电动推杆滗水器的结构设计和三维实体模拟.doc

密密 级级公开公开 学学 号号070417 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 电动推杆旋转式滗水器的结构电动推杆旋转式滗水器的结构 设计及三维实体模拟设计及三维实体模拟 院院（系系、部部 ）：机械工程学院机械工程学院 姓姓 名：名： 班班 级：级：环环 072072 专专 业：业：环境工程环境工程 指指导导教教师师：陈进富陈进富/ /陈家庆陈家庆 教教师师职职称称：教授教授/ /教授教授 II 2011 年 06 月 16 日北京 北京石油化工学院 学位论文授权使用协议 论文电动推杆滗水器的结构设计和三维实体模拟系本人在北京石油化工 学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于北京石 油化工学院学位论文全文数据库 。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版 论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分 浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于非公开学位论文在保密期限过后同样适用。 院系名称：机械工程学院 作 者： 学 号：070417 2011 年 06 月 16 日 北北 京京 石石 油油 化化 工工 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 （ （论论 文）任文）任 务务 书书 学院（系） 机械工程学院机械工程学院 专业 环境工程环境工程 班级 环环 07-207-2 学生姓名 指导教师/职称 陈进富陈进富/ /教授、陈家庆教授、陈家庆/ /教授教授 1.毕业设计（论文）题目 电动推杆旋转式滗水器的结构设计与三维实体模拟电动推杆旋转式滗水器的结构设计与三维实体模拟 2.任务起止日期： 20112011 年 2 2 月 2121 日 至 20112011 年 6 6 月 0707 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果） (1)(1) 题目简介与主要内容题目简介与主要内容 序批式活性污泥法(SBR)是间歇式活性污泥处理工艺的典型代表，在国内外污水处理行业 应用日益广泛。滗水器是 SBR 及其变型工艺的专用设备之一，其性能的好坏直接影响到工艺 运行的可靠性和稳定性。旋转式滗水器(revolving water decanter)属于升降式滗水器中的 刚性管滗水器，目前在国内较大规模 SBR 水处理工程中应用较为广泛，其滗水深度一般可至 3m 左右。根据所采用回转动力装置的不同，旋转式滗水器可分为压筒旋转式、注气旋转式、 绳索牵引旋转式、螺杆传动旋转式、电动推杆旋转式等几类。本题目将在查阅调研文献的基 础上，搞清电动推杆滗水器的结构细节，在完成机构运动学分析和动力学分析的基础上，对 其进行详细的结构设计计算，依据相关国家标准绘制必要结构设计图纸，最后对其进行完整 的三维实体模拟。 (2)(2) 原始数据原始数据 调研选择北京航天城污水处理厂的相关参数进行设计计算。 (3)(3) 应该提交的成果应该提交的成果 查阅中文文献不少于 12 篇、英文文献不少于 3 篇；开题报告或文献综述；不少于 2 万字符的英文文献原件及其翻译后的 A4 打印件；设计图纸：手绘 1 张 A0 装配图，机绘全 套零件图；包含全部零件及其装配关系的三维实体模型；按照校方规定格式的毕业设计 (论文)装订本。 4.主要参考文献 (1) 陈家庆 主编. 环保设备原理与设计. 北京：中国石化出版社, 2008 年 9 月. (2) 上海市政工程设计研究院 主编. 给水排水设计手册(第 9 册：专用机械). 北京：中国 建筑工业出版社, 2003 年 3 月. (3) 张统, 方小军, 张志仁. SBR 及其变法污水处理与回用技术. 北京:化学工业出版社, 2003 年 3 月. (4) 张大群 主编. 污水处理机械设备设计与应用. 北京：化学工业出版社，2003 年 9 月. (5) 王鹏，焦兆明，张宏伟. SBR滗水器的设计及应用. 中国给水排水，2000，16(10): 28- 31. (6) 高守有，彭永臻，孔祥智，计立平. 几种滗水器形式及运行机理. 给水排水， 2003，29(9):61-64. (7) 彭文生, 李志明, 黄华梁主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社, 2002年8月. (8) 葛正浩，杨芙莲 等编著. CAD/CAE/CAM软件应用技术与实训丛书-Pro/ENGINEER Wildfire 4. 北京: 化学工业出版社, 2009年06月. (9) 叶国林，谢龙汉 编著. UG NX6三维造型实例图解. 北京：清华大学出版社, 2007年12 月. 5.进度计划及指导安排 第 01 周 接受题目，校内文献查阅，着手撰写文献综述； 第 02 周 校外文献查阅，翻译与本题目有关的英文资料，撰写文献综述； 第 03 周 撰写、修改文献综述，按照规定格式上交 Word 打印版，准备开题报告； 第 04 周 搜索滗水器的实物图片，研究其结构，找出设计难点； 第 05 周 进行旋转式滗水器的总体结构设计，重点放在滗水器的水力学及动力学分 析方面。 第 06 周 旋转式滗水器的详细结构设计； 第 07 周 讨论修改总体结构设计； 第 08 周 手工绘制装配图； 第 09 周 检查修改手工装配图； 第 10 周 计算机绘制装配图和主要零件图； 第 11 周 利用 UG 或 Pro-E 进行三维实体模拟； 第 12 周 检查全部图纸； 第 13 周 撰写毕业论文，并输入计算机； 第 14 周 整理资料，修改图纸与论文，按照规定时间上交全套全套毕业设计论文； 第 15 周 根据评阅教师及指导教师的意见，进一步修改图纸与论文，准备答辩； 第 16 周 整理资料，进行毕业答辩。 任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（部、系）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 I 摘 要 随着世界人口的增长和经济的发展，环境和资源所遭受的破坏日益严重，水 资源被污染和过度利用而遭到破坏，水污染治理和水资源保护已成为人们所关注 的重大课题。在当前污水处理领域，序批式活性污泥法污水处理技术（SBR）是应 用日趋广泛的处理技术之一。而对于一个成功的 SBR 系统而言，滗水器的性能至 关重要，有必要加以深入研究。 旋转式滗水器是 SBR 污水处理工艺中最常见的设备之一，而电动推杆式是旋 转式滗水器中适应性强、操作方便的一种。本文重点介绍电动推杆旋转式滗水器 的工作原理、具体结构以及发展前景，通过对动力学和水力学两方面分析，对电 动推杆旋转式滗水器进行具体结构设计。首先以航天城污水处理工艺中的数据为 依据，初步确定滗水器型号。然后在动力学计算中根据保持堰流稳定的条件和机 构运动规律等确定所用电动推杆的型号。在水力学计算中确定堰口负荷以避免堰 口出现完全淹没流影响出水水质。其次计算出各个部件的详细尺寸以便实际制造 并安装，并用三维造型实体模拟手段形象展示其结构，使读者对电动推杆旋转式 滗水器有更加直接、感官的认识。最后，通过技术经济分析，了解此类型滗水器 的具体成本和市场基本价格，方便购买和使用操作。综上所述，以自己的观点对 电动推杆旋转式滗水器的发展趋势作出论述。 关键词关键词：SBR 工艺，旋转式滗水器，动力学分析，结构设计 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 II Abstract As the world population growth and economic development, environmental and resource damage suffered by the worsening, water pollution and excessive use of which has been destroyed, water pollution control and water conservation has become a major topic of concern. Among various wastewater treatment technologies, Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process wastewater treatment technology (SBR) is the application of the increasingly wide range of processing technologies. For a successful SBR system, critical to the performance decanter, it is necessary to further study. Rotary Decanter is the most common one of the devices in SBR wastewater treatment process, and electric push-rod of the rotary decanter is adaptable, easy to operate. This thesis focuses on electric push-rod rotary decanter works principle, concrete structures and prospects for development, and through kinetic and hydraulic analysis, a concrete structural design was to be completed. First, based on the data of Sky City sewage treatment process, the type of decanter was firstly identified. Then the dynamic calculation under the conditions of maintaining weir stability was carried out, and institutions Law of motion such as determining the movement of electric push-rod models was obeyed. In the water mechanical calculations to determine weir load to avoid it appears completely submerged weir flow to affect effluent quality. Secondly, calculate the detailed dimensions of each part to the actual manufacture and install, and use the means of three-dimensional model physical simulation to display its structure detail, putting the reader on the electric push-rod rotary decanter has a more direct, sensory awareness. Finally, making the technical and economic analysis to understand this type of decanter specific costs and the market fundamentals price, easy to purchase and operate. Above all, the development trend of electric push-rod rotary decanter was discussed in my personal point of view. Key words: SBR process, rotary decanter, dynamic analysis, structure design 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 III 目 录 第一章 前言.- 1 - 1.1 研究背景.- 1 - 1.2 SBR 工艺介绍.- 1 - 1.3 滗水器介绍.- 4 - 1.4 滗水器的类型.- 5 - 1.5 电动推杆旋转式滗水器.- 17 - 1.6 本文工作内容.- 22 - 第二章 电动推杆旋转式滗水器的动力学及水力学分析.- 23 - 2.1 设计参数的选用及设定.- 23 - 2.2 机构特征与设计关键分析.- 25 - 2.3 旋转式滗水器的动力学分析.- 26 - 2.4 旋转式滗水器的水力学分析.- 36 - 2.5 旋转式滗水器各杆件尺寸的计算.- 37 - 2.6 主管、推杆的校核.- 39 - 第三章 电动推杆旋转式滗水器部件的结构设计.- 41 - 3.1 滗水部件的尺寸计算.- 41 - 3.2 旋转部件的设计.- 42 - 3.3 滗水器与出水管的联结.- 43 - 第四章 计算机辅助设计及技术经济分析.- 45 - 4.1 计算机绘图.- 45 - 4.2 三维实体模拟造型.- 46 - 4.3 技术经济分析.- 47 - 第五章 结论与建议.- 50 - 5.1 结论.- 50 - 5.2 建议.- 50 - 参考文献.- 51 - 致谢.- 52 - 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 1 - 第一章 前言 1.1 研究背景 地球虽然有 70.8%的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能 够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的 0.26%，而且分 布不均。 随着世界人口的增长和经济的发展，环境和资源所遭受的破坏日益严重，给 人类的生存和社会经济的可持续发展带来了严重的威胁。作为人类生存和发展的 最基本要素之一，水特别是淡水也因被污染和过度利用而遭到破坏，水污染治理 和水资源保护已成为人们所关注的重大课题。 虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行 业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中 国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。 长期以来，人们一直坚持不懈地致力于污水处理方法的研究和应用，取得了 一大批成果，发明了许多行之有效的处理工艺。污水处理方法可分为物理法(调节、 过滤、沉淀、离心分离等)、化学法(中和、化学混凝、化学沉淀、氧化还原)、物 理化学法(吸附、离子交换、电渗析、反渗透、超滤)、生物处理法(好氧、厌氧及 组合)。生物处理法是有机废水处理的主导技术。经过研究、应用与改进，生物处 理法己从传统的活性污泥法和生物膜法衍生出很多新的工艺，如 A2/o 工艺、氧化 沟工艺、SBR 工艺等。其中，序批式反应器(Sequencing Batch Reactor，简称 SBR)工艺是目前研究和应用最活跃的热点工艺之一。 1.2 SBR 工艺介绍 SBR 工艺是在传统活性污泥法的基础上研发而来的。SBR 工艺的雏型出现于 1914 年。70 年代初，美国 Natre Dame 大学的 Irvine 教授对实验室规模的 SBR 反 应器进行了系统而深入的研究，并于 1980 年在美国环保局(EPA)的资助下，在印 第安那州改建并投产了世界上第一个 SBR 法污水处理厂。70 年代末出现了间歇式 循环延时曝气系统(Intermittent Cycle Extended Aeration System，简称 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 2 - ICEAS)。此后，Gotonszy 教授开发了循环式活性污泥系统(Cyclic Activated Sludge System，简称 CASS)，又称循环式活性污泥技术。90 年代比利时 SEGHERS 公司开发了 UNITANK 系统，其特点是把经典 SBR 的时间推流与连续系统的空间推 相结合。与此同时，DAT-IAT(Demand Aeration Tank Intermittent Aeration Tank)、MSBR、ASBR 等工艺也相继出现和应用。 SBR 工艺是一个非稳态工艺，在反应器内注满污水，然后按分批处理的模 式运行。一个操作循环分五个阶段：进水、反应、沉淀、滗水、闲置。改变运行 参数可实现好氧一厌氧一缺氧状态，通过对这些状态的精确控制可实现有机物的 有效去除。其流程和机构见图 1-1，1-2。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 3 - 图图 1-11-1 SBRSBR 工艺流程图工艺流程图 图图 1-21-2 SBRSBR 工艺实物图工艺实物图 SBR 工艺的进水、曝气、沉淀、出水均在同一生物反应池内进行，由于省去 了二沉池，因此占地面积小；同时，由于生化过程的参数可以根据实际情况调节， 因此，对水质、水量的变化适应性强，出水水质稳定，并具有生物脱氮除磷作用。 SBR 工艺有如下优点，见表 1-1。 表表 1-11-1 SBRSBR 工艺优点工艺优点 优点优点机理机理 沉淀性好理想沉淀理论 有机物去除效率高理想推流状态 提高难降解废水的处理效率生态环境多样性 拟制丝状菌膨胀选择性准则 可以脱氮除磷，不需要新增反应器生态环境多样性 不需二沉池和污泥回流，工艺简单结构本身特点 SBR工艺反应器的排水形式是静止沉淀、集中滗水。由于集中滗水时间较短， 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 4 - 因而滗水时流量较大，这就需要在时间短排水量大的情况下，对反应器下部的沉 淀污泥不能产生扰动，为此需安装专用的排水装置-滗水器。 滗水器是SBR工艺中最关键的机械设备之一，它的优劣直接与出水水质相关作 为SBR工艺的关键，滗水器已从原来单一进口发展到基本国产，所开发的各种滗水 器可适合不同的应用场所。 随着 SBR 工艺在我国的推广和应用，对滗水器的研制和开发工作应加速进行， 以满足污水处理工程的需要。 1.3 滗水器介绍 滗水器（Water decanter）是伴随着 SBR 工艺的应用和发展而产生和逐步完 善的，同时又受当时机械制造技术、材料科学、自动控制水平的制约。滗水器是 SB 及其变型工艺中最常用的关键设备，用于在排水阶段随水位变化而自动升降， 将已处理的上清液自表面排除，而表面的浮渣被有效的截留在反应池内。 其主要功能应满足如下要求： 滗水器的集水部分应靠近水面，在排出上层清液的同时，还能随反应池水 位的变化而变化，具有连续排水的性能； 滗水器运作时应不扰动沉淀的污泥，又不将池中的浮渣带出，按规定的流 量排放； 滗水器在排水或停止排水的运行中，有序的动作应正确平稳、安全可靠、 耗能小、使用寿命长。 早期的滗水器是一些比较简单的设施，如一组布置在不同高度的管道阀口组 合、简单的浮筒式排水装置等。20 世纪后期，随着 SBR 工艺的迅速发展，各种类 型的滗水器不断涌现。ITT Industries 下属的 Sanitaire Corporation 公司推出 了旋转式滗水器；澳大利亚 AAT 公司推出了虹吸式滗水器。 SBR 工艺引入中国以后，滗水器的制造也从最初的进口和仿制发展到现在的 自主研发大批量生产，目前国内已有多家滗水器制造商，规模较大的有杭州杭氧 环保成套设备有限公司、天津百阳环保公司等。 滗水器通常有堰口、出水管、驱动装置、控制系统等组成，材质一般为不锈 钢、非金属等。滗水器的品种繁多。按动力形式，可划分为无动力式和机械驱动 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 5 - 式。无动力滗水器有：浮筒式、虹吸式等，但执行机构需用气源和电力驱动；机 械驱动式：有电动推杆式、滑轨式、绳索式等。按运转轨迹分类，可分为固定式、 旋转式和垂直升降式等。按安装方式，可分为固定潜水式和浮筒式。 1.4 滗水器的类型 滗水器的型式通常按以下方法分类： 按集水器在水池中位置的变化与否，分为固定式和升降式（又称浮动式） 两个大类。集水器的位置始终不变的称为固定式；位置变化的称为升降式； 按排水原动力的种类，分为虹吸式、重力式和泵吸式。很明显，利用流体 的虹吸原理作原动力的称为虹吸式；依靠流体的重力位能而自流排放的称为重力 式；而采用动力泵输送的称为泵吸式； 按排水管性质，分为柔性管、刚性管两类； 按集水器追随水位变化的力，分为恒浮力、变浮力、机械力和复合力 4 种； 按集水方式，分为穿孔管式、堰槽式、吸口式和堰门式； 按集水口的密封力种类，分为重力、浮力、机械力和挡渣板。 1.4.1 固定管式滗水器 固定式滗水器一般都由固定不变的排水干组成，不随水位的变化而运动，因 此仅适用于不追随水位变化的场合，具体包括虹吸式滗水器、双层固定管式、固 定短管式等机构形成。 (1)虹吸式滗水器 该形式的滗水器是由澳大利亚 AAT 公司 20 世纪 80 年代中期开发并开始应用 于 SBR 工艺的一种新式滗水器，常用气锁式虹吸滗水器（Gas-locked siphon，GLS），其滗水深度 0.5-1.0m，滗水负荷 1.5-2.0L/（m.s）。该滗水器 主要由滗水短管、排水支管、排水总管、U 形管、进/排气电磁阀等，虹吸式滗水 器结构见图 1-3。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 6 - 图图 1-31-3 虹吸式滗水器结构图虹吸式滗水器结构图 进水阶段开始后，系统内水位逐渐上升，由于静水压的作用，排水短管和U型 管液面之间形成气封，气封使在正常进水及反应过程中没有处理的污水溢出反应 器；当水位通过堰臂上端时，为防止由于池内静水压过高而使污水溢流出反应器， 设置最低滗水液位开关，并在此时将之关闭。反应及沉淀阶段结束后，放出部分 被封的空气，滗水阶段开始。当水位降到最小滗水液位时，关闭放气电磁阀，最 低滗水液位开关开启，此时出水流进入虹吸状态。 当液位降至距排水短管下口 1cm 处，最低滗水液位开关关闭，排气电磁阀再 次被打开；随着空气的进入，虹吸被破坏；虹吸破坏后，存在于水平堰臂及排水 短管中的水通过短管流回反应器系统内。有报道称，应保证滗水结束时间是要求 的破坏虹吸到停止出水这段时间的 3 倍。 虹吸式滗水器的优点有：滗水器无运转部件，构造比较简单；滗水器运行中 只操作真空阀即可，不易出现故障，也易于检修；虹吸式滗水器的成本低，运行 可靠。但是其也有许多不足之处：整个滗水器结构的设计精度高；滗水能力调整 困难，滗水深度固定；虹吸要求条件高，反应池内液位必须高于汇水堰臂才能形 成虹吸，破坏虹吸液位时必须保证排水短管中存有足够的气量，使下一周期注水 过程进行时，短管中的水不进入汇水堰臂破坏虹吸条件，虹吸式滗水器实物见图 1-4，图1-5。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 7 - 图图 1-41-4 虹吸式滗水器实物图虹吸式滗水器实物图 图图 1-51-5 虹吸式滗水器实物图虹吸式滗水器实物图 (2)双层固定管式 双层固定管式滗水器是利用手动阀或电磁阀完成滗水工作，由于曝气时管内 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 8 - 会流入污水，所以排水时必须先排污水，在集水口需考虑防止浮渣进入。其使用 条件基本与虹吸式相同，所不同的是逐层递进，滗水深度可不受限制。 (3)固定短管式 也称为固定深度滗水器。其没有集水管，直接由池壁伸出排水管，靠手动阀 的启闭进行操作，一般作为事故时的备用。 1.4.2 柔性管滗水器 柔性管滗水器属于升降式滗水器，在滗水过程中始终追随水位变化。一般由 浮筒、堰槽、柔性排水管和导轨组成，追随水位变化的力可以是恒浮力，也可以 是变浮力或机械力。柔性排水管可以是橡胶软管或波纹管，考虑到管子越粗柔性 越差，故采用柔性管作排水管时，滗水量一般不宜过大。 （1）注气式柔性管滗水器 依靠给浮筒或浮箱内注气，产生浮力，使滗水器闲置；反之进行滗水。由于 其追随水位变化的是浮力，故通常也称浮箱式滗水器。见图1-6是不同集水堰槽的 注气式柔性管滗水器。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 9 - 图图 1-61-6 几种集水堰口形式的波纹管注气式滗水器结构示意图几种集水堰口形式的波纹管注气式滗水器结构示意图 主要由外部固定浮箱子、内部注气浮箱、柔性伸缩管、排水弯管、控制电磁 阀、输气软管、导轨等组成，一般排水量150-200m3/h。需排水时，进气电磁阀自 动关闭，排气电磁阀自动打开，注气浮箱内的空气排出，浮箱下沉淹没进水口， 开始排水。排水经注气浮箱中心管进入柔性伸缩管及排水弯管排出池外，注气浮 箱随水位下降而下降，柔性伸缩管相应逐渐压缩。当下降至最低水位时，水位讯 号器发出讯号，排气电磁阀自动关闭，进气电磁阀自动打开，向注气浮箱内通入 压缩空气而使之上浮，进水口离开水面，停止排水。多余空气自排气管排出，浮 箱随池内水位上升而上升，直接最高位置，进入下一循环。滗水器操作所用的压 缩空气，可自曝气池空气干管上直接引接，不必另备气源。 （2）钢索式柔性管滗水器 依靠安装在工作桥上的驱动装置，吊起集水堰槽使之浮出水面而闲置；反之 放松钢丝绳而滗水，结构见图1-7。 图图 1-71-7 钢索式柔性管滗水器钢索式柔性管滗水器 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 10 - （3）软管泵吸式滗水器 软管泵吸式滗水器主要浮筒、潜水泵、柔性排水管和导轨组成，其追随水位 变化是靠浮力，也依靠排水管的柔变或伸缩，泵的吸入口用档板式浮筒围住，阻 止浮渣的流入。曝气时吸入口会进入污水，故滗水前必须先排污水，见图 1-8。 图图 1-81-8 软管泵吸式滗水器结构图软管泵吸式滗水器结构图 （4）软管浮筒式滗水器 近年来，国内在消化吸收国外最新型滗水器的基础上研制了新型的、具有自 我知识产权的无动力滗水器。这类滗水器主要由浮筒、滗水管、防渣阀、特制软 管和支架组成，其闲置和滗水均由用户配备的池外阀门控制。集水堰口的密封力 主要有球体重力和空心球浮力。 重球密封集水堰口如图 1-9 所示，在软管泵吸式滗水器置阶段，重球在重 力和浮力的综合作用下，由于重力大于浮力，所以重球堵住集水堰口，曝气时的 气泡、浮渣、污泥均无法进入滗水管内，使滗水管内始终积蓄清水；需要排水时， 与滗水管、特制软管连通的池外阀门开启，重球在重力、浮力和流动压力的综合 作用下，重球离开集水堰口而被推向球笼另一端，清水从集水堰口进入滗水管内， 通过特制软管、阀门和外部管路而排放，直到水池水位到达最低水位时，池外阀 门关闭，重球在重力的作用下又重新压住集水堰口，完成一个循环。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 11 - 图图 1-91-9 重球密封集水堰口结构图重球密封集水堰口结构图 图图 1-101-10 浮球密封集水堰口结构图浮球密封集水堰口结构图 （2）浮球密封集水堰口如图 1-10 所示。在闲置阶段，浮球在重力和浮力的 综合作用下，由于浮力大于重力，所以浮球顶住集水堰口，曝气时的气泡、浮渣、 污泥均无法进入滗水管内，使滗水管内始终积蓄清水；需要排水时，与滗水管、 特制软管连通的池外阀门开启，浮球在重力、浮力和流动压力的综合作用下，浮 球离开集水堰口而被推向球笼的最下端，清水从集水堰口进入滗水管内，通过特 制软管、阀门和外部管路而排放，直到水池水位到达最低水位时，池外阀门关闭， 浮球在浮力的作用下又重新顶住集水堰口，完成一个循环周期。 （5）可调节柔性管式滗水器 该滗水器主体常为不锈钢材料，通过高强度橡胶管或柔性波纹管将T形排水系 统与收水系统相连，收水系统由浮筒及进水头组成。由于浮筒的浮力，使滗水器 的进水头可随水面的变化而变化，并保证水面上的浮渣不会进入排水管内。进水 头由气缸、闸门、曲轴等组成，开始排水时，通入压缩空气至气缸，使气动活塞 带动曲轴将闸门关闭；滗水器不工作时，闸门处在常闭状态。KBS型可调节柔性管 式滗水器的结构见图1-11，实物图见图1-12。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 12 - 图图 1-111-11 可调节柔性管式滗水器结构图可调节柔性管式滗水器结构图 图图 1-121-12 可调节柔性管式滗水器实物图可调节柔性管式滗水器实物图 1.4.3 套筒式滗水器 套筒式滗水器有丝杠式和钢绳式两种。其基本原理都是在一个固定的平台上 通过电动机带动丝杠（或滚筒上的钢绳）连接集水堰槽上下运动。集水堰槽的下 端固定连接着若干条一定长度的直管，直管套在带有橡胶密封的套筒上。上清液 由集水堰槽流入，经套筒导入出水管后，排出反应池。在堰口上有一个拦浮渣和 泡沫用的浮箱采用剪刀式铰链和堰口连接，以适应堰口淹没深度的微小变化。 套筒式滗水器包括传动装置、滗水槽、弹性橡胶接头、支架、伸缩套筒、排 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 13 - 水干管、干管支架、天桥、排气管和伸缩式万向联轴器等部件组成。套筒式滗水 器的滗水高度 0.8-1.2m、滗水负荷 10-12 L/（m.s），其结构图见图 1-13。 图图 1-131-13 套筒式滗水器结构图套筒式滗水器结构图 1-传动装置； 2-滗水槽； 3-弹性橡胶接头； 4-支架； 5-伸缩套筒； 6-排水干管； 7-干 管支架； 8-天桥； 9-排气管； 10-伸缩式万向联轴器。 套筒式滗水器具有运行稳定、控制简单、不漏水、水流运动平稳、不扰动污 泥层等特点。但也存在不足之处，其滗水深度受外套管容纳内套筒长度的限制， 不能满足某些滗水深度大于 2/5 池内水深的工艺要求，其示意图、实物图见图 1- 14、图 1-15。 图图 1-141-14 套筒式滗水器示意图套筒式滗水器示意图 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 14 - 图图 1-151-15 套筒式滗水器实物图套筒式滗水器实物图 1.4.4 旋转式滗水器 旋转式滗水器（Revolving water decanter）主要工作在排水期。旋转式滗 水器能够追随水位的变化而变化，保证上清液的连续排出，且可以防止浮渣进入 上清液而造成的二次污染。目前在国内较大规模SBR水处理工程中应用较为广泛， 其滗水深度一般可至3m左右。主要由集水管或集水堰槽、支管、主管、支座、旋 转接头、出水汇管、回转动力装置控制系统等组成，其结构见图1-16。 图图 1-161-16 旋转式滗水器结构图旋转式滗水器结构图 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 15 - 根据所采用回转动力装置的不同，旋转式滗水器可分为压筒旋转式、注气旋 转式、绳索牵引旋转式、螺杆传动旋转式、电动推杆旋转式等几类。 （1）压筒旋转式滗水器 压筒旋转式滗水器主要由浮筒、滗水筒、排水支管、排水总管、旋转接头、 气缸等组成。工作过程中靠浮筒的浮力追随水位的变化，排水支管和排水总管都 可绕旋转接头转动。当需要停止滗水时，由气源供气，气缸内的推杆前伸，将浮 筒下压，使排水支管与浮筒的夹角减小，使滗水器进水口高于水面，而使滗水器 处于闲置状态；当需要滗水时，气源向气缸另一端供气，气缸内的推杆后缩，使 排水支管与浮筒的夹角增大，使进水口低于水面，池内的上清液源源流入滗水筒， 经排水支管顺利排出，从而完成滗水动作。 （2）注气旋转式滗水器 滗水器滗水时，使浮箱泄气进水，从而集水管下沉，排出一定的气体后，开 始滗水，直到滗水结束；启动空压机，使浮箱内进气。排出浮箱内的水，浮力增 加将集水口抬起，高出水面，停止滗水，滗水器处于闲置等状态；池内水位升高 时，浮箱带动集水口一起上浮，直到下一个循环。由于滗水过程中不同角度的重 力不同，故应允许流量稍有变化。若要实现恒流量，则在设计时保证浮力的应变 是关键，必须使得浮力的应变量始终等于重力的增加量。 （3）绳索牵引旋转式滗水器 滗水器主要由电动机、钢丝绳卷筒、排水支管、排水总管、集水管、浮头等 组成。闲置时，由钢丝绳卷筒将集水口吊离水面。滗水时，钢丝绳卷筒放松，由 于相对于总管及旋转接头中心的重力力矩大于浮力和各部分摩擦力产生的力矩之 和，因此集水口降至水面开始排水。 （4）螺杆传动旋转式滗水器 旋转式滗水器一般用于大型 SBR 反应池中排水，其滗水深度一般可至 3m 左右。 由于其机构限制，对堰口移动速率有较高要求，设计应根据不同的工艺要求，采 取可靠的控制堰口移动速率的措施。一般应采取等速率移动形式，当采用其他机 构，而不能使集水口均速下降时，应考虑速度补偿措施或设立伺服机构。 旋转式滗水器由集水槽、排水管、回转支座、连杆装置、导轨及传动装置等 组成。 当需要排水时，控制元件给出信号（全自动型通过泥水界面计或 OPR 测定仪 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 16 - 等元器件；半自动型通过液位计、时间继电器等元件） ，指令传动装置工作，螺母 旋转，螺杆均速下降，撑杆按一定轨迹运动，使集水堰槽按设定速度下移，完成 均量滗水。 当滗水结束后，可由液位控制仪给出最低极限信号，电机反转，牵引集水堰 槽上移，回到预置位置，等待完成下一个循环。 在进水水位上升的速度大于集水堰槽上升的速度时，可考虑采用变极电机， 使集水堰槽复位速度加快；也可采用开合螺母，当集水堰槽上移时，开合螺母脱 开，使集水堰槽依靠浮力上移。 如将滗水过程安排在沉淀过程中，首先应考虑滗水范围问题，确保集水堰槽 的下移速度不大于污泥下沉速度，在保证不影响污泥沉淀的同时，缩短循环周期 时长，其实物图见图 1-17。 图图 1-171-17 螺杆传动旋转式滗水器实物图螺杆传动旋转式滗水器实物图 1.4.5 人工固定多点排水法 早期的SBR系统均采用人工手动方式进行滗水，常见的是在反应器的不同高度 上设置排水阀门或排水泵，根据运行周期定时定量地排出处理后的上清液。其特 点是：水力条件好，出水水质好，不会对污泥层造成大的扰动，结构相对简单； 但其占地空间大，操作相对复杂，需要工作人员手动操作，其自控运行措施有待 进一步深入研究。在新建项目中，采用人工固定多点排水方式的已不多见，这种 老式、不方便的排水方法本文不进行深入研究。 但值得一提的是在资金短缺，考虑改扩建等因素影响下，其应用有一定的空 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 17 - 间。 以上介绍了多种滗水器，下面我用表格的形式对比几种滗水器，使读者对各 种类型的滗水器有更直观的了解，见表1-2。 表表 1-21-2 几种滗水器的比较几种滗水器的比较 方式人工固定式滗水器 类型多点式排水旋转式滗水器套筒式滗水器虹吸式滗水器 滗水高度/m滗水范围内任意 调节 1.0-2.50.8-1.20.5-1 滗水负荷 /L/（m.s） 20-3210-121.5-2 基本结构阀门，管道等电机，减速机， 丝杠，方向导杆， 载体管道，回转 接头，淹没出流 堰口等 电机，丝杠堰槽， 套管等 排水总管，排水 短管，U 型管及 电磁阀等 工作原理通过在反应器的 不同高度设置排 水点，来达到分 层排水的目的。 堰口随方向导杆 一起做转转运动， 通过堰口位置随 水位变化来排水 通过钢丝卷扬或 丝杠升降带动堰 槽，通过套管的 衔接，而达到排 水的目的 通过 U 型管及排 水短管之间形成 负压，虹吸排水 控制形式人工手动机械，自动机械机械，自动 主要特点水利条件好，运 行可靠，造价低， 操作复杂，需要 工作人员多 运行可靠，滗水 负荷及深度大。 易自控;机械结 构复杂，造价高， 部件易磨损，设 计精度高 滗水负荷大，深 度大；结构相对 复杂，造价较高， 套管有发生卡阻 而不能正常工作 的可能 结构简单，运行 可靠，造价低， 运行费用低；滗 水深度较低且不 易调整，设计精 度要求高 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 18 - 1.5 电动推杆旋转式滗水器 以上介绍了多种类型的滗水器，对于电动推杆旋转式滗水器与他们相比有一 定优势。 固定式滗水器一般都由固定不变的排水管组成，不随水位的变化而运动，且 其设计精度高，容易出现技术故障。电动推杆旋转式滗水器可与水面高度进行比 较灵活的调节，并且结构相对简单，容易操作。 柔性管滗水器在滗水过程中虽然追随水位变化，但其排水管越粗柔性越差， 一般是橡胶软管或波纹管，故采用柔性管作排水管时，滗水量一般不宜过大。电 动推杆滗水器不受材料强度等限制，其单台滗水器量可达2400m3。 套筒式滗水器其滗水深度受外套管容纳内套筒长度的限制，不能满足某些滗 水深度大于2/5池内水深的工艺要求。而电动推杆滗水器不受结构机械性能的限制， 滗水深度可达2.5m。 电动推杆滗水器与和它结构类似的螺杆传动滗水器相比，最大的区别在于其 传动装置的动力学结构的不同，螺杆传动其结构类似于一个曲柄滑块机构，而电 动推杆结构类似与一个曲柄摇块机构。二者相比，电动推杆是目前市场是比较常 见的动力装置，可以简单、方便的购买并安装。 电动推杆滗水器的重要的结构也是其动力装置就是电动推杆，其性能好坏直 接影响了滗水器的效率，下面介绍一下同步推动传动装置，简称电动推杆。 1.5.1 电动推杆的介绍和用途 电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱 动装置。可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距 离控制、集中控制或自动控制。 电动推杆是通用型的辅助驱动装置，可广泛运用于电力、机械、冶金、交 通、矿山、石油、化工、起重、运输、建筑、粮饲加工等行业，具有性能可 靠，动作灵敏，运行平稳，推拉力相同，环境适应性好等特点。电动推杆主 要由驱动电机、减速齿轮、螺杆 、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧、外壳及涡 轮、微动控制开关等组成，其 实物照片见图1-18。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 19 - 图图 1-181-18 市场上比较常见的电动推杆市场上比较常见的电动推杆 1.5.2 电动推杆的结构和工作原理 电动推杆旋转式滗水器的电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆直 线往复运动的电力驱动装置，其与滗水器联结成一个螺旋机构与曲柄连杆机构的 组合，将螺杆的旋转运动转变为滗水器的上下旋转，其结构见图1-19。 图图 1-191-19 旋转式滗水器的电动推杆结构图旋转式滗水器的电动推杆结构图 电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动， 利用电动机正反转完成推杆动作。如通过各种杠杆、摇杆或连杆等机构可完成转 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 20 - 动、摇动等复杂动作。通过改变杠杆力臂长度，可以增大或加大行程。 经电机齿轮上的涡杆带动涡轮转动，使涡轮内的小丝杆作轴向移动，由连接 板带动限位杆相应作轴向移动，至所需行程时，通过调节限位块压下行程开关断 电，电动机停止运转（正反控制相同），实物见图 1-20。 图图 1-201-20 电动推杆实物图电动推杆实物图 1.5.3 电动推杆旋转式滗水器的工作原理 电动推杆旋转式滗水器主要由同步推动传动装置（简称电动推杆）、回转支 座、主管、支管、挡渣浮筒、滗水堰、电控箱等组成，结构图见图1-21。 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 21 - 图图 1-211-21 电动推杆旋转式滗水器结构图电动推杆旋转式滗水器结构图 旋转式滗水器在排水期开始时，电动装置收到来自控装置信号，启动滗水器， 传动装置带动其两端输出轴通过两对锥齿轮将电机输送轴的旋转运动转变为螺杆 的旋转运动，再经两组螺旋副滑块机构，实现两根连杆同步驱动出水支管作变速 圆弧运动，堰口随之按预定速度匀速下降，从而将SBR反应池内的上清液从堰口均 量滗入，其流经出水支管和出水主管后从两侧的排水管排出池外。当滗水至最低 水位时控制装置输出信号，滗水停止并指令传动装置反转，驱动堰口快速回程至 高水位的最高点后，控制装置输出信号使滗水器处于待机位置，等待下一次滗水 过程,旋转式滗水器实物见图1-22。 图图 1-221-22 旋转式滗水器实物图旋转式滗水器实物图 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 22 - 1.5.4 旋转式滗水器的特点 (1)运行特点 旋转式滗水器采用多回转阀门电动装置，具有结构紧凑，运行可靠，功能齐 全等特点。由驱动装置驱动螺杆（螺母、丝杠）上下运动，螺杆的升降带动滗水 器围绕定点做回转运动。滗水器通过方向导杆带动旋转联接管及滗水堰绕水下支 撑点回转，以便追随水位的变化而变化，池内的上清液不断连续流入滗水堰，通 过排水管排出，达到滗除上清液的目的。 (2)结构特点 滗水堰槽从最高液位至最低液位的滗水全程始终依靠纯机械传动保证匀速 下降，单位时间行程内的堰口滗水量与单位时间的反应池排水量相等，池面液位 与滗水堰槽的下降同步； 堰口带有调节装置，薄壁堰式进水、连续均量排水，确保堰口处于水平状 态，均匀滗水； 由于匀速滗水，下降时绝不扰动沉淀活性污泥，水面平稳； 巧妙的挡浮渣装置全程挡渣，无浮渣带出，确保了上清液的水质。 (3)旋转式滗水器的优缺点 总体而言，旋转式滗水器的优点包括：主要结构采用金属制成，不存在橡 胶、塑料等易老化材料，使用寿命长；滗水能力大，单台最大滗水能力可达 2400m3；控制灵活，可以按要求执行不同的运行模式；在反应池处于进水、 曝气、沉淀和闲置时，堰口均位于水面之上，因此不会导致污水的外流，同时可 以省去排水管的电动阀门。 旋转式滗水器的优点显而易见，但同时其也存在许多不足。根据上述各种类 型滗水器的介绍，旋转式滗水器与无动力滗水器相比，一次投入较高；与垂直升 降式滗水器相比，它的堰口运行轨迹为弧线，会给控制带来一定困难。 1.6 本文工作内容 本文在查阅大量文献资料的基础上，了解了几种滗水器的工作原理和结构以 及SBR工艺的基本流程、特点。了解了电动推杆旋转式滗水器其滗水深度大、出水 负荷高而稳定、抗冲击负荷能力强，下降时水面平稳、不扰动水下活性污泥层， 电动推杆旋转式滗水器的结构设计及三维实体模拟 - 23 - 控制简单、不需要很复杂的自控系统、投资少、运行可靠、且易受PLC中央控制等 特点。 在后文中，将对电动推杆旋转式滗水器进行全面的分析，分析其运动学，通 过机构的运动和几何关系计算出相应的数据，从而选出合适的电动推杆。通过分 析水力学，来避免完全淹没式堰流的发生，保证其均量滗水。通过力学分析计算 出各个部件的具体尺寸，完成最后的设计和安装。最后用aotuCAD绘