一种特殊结构的真空吸污箱排水阀门设计

周弟均 涂元春 宋利强 王杲

1.重庆大江工业有限责任公司.重 庆 401321 2.汉阳专用汽车研究所 北武汉 430056

1 前言

在污水处理领域中，吸污泵抽吸、排污泵排放污水均为常见方法；也有采用真空抽吸，排污泵强排污水的方法；但这些方法都不能满足含有纤维长、颗粒大污物的污水的抽吸与抽排功能需求，常常出现作业时堵塞抽排泵的现象。现笔者研究设计了一种特殊结构的真空吸污箱排水阀门，既能实现抽排非纤维的污水，也能抽排含有长纤维或大颗粒状污物的污水，便于真空吸污箱的清理，且不会形成任何形式的堵塞，大大提高了污水抽排的作业效率和维修效率。

2 传统真空吸污箱工作原理及问题

2.1 传统真空吸污箱的工作原理

传统真空吸污箱由电磁气阀供气使得气缸伸出，气动闸刀阀关闭，隔绝外界空气进入真空吸污箱。随后开启真空泵抽吸真空吸污箱里的空气，逐渐形成真空；污水在外界大气压的作用下沿着管路流入真空吸污箱；污水液位上升到浮球传感器设定的浮力时，信号传递到继电器，使电磁阀向气缸供气而回缩，气动闸刀阀打开，使污水与排污泵接触，同时排污泵启动工作，实现排污。传统真空箱工作原理如图1所示。

2.2 传统真空吸污箱存在问题

传统真空吸污箱主要存在如下问题：

a. 对颗粒度大、纤维长的污水（如化粪池）抽排不适用。传统真空吸污箱对抽吸、排放普通污水效果较好，但不能排出含有大颗粒或长纤维物质的污水，长纤维物质如棉纱、手套、树叶、头花等；大颗粒物质如石子、矿泉水瓶子、白色包装箱泡沫、玉米棒子等。因为这些物质经过排污泵时容易堵塞排污泵，导致叶片卡死，大大增加排污泵清理频次，甚至损坏排污泵，其环境适应性受到极大的限制，而且能源消耗大，排水效率低下。

b. 传统真空吸污箱的排污泵结构缺陷。排污泵安装后，占据了有用空间，使排污管路布置复杂、困难；当排污泵堵塞后，清理困难，需要拆解排污泵进出污水口，极容易损坏叶片；使用排污泵时，用气动闸刀阀实现隔绝外界空气进入真空吸污箱，需配置气源，制造成本增加；气动闸刀阀往复运动加速密封件的磨损，导致排污泵气密性受到影响。

图1 传统真空箱工作原理图

3 特殊结构的真空吸污箱

基于传统真空吸污箱存在的缺陷和使用环境受到极大限制的情况，为实现高效吸污与排水，现设计了一种特殊结构的真空箱，三维建模后的示意图如图2所示。

图2 特殊真空吸污箱结构示意图

图中A处红色箭头表示真空泵在开始抽吸真空吸污箱的空气时，排水阀门处于非关闭状态，外界空气向内流入的方向；B处红色箭头表示真空吸污箱空气被抽出的流动方向。排水阀门结构简单，实现了不使用外界动力就可使含有大颗粒或长纤维的污水排出，降低了能源消耗，解决了传统真空吸污箱存在问题。

3.1 特殊结构真空吸污箱工作原理

真空阀门开启与关闭是与真空吸污箱抽吸污水、排放污水工况息息相关的，当吸污箱在真空泵抽吸空气时，排水阀门处于关闭状态；当吸污箱解除真空状态而排水时，排水阀门处于开启状态。

3.1.1 排水阀门自动关闭原理

排水阀门如图2A位置所示，当处于自然状态下，排水阀门密封面不与座圈平面密封，留有一个缝隙。随着真空泵抽吸真空吸污箱内的空气，箱体外的空气就会从此处的缝隙向真空吸污箱里流动；一旦开始流动，排水阀门内侧的气压就会小于箱体外面的大气压，阀门在气压差的作用下产生一个向内的转矩，绕连接销轴转动，快速与箱体座圈平面贴合，随着真空吸污箱内部真空度的增大，内外气压差增大而将阀门紧紧地压住，实现自动关闭。

3.1.2 排水阀门自动开启原理

当真空吸污箱的污水上升到设定的液面高度时，非接触传感器检测到信号，经PLC运算再传导真空电磁阀而开启，使真空吸污箱与外界大气相通，真空度迅速下降，排水阀门内、外侧气压差消失，同时内侧存在真空吸污箱污水产生的水压，在水压作用下对排水阀门形成一个向外的转矩，绕连接销轴转动，排水阀门实现自动开启。

当水位下降到所设定的低位时，非接触传感器检测到低水位信号，经PLC运算再传导真空电磁阀而关闭，真空泵启动，排水阀门又逐渐关闭，如此循环往复工作。

排水阀门自动关闭、开启状态如图3所示。

图3 排水阀门自动关闭、开启状态图

特殊结构真空吸污箱的抽吸、排水功能就是在排水阀门的自动开、闭状态下完成的，其工作原理如图4所示。

图4 特殊结构真空吸污箱工作原理图

4 特殊真空吸污箱排水阀门设计

为使真空吸污箱具有在排水阀门自动关闭、开启从而实现真空抽吸与排放污水的功能，排水阀门的结构设计是关键，需具有较高的可靠性、维修方便性和能够快速关闭、开启阀门的优点，其外形结构设计如图5所示，实物如图6所示。

图5 排水阀门安装总成

图6 排水阀门实物图

4.1 排水阀门结构设计原则

为保证抽吸、排水性能正常，使用和制造工艺性良好，而且还要使污水中的大颗粒及长纤维顺利通过和排出，拟定如下设计原则：

a. 污水流经的管道直径不小于DN100。研究和试验表明大多数长纤维和大颗粒状的物质都能在DN100的管道中通过，有利于管路的空间布置；排水阀门的直径选用φ400 mm，污水通过管道直径为φ360 mm。在最大真空度下，排水阀门刚性不得低于真空吸污箱；采用污水通过直径φ360 mm的管道能使污水大颗粒、长纤维的污水快速排出，缩短排放时间，提高抽排效率，同时，不打开箱体顶部上的检修盖亦能够很方便地使用清淤作业工具进入真空吸污箱作业。

b. 铰轴中心点H理论上应与排水阀门的质心点G处于竖直铅垂面平面上。

c. 转动销轴和排水阀门、箱体材料选型Q345，阀门与箱体板厚10 mm。

d. 真空吸污箱是焊接结构件，箱体都存在变形，表面不平整。排水阀门固定座安装时，一定要现场配焊安装座于真空吸污箱上，因为转动销轴的轴心线应与排水阀门的密封平面平行，平行度控制在0.2以内最佳。

e. 安装真空阀门的转动销轴轴心线与水平面平行，平行度控制在0.2以内最佳，转动阻力小。

f. 真空吸污箱水平放置时，排水阀门安装后的密封面应与排水座圈平面平行，以视觉感观平行就可以正常使用，但转动必须灵活。

g. 安装在排水阀门和排水座圈的密封圈，其预压缩量应大于0.8 mm，最大压缩量为2 mm，以确保密封可靠。密封圈应选用耐油、耐酸、耐碱的材料，为保证疲劳密封失效，可以选用承受16 MPa的高压规格型号，实际承受真空度压强为0.1 MPa。

h. 排水阀门的密封面应采用焊后机加，表面粗糙度不大于1.6，表面镀锌，保证密封性能。

4.2 绘制排水阀门图

利用软件快速确定了排水阀门坐标原点O、质心点G和铰轴中心H，并使质心点G和铰轴中心H都处于竖直线上。设计尺寸如图6所示，设计过程如下：

a. 利用三维绘图软件坐标系建立坐标原点O，以此为基准设计。

b. 绘制排水阀门密封板，厚度10 mm，直径φ400 mm，模型沿坐标平面对称。

c. 绘制加强筋，长度510 mm，高30 mm，厚度20 mm，同时兼具转动臂的功能，模型沿坐标平面对称。

d. 利用软件自身功能，测量模型总成质心，测得质心G坐标G(x=-8.8，y=12.8，z=0)。

e. 以加强筋转动臂的中心线NN作为固定座的安装中心线。

f. 经质心点G作铅垂线GM，GM与NN中心线的交点H。以G为圆心，以G、H两点间的距离为半径作圆，则排水阀门转动半径为R=147.5 mm，点H就是铰轴中心。

g. 选定排水阀门与固定座的连接销轴直径为φ12 mm，选定该尺寸适中，能够在销轴上加工润滑油槽，以减小转动阻力。

h. 以点H为中心，在加强筋的转动臂上绘制φ12 mm的销轴孔模型。

I. 在转动臂上沿着中心线NN制作M6的螺纹孔模型，用于安装调节螺栓，如图6所示。

j. 为保证排水阀门安装后，既能使排水阀门绕铰轴中心点H转动自如且与排水座圈贴合紧密，同时还保证排水阀门具有压缩密封圈的位移量，保证真空箱的气密性良好，采用了转动臂上铰轴孔沿水平方向制作“长条孔”的设计方案，其长度尺寸17 mm，左右对称布置有2.5 mm的调节量，密封圈的最大压缩量2 mm，能保证活动空间。为方便调节真空箱上安装的密封圈处于最佳压缩量，安装了两件M6的调节螺栓，结构、尺寸如图7所示。

图7 排水阀门设计二维图

k. 对螺纹孔、铰轴孔、长条孔建模后，再次测量模型质心M坐标为M（x=-8.8;y=12.1;z=0），质量M=12.3 kg。对比未建螺纹孔、铰轴孔、长条孔模型前的质心坐标G（x=-8.8;y=12.8;z=0）变化，只有y坐标增加了0.7，其他坐标值均无变化。

l. 通过三维软件质心测试数据表明，质心G与排水阀门转轴轴心线处于YOZ坐标平面内，点G与点H处于同一直线上，符合设计目标要求。

4.3 计算校核

4.3.1 连接销轴的强度校核

排水阀门在反复关闭、开启的时候，压缩密封圈而存在剪切销轴的力，需要校核销轴的强度，强度校核按如下公式计算:

式中，n为安全系数；[σ]为材料许用应力；Q345的许用应力为210 MPa；W为排水阀门的重力，计算得W=120.54 N；A为连接销轴的横截面积，计算得A=113.04×10-6m2；σ为剪切应力，计算得σ=1.06 MPa。

经计算安全系数n=198，远远大于5，满足要求。

4.3.2 真空吸污箱的刚强度校核

在真空吸污箱体和排水阀门的三维模型建立后，利用SolidWorks软件的应力应变分析计算功能完成真空吸污箱刚强度校核。

边界条件如下：真空吸污箱包括加强筋是非装配体模型；真空吸污箱外表面作用压力最大为0.1 MPa的大气压；在真空吸污箱外表面施加为均布载荷。分析结果如图8、9所示。

排水阀门安全系数为3.12，真空吸污箱安全系数为2.98，均大于结构件安全系数2.5的要求，无应变位移量，理论上符合设计要求，需要试验验证。

5 试验验证

经组织功能试验、可靠性试验验证结构功能情况良好。

a. 对真空吸污箱进行抽吸、排放清水的连续运行可靠性试验表明：真空吸污箱无变形、无异常响声；排水阀门无变形，无密封失效现象，开、闭功能正常。

b. 进行实际复杂状况的化粪池污水抽吸、排水的连续运行可靠性试验表明：排水阀门自动开启、自动关闭功能正常，能够顺利抽吸、排出大颗粒物质和长纤维直径为φ90 mm的物质，无堵塞现象发生，如矿泉水瓶。

c. 特殊结构的真空吸污箱的功能与效果完全克服了传统的真空吸污箱的缺点，工作环境适应性大大提高，可拓宽使用领域。

图8 排水阀门应力应变分析结果

图9 真空箱顶部应力应变分析结果

6 实现专用作业功能车载化

经市场调研后发现，虽然该真空吸污箱的结构可采用固定方式使用，但是更多用户对采用车载移动式的使用方式感兴趣，经过用户实际使用的效果和操作性能表明，车载化的使用方式效率更高、更灵活与方便。

车载移动式真空吸污箱的作业对象是污水池、化粪池等污物与水混合的沉淀池，实现对它们进行清掏与清出淤泥的任务。为了实现移动式的清淤作业，只要在真空吸污箱与真空泵的真空管之间安装污物吸渣过滤机并用大管径连接，就能实现物理过滤与拦截。

采用该阀门结构就可以实现将含有细小颗粒的污水快速连续抽排，合理利用了有限的空间，大大降低了空间布置的难度，有利于车载化结构设计。

将特殊结构的真空吸污箱与污物吸渣过滤机组合起来就可实现车载化吸污清掏和清淤作业，其工作原理如图10所示。

污水中的大颗粒物质经吸渣过滤机物理过滤与拦截，实现水、污物分离，含有细小颗粒物质的污水经过排水阀门排入到指定的容器或收纳区域或者流入到市政下水管网，不会造成管网堵塞的现象；过滤或拦截的大颗粒污物可以袋装后运送垃圾处理场。

车载化设计注意事项：保证外形轮廓尺寸符合国家标准；整车总质量和轴荷符合相关标准规定；为保证侧倾翻试验达到国家标准，其整车的质心位置在结构设计和整车布局时尽量降低质心高度，可以通过三维模拟建模布局时调整位置，使设计值与实际值更加接近等。

7 结语

真空吸污箱排水阀门是真空抽吸功能的关键结构，通过对该结构的设计、试验研究表明改结构能够有效解决传统真空吸污箱存在的问题。排水阀门具有结构简单，使用、维护、维修方便，性能可靠，减少甚至杜绝污物堵塞的情况，大大提高污水抽吸、排水的作业效率。为更好地利用该结构优点，拓宽使用领域，可对该结构开展进一步优化设计、验证工作而进行广泛深入的探索，使车载化功能得到更大程度的应用与发挥。