在水平管中央設計旋轉曲柄中厚板切割

　　王鵬1，焦兆明2，張宏偉2 （1.解放軍軍事交通學院，天津300161；2.中國市政工程華北設計研究院，天津300074） 摘要：SBR潷水器主要有三種形式：虹吸式、旋轉式、套筒式，本文重點介紹旋轉式潷水器的設計及應用。潷水器由撇水堰槽、下降管、水平管、水下軸承組成一體，以水平管為轉軸上下旋轉 ...

　�。�1.解放軍軍事交通學院，天津300161；2.中國市政工程華北設計研究院，天津300074）

　　摘要：SBR潷水器主要有三種形式：虹吸式、旋轉式、套筒式，本文重點介紹旋轉式潷水器的設計及應用。潷水器由撇水堰槽、下降管、水平管、水下軸承組成一體，以水平管為轉軸上下旋轉，撇水堰槽隨之上下移動，將水面表層澄清水撇入，再經下降管匯入水平管，后從出水管排出。潷水器設計包括確定撇水堰槽的形狀、結構及撇水量，水平管軸與滑動軸承的配合特性，電動執行器的機械結構。

　　SBR反應池內水位是變化的，進水時水位由升至，出水時水位由降至，故SBR反應池出水管位置必須設在水位以下。間歇式出水要求集中大流量排放，能在較短的時間內完成出水任務，如果出水管形狀與方向不當，出水時會帶走大量活性污泥。因而，潷水器是SBR工藝排水的選擇，它只撇出活性污泥沉淀后的上清水，在水位下降過程中保持水面平穩，不擾動下面的污泥層。

　　旋轉式潷水器由撇水堰槽、下降管、水平管、軸承座、電動執行器、傳動桿組成(見圖1)。

　　撇水堰槽在SBR反應池水面上，水平管在反應池下部。撇水堰槽靠下降管支撐，并與下部水平管連成一體。水平管兩端適當位置各固定一個環形的不銹鋼軸套，并安裝了兩只滑動軸承，水平管靠軸承座固定在池底的基礎上，它是整個潷水器的轉軸。在水平管中央位置有一旋轉曲柄和傳動桿、電動執行器相聯。執行器驅動傳動桿上下移動，傳動桿推動曲柄使水平管在兩只滑動軸承內轉動。撇水堰槽隨水平管轉動而升降，其移動軌跡是繞水平管中心線的柱形弧面，上下移動的垂直距離以每周期的排水量而定。

　　撇水堰槽起收水作用，堰槽前壁是保持上沿水平的薄壁堰，將活性污泥沉淀后的上清水從水面表層撇入堰槽。清水經過多根下降管向下匯入水平管，后從排水管流出。

　　水平管與排水管之間用一個可轉動密封接頭和一個可撓曲柔性橡膠接頭相連接，這樣便解決了可旋轉的水平管與固定不轉的出水管的連接，也解決了可轉動接頭與水平管保持軸線同心度的問題。

　　潷水器設計要求撇水堰上沿必須與水平管軸線平行，水平管安裝要求兩端的水平誤差＜3.0 mm，這樣排水時才能保證堰上各處水量均勻，水流平穩，不會擾動污泥層，保證出水質量。

　　潷水器撇水堰槽呈長條形，前緣低、后緣高，單面進水。圖2是撇水堰槽的三種特殊位置或狀態。

　　圖2a所示為下降管直立時的位置，水槽底板的水平方向與下降管垂直；后壁擋水板是一塊夾角為120°的折板，上段直立，下段與底板成150°角；前壁堰板略微向后傾斜20°，與底板成70°角。圖2b為下降管與水平成70°角，是在反應池水位開始排水狀態。堰板處于直立是撇水機位。圖2c為下降管與水平成30°角，是排水至水位，堰板已傾斜至與水平成50°角，tan θ≤1.2，堰流量影響系數K＞0.95(可忽略不計)，后壁下段成直立狀。設撇水堰板高為300 mm，擋水板上段180 mm，下段300 mm，底板寬250～300 mm，在潷水器直立時，后壁上沿高程比前壁上沿高50 mm。撇水槽采用δ＝5 mm不銹鋼板制作。

　　擋渣板是蓋在整個撇水槽上的活動蓋板。擋渣板后邊緣與撇水槽的后壁上邊沿用鉸鏈聯接。擋渣板前邊下方固定了泡沫塑料條狀浮子。當撇水堰槽前緣浸入水中時，鋼板切割加工擋渣板被浮子托起。水面表層的澄清水，繞過浮子的下沿，經撇水堰板流入撇水槽。水面漂浮的雜物被攔截在擋渣板及條狀浮子以外。設計要求浮子的浮力作用于擋渣板的力矩要大于擋渣板重力所形成的力矩。擋渣板選用δ=2 mm的不銹鋼板制作。鉸鏈為不銹鋼柱形的鉸鏈。

　　端板的作用：①封堵撇水槽兩端。②遮擋漂浮物，防止雜質從擋渣板兩端流入撇水槽，所以兩個端板面積較大，擋渣板始終在兩端板之間浮動。③防止水面有集中水流繞過擋渣板兩端邊沿進入潷水器，以保持潷水器均勻、平穩地撇水。

　　撇水堰流量計算：撇水堰的流量與其浸入水面下的深淺H有關，與下降管的排水能力有關，反應池內水位高低也影響撇水堰的流量。設計潷水器時不可能地計算各種條件下的撇水堰流量，但是必須準確地核算其撇水能力的變化范圍，以確定潷水器排水量的性能參數，為此筆者設定撇水時某些特定條件，計算其撇水量與小撇水量的可能(撇水堰的流量按標準堰計算公式核標)。

　　在流量時(如圖2b)，撇水堰并非自由出流，下游為淹沒出流，按淹沒堰流量公式計算。設定：①撇水堰板高300 mm；②在水位開始排水時，撇水堰頂浸入水面H＝100 mm。③開始排水時為潷水器的撇水量，堰下游為淹沒出流，Z/H=0.8，則 Q1max=0.42×2g×0.13/2×3 600=211.7 m3/h。

　　設定潷水器的動作為步進式，即當潷水器向下旋轉至堰頂水深H為100 mm時，即停止動作并保持一個時間t。當水位下降至堰頂水深H′為50 mm時，潷水器又作下旋動作。重復上述過程，每一個步進行程為50 mm。

　　潷水器小設計流量按H′=50 mm計算。隨著水位下降，堰上流量逐漸減小，下降管流速降低，水力損失減小，撇水槽內水位也隨之降低。當H′=50 mm時，堰后水位已低于堰頂高度，堰流量按非淹沒堰計算：

　　撇水器單寬流量Q1在74.1～211.7 m3/h之間變化。設計流量Q1取上述變化范圍的中間值：100～200 m3/h。

　　下降管設置原則：①按潷水器寬度B均勻分布；②下降管根數為偶數；③下降管間距≤1.0 m；④下降管直徑按撇水堰單寬流量計算。

　　下降管在設計流量時的水頭損失應小于水位時排水水頭；下降管流量時的水頭損失應小于水位時的排水水頭。

　　舉例：設B=4 m，則Q=4Q1=480 m3/h；水平管D=300 mm。下降管根數n=4，間距為1 m。水平管與下降管一般用法蘭連接，水平管上設4只DN150法蘭短管（見圖3）。水平管長：

　　L2——外側下降管中心至水平管管端的距離，取L2=260 mm，則L=3 520 mm

　　水平管兩端是標準法蘭盤，法蘭盤內側在120 mm處設置不銹鋼軸套，做為水平管裝入軸承的轉軸。軸套為圓盤形狀，外徑略大于兩端法蘭盤以便于軸承安裝。圓盤形軸套焊于水平管上，要求圓盤與水平管軸線垂直、同心。圓盤的外徑d=435 mm，公差帶為h12。圓盤厚25 mm，用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制作，外圓及兩側表面粗糙度要求達到6.3。

　　在水平管中央設計一旋轉曲柄，曲柄臂長600 mm，用15 mm厚鋼板制做，焊接于水平管上。曲柄中心線°，鋼板切割加工并垂直于水平管。

　　旋轉式潷水器的轉動是否靈活、平穩，關鍵是軸與軸承的配合。因為潷水器的轉軸是水平管，軸承是能裝進水平管的大軸承，又在污水中工作，所以有它的獨特之處。

　　潷水器的軸承只支承水平管上的軸套，支承面和摩擦面小。潷水器轉動速度很慢，精度要求不高，安裝要方便。所以軸承設計為間隙配合的滑動軸承。例如：軸徑d=435 mm，軸承內孔D=(436±0.1) mm。軸承用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制作，與軸承座焊接在一起。兩軸承的外側各設置一對止推板，防止水平管水平方向移動。

　　該執行器是利用螺桿將其旋轉運動變為螺母滑塊的平移，執行器、傳動桿、潷水器聯結成一個螺旋機構與曲柄連桿機構的組合，將螺桿的旋轉運動轉變為潷水器的上下旋轉。

　　執行器的螺桿5由上下軸承11、12固定在機架9上。電動行星減速機2帶動螺桿旋轉。螺桿的旋轉推動滑塊6沿導軌10上下平移�；瑝K上的傳動桿接頭8通過傳動桿與潷水器水平管的旋轉曲柄相聯，推動潷水器以水平管為軸上下轉動。

　　由于傳動桿與螺桿有一個安裝角度，在執行器運動時會產生一種垂直螺桿的橫向推力。螺桿細長，容易被橫向推力壓彎。執行器設計考慮使滑塊導輪沿滑道導軌滾動，傳動桿的橫向推力通過導輪直接作用在導軌上，從而消除了傳動桿產生的橫向推力對螺桿的影響。這種結構是保證執行器穩定運行的重要條件。

　　執行器為便于自動控制，設置了上下限位開關，而且都是雙套開關，目的是防止一個開關發生故障時另一開關起作用，確保不會發生損機事故。

　　潷水器的水平管與出水管相連，中間有一可轉動密封接頭和可撓曲柔性橡膠接頭�？赊D動密封接頭可選用定型的SSQ —Ⅱb—0.6—HTdCr管道伸縮器，它密封效果很好，轉動阻力小�？蓳锨�橡膠接頭選用國內定型產品KXT—(Ⅲ)型橡膠軟接頭。橡膠接頭與伸縮器聯接的法蘭盤應用一個固定架固定在基礎上，以限制該法蘭盤有較大的轉動。SSQ—Ⅱb—0.6—HTdCr伸縮器為套管式、雙端法蘭、鑄鐵鍍鉻伸縮器，采用O型橡膠密封圈，可承受0.6 MPa工作壓力，公稱伸縮量±25 mm。在此處并不利用它的可伸縮性，而利用它的可轉性。KXT—(Ⅲ)型DN300橡膠軟接頭，允許橫向位移22 mm，偏轉角度15°，它有充分的能力調節水平管與可轉動接頭的同心度。

　　按照以上設計原則設計的旋轉式潷水器，已被國家給水排水工程技術研究中心所屬的天津市沃特水工業儀器設技術列為正式產品，產品名稱為BSX型程控自動潷水器。沃特1997年完成了河南周口蓮花味精集團污水處理工程，使用BSX0潷水器32臺，潷水器撇水堰負荷為25～32 L/(m·s)，撇水堰長為4 000 mm,平均排水量420 m3／h(該工程通過了國家環保局的驗收)。1998年配合太湖流域治理，完成了張家港味精的污水處理工程，也使用了BSX0潷水器，并通過了省環保局的驗收。BSX潷水器經過三年多連續運行的考驗，證明效果良好，未出現任何機械故障，工作狀態平穩。對惡劣的工作環境有很強的適應性。三年運行經驗表明，潷水器設計中的一些特殊要求是必要的。潷水器撇水堰槽及水下的水平管軸套軸承必須用不銹鋼材料；電動執行器上一定配裝雙套上下限位開關；其他用一般材料制作的部件要做好防腐處理。在使用過程中曾經有一臺潷水器，由于維修人員疏忽而未將限位開關接入控制線路，結果這臺電動執行器的下軸承被壓碎。經修復嚴格了限位開關的安裝，再沒有類似事故發生。在潷水器加工中，鋼板切割加工部分撇水槽的擋渣板未使用不銹鋼材料，結果不到一年便被銹蝕，而更換為不銹鋼的材質后，至今完好。
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