一體化截污泵站中一種實用新型插板閥的設(shè)計與應(yīng)用

陳緋　魏小明

摘 要：在城鎮(zhèn)給排水系統(tǒng)中應(yīng)用了一體化截污泵站，其屬于無人值守的智慧型泵站，通過采用先進的電子設(shè)備來實現(xiàn)自動控制、保護等功能，并利用計算機、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備以及一體化平臺、智能應(yīng)用軟件實現(xiàn)站控級運行監(jiān)視、泵站運行控制等各類功能。插板閥在截污井中起到智能限流與調(diào)節(jié)的作用，鑒于此，設(shè)計了一種新型插板閥，其結(jié)構(gòu)合理、功能實用。

關(guān)鍵詞：截污井；新型插板閥；實用新型

中圖分類號：TU992.25? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0043-04

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

0? ? 引言

2017年的政府工作報告中提到了“推進海綿城市建設(shè)”，就是說城市要構(gòu)建一個大的雨水系統(tǒng)，平常下雨時能夠排水、蓄水、凈水，需要時將儲存的水再次利用。插板閥不僅廣泛應(yīng)用于市政工程給水排水管道中作疏水及調(diào)節(jié)用，還應(yīng)用于農(nóng)田水利節(jié)水灌溉輸水管道中，多用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市生活污水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，在這些系統(tǒng)中起著截流和調(diào)節(jié)的作用。手動調(diào)節(jié)的插板閥需要人力進行控制，增加了企業(yè)的運行成本。實用且能自動控制的插板閥能降低企業(yè)的運營成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1? ? 新型插板閥的研制需求

大城市中分流制地區(qū)由于雨污混接問題的存在，嚴重影響了水環(huán)境改善。在改造過程中，部分地區(qū)因暫時不具備大面積開展雨污混接分流改造的條件，而采取了過渡性措施，在小區(qū)雨水出戶管處或雨水管道排水口處建設(shè)截流井，將混接至雨水管的污水截流至污水管道，以減少對水環(huán)境的影響。雨水截流井應(yīng)具有截污限流功能和無人值守功能，特別是重力式截污井，井筒里必須設(shè)置限流閥[1]。現(xiàn)在基本上用插板閥對截污量進行限流控制，而傳統(tǒng)的插板閥又稱“手動刀型閘閥”，不適用于自動控制的截污井，這就要求在短時間內(nèi)設(shè)計、制造完成一種實用并能實現(xiàn)自動控制的新型插板閥。

2? ? 新型插板閥的設(shè)計

2.1? ? 新型插板閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

插板閥，又稱“手動刀型閘閥”，其結(jié)構(gòu)多種多樣（圖1）。刀型閘閥是一種閘板與閥座始終緊密接觸密封的閥門，通過閥桿上手輪的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給閥桿做直線行程運動帶動閥板的啟閉。此閥門的特點在于介質(zhì)在閥體內(nèi)卡阻少，能夠全通徑流通，其密封結(jié)構(gòu)分為軟密封、硬密封兩種。這種插板閥主要由以下部件構(gòu)成：閥體（框架）、閘板、手輪、絲桿、螺母等。因要設(shè)計的插板閥安裝在一體化截污井內(nèi)（圖2），截污井的直徑在1.5～2 m，截污井內(nèi)部有水泵及其導(dǎo)桿、粉碎格柵及其導(dǎo)桿、爬梯、液位計保護套管等部件，安裝空間受到限制，新型插板閥體積不能過大。截污井內(nèi)都是污水，水氣、濕度較大，若防水達不到要求，電器容易發(fā)生短路，電器傳動部分容易損壞，需要經(jīng)常更換，因此決定采用液壓控制?？紤]到安裝、維修方便，結(jié)構(gòu)需要緊湊。為防止垃圾堆在閘板下部，閘板不能全關(guān)閉，設(shè)計閘板下部是不封閉的，閘板關(guān)閉的時候，將垃圾推到插板閥外部。因此采用圖3所示新型插板閥結(jié)構(gòu)，它由閥體（框架）、閘板、液壓缸等部件組成，液壓電動部分放在井筒外部，通過運行液壓系統(tǒng)，讓液壓油缸的伸縮來控制閘板的開和關(guān)。若增加閘板的限位開關(guān)，根據(jù)閘板的打開程度，還可以控制排水流量的大小，起到自動控制的功能。

1）與出水管的連接法蘭設(shè)計：采用標準法蘭的設(shè)計，根據(jù)GB/T 9119—2010《板式平焊鋼制管法蘭》選用。與閘板的密封采用O型圈（圖4）。

2）閘板設(shè)計：采用楔形設(shè)計，并用兩塊板通過榫槽連接在一起，一塊板與法蘭密封，另一塊板起到壓緊密封的作用，如圖5所示。

3）液壓油缸的設(shè)計：確定油缸直徑、油缸行程、工作壓力、油缸的安裝方式等參數(shù)，據(jù)此設(shè)計液壓油缸（圖6）[2]。

2.2? ? 新型插板閥材料選用

一般閥門的閥體設(shè)計基本內(nèi)容包含確定閥體材料，即根據(jù)其工作介質(zhì)的特性來確定所用材料，材料應(yīng)具有足夠的耐腐蝕性、可靠的強度和剛度。插板閥通常用在有較大顆粒的物料管道上，或用在固體、粉體物料的管道上，也常用在有較多雜質(zhì)的污水管道中。閥門的殼體材料有灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼鑄鋼、合金鋼鑄鋼、奧氏體鑄鋼等；插板閥的閥體材料有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼、鉻鉬鋼、雙相鋼等；閥板材料有201、304等；閥蓋或框架材料有灰鑄鐵、球墨鑄鐵等；閥桿材料有2Cr13、304等。新型插板閥專門用在分流制排水系統(tǒng)中，且安裝在截污井內(nèi)部，與生活污水接觸，而生活污水中有機物含量高、氨氮含量高、BOD/COD比高、微生物種類多。排放到污水管道中的生活中的硫酸鹽在適合的條件下會轉(zhuǎn)化為硫化物，進而生成硫化氫和硫酸，從而產(chǎn)生腐蝕作用，對插板閥材料的耐腐蝕要求高。因此，新型插板閥的閥體、閥板材料均采用SUS304，液壓油缸的材料也選用SUS304。

2.3? ? 新型插板閥工藝設(shè)計

鑄造閥體是目前應(yīng)用最廣的一種形式。插板閥的閥體一般是鑄件，閥體要提前澆鑄或做庫存?zhèn)湄?。若不備貨，那么當客戶需要時，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)制作來不及；若備貨，就相應(yīng)積壓了企業(yè)的部分流動資金。若閥體、閥板、閥蓋或支架等部件都需要車加工，就必須添置必要的車加工設(shè)備，這樣又增加了企業(yè)的投入。插板閥一般零件較多，車加工部件增多，增加了工序，延長了車間制作時間，也增加了車間裝配成本，給企業(yè)造成了負擔。新型插板閥大多是激光切割件，都是用現(xiàn)成的板材進行切割，采購現(xiàn)成的型材，不需要提前預(yù)制。激光切割好后即可裝配，組裝出來的閥門精度有保證，產(chǎn)品的一致性也好，能批量生產(chǎn)和應(yīng)用。連接法蘭、液壓缸的連接件等需車加工，車加工部件較少，減少了備貨，縮短了制作周期。閘門采用榫槽型結(jié)構(gòu)，減少了焊接量，沒有了焊接這道工序，整體變形相對減小，確保了密封性能，降低了裝配難度，提高了經(jīng)濟效益。

1）連接法蘭與框架的組裝：利用平臺、工裝來組裝連接法蘭與框架（圖7），保證法蘭密封面與框架在同一平面內(nèi)，并用磨光片去除焊接表面的水、油污等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。點焊固定，采用氬弧焊焊接，焊接電流90～110 A，電壓10～12 V，氬氣流量8～10 mL/min。不需要連續(xù)焊，采用間斷焊，焊接長度50 mm，間距40 mm。

2）密封用斜錐環(huán)與框架的組裝：密封斜錐環(huán)加工完成后，與框架正確組裝，確保斜錐環(huán)與閘板的斜度相匹配（圖8）。

3）框架之間的組裝：兩個框架之間用螺絲連接，但兩板之間要保證距離一致。采用定距管，定距管經(jīng)過車加工，保證長度誤差在0.15 mm內(nèi)。

2.4? ? 新型插板閥的設(shè)計計算

本次設(shè)計參數(shù)如下：公稱直徑為250 mm；驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動；適用溫度≤100 ℃；閥體材質(zhì)為不銹鋼；適用介質(zhì)為生活污水[3]。

根據(jù)明桿閘閥的閥桿總的軸向力，閘閥關(guān)閉和開啟時閥桿總的軸向力分別按式（1）（2）計算：

Q′FZ=Q′+QP+QT（1）

Q″FZ=Q″+QT-QP（2）

式中：Q′、Q″為關(guān)閉和開啟時的閥桿密封力，即閥桿與閘板間的軸向作用力；QT為閥桿與填料間的摩擦力；QP為介質(zhì)作用于閥桿上的軸向力。

QP按式（3）計算：

QP=π/4×d2 F×P（3）

式中：dF為閥桿直徑；P為計算壓力，設(shè)計時可取P=PN。

新型插板閥中無填料，QT=0；型式是敞開式，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為介質(zhì)的密封壓力；QG為閥板組件的重量；QGF為閥板組件的浮力；0.25為關(guān)閉時密封間的摩擦系數(shù)；0.35為開啟時密封間的摩擦系數(shù)。

QmJ=π×D×bm×qmp（6）

式中：D為密封面直徑；bm為密封面接觸寬度；qmp為密封比壓。

密封示意圖如圖9所示。

最后計算得到油缸參數(shù)為：缸徑40 mm，桿徑20 mm，行程275 mm，工作壓力5 MPa，試驗壓力8 MPa。

2.5? ? 新型插板閥其他方面優(yōu)點

手動式插板閥由鑄件鑄造而成，整體質(zhì)量重。新型插板閥材料是板材，質(zhì)量輕，節(jié)省材料。手動式插板閥無驅(qū)動，打開和關(guān)閉閥門需要人力控制，且啟閉時間長，人力成本高。新型插板閥由液壓驅(qū)動，通過電控柜操作，20 s左右即可打開、關(guān)閉閥板，并可實現(xiàn)自動化控制。

2.6? ? 新型插板閥的安裝維護保養(yǎng)

1）新型插板閥更換或安裝運輸過程中要保持設(shè)備平穩(wěn)，不得隨意碰撞或擠壓，以免影響密封。

2）新型插板閥在使用過程中應(yīng)經(jīng)常保持清潔，發(fā)現(xiàn)故障時應(yīng)立即停止使用，查明原因，清除故障。

3）新型插板閥如果長期存放，應(yīng)定期檢查，對外露的表面須保持清潔，清除污垢，油管接頭封閉，防止污物進入。存放新型插板閥時通道的兩端應(yīng)堵塞并處于關(guān)閉狀態(tài)，并且應(yīng)將插板閥整齊地存放在室內(nèi)通風干燥的地方，嚴禁堆置或露天存放。

3? ? 新型插板閥測試

根據(jù)閥門的檢查和試驗項目，對新型插板閥做了以下檢查和試驗：

1）表面質(zhì)量、尺寸。檢查結(jié)果符合設(shè)計尺寸要求。

2）密封試驗。主要是檢驗啟閉件和閥體密封副密封性能的試驗。采用水為試驗介質(zhì)，將新型插板閥安裝在盛水的開孔的水槽邊上，放水超過閥門通徑高度（圖10）。試驗結(jié)果表明，新型插板閥的閥板與O型圈密封良好，無泄漏。

3）連續(xù)無故障啟閉運行。新型插板閥經(jīng)安裝測試，通過液壓油管和液壓站連接，由電控柜操作與控制，對新型插板閥進行了至少5次啟閉試驗，試驗結(jié)果表明，插板閥動作正常、運行良好，密封良好、無泄漏。

4? ? 結(jié)論

新型插板閥具有結(jié)構(gòu)合理、密封可靠、安裝方便、自動控制等優(yōu)點，相比普通閘閥、平板閘閥、截止閥、調(diào)節(jié)閥、蝶閥等閥門來說生產(chǎn)周期短、耐腐蝕性好、流阻小、重量輕、經(jīng)濟實惠、使用壽命長。新型插板閥的閥門與油缸直接連接，使得閥門開啟、關(guān)閉穩(wěn)定。采用下部未密封結(jié)構(gòu)，具有切斷雜物、自動清除雜物等特點。新型插板閥未采用焊接形式，大多用螺栓連接，維修方便。經(jīng)過測試，該新型插板閥可以滿足截污井的使用要求，適用于生活污水、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，特別適用于一體化截污井。

[參考文獻]

[1] 上海市雨水管道截流井技術(shù)規(guī)程：DB31 SW/Z 008—2021[S].

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊 第3卷[M].6版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[3] 楊源泉.閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

收稿日期：2023-03-14

作者簡介：陳緋（1971—），男，江蘇人，工程師，研究方向：一體化泵站制作。