一种悬挂式潜水推流器导杆装置设计与应用探究
2021-04-26万庆
万庆
（桂林市排水工程管理处，广西 桂林 541000）
污水处理厂的潜水推流器通常安装在导杆上使用，使用铰销结构和膨胀方式安装的导杆在使用一段时间后，陆续发生潜水推流器导杆的液面下导杆基座松动、甚至损坏等故障。由于传统的潜水推流器的液面下导杆基座采用的是导杆底部铰销结构与地面基础固定，导杆上部与氧化沟走道板基础固定，当底部连接结构松动或损坏时维修不方便，需要降低水位进行导杆周围局部围堰抽水处理后才能进行维修，耗费大量时间及人力物力，影响污水处理生产的运行和调控。
1 结构设计
本文提出的悬挂式导杆装置在液面下无须设置固定基础，潜水推流器主体通过主导杆固定在污水中，因而不存在液面下基座损坏的故障问题，从而从根本上解决了液面下导杆基座松动损坏后，在不影响生产的状况下，能在液面上维修更换新的液面下导杆。本小节介绍各部分结构如图1 所示。
图1 悬挂式潜水推流器导杆装置示意图
1.1 基座
基座包括分别设置在走道基础上下端面的上底板和下底板以及支架和导杆锁紧装置，所述支架的下端部与上底板上端面固定连接，支架为纵向设置，其上部向上底板、下底板的外侧倾斜超出上底板、下底板的侧端部，支架的侧面设有加强肋板。
1.2 导杆及导杆锁紧装置
导杆包括主导杆和副导杆，所述主导杆和副导杆纵向设置，主导杆、副导杆的上部与支架可拆卸式连接。导杆锁紧装置包括固定件、固定块和U 型抱箍。
1.3 定位支撑装置
定位支撑装置设置在副导杆、主导杆的下部，副导杆与定位支撑装置可拆卸式连接，主导杆被夹紧在定位支撑装置中。定位支撑装置包括焊接钢架，所述焊接钢架的一侧设有用于与副导杆连接的固定部。
1.4 潜水推流器主体
潜水推流器主体安装在主导杆底部的底座上，潜水推流器底安装时，由主导杆上往下移动到底座的下端面与三角固定支架的水平边连接，本文设计选用质量为310kg，推力为3840N 的潜水推流器。
2 重要连接点受力分析
本小节将主要分析此悬挂式潜水推流器导杆装置重要连接点的受力分析，验证导杆结构强度是否能满足要求。
通过测量得到的部分客观条件：推流器轴心离地面竖直深度：h=Lb+Lc=7m；导杆选用的方钢实际称重得其重量为17.6kg/m，导杆在三脚架平面下长725mm，主导杆和副导杆近似为一样长，计算和受力分析时将主副导杆简化为一根刚性杆，导杆装置总重近似为：G合=m合g＝（m主+m副+m三脚架+m推流器）g=6671.2N。
查阅得到部分数据：底板螺栓连接结合面为混凝土许用挤压应力σpp=2MPa，变载荷下预紧连接的螺栓安全系数Ss=5，螺纹连接件屈服点σs=240MPa。
如图1 受力分析，由导杆受的弯矩ΣM导杆=0 可得：
将G合代入联立式（1）（2）（3）求得：
作重力G合和合力F合夹角为α，则有：
机架在W 点受力F合1：
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连接螺栓组中点Q 和交点W 得到长度Ld，线段QW 与导杆夹角为β，从螺栓组中点Q 作垂线相交于F合方向延长线，长度为Le，则：
螺栓组所受翻转力矩M：
联立式(7)(8)(9)(10)(11)得：
承受翻转力矩M 的普通螺栓组的螺栓所受最大拉力计算公式：
式中，M 为螺栓组所受的翻转力矩；r 为螺栓中心至底板对称轴线的距离。
根据实际测量得：
式中，A 为螺栓组底板接合面的受压面积；W 为螺栓组底板结合面的抗弯截面系数；σpp为结合面许用挤压应力。
实际测量得底板长L 为0.65m，底板宽B 为0.5m，孔中心至边距离d=0.05m，厚度为0.025m，该装置竖直方向上只受自身重力作用，代入式（14）得：
将G 合和σpp数据代入式（16）得
当Lb取1 到2 时，由式（17）得出，当Lb=1 时，结合面受到的压应力最大，有：
由式（18）可知，与地板螺栓结合面的混凝土地面能承受该装置的挤压。
受剪切力螺栓设计公式（1）为：
式中：F 为螺栓组所受的工作剪力（N）；d0为螺栓受剪面的直径（可取为螺栓孔直径）（mm）；t 为螺栓的许用剪力（MPa）；i 为螺栓杆受剪面数目。
变载荷下许用切应力公式（1）为：
由受力分析可知，导杆顶部螺栓所受最大载荷及方向为F合，式（20）代入式（19）得：
当Lb=1 时，d9≥17.0mm；当Lb=1.5 时，d9≥13.9mm；当Lb=2 时，d9≥12.9mm。
3 结语
本悬挂式导杆装置设计结构能满足强度要求，这种悬挂式导杆装置可以解决液面下导杆基座松动或损坏后，在不影响生产的状况下，能在液面上维修更换新的液面下的导杆及配件，同时又攻克了保证安全平稳运行潜水推流器的维修技术难题。
