高达9 0 9 9 ，承 载能力大等。 国内及国外离心机所采用的差速器结构形式基本相同，一般多为双级 2 k - h 、3 k 、k h v 等型式行星渐开线齿轮差速器，或采用行星摆线针轮及渐 开线齿轮差速器的组合形式。由于差速器转速高，传递扭矩大，对各零件在组 装过程中的间隙调整要求特别高、公差要求非常精密，间隙太大或太小均不利 于差速器的运行，离心机生产厂家往往需要专门设计及加工。国内很多厂家进 5 行过差速器的国产化尝试，部分厂家的的机械加工精度以及某些性能基本达到 国际水平，但从整体来看，尤其是在装配精度和装配经验上仍存在一定差距， 加之主要部件选用材质不当或受材料质量的制约，往往造成差速器达不到设计 要求，效率较低，寿命短。因此国产差速器的关键不仅取决于制造质量，更重 要的是装配质量和材料的选择。目前国内很多厂家往往采用进口差速器来满足 设备的性能。 ( 5 ) 螺旋的密封方式螺旋的密封方式大多采用机械密封或迷宫式密封， 这点在国产与进口离心机上是基本相同的。 ( 6 ) 磨损保护。国内外主要厂家的离心机在与污泥接触的螺旋叶片外缘 采用了烧结耐磨合金片或陶瓷片镶嵌工艺，可方便更换，但整体更换成本相对 较高。都分厂家对螺旋叶片外缘进行碳化钨熟喷涂处理，成本相对较低。 ( 7 ) 自控方式。离心机的高效脱水性能必须通过完善的自控系统才能得 以实现。目前国内外的主流控制方式是p l c ( 可编程逻辑控制器) 控制。【5 】- 【1 6 1 1 4 课题的来源及研究意义 1 4 1 课题来源 该课题来源于安徽省高技术产业发展项目“卧式螺旋卸料离心脱水机的研制 及产业化”( 计高技 2 0 0 3 5 6 6 号) 。 1 4 2课题的意义及主要工作 卧螺离心机，是当前国家鼓励发展的环保产业设备，主要用于城市工业废水 和生活污水的固液分离，从而实现污水的无害排放、重新回收和再利用。此外， 该设备也用于石油、化工、冶金、医药、食品、轻工等行业的物料分离。 由于被处理的污泥性质各异，为了达到理想的分离效果，并达到满意的处 理效率，还必须根据被处理污泥具体特性调节工艺参数，如：转速、差速、进 料量等。传统卧螺离心机的驱动方式均采用一台电机驱动差速器，从而带动转 鼓和螺旋输送器以一定转速和差速旋转。该种驱动方式存在如下缺点：转鼓 和螺旋输送器的转速及它们间的差速不能任意调节，一旦差速器设计完成，转 速和差速之间的变化关系就确定，不能按需要进行调节。对于不同性质、不 同种类、不同浓度的物料，以及对分离精度和效率的不同，往往需要调节转速 和差速，只有转速和差速任意可调，才能使离心机适应各种物料的分离，而不 是物料适应离心机。 本课题的主要工作是设计出切实可行的、稳定可靠的、高性能的卧式螺旋 卸料离心脱水机控制系统。包括，设计转鼓和螺旋输送器的变频调速电路、可 编程控制器硬件电路、污泥泵调速电路等硬件电路；结合软件编程实现系统的 6 功能 合理配置控制箱线路，综合考虑电磁干扰的影响，提高设备的抗干扰性 能。 7 第二章卧螺离心机简介 2 1 卧螺离心机在污水处理中的作用 般而言，污水处理厂处理工艺由预处理、生物处理、后处理、和污泥处 理四部分组成。其中预处理部分由粗格栅、进水泵站、细格栅、沉沙池组成； 生物处理部分由s b r 生物池、鼓风机房组成；后处理由投药消毒间、接触池组 成；污泥处理部分由污泥调节池、污泥泵房、污泥脱水机房组成。污水处理流 程如图2 1 所示 图2 1 污水处理过程 污泥处理系统关键设备是污泥脱水主机，如卧螺离心机。卧螺离心机是利 用离心沉降原理分离悬浮液的设备，它具有污泥脱水处理功能。对固相颗粒当 量直径兰3 岫、重量浓度比曼1 0 或体积浓度比7 0 、液固密度差三o 0 5 9 e r a 3 的各种悬浮液均适合采用该类离心机进行液固分离。它具有其它类型污泥脱水 设备所不具有的优点： ( 1 ) 全封闭运行，现场清洁无污染； ( 2 ) 絮凝剂、清洗水用量少，日常运行成本低廉； ( 3 ) 设备布局紧凑，占地面积小，可明显减少征地及基建投资。 2 2卧螺离心机工作原理 2 2 1卧螺离心机结构 卧螺离心机的主要构件有转鼓、螺旋输送器、差速器、卸载装置等。f 1 7 】【1 8 】 卧螺离心机的结构如图2 2 所示，在机壳5 内有两个同心装在主轴承3 和7 上的回转部件，外面是无孔转鼓6 ，里面是螺旋输送器4 。转鼓电动机通过 8 三角皮带轮2 带动转鼓旋转。转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器8 的 外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速 不同，其转差率一般为转鼓转速的0 2 3 。 转鼓的形状有圆筒形、圆锥形、筒锥结合形。圆筒形有利于固相脱水，圆 锥形有利于液相澄清，筒锥结合形兼有两者特点。本课题所研究对象是筒锥结 合形。在转鼓内表面为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑通常焊有筋条或锉上 沟槽。转鼓的全长同直径的比对分离来说是个很重要的参数，愈难分离的物料 需要的比值就愈大。另外，转鼓锥体部的锥角也对物料的输送有很大的影响， 对愈难输送的沉渣，转鼓的锥角也就愈小，因为这可以避免产生回流现象，以 便顺利排渣。但是，转鼓的锥角越小卧螺离心机的沉降面积越小，使用效率也 就越低在转鼓的排渣口处，为了使出了液面的沉渣继续脱水，并且不让离心 出来的液体随沉渣二起从排渣口排出增加排出沉渣的含湿量，在排渣口处设置 一个挡板结构，这使得只有靠近转鼓的沉渣才能排除去。靠近转鼓的沉渣受到 覆盖在其上沉渣的压榨，使得这一部分沉渣成为所有沉渣中最干燥的一部分。 在表面上的那些较湿的沉渣将被输送回液池，在最终作为干沉渣排出之前作反 复循环。这些回流量主要与受阻滤饼的高度，物料输入量，沉渣干燥程度，及 其流变性有关。 1 进料管，2 皮带轮，3 右轴承，4 螺旋输送器，5 - 机壳，6 转鼓，7 一左轴承，8 一差速器 图2 - 2 卧螺离心机结构图 螺旋输送器也是卧螺离心机一个主要部件，它的主要作用是输送沉渣和顺 利排掉沉渣，它由螺旋叶片、内筒和进料管组成。螺旋叶片的材料具有高耐磨 性。内筒的主要作用是接受分布和加速悬浮液。内筒为了使悬浮液进入转鼓内 的分离效果更好，让悬浮液在内筒的出口处的径向速度最小，这样就使得悬浮 9 液在径向停留时间加长，有利于悬浮液的沉降分离。 差速器一般是摆线针轮行星变速器和渐开线行星齿轮差速器，使转鼓和螺 旋输送器之间保持一定的差速的同向旋转。 过载保护装置有机械式、机械液压式和电控机械式等。 在固体物料被输送的过程中会产生摩擦，使转鼓产生磨损。转鼓的磨损对 离心机安全运行的影响至关重要，为控制磨损，转鼓内表面设有纵向筋条，使 覆盖在转鼓内表面的污泥与转鼓壁无相对滑动，从而保护转鼓壁不受磨损。同 时为了防止螺旋叶片边缘的磨损，可以在螺旋叶片上加一层保护材料，如福乐 伟公司采用特殊的碳化钨喷涂技术使螺旋叶片上的保护层厚达6 m m ，保护层可 定期更新。 在排渣口可以通过将碳化钨、陶瓷材料或冷铸铁制成的衬套将排渣口保护 起来以降低磨损。螺旋体内部的加速分布区也可以通过加上可调换的衬套来进 行保护 2 2 2 卧螺离心机工作原理 卧螺离心机工作原理是这样的，在机壳内，转鼓和螺旋输送器由两个同心 轴承相连接，主电动机通过三角皮带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空 心轴与行星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓 作同向转动，但转速不一样。若以n z 表示转鼓的绝对转速，以n l 表示螺旋输 送器的绝对转速，n 表示二者的差速，若螺旋输送器超前转鼓即为正差速， 反之为负差速，一般an = 0 2 3 n z 。若采用正转差率，物料所获得的离心惯性 力为转鼓转速与差速所产生的离心惯性力之和，有利于沉降分离，而采用负转 差率时，有利于沉渣的输送，而且可以减少由差速器传送的功率，本课题的卧 式螺旋卸料离心脱水机采用的是正差速，螺旋输送器为左旋。悬浮液从右端的 中心加料管连续送入机内，经过螺旋输送器内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。 在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相固体颗粒离心沉降到转鼓内表 面而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓 的小端，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，澄 清液便从此处流出。通过调节溢流挡板溢流口位置、转鼓转速、转鼓与螺旋输 送器的差速、进料速度，就可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量。当过载 或螺旋输送器意外卡住时，保护装置能自动断开主电动机的电源停止进料，防 止事故发生。 简单地讲，卧螺离心机是一个旋转的转鼓，其两端支承在轴承上并且由一 根静置的进料管将物料输送到机内。由于高速旋转和摩擦，物料在机器内部被 加速并且形成一个圆柱液环，离心力的作用使固体首先沉降到转鼓的内壁而液 体则通过后端的溢流口流出。在机器的前端，因直径变小而形成一个圆锥，圆 i o 锥的最小端还有排渣口，这种结构可以保证液体不会从排渣口排出。 衡量卧螺离心机性能的很重要的一个参数是分离因数： 一， 、2 口：生f 竺1 ( 2 i ) g l 3 0 ， 式中； r 一离心机转鼓半径，m ； n 一离心机转鼓转速，r m i n 。 可见，离心机工作时转鼓转速在离心机的分离性能中起着关键性的作用。 为了使累积在转鼓内壁的固体能排出机外，在机内安装一台螺旋输送器以 使澄清液从原来沿轴向的流动变成螺旋流动，这种螺旋流动会使液体的流通能 力增强，同时也会产生搅动效应。 如果转动螺旋输送器使得螺旋输送器和转鼓产生一个相对的差速就会对沉 降在转鼓的固体产生一个向圆锥推进的输送力，于是沉降在转简内壁的固体被 螺旋输送器往前推送并到达排渣口，在离心力的作用下排出机外。卧螺离心机 工作时，转鼓转速以及与螺旋输送器之间的差速，决定着物料的分离效果和污 水处理量等，是离心机很重要的可变参数。污水处理量按螺旋输送器排渣的生 产能力可表示为： g = ，7 等【( 2 确) 2 + s ： 胆4 一n ( 培j ) ( 2 2 ) 式中： 1一螺旋输渣效率； n i一螺旋头数： s一螺旋螺距，m ； p 。一湿渣的容积密度，k g m 3 o a t o 一螺旋输送器与转鼓的差遽，l s ： r o一出渣口处转鼓内半径，m ； a 。一沉渣条的截面积，m 2 。 转鼓和螺旋输送器之间的差速应可调，以免固体流量增加时差速不能改变 而导致物料不能及时排出机外而造成离心机堵塞。差速是影响泥饼含水率的关 键因素，低差速可产生更于的泥饼，对螺旋输送器的磨损也相应减少，从而可 大大延长螺旋输送器的使用寿命。差速的大小影响固体在离心机内的停留时间， 低差速可以使固体在转鼓内的停留时间延长。停留时间长意味着物料更容易被 沉降到鼓壁上，也就更容易被分离出来。差速大，螺旋输送器的输渣量大，但 差速过大，会使转鼓内流体的搅动加剧，造成分离液中含固量的加大，且会缩 短沉渣在干燥区的停留时间，增大沉渣的含湿量。所以，在分离易分离物料时， 差速可适当大些f 例如：分离p v c 时，差速高达5 0 6 0 r m i n ) 。分离难分离物料 时，差速过高会使分离液中含固量明显增加，而达不到预期的分离要求，但差 速太小，会使螺旋输送器的输渣量降低。同时差速器的扭矩会明显增大。所以， 在分离难分离物科时( 如污泥脱水) 差速以5 2 0 r m i n 为宜。 本课题所设计的卧式螺旋卸料离心脱水机的主要技术规格如下： 转鼓直径：4 5 0 7 2 0 m m 长径比：3 4 最大分离因素：3 0 0 0 3 5 0 0 最高转速：2 7 0 0 4 0 0 0r r a i n 处理能力：1 0 3 0m 3 h 1 2 第三章离心机控制系统的硬件设计 3 1 离心机控制系统总体方案设计 3 1 1 总体方案设计准则 设计离心机系统时，首先要进行离心机总体方案设计，分析系统需要的功 能及技术要求，选择合理的结构及功能模块划分。当总体方案确定后，就可以 进行各部分的具体设计。在设计离心机总体方案时，要使设计合理、高效，设 计时应遵循几条设计准则，即在满足系统功能和技术指标要求下，设计应做到： l 、结构设计合理，能实现任务书中的功能要求； 2 、分系统设计满足技术指标要求，并力求简单； 3 、用户操作使用方便，即使用户有误操作也不会造成不良后果； 4 、选择材料必须保证质量； 5 、器件选择要保证工作可靠且维护方便； 6 、要尽可能考虑环境要求； 7 、对使用对象、使用方法也要充分考虑。 3 1 2离心机总体方案构成 离心机的自动控制系统主要包括： 电机启动装置； 报警装置：轴承温度报警和过载报警； 显示装置：运行情况显示，速度显示，温度显示，电流、电压显示，报警 显示； 调节控制装置：操作人员可根据物料数据变化，对污泥泵的速度、转鼓转 速、螺旋输送器转速及其之间的差速进行调节。 卧式螺旋卸料离心脱水机系统总体结构如图3 1 所示。 离心机工作时，通过转鼓高速转动的离心作用对污