我国最大的水渠引水项目———南水北调工程正相继开工建设, 其中的东线、中线工程已相继投入使用^[1,2]。但在使用过程中, 水中会滋生水草、藻类植物, 这些杂物会随着水流方向逐步流向下游, 严重影响水质^[3,4]。

　　 针对这种情况, 目前广泛采用的两种拦污方式均为将多节浮桥连接在一起, 横跨输水明渠两坝体中央并漂浮在水面上, 浮桥宽度方向上的一侧设有钢架或安置槽。一种方式是将若干个拦污网片的上端依次用绳索直接悬挂在浮桥的钢架上, 在水中的拦污网片因水流的冲力呈一定的倾斜角度进行拦污;另一种方式是将若干个拦污网片依次插入浮桥的安置槽内进行拦污^[5]。每隔一段时间, 由人工将拦污网片拖到指定的地点进行冲洗, 冲洗完成后再将拦污网片放回原处^[6]。这两种方式工作效率低, 而且还存在因提网、下网不及时连续而造成的拦污效果欠佳等诸多问题, 同时还因浮桥晃动使得工作人员工作时存在安全隐患。因此, 设计了一种循环连续清洗型拦污除污装置。该装置拦污、除污动作连续循环进行, 从而实现不间断拦污, 自动化程度高, 冲洗效果好, 可大大减少用工人数, 节约运行成本。冲洗与排污系统独立设置, 污水与污物全部排放到规定地点, 有效防止水体二次污染。

　　 连续清洗型输水明渠拦污装置主要由浮桥、电机、传动装置、牵引装置、张紧装置、拦污网片、冲洗装置、排污系统、控制系统等组成。浮桥由多个浮箱节通过刚性连接而成, 其长度可以调整, 以适应水面宽度变化。传动装置、牵引装置、张紧装置、拦污网片、冲洗装置、排污系统、控制系统均安装在浮桥之上^[7]。该装置工作时, 浮桥横跨在输水明渠上^[8], 悬挂在牵引装置链条下链之间的拦污网片处于拦污工作状态, 位于牵引装置链条上链的拦污网片由固定在浮桥上的冲洗装置进行冲洗^[9]。具体结构及组成部分如图1所示。

　　 牵引装置是整个拦污装置的核心部分, 该装置中采用链式传动与环形导轨相结合, 通过新型悬挂装置使拦污网片与链条一起运行的方式实现循环连续拦污功能^[10,11]。

　　 牵引装置由并排且对称的2套链传动构成, 工作时由电机、传动装置驱动其同步运行。每套链传动主要由主动链轮Ⅴ、从动链轮Ⅵ、从动链轮Ⅶ、从动链轮Ⅷ、链条Ⅲ、主导轨等组成, 这4个链轮和1副链条构成平敷矩形结构, 其中一端的主动链轮Ⅴ和从动链轮Ⅵ上、下分布并安装在固定机架上, 另一端的2个从动链轮Ⅶ和从动链轮Ⅷ也上、下分布并安装在用于链条Ⅲ张紧的张紧滑移架上。牵引轴穿过并排的2条链条的外耳并与链条一起运行, 牵引轴两端安装有导向轮, 可在主导轨槽中运行, 以减小工作阻力。牵引装置具体结构如图2所示。

　　 传动装置由两级链传动构成, 其中包括:主动链轮Ⅰ、从动链轮Ⅱ、链条Ⅰ、从动链轮Ⅲ、从动链轮Ⅳ、链条Ⅱ和传动轴Ⅰ。传动轴Ⅰ两端分别固定从动链轮Ⅱ和从动链轮Ⅲ;驱动轴Ⅰ上固定有主动链轮Ⅰ和主动链轮Ⅴ, 轴端安装有电机;主动链轮Ⅰ、从动链轮Ⅱ、链条Ⅰ构成第一级链传动, 从动链轮Ⅲ、从动链轮Ⅳ、链条Ⅱ构成第二级链传动, 工作时电机驱动驱动轴Ⅰ并由第一级链传动经传动轴Ⅰ传动至第二级链传动, 这两级链传动即可将运动和动力分别传递给两个主动链轮Ⅴ, 驱动牵引装置的两套链传动系统同步运行。驱动、传动装置的结构如图3所示。

　　 张紧装置固定在浮桥的一侧, 牵引装置的2套链传动共用1个张紧装置, 便于同步张紧。张紧装置的牵拉件为U型结构, 两端分别于2个张紧滑移架固定连接, 牵拉件中部固定安装丝杠的一端, 丝杠的另一端穿过固定在浮桥一侧的张紧支架上的过孔后旋入与其配套的丝母并紧贴于张紧支架, 当旋转丝母 (不位移) 驱动丝杠位移 (不旋转) 时, 即可拖动张紧滑移架在张紧滑移架导轨槽中移动, 进而实现链条的张紧。张紧装置结构如图4所示。

　　 拦污网片为矩形框状结构, 便于网芯张紧和更换。矩形框上方设有垂直于网面的耳环套, 它与牵引轴配合形成转动副连接, 依次悬挂在牵引轴上的若干个拦污网片随牵引装置的链条循环运行^[10,12], 由于其连接形式为转动副结构, 故可保证拦污网片在自身重力作用下始终保持竖直状态。为避免相邻拦污网片在提升、下放过程中以及在拐弯弧线轨迹处间距变化相互干涉, 本装置中的拦污网片上的矩形框与其上端的耳环套连接采用不对中错位设计, 至于拦污网片在牵引轴上的安装采用隔一反装即可。位于牵引装置两条链条上的隔一错位布置安装的拦污网片, 其水平投影中心平面与牵引轴两端导向轮中心平面重合, 以使整体载荷分布均匀, 进而实现可靠、平稳工作。

　　 冲洗装置主要由集水板、水枪组成。集水板布置在拦污网片的拦污工作面, 水枪布置在拦污网片的另一面, 工作时水枪从反面对拦污网片进行冲洗, 集水板挡住冲洗下的污水及杂物并使其流入集水槽^[13]。

　　 排污系统主要由集水槽、水泵、排污管组成。集水槽安装在集水板下方, 用于收集冲洗拦污网片后的污水及杂物。当集水槽中的水位达到设定高度时, 水泵自动开启工作并将污水、杂物经排污管排放到指定地点。

　　 电路系统控制着整个系统的工作过程, 是整个装置的神经系统, 主要包括控制电机转速的微控电路、安装在集水槽中的水位感应装置、安装在水枪上的位置传感器、保护电路4个部分^[7]。控制电机转速的微控电路可根据季节温度变化而引起输水明渠水中滋生漂浮物的多少对电机进行自动调速, 目的是智能化调整拦污网片在水中的拦污速率, 进而提高拦污效果;当待清洗的拦污网片经过冲洗装置时, 水枪上的位置传感器发出信号, 使水枪开始自动喷水冲洗, 冲洗后的污水及杂物收集于集水槽;当集水槽中的水位上升到设定高度时, 安装在集水槽中的水位感应装置发出信号使水泵自动开启工作, 当集水槽中的水位下降到设定高度时, 水位感应装置发出信号使水泵自动停止工作;保护电路对电机、水枪、水泵设有保护措施, 当其因某种原因出现过载、电路故障等事故时, 保护电路将会自动切断电源并发出警报, 以提醒工作人员及时处理^[7,10]。

　　 电路控制系统结合各个电路功能元件, 控制整个装置的工作过程:工作时, 电机驱动驱动轴, 经两级链传动使牵引装置的两个主动链轮同时获得动力和运动, 两个主动链轮的旋转驱动牵引装置的两条链条经3个从动链轮在浮桥横跨输水明渠宽度方向上循环运行, 故悬挂在牵引装置两条链条下链之间的拦污网片就会沿主导轨循环运行。位于牵引装置链条下链的拦污网片处于拦污工作状态, 位于牵引装置链条下链向上链过渡一端上的拦污网片处于提升状态, 位于牵引装置链条上链的拦污网片由固定在浮桥上的冲洗装置在控制系统的控制下进行自动冲洗 (冲洗后的杂物及污水存入集水槽, 随后由排污系统中的水泵及排污管在控制系统的控制下自行处理) , 位于牵引装置链条上链向下链过渡另一端上的拦污网片处于下放入水状态。

　　 悬挂在并排、对称两条链条下方之间的拦污网片, 在电机、传动装置、链传动的驱动下实现循环作业, 整个拦污—提升—冲洗—下放循环工作, 由控制系统控制自动完成, 省去了研发背景所述的人工除污操作, 大大节约了运行成本^[7]。

　　 本连续清洗型输水明渠拦污装置是对输水明渠拦污除污装置的一项创新, 已申报国家发明专利, 具有完全独立的知识产权, 通过样机试验, 已获得良好效果。本项产品技术的推广应用, 可以在我国水利建设领域起到示范推广作用。