关于旋转式滗水器的优化设计
2018-03-02方跃飞孙克钦
方跃飞，陈 俊，孙克钦
（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）
0 引言
由于目前我国耕地面积的减少，土地越来越稀少，因此对于污水厂的新建、改建、扩建都需要考虑到节约建设面积。为了节约土地，该 SBR法污水处理工艺能有效减少建设用地，特别是我国中小城镇建设污水厂，SBR法是比较好的选择，也是目前主要污水处理工程的应用方法。SBR法是对 20世纪初产生的活性污泥法的一种改进，它是序批式活性污泥法污水处理系统(sequencing batch rearaor)的简称。SBR法的整个工艺过程包括五个阶段，依次为进水、反应、沉淀、排水排泥和闲置阶段，这五个阶段都在曝气池内完成。由于多种形式的SBR工艺均是采用静止沉淀、集中滗水的方式运行，且排水时池中水位是不断变化的，每次滗水的流量较大，同时集中滗水时间较短，因此要求滗水器在较短的时间内大量排水。传统旋转式滗水器传动机构采用上下滑动形式传动，故障率高；出水装置仅仅采用传统石棉盘根结构，不能有效止水。本文针对出口至东南亚某国的滗水器，滗水量为1 640 m3/h，采用最新的电动推杆结构作为传动机构，对止水装置进行优化设计，然后对相关的总管、支管等进行强度等计算校核。
1 旋转式滗水器主要结构介绍
1.1 旋转式滗水器的传动机构
传统旋转式滗水器的传动机构是上下导轨启闭机构，利用四轮滑道与斜齿轮的组合完成滗水过程，结构复杂，安装不便，并且由于滑道部分裸露，防腐等问题比较严重；同时固定导架由于受力过大经常发生从墙面分离，导致整个滗水器倒塌失效。传统旋转式滗水器维修维护也特别不方便。因此将该滗水器传动机构进行改造，采用电动推杆结构形式，安装在平台上，利于维护和保养。具体结构如图1所示。
1.2 重力式挡渣装置
如图2所示，重力式挡渣装置是整个滗水槽上的活动挡板，重力式挡渣装置后边缘与滗水槽的后壁上边沿用铰链连接。当滗水堰槽前缘浸入水中时，重力式挡渣装置被水托起。水面表层的澄清水绕过重力式挡渣装置的下沿，经滗水堰板流入滗水槽，水面漂浮的杂物被拦截在挡渣管以外。设计要求水作用于挡渣管的浮力要基本等于挡渣装置重力所形成的重力。
端板的作用：
（1）封堵滗水槽两端。
（2）遮挡漂浮物，防止杂质从重力式挡渣装置两端流入滗水槽，所以两个端板面积较大，重力式挡渣装置始终在两端板之间浮动。
（3）防止水面有集中水流绕过挡渣板两端边沿进入滗水器，以保持滗水器均匀、平稳地滗水。
图1 传动机构简图（单位：mm）
图2 重力式挡渣装置（单位：mm）
1.3 二端通止水装置
XPS型旋转式滗水器主管与套管以前仅仅采用石棉盘根止水结构，经过改进采用在池外滗水器唇形密封结构，方便和实现SBR池内有水和无水的密封止水调节，目前使用状况非常好。具体结构图如图3所示。
2 设计计算简述
2.1 工艺计算
工艺计算见表1。
2.2 设备结构强度计算
图3 二端通止水装置（单位：mm）
已知条件：滗水宽度15 m，材料为SS304L，许用强度[σ]=1 600 kg/cm2，许用挠度[f]=1/1 500[1]。总体结构分为两个单元进行计算,每个单元的滗水宽度为7.5 m。
表1 工艺计算
2.2.1 总管强度计算
（1）滗水开始时的受力分析如图4所示。
图4 总管推力计算图（一）
式中：F1为集水槽的浮力1 155 kg-集水槽重力268 kg=887 kg；F2为三根竖支管的浮力1 155 kg-三根竖支管的重力292 kg=863 kg；F3为三根横管的浮力526 kg-三根横管的重力133 kg=393 kg；L3为 3 199 mm；L2为 1 361mm；L1为 1 940 mm；M阻为总管的转动阻力距，M阻=400 kg·m。
可得
（2）以T推为支点,则受力可表示为如图5所示。
图5 总管推力计算图（二）
L1=1 838 mm L2=1 360 mm
（3）滗水结束时的受力分析如图6所示。
图6 总管拉力计算图（一）
式中：G1为集水槽重力268 kg；G2为浮筒重力163/2=82（kg）；G3为三根竖支管重力 292 kg；G4为三根横管重力 133 kg；L1为 1 940 mm；L2为 1 965 mm；L3为4 050 mm；M阻为总管的转动阻力矩，M阻=400 kg·m。
可得
（4）以T拉为支点，则受力可表示为如图7所示。
图7 总管拉力计算图（二）
（5）总管强度计算如图8～图11所示。比较F与F’，F对总管强度影响较大，考虑F与总管的浮力，则总管受力如下：由浮力和重力产生的均布载荷，主管在长度7 190 mm的重力为587 kg。
图8 总管剪力计算图（一）（单位：mm）
图9 总管剪力计算图（二）（单位：mm）
图10 总管弯矩计算图
图11 总管截面特性计算图（单位：mm）
则强度足够。
则挠度足够。
2.2.2 支管强度计算
比较T推与T拉，T推＞T拉，以T推对支管进行校核，考虑T推不均匀性，将受力最大的支管以T推/2进行计算，如图12和图13所示。
图12 支管截面特性计算图（单位：mm）
图13 支管受力计算图（单位：mm）
则强度足够。
则挠度足够。
2.2.3 连接板强度校核
由以上计算可知，按照产品工况要求设计滗水器，滗水总管及支管强度与挠度均能够满足使用要求。但考虑到现场使用工况，又采取措施如下：
（1）竖次管与连接板之间采用焊接，并在周边采取四块筋板进行加固，保证强度。
（2）竖次管与主管之间也在周边用四块筋板进行加强，确保滗水器运行过程中保证强度。同时竖次管与主管之间连接采用补强板进行补强，以保证滗水器运行过程中的强度要求。
（4）在滗水器横支管上加强设置了100 mm×100 mm×4 mm的方管，并将方管与横支管377×3用筋板进行了加固，形成了一个整体的梁，保证滗水器滗水的稳定性。
3 结语
该产品出口至东南亚某国家，有效缓解了土地紧张的局面，与传统活性污泥法相比，其专用设备总数可减少约113%，土建构筑物总数可减少约113%，工程用地可节省约113%，大大节省了总成本，目前出口产品使用状况非常好。
[1]上海市政工程设计研究院.给水排水设计手册(第九册)：专用机械[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.
[2]刘鸿文，等.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1995:82-84.
[3]金宏，张大群，王长生，等.旋转式滗水器的开发设计[J].中国给水排水，2002，18（5）:56-57.
