一種特殊結構的真空吸污箱排水閥門設計

周弟均 涂元春 宋利強 王杲

1.重慶大江工業有限責任公司.重 慶 401321 2.漢陽專用汽車研究所 北武漢 430056

1 前言

在污水處理領域中，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，排污泵強排污水的方法；但這些方法都不能滿足含有纖維長、顆粒大污物的污水的抽吸與抽排功能需求，常常出現作業時堵塞抽排泵的現象。現筆者研究設計了一種特殊結構的真空吸污箱排水閥門，既能實現抽排非纖維的污水，也能抽排含有長纖維或大顆粒狀污物的污水，便于真空吸污箱的清理，且不會形成任何形式的堵塞，大大提高了污水抽排的作業效率和維修效率。

2 傳統真空吸污箱工作原理及問題

2.1 傳統真空吸污箱的工作原理

傳統真空吸污箱由電磁氣閥供氣使得氣缸伸出，氣動閘刀閥關閉，隔絕外界空氣進入真空吸污箱。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定的浮力時，信號傳遞到繼電器，使電磁閥向氣缸供氣而回縮，氣動閘刀閥打開，使污水與排污泵接觸，同時排污泵啟動工作，實現排污。傳統真空箱工作原理如圖1所示。

2.2 傳統真空吸污箱存在問題

傳統真空吸污箱主要存在如下問題：

a. 對顆粒度大、纖維長的污水（如化糞池）抽排不適用。傳統真空吸污箱對抽吸、排放普通污水效果較好，但不能排出含有大顆粒或長纖維物質的污水，長纖維物質如棉紗、手套、樹葉、頭花等；大顆粒物質如石子、礦泉水瓶子、白色包裝箱泡沫、玉米棒子等。因為這些物質經過排污泵時容易堵塞排污泵，導致葉片卡死，大大增加排污泵清理頻次，甚至損壞排污泵，其環境適應性受到極大的限制，而且能源消耗大，排水效率低下。

b. 傳統真空吸污箱的排污泵結構缺陷。排污泵安裝后，占據了有用空間，使排污管路布置復雜、困難；當排污泵堵塞后，清理困難，需要拆解排污泵進出污水口，極容易損壞葉片；使用排污泵時，用氣動閘刀閥實現隔絕外界空氣進入真空吸污箱，需配置氣源，制造成本增加；氣動閘刀閥往復運動加速密封件的磨損，導致排污泵氣密性受到影響。

圖1 傳統真空箱工作原理圖

3 特殊結構的真空吸污箱

基于傳統真空吸污箱存在的缺陷和使用環境受到極大限制的情況，為實現高效吸污與排水，現設計了一種特殊結構的真空箱，三維建模后的示意圖如圖2所示。

圖2 特殊真空吸污箱結構示意圖

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，排水閥門處于非關閉狀態，外界空氣向內流入的方向；B處紅色箭頭表示真空吸污箱空氣被抽出的流動方向。排水閥門結構簡單，實現了不使用外界動力就可使含有大顆粒或長纖維的污水排出，降低了能源消耗，解決了傳統真空吸污箱存在問題。

3.1 特殊結構真空吸污箱工作原理

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

3.1.1 排水閥門自動關閉原理

排水閥門如圖2A位置所示，當處于自然狀態下，排水閥門密封面不與座圈平面密封，留有一個縫隙。隨著真空泵抽吸真空吸污箱內的空氣，箱體外的空氣就會從此處的縫隙向真空吸污箱里流動；一旦開始流動，排水閥門內側的氣壓就會小于箱體外面的大氣壓，閥門在氣壓差的作用下產生一個向內的轉矩，繞連接銷軸轉動，快速與箱體座圈平面貼合，隨著真空吸污箱內部真空度的增大，內外氣壓差增大而將閥門緊緊地壓住，實現自動關閉。

3.1.2 排水閥門自動開啟原理

當真空吸污箱的污水上升到設定的液面高度時，非接觸傳感器檢測到信號，經PLC運算再傳導真空電磁閥而開啟，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、外側氣壓差消失，同時內側存在真空吸污箱污水產生的水壓，在水壓作用下對排水閥門形成一個向外的轉矩，繞連接銷軸轉動，排水閥門實現自動開啟。

當水位下降到所設定的低位時，非接觸傳感器檢測到低水位信號，經PLC運算再傳導真空電磁閥而關閉，真空泵啟動，排水閥門又逐漸關閉，如此循環往復工作。

排水閥門自動關閉、開啟狀態如圖3所示。

圖3 排水閥門自動關閉、開啟狀態圖

特殊結構真空吸污箱的抽吸、排水功能就是在排水閥門的自動開、閉狀態下完成的，其工作原理如圖4所示。

圖4 特殊結構真空吸污箱工作原理圖

4 特殊真空吸污箱排水閥門設計

為使真空吸污箱具有在排水閥門自動關閉、開啟從而實現真空抽吸與排放污水的功能，排水閥門的結構設計是關鍵，需具有較高的可靠性、維修方便性和能夠快速關閉、開啟閥門的優點，其外形結構設計如圖5所示，實物如圖6所示。

圖5 排水閥門安裝總成

圖6 排水閥門實物圖

4.1 排水閥門結構設計原則

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纖維順利通過和排出，擬定如下設計原則：

a. 污水流經的管道直徑不小于DN100。研究和試驗表明大多數長纖維和大顆粒狀的物質都能在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、長纖維的污水快速排出，縮短排放時間，提高抽排效率，同時，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工具進入真空吸污箱作業。

b. 鉸軸中心點H理論上應與排水閥門的質心點G處于豎直鉛垂面平面上。

c. 轉動銷軸和排水閥門、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構件，箱體都存在變形，表面不平整。排水閥門固定座安裝時，一定要現場配焊安裝座于真空吸污箱上，因為轉動銷軸的軸心線應與排水閥門的密封平面平行，平行度控制在0.2以內最佳。

e. 安裝真空閥門的轉動銷軸軸心線與水平面平行，平行度控制在0.2以內最佳，轉動阻力小。

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

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

h. 排水閥門的密封面應采用焊后機加，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原點O、質心點G和鉸軸中心H，并使質心點G和鉸軸中心H都處于豎直線上。設計尺寸如圖6所示，設計過程如下：

a. 利用三維繪圖軟件坐標系建立坐標原點O，以此為基準設計。

b. 繪制排水閥門密封板，厚度10 mm，直徑φ400 mm，模型沿坐標平面對稱。

c. 繪制加強筋，長度510 mm，高30 mm，厚度20 mm，同時兼具轉動臂的功能，模型沿坐標平面對稱。

d. 利用軟件自身功能，測量模型總成質心，測得質心G坐標G(x=-8.8，y=12.8，z=0)。

e. 以加強筋轉動臂的中心線NN作為固定座的安裝中心線。

f. 經質心點G作鉛垂線GM，GM與NN中心線的交點H。以G為圓心，以G、H兩點間的距離為半徑作圓，則排水閥門轉動半徑為R=147.5 mm，點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滑油槽，以減小轉動阻力。

h. 以點H為中心，在加強筋的轉動臂上繪制φ12 mm的銷軸孔模型。

I. 在轉動臂上沿著中心線NN制作M6的螺紋孔模型，用于安裝調節螺栓，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H轉動自如且與排水座圈貼合緊密，同時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，采用了轉動臂上鉸軸孔沿水平方向制作“長條孔”的設計方案，其長度尺寸17 mm，左右對稱布置有2.5 mm的調節量，密封圈的最大壓縮量2 mm，能保證活動空間。為方便調節真空箱上安裝的密封圈處于最佳壓縮量，安裝了兩件M6的調節螺栓，結構、尺寸如圖7所示。

圖7 排水閥門設計二維圖

k. 對螺紋孔、鉸軸孔、長條孔建模后，再次測量模型質心M坐標為M（x=-8.8;y=12.1;z=0），質量M=12.3 kg。對比未建螺紋孔、鉸軸孔、長條孔模型前的質心坐標G（x=-8.8;y=12.8;z=0）變化，只有y坐標增加了0.7，其他坐標值均無變化。

l. 通過三維軟件質心測試數據表明，質心G與排水閥門轉軸軸心線處于YOZ坐標平面內，點G與點H處于同一直線上，符合設計目標要求。

4.3 計算校核

4.3.1 連接銷軸的強度校核

排水閥門在反復關閉、開啟的時候，壓縮密封圈而存在剪切銷軸的力，需要校核銷軸的強度，強度校核按如下公式計算:

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

經計算安全系數n=198，遠遠大于5，滿足要求。

4.3.2 真空吸污箱的剛強度校核

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

邊界條件如下：真空吸污箱包括加強筋是非裝配體模型；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。分析結果如圖8、9所示。

排水閥門安全系數為3.12，真空吸污箱安全系數為2.98，均大于結構件安全系數2.5的要求，無應變位移量，理論上符合設計要求，需要試驗驗證。

5 試驗驗證

經組織功能試驗、可靠性試驗驗證結構功能情況良好。

a. 對真空吸污箱進行抽吸、排放清水的連續運行可靠性試驗表明：真空吸污箱無變形、無異常響聲；排水閥門無變形，無密封失效現象，開、閉功能正常。

b. 進行實際復雜狀況的化糞池污水抽吸、排水的連續運行可靠性試驗表明：排水閥門自動開啟、自動關閉功能正常，能夠順利抽吸、排出大顆粒物質和長纖維直徑為φ90 mm的物質，無堵塞現象發生，如礦泉水瓶。

c. 特殊結構的真空吸污箱的功能與效果完全克服了傳統的真空吸污箱的缺點，工作環境適應性大大提高，可拓寬使用領域。

圖8 排水閥門應力應變分析結果

圖9 真空箱頂部應力應變分析結果

6 實現專用作業功能車載化

經市場調研后發現，雖然該真空吸污箱的結構可采用固定方式使用，但是更多用戶對采用車載移動式的使用方式感興趣，經過用戶實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。

車載移動式真空吸污箱的作業對象是污水池、化糞池等污物與水混合的沉淀池，實現對它們進行清掏與清出淤泥的任務。為了實現移動式的清淤作業，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并用大管徑連接，就能實現物理過濾與攔截。

采用該閥門結構就可以實現將含有細小顆粒的污水快速連續抽排，合理利用了有限的空間，大大降低了空間布置的難度，有利于車載化結構設計。

將特殊結構的真空吸污箱與污物吸渣過濾機組合起來就可實現車載化吸污清掏和清淤作業，其工作原理如圖10所示。

污水中的大顆粒物質經吸渣過濾機物理過濾與攔截，實現水、污物分離，含有細小顆粒物質的污水經過排水閥門排入到指定的容器或收納區域或者流入到市政下水管網，不會造成管網堵塞的現象；過濾或攔截的大顆粒污物可以袋裝后運送垃圾處理場。

車載化設計注意事項：保證外形輪廓尺寸符合國家標準；整車總質量和軸荷符合相關標準規定；為保證側傾翻試驗達到國家標準，其整車的質心位置在結構設計和整車布局時盡量降低質心高度，可以通過三維模擬建模布局時調整位置，使設計值與實際值更加接近等。

7 結語

真空吸污箱排水閥門是真空抽吸功能的關鍵結構，通過對該結構的設計、試驗研究表明改結構能夠有效解決傳統真空吸污箱存在的問題。排水閥門具有結構簡單，使用、維護、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、排水的作業效率。為更好地利用該結構優點，拓寬使用領域，可對該結構開展進一步優化設計、驗證工作而進行廣泛深入的探索，使車載化功能得到更大程度的應用與發揮。