一体化截污泵站中一种实用新型插板阀的设计与应用

陈绯　魏小明

摘 要：在城镇给排水系统中应用了一体化截污泵站，其属于无人值守的智慧型泵站，通过采用先进的电子设备来实现自动控制、保护等功能，并利用计算机、网络硬件设备以及一体化平台、智能应用软件实现站控级运行监视、泵站运行控制等各类功能。插板阀在截污井中起到智能限流与调节的作用，鉴于此，设计了一种新型插板阀，其结构合理、功能实用。

关键词：截污井；新型插板阀；实用新型

中图分类号：TU992.25    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0043-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.011

0    引言

2017年的政府工作报告中提到了“推进海绵城市建设”，就是说城市要构建一个大的雨水系统，平常下雨时能够排水、蓄水、净水，需要时将储存的水再次利用。插板阀不仅广泛应用于市政工程给水排水管道中作疏水及调节用，还应用于农田水利节水灌溉输水管道中，多用于工业、农业灌溉、城市生活污水处理系统的关键部位，在这些系统中起着截流和调节的作用。手动调节的插板阀需要人力进行控制，增加了企业的运行成本。实用且能自动控制的插板阀能降低企业的运营成本，提高企业的经济效益。

1    新型插板阀的研制需求

大城市中分流制地区由于雨污混接问题的存在，严重影响了水环境改善。在改造过程中，部分地区因暂时不具备大面积开展雨污混接分流改造的条件，而采取了过渡性措施，在小区雨水出户管处或雨水管道排水口处建设截流井，将混接至雨水管的污水截流至污水管道，以減少对水环境的影响。雨水截流井应具有截污限流功能和无人值守功能，特别是重力式截污井，井筒里必须设置限流阀[1]。现在基本上用插板阀对截污量进行限流控制，而传统的插板阀又称“手动刀型闸阀”，不适用于自动控制的截污井，这就要求在短时间内设计、制造完成一种实用并能实现自动控制的新型插板阀。

2    新型插板阀的设计

2.1    新型插板阀结构设计

插板阀，又称“手动刀型闸阀”，其结构多种多样（图1）。刀型闸阀是一种闸板与阀座始终紧密接触密封的阀门，通过阀杆上手轮的旋转运动传递给阀杆做直线行程运动带动阀板的启闭。此阀门的特点在于介质在阀体内卡阻少，能够全通径流通，其密封结构分为软密封、硬密封两种。这种插板阀主要由以下部件构成：阀体（框架）、闸板、手轮、丝杆、螺母等。因要设计的插板阀安装在一体化截污井内（图2），截污井的直径在1.5～2 m，截污井内部有水泵及其导杆、粉碎格栅及其导杆、爬梯、液位计保护套管等部件，安装空间受到限制，新型插板阀体积不能过大。截污井内都是污水，水气、湿度较大，若防水达不到要求，电器容易发生短路，电器传动部分容易损坏，需要经常更换，因此决定采用液压控制。考虑到安装、维修方便，结构需要紧凑。为防止垃圾堆在闸板下部，闸板不能全关闭，设计闸板下部是不封闭的，闸板关闭的时候，将垃圾推到插板阀外部。因此采用图3所示新型插板阀结构，它由阀体（框架）、闸板、液压缸等部件组成，液压电动部分放在井筒外部，通过运行液压系统，让液压油缸的伸缩来控制闸板的开和关。若增加闸板的限位开关，根据闸板的打开程度，还可以控制排水流量的大小，起到自动控制的功能。

1）与出水管的连接法兰设计：采用标准法兰的设计，根据GB/T 9119—2010《板式平焊钢制管法兰》选用。与闸板的密封采用O型圈（图4）。

2）闸板设计：采用楔形设计，并用两块板通过榫槽连接在一起，一块板与法兰密封，另一块板起到压紧密封的作用，如图5所示。

3）液压油缸的设计：确定油缸直径、油缸行程、工作压力、油缸的安装方式等参数，据此设计液压油缸（图6）[2]。

2.2    新型插板阀材料选用

一般阀门的阀体设计基本内容包含确定阀体材料，即根据其工作介质的特性来确定所用材料，材料应具有足够的耐腐蚀性、可靠的强度和刚度。插板阀通常用在有较大颗粒的物料管道上，或用在固体、粉体物料的管道上，也常用在有较多杂质的污水管道中。阀门的壳体材料有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢铸钢、合金钢铸钢、奥氏体铸钢等；插板阀的阀体材料有灰铸铁、球墨铸铁、铸钢、不锈钢、铬钼钢、双相钢等；阀板材料有201、304等；阀盖或框架材料有灰铸铁、球墨铸铁等；阀杆材料有2Cr13、304等。新型插板阀专门用在分流制排水系统中，且安装在截污井内部，与生活污水接触，而生活污水中有机物含量高、氨氮含量高、BOD/COD比高、微生物种类多。排放到污水管道中的生活中的硫酸盐在适合的条件下会转化为硫化物，进而生成硫化氢和硫酸，从而产生腐蚀作用，对插板阀材料的耐腐蚀要求高。因此，新型插板阀的阀体、阀板材料均采用SUS304，液压油缸的材料也选用SUS304。

2.3    新型插板阀工艺设计

铸造阀体是目前应用最广的一种形式。插板阀的阀体一般是铸件，阀体要提前浇铸或做库存备货。若不备货，那么当客户需要时，生产周期长，生产制作来不及；若备货，就相应积压了企业的部分流动资金。若阀体、阀板、阀盖或支架等部件都需要车加工，就必须添置必要的车加工设备，这样又增加了企业的投入。插板阀一般零件较多，车加工部件增多，增加了工序，延长了车间制作时间，也增加了车间装配成本，给企业造成了负担。新型插板阀大多是激光切割件，都是用现成的板材进行切割，采购现成的型材，不需要提前预制。激光切割好后即可装配，组装出来的阀门精度有保证，产品的一致性也好，能批量生产和应用。连接法兰、液压缸的连接件等需车加工，车加工部件较少，减少了备货，缩短了制作周期。闸门采用榫槽型结构，减少了焊接量，没有了焊接这道工序，整体变形相对减小，确保了密封性能，降低了装配难度，提高了经济效益。

1）连接法兰与框架的组装：利用平台、工装来组装连接法兰与框架（图7），保证法兰密封面与框架在同一平面内，并用磨光片去除焊接表面的水、油污等影响焊接质量的杂质。点焊固定，采用氩弧焊焊接，焊接电流90～110 A，电压10～12 V，氩气流量8～10 mL/min。不需要连续焊，采用间断焊，焊接长度50 mm，间距40 mm。

2）密封用斜锥环与框架的组装：密封斜锥环加工完成后，与框架正确组装，确保斜锥环与闸板的斜度相匹配（图8）。

3）框架之间的组装：两个框架之间用螺丝连接，但两板之间要保证距离一致。采用定距管，定距管经过车加工，保证长度误差在0.15 mm内。

2.4    新型插板阀的设计计算

本次设计参数如下：公称直径为250 mm；驱动方式为液压驱动；适用温度≤100 ℃；阀体材质为不锈钢；适用介质为生活污水[3]。

根据明杆闸阀的阀杆总的轴向力，闸阀关闭和开启时阀杆总的轴向力分别按式（1）（2）计算：

Q′FZ=Q′+QP+QT（1）

Q″FZ=Q″+QT-QP（2）

式中：Q′、Q″为关闭和开启时的阀杆密封力，即阀杆与闸板间的轴向作用力；QT为阀杆与填料间的摩擦力；QP为介质作用于阀杆上的轴向力。

QP按式（3）计算：

QP=π/4×d2 F×P（3）

式中：dF为阀杆直径；P为計算压力，设计时可取P=PN。

新型插板阀中无填料，QT=0；型式是敞开式，QP=0。因此有：

Q′FZ=Q′=QmJ×0.25-QG-QGF （4）

Q″FZ=Q″=QmJ×0.35+QG-QGF （5）

式中：QmJ为介质的密封压力；QG为阀板组件的重量；QGF为阀板组件的浮力；0.25为关闭时密封间的摩擦系数；0.35为开启时密封间的摩擦系数。

QmJ=π×D×bm×qmp（6）

式中：D为密封面直径；bm为密封面接触宽度；qmp为密封比压。

密封示意图如图9所示。

最后计算得到油缸参数为：缸径40 mm，杆径20 mm，行程275 mm，工作压力5 MPa，试验压力8 MPa。

2.5    新型插板阀其他方面优点

手动式插板阀由铸件铸造而成，整体质量重。新型插板阀材料是板材，质量轻，节省材料。手动式插板阀无驱动，打开和关闭阀门需要人力控制，且启闭时间长，人力成本高。新型插板阀由液压驱动，通过电控柜操作，20 s左右即可打开、关闭阀板，并可实现自动化控制。

2.6    新型插板阀的安装维护保养

1）新型插板阀更换或安装运输过程中要保持设备平稳，不得随意碰撞或挤压，以免影响密封。

2）新型插板阀在使用过程中应经常保持清洁，发现故障时应立即停止使用，查明原因，清除故障。

3）新型插板阀如果长期存放，应定期检查，对外露的表面须保持清洁，清除污垢，油管接头封闭，防止污物进入。存放新型插板阀时通道的两端应堵塞并处于关闭状态，并且应将插板阀整齐地存放在室内通风干燥的地方，严禁堆置或露天存放。

3    新型插板阀测试

根据阀门的检查和试验项目，对新型插板阀做了以下检查和试验：

1）表面质量、尺寸。检查结果符合设计尺寸要求。

2）密封试验。主要是检验启闭件和阀体密封副密封性能的试验。采用水为试验介质，将新型插板阀安装在盛水的开孔的水槽边上，放水超过阀门通径高度（图10）。试验结果表明，新型插板阀的阀板与O型圈密封良好，无泄漏。

3）连续无故障启闭运行。新型插板阀经安装测试，通过液压油管和液压站连接，由电控柜操作与控制，对新型插板阀进行了至少5次启闭试验，试验结果表明，插板阀动作正常、运行良好，密封良好、无泄漏。

4    结论

新型插板阀具有结构合理、密封可靠、安装方便、自动控制等优点，相比普通闸阀、平板闸阀、截止阀、调节阀、蝶阀等阀门来说生产周期短、耐腐蚀性好、流阻小、重量轻、经济实惠、使用寿命长。新型插板阀的阀门与油缸直接连接，使得阀门开启、关闭稳定。采用下部未密封结构，具有切断杂物、自动清除杂物等特点。新型插板阀未采用焊接形式，大多用螺栓连接，维修方便。经过测试，该新型插板阀可以满足截污井的使用要求，适用于生活污水、农业灌溉等领域，特别适用于一体化截污井。

[参考文献]

[1] 上海市雨水管道截流井技术规程：DB31 SW/Z 008—2021[S].

[2] 成大先.机械设计手册 第3卷[M].6版.北京：化学工业出版社，2016.

[3] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

收稿日期：2023-03-14

作者简介：陈绯（1971—），男，江苏人，工程师，研究方向：一体化泵站制作。