周弟均 涂元春 宋利強(qiáng) 王杲

1.重慶大江工業(yè)有限責(zé)任公司.重 慶 401321 2.漢陽(yáng)專用汽車研究所 北武漢 430056

1 前言

在污水處理領(lǐng)域中，吸污泵抽吸、排污泵排放污水均為常見方法；也有采用真空抽吸，排污泵強(qiáng)排污水的方法；但這些方法都不能滿足含有纖維長(zhǎng)、顆粒大污物的污水的抽吸與抽排功能需求，常常出現(xiàn)作業(yè)時(shí)堵塞抽排泵的現(xiàn)象。現(xiàn)筆者研究設(shè)計(jì)了一種特殊結(jié)構(gòu)的真空吸污箱排水閥門，既能實(shí)現(xiàn)抽排非纖維的污水，也能抽排含有長(zhǎng)纖維或大顆粒狀污物的污水，便于真空吸污箱的清理，且不會(huì)形成任何形式的堵塞，大大提高了污水抽排的作業(yè)效率和維修效率。

2 傳統(tǒng)真空吸污箱工作原理及問題

2.1 傳統(tǒng)真空吸污箱的工作原理

傳統(tǒng)真空吸污箱由電磁氣閥供氣使得氣缸伸出，氣動(dòng)閘刀閥關(guān)閉，隔絕外界空氣進(jìn)入真空吸污箱。隨后開啟真空泵抽吸真空吸污箱里的空氣，逐漸形成真空；污水在外界大氣壓的作用下沿著管路流入真空吸污箱；污水液位上升到浮球傳感器設(shè)定的浮力時(shí)，信號(hào)傳遞到繼電器，使電磁閥向氣缸供氣而回縮，氣動(dòng)閘刀閥打開，使污水與排污泵接觸，同時(shí)排污泵啟動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)排污。傳統(tǒng)真空箱工作原理如圖1所示。

2.2 傳統(tǒng)真空吸污箱存在問題

傳統(tǒng)真空吸污箱主要存在如下問題：

a. 對(duì)顆粒度大、纖維長(zhǎng)的污水（如化糞池）抽排不適用。傳統(tǒng)真空吸污箱對(duì)抽吸、排放普通污水效果較好，但不能排出含有大顆?；蜷L(zhǎng)纖維物質(zhì)的污水，長(zhǎng)纖維物質(zhì)如棉紗、手套、樹葉、頭花等；大顆粒物質(zhì)如石子、礦泉水瓶子、白色包裝箱泡沫、玉米棒子等。因?yàn)檫@些物質(zhì)經(jīng)過排污泵時(shí)容易堵塞排污泵，導(dǎo)致葉片卡死，大大增加排污泵清理頻次，甚至損壞排污泵，其環(huán)境適應(yīng)性受到極大的限制，而且能源消耗大，排水效率低下。

b. 傳統(tǒng)真空吸污箱的排污泵結(jié)構(gòu)缺陷。排污泵安裝后，占據(jù)了有用空間，使排污管路布置復(fù)雜、困難；當(dāng)排污泵堵塞后，清理困難，需要拆解排污泵進(jìn)出污水口，極容易損壞葉片；使用排污泵時(shí)，用氣動(dòng)閘刀閥實(shí)現(xiàn)隔絕外界空氣進(jìn)入真空吸污箱，需配置氣源，制造成本增加；氣動(dòng)閘刀閥往復(fù)運(yùn)動(dòng)加速密封件的磨損，導(dǎo)致排污泵氣密性受到影響。

圖1 傳統(tǒng)真空箱工作原理圖

3 特殊結(jié)構(gòu)的真空吸污箱

基于傳統(tǒng)真空吸污箱存在的缺陷和使用環(huán)境受到極大限制的情況，為實(shí)現(xiàn)高效吸污與排水，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種特殊結(jié)構(gòu)的真空箱，三維建模后的示意圖如圖2所示。

圖2 特殊真空吸污箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖中A處紅色箭頭表示真空泵在開始抽吸真空吸污箱的空氣時(shí)，排水閥門處于非關(guān)閉狀態(tài)，外界空氣向內(nèi)流入的方向；B處紅色箭頭表示真空吸污箱空氣被抽出的流動(dòng)方向。排水閥門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了不使用外界動(dòng)力就可使含有大顆?；蜷L(zhǎng)纖維的污水排出，降低了能源消耗，解決了傳統(tǒng)真空吸污箱存在問題。

3.1 特殊結(jié)構(gòu)真空吸污箱工作原理

真空閥門開啟與關(guān)閉是與真空吸污箱抽吸污水、排放污水工況息息相關(guān)的，當(dāng)吸污箱在真空泵抽吸空氣時(shí)，排水閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)吸污箱解除真空狀態(tài)而排水時(shí)，排水閥門處于開啟狀態(tài)。

3.1.1 排水閥門自動(dòng)關(guān)閉原理

排水閥門如圖2A位置所示，當(dāng)處于自然狀態(tài)下，排水閥門密封面不與座圈平面密封，留有一個(gè)縫隙。隨著真空泵抽吸真空吸污箱內(nèi)的空氣，箱體外的空氣就會(huì)從此處的縫隙向真空吸污箱里流動(dòng)；一旦開始流動(dòng)，排水閥門內(nèi)側(cè)的氣壓就會(huì)小于箱體外面的大氣壓，閥門在氣壓差的作用下產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的轉(zhuǎn)矩，繞連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，快速與箱體座圈平面貼合，隨著真空吸污箱內(nèi)部真空度的增大，內(nèi)外氣壓差增大而將閥門緊緊地壓住，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉。

3.1.2 排水閥門自動(dòng)開啟原理

當(dāng)真空吸污箱的污水上升到設(shè)定的液面高度時(shí)，非接觸傳感器檢測(cè)到信號(hào)，經(jīng)PLC運(yùn)算再傳導(dǎo)真空電磁閥而開啟，使真空吸污箱與外界大氣相通，真空度迅速下降，排水閥門內(nèi)、外側(cè)氣壓差消失，同時(shí)內(nèi)側(cè)存在真空吸污箱污水產(chǎn)生的水壓，在水壓作用下對(duì)排水閥門形成一個(gè)向外的轉(zhuǎn)矩，繞連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，排水閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟。

當(dāng)水位下降到所設(shè)定的低位時(shí)，非接觸傳感器檢測(cè)到低水位信號(hào)，經(jīng)PLC運(yùn)算再傳導(dǎo)真空電磁閥而關(guān)閉，真空泵啟動(dòng)，排水閥門又逐漸關(guān)閉，如此循環(huán)往復(fù)工作。

排水閥門自動(dòng)關(guān)閉、開啟狀態(tài)如圖3所示。

圖3 排水閥門自動(dòng)關(guān)閉、開啟狀態(tài)圖

特殊結(jié)構(gòu)真空吸污箱的抽吸、排水功能就是在排水閥門的自動(dòng)開、閉狀態(tài)下完成的，其工作原理如圖4所示。

圖4 特殊結(jié)構(gòu)真空吸污箱工作原理圖

4 特殊真空吸污箱排水閥門設(shè)計(jì)

為使真空吸污箱具有在排水閥門自動(dòng)關(guān)閉、開啟從而實(shí)現(xiàn)真空抽吸與排放污水的功能，排水閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，需具有較高的可靠性、維修方便性和能夠快速關(guān)閉、開啟閥門的優(yōu)點(diǎn)，其外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，實(shí)物如圖6所示。

圖5 排水閥門安裝總成

圖6 排水閥門實(shí)物圖

4.1 排水閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

為保證抽吸、排水性能正常，使用和制造工藝性良好，而且還要使污水中的大顆粒及長(zhǎng)纖維順利通過和排出，擬定如下設(shè)計(jì)原則：

a. 污水流經(jīng)的管道直徑不小于DN100。研究和試驗(yàn)表明大多數(shù)長(zhǎng)纖維和大顆粒狀的物質(zhì)都能在DN100的管道中通過，有利于管路的空間布置；排水閥門的直徑選用φ400 mm，污水通過管道直徑為φ360 mm。在最大真空度下，排水閥門剛性不得低于真空吸污箱；采用污水通過直徑φ360 mm的管道能使污水大顆粒、長(zhǎng)纖維的污水快速排出，縮短排放時(shí)間，提高抽排效率，同時(shí)，不打開箱體頂部上的檢修蓋亦能夠很方便地使用清淤作業(yè)工具進(jìn)入真空吸污箱作業(yè)。

b. 鉸軸中心點(diǎn)H理論上應(yīng)與排水閥門的質(zhì)心點(diǎn)G處于豎直鉛垂面平面上。

c. 轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸和排水閥門、箱體材料選型Q345，閥門與箱體板厚10 mm。

d. 真空吸污箱是焊接結(jié)構(gòu)件，箱體都存在變形，表面不平整。排水閥門固定座安裝時(shí)，一定要現(xiàn)場(chǎng)配焊安裝座于真空吸污箱上，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)銷軸的軸心線應(yīng)與排水閥門的密封平面平行，平行度控制在0.2以內(nèi)最佳。

e. 安裝真空閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸軸心線與水平面平行，平行度控制在0.2以內(nèi)最佳，轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小。

f. 真空吸污箱水平放置時(shí)，排水閥門安裝后的密封面應(yīng)與排水座圈平面平行，以視覺感觀平行就可以正常使用，但轉(zhuǎn)動(dòng)必須靈活。

g. 安裝在排水閥門和排水座圈的密封圈，其預(yù)壓縮量應(yīng)大于0.8 mm，最大壓縮量為2 mm，以確保密封可靠。密封圈應(yīng)選用耐油、耐酸、耐堿的材料，為保證疲勞密封失效，可以選用承受16 MPa的高壓規(guī)格型號(hào)，實(shí)際承受真空度壓強(qiáng)為0.1 MPa。

h. 排水閥門的密封面應(yīng)采用焊后機(jī)加，表面粗糙度不大于1.6，表面鍍鋅，保證密封性能。

4.2 繪制排水閥門圖

利用軟件快速確定了排水閥門坐標(biāo)原點(diǎn)O、質(zhì)心點(diǎn)G和鉸軸中心H，并使質(zhì)心點(diǎn)G和鉸軸中心H都處于豎直線上。設(shè)計(jì)尺寸如圖6所示，設(shè)計(jì)過程如下：

a. 利用三維繪圖軟件坐標(biāo)系建立坐標(biāo)原點(diǎn)O，以此為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

b. 繪制排水閥門密封板，厚度10 mm，直徑φ400 mm，模型沿坐標(biāo)平面對(duì)稱。

c. 繪制加強(qiáng)筋，長(zhǎng)度510 mm，高30 mm，厚度20 mm，同時(shí)兼具轉(zhuǎn)動(dòng)臂的功能，模型沿坐標(biāo)平面對(duì)稱。

d. 利用軟件自身功能，測(cè)量模型總成質(zhì)心，測(cè)得質(zhì)心G坐標(biāo)G(x=-8.8，y=12.8，z=0)。

e. 以加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)動(dòng)臂的中心線NN作為固定座的安裝中心線。

f. 經(jīng)質(zhì)心點(diǎn)G作鉛垂線GM，GM與NN中心線的交點(diǎn)H。以G為圓心，以G、H兩點(diǎn)間的距離為半徑作圓，則排水閥門轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R=147.5 mm，點(diǎn)H就是鉸軸中心。

g. 選定排水閥門與固定座的連接銷軸直徑為φ12 mm，選定該尺寸適中，能夠在銷軸上加工潤(rùn)滑油槽，以減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。

h. 以點(diǎn)H為中心，在加強(qiáng)筋的轉(zhuǎn)動(dòng)臂上繪制φ12 mm的銷軸孔模型。

I. 在轉(zhuǎn)動(dòng)臂上沿著中心線NN制作M6的螺紋孔模型，用于安裝調(diào)節(jié)螺栓，如圖6所示。

j. 為保證排水閥門安裝后，既能使排水閥門繞鉸軸中心點(diǎn)H轉(zhuǎn)動(dòng)自如且與排水座圈貼合緊密，同時(shí)還保證排水閥門具有壓縮密封圈的位移量，保證真空箱的氣密性良好，采用了轉(zhuǎn)動(dòng)臂上鉸軸孔沿水平方向制作“長(zhǎng)條孔”的設(shè)計(jì)方案，其長(zhǎng)度尺寸17 mm，左右對(duì)稱布置有2.5 mm的調(diào)節(jié)量，密封圈的最大壓縮量2 mm，能保證活動(dòng)空間。為方便調(diào)節(jié)真空箱上安裝的密封圈處于最佳壓縮量，安裝了兩件M6的調(diào)節(jié)螺栓，結(jié)構(gòu)、尺寸如圖7所示。

圖7 排水閥門設(shè)計(jì)二維圖

k. 對(duì)螺紋孔、鉸軸孔、長(zhǎng)條孔建模后，再次測(cè)量模型質(zhì)心M坐標(biāo)為M（x=-8.8;y=12.1;z=0），質(zhì)量M=12.3 kg。對(duì)比未建螺紋孔、鉸軸孔、長(zhǎng)條孔模型前的質(zhì)心坐標(biāo)G（x=-8.8;y=12.8;z=0）變化，只有y坐標(biāo)增加了0.7，其他坐標(biāo)值均無(wú)變化。

l. 通過三維軟件質(zhì)心測(cè)試數(shù)據(jù)表明，質(zhì)心G與排水閥門轉(zhuǎn)軸軸心線處于YOZ坐標(biāo)平面內(nèi)，點(diǎn)G與點(diǎn)H處于同一直線上，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

4.3 計(jì)算校核

4.3.1 連接銷軸的強(qiáng)度校核

排水閥門在反復(fù)關(guān)閉、開啟的時(shí)候，壓縮密封圈而存在剪切銷軸的力，需要校核銷軸的強(qiáng)度，強(qiáng)度校核按如下公式計(jì)算:

式中，n為安全系數(shù)；[σ]為材料許用應(yīng)力；Q345的許用應(yīng)力為210 MPa；W為排水閥門的重力，計(jì)算得W=120.54 N；A為連接銷軸的橫截面積，計(jì)算得A=113.04×10-6m2；σ為剪切應(yīng)力，計(jì)算得σ=1.06 MPa。

經(jīng)計(jì)算安全系數(shù)n=198，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5，滿足要求。

4.3.2 真空吸污箱的剛強(qiáng)度校核

在真空吸污箱體和排水閥門的三維模型建立后，利用SolidWorks軟件的應(yīng)力應(yīng)變分析計(jì)算功能完成真空吸污箱剛強(qiáng)度校核。

邊界條件如下：真空吸污箱包括加強(qiáng)筋是非裝配體模型；真空吸污箱外表面作用壓力最大為0.1 MPa的大氣壓；在真空吸污箱外表面施加為均布載荷。分析結(jié)果如圖8、9所示。

排水閥門安全系數(shù)為3.12，真空吸污箱安全系數(shù)為2.98，均大于結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)2.5的要求，無(wú)應(yīng)變位移量，理論上符合設(shè)計(jì)要求，需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)組織功能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)功能情況良好。

a. 對(duì)真空吸污箱進(jìn)行抽吸、排放清水的連續(xù)運(yùn)行可靠性試驗(yàn)表明：真空吸污箱無(wú)變形、無(wú)異常響聲；排水閥門無(wú)變形，無(wú)密封失效現(xiàn)象，開、閉功能正常。

b. 進(jìn)行實(shí)際復(fù)雜狀況的化糞池污水抽吸、排水的連續(xù)運(yùn)行可靠性試驗(yàn)表明：排水閥門自動(dòng)開啟、自動(dòng)關(guān)閉功能正常，能夠順利抽吸、排出大顆粒物質(zhì)和長(zhǎng)纖維直徑為φ90 mm的物質(zhì)，無(wú)堵塞現(xiàn)象發(fā)生，如礦泉水瓶。

c. 特殊結(jié)構(gòu)的真空吸污箱的功能與效果完全克服了傳統(tǒng)的真空吸污箱的缺點(diǎn)，工作環(huán)境適應(yīng)性大大提高，可拓寬使用領(lǐng)域。

圖8 排水閥門應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

圖9 真空箱頂部應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

6 實(shí)現(xiàn)專用作業(yè)功能車載化

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，雖然該真空吸污箱的結(jié)構(gòu)可采用固定方式使用，但是更多用戶對(duì)采用車載移動(dòng)式的使用方式感興趣，經(jīng)過用戶實(shí)際使用的效果和操作性能表明，車載化的使用方式效率更高、更靈活與方便。

車載移動(dòng)式真空吸污箱的作業(yè)對(duì)象是污水池、化糞池等污物與水混合的沉淀池，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們進(jìn)行清掏與清出淤泥的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式的清淤作業(yè)，只要在真空吸污箱與真空泵的真空管之間安裝污物吸渣過濾機(jī)并用大管徑連接，就能實(shí)現(xiàn)物理過濾與攔截。

采用該閥門結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)將含有細(xì)小顆粒的污水快速連續(xù)抽排，合理利用了有限的空間，大大降低了空間布置的難度，有利于車載化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

將特殊結(jié)構(gòu)的真空吸污箱與污物吸渣過濾機(jī)組合起來(lái)就可實(shí)現(xiàn)車載化吸污清掏和清淤作業(yè)，其工作原理如圖10所示。

污水中的大顆粒物質(zhì)經(jīng)吸渣過濾機(jī)物理過濾與攔截，實(shí)現(xiàn)水、污物分離，含有細(xì)小顆粒物質(zhì)的污水經(jīng)過排水閥門排入到指定的容器或收納區(qū)域或者流入到市政下水管網(wǎng)，不會(huì)造成管網(wǎng)堵塞的現(xiàn)象；過濾或攔截的大顆粒污物可以袋裝后運(yùn)送垃圾處理場(chǎng)。

車載化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：保證外形輪廓尺寸符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；整車總質(zhì)量和軸荷符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；為保證側(cè)傾翻試驗(yàn)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其整車的質(zhì)心位置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整車布局時(shí)盡量降低質(zhì)心高度，可以通過三維模擬建模布局時(shí)調(diào)整位置，使設(shè)計(jì)值與實(shí)際值更加接近等。

7 結(jié)語(yǔ)

真空吸污箱排水閥門是真空抽吸功能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究表明改結(jié)構(gòu)能夠有效解決傳統(tǒng)真空吸污箱存在的問題。排水閥門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、維護(hù)、維修方便，性能可靠，減少甚至杜絕污物堵塞的情況，大大提高污水抽吸、排水的作業(yè)效率。為更好地利用該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，拓寬使用領(lǐng)域，可對(duì)該結(jié)構(gòu)開展進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工作而進(jìn)行廣泛深入的探索，使車載化功能得到更大程度的應(yīng)用與發(fā)揮。