真空排水系统新型界面阀的研究优秀毕业论文.pdf

分类号 学号 m200973185 学校代号 10487 密级 硕士学位论文硕士学位论文 真空排真空排水水系统系统新型界面阀的新型界面阀的研究研究 学位申请人： 尹户生 学 科 专 业 ： 环境工程 指 导 教 师 ： 周敬宣 教授 答 辩 日 期 ： 2012 年 2 月 7 日 a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering study on new type of interface valve of vacuum sewerage system candidate : yin husheng major : environmental engineering supervisor : prof. zhou jingxuan huazhong university of science s受力面面积（m2） ； q抗泄力，防止污水沿接触面渗漏的力，其值受接触面材质、粗糙 度、泄径长短以及接触应力的影响，现给定为 10kgf，根据实验工 况进行调整。1kgf=9.8n。 计算得到 p1=363n。 设定阀门关闭时， 肘节机构 bdc 的连杆 bd 位于 bde 成直线前偏右 4， 此时， 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 23 点 b 和点 d 都略有移动，沿着各自轨迹运动至点 b和点 d，下面对整个肘节机构 进行受力分析，如图 3-6 所示。 图 3-6 肘节机构受力分析图 （1）对点对点 a 进行受力分析进行受力分析 连杆 bd 的材料为刚性材料，忽略其重力，其在两个接触点所受的两个力的作 用下处于平衡状态，为二力构件，构件呈杆状，故也可称为二力杆，二力的方向必 沿着作用点的连线，设为 2 p。根据图 3-6 对点 a 进行受力分析。 1122 plpl （3-2） 22 cos28 y pp （3-3） 22 sin28 ax xpp （3-4） 21ya ppy （3-5） 式中： p1阀门反封力（n） ； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 24 2 p连杆 bd 给顶杆针座的力（n） ； p2x、p2y为在水平与垂直方向的分力（n） ，由图 3-6 可知，与 垂直方向的夹角为 28 ； xa、ya轴 l 对点 a 的两个分力（n） ； l1力 p1的力臂，由图 3-6 可测为 75mm； l2力 2 p的力臂，由图 3-6 可测为 42mm； 计算得到 2 p=649n，xa =p2x=305n，p2y=573n，ya =210n。 （2）对点对点 d 进行受力分析进行受力分析 连杆 bd 为二力构件， 对点 d 的力 p2与 2 p等大反向， 连杆 dc 同样为二力构件， 其力 p3沿着连杆 dc 力的作用点的连线，p3与气缸的推力 p4共同作用于点 d，三力 平衡，对点 d 进行受力分析，其力的三角形见图 3-7。 图 3-7 点 d 的受力分析图 据力的三角形法则，以力的三角形的边长按一定的比例等效力的大小，根据图 3-7 可知：p3=610n，p4=96.1n。 （3）肘节）肘节连杆连杆形变形变分析分析 上肘节和下肘节的所受的压力分别为 p2=649n，p3=610n，上下肘节各有两个连 杆，为普通 pvc 板材。阀门关闭后，在不考虑接触点的非线性变形的情况下，连杆 应遵循胡克定律，则连杆受压力作用的变形47应为： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 25 pl l zef （3-6） 式中： l连杆变形（m） ； p力（n） ； l连杆长度，设计长度均为 42mm=0.042m； f连杆截面积，f=2010=200mm2=210-4m2； z连杆数，上下连杆均为 2； e连杆材料弹性模数，选用 pvc 板材的蠕变模量进行计算，用该值 计算得到的塑料件最大变形量小于其极限变形量48，根据塑料 件的设计续表 4 取其值为 1600mpa=1.60109n/m2。 计算得到：上连杆的变形 1 l=4.2610-5m=4.2610-2mm； 下连杆的变形 2 l=4.0110-5m=4.0110-2mm。 由计算结果可知：肘节机构的上下连杆总的变形量为 0.083mm，相对于整个肘 节机构来说很小，不会对肘节机构构成影响。 （4）顶针座螺孔）顶针座螺孔螺纹螺纹及顶针及顶针的的受力分析受力分析 阀门是通过顶针顶紧翻板而实现阀门密封，见图 3-8。顶针为一 m835 内六角 圆柱头螺钉改造而成。气缸伸缩杆伸直后，将顶针顶紧翻板，至不漏水时，用螺母 锁紧，起到固定住螺栓不松动的作用。当阀门开启时，顶针不受力，故顶针座内的 螺纹强度没有问题，当阀门关闭时，所有的力都作用在顶针座螺孔的螺纹上，故对 其进行强度校核，顶针座螺孔内及顶针的螺纹牙强度公式49为： z f kdbz 内内 （3-7） z f kdbz 外外 （3-8） 0.5 p r 内 （3-9） 式中： 螺纹承受的切应力（mpa） ； rp内胆材料的抗拉强度（mpa） ，pvc 材料的抗拉强度取 7mpa； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 26 螺纹的许用切应力（mpa） ； pvc 材料的螺纹其内=0.57=3.5mpa， 螺杆的螺纹外=40mpa； f最大轴向载荷（n） ，f=p1=363n； kz载荷不均匀系数，假设为均匀分布，取 1； d内螺纹大直径（mm） ，8mm； d外螺纹小直径（mm） ，7.2mm； b螺纹牙根部宽度（mm） ，普通螺纹的牙根部的宽度为螺纹间距的 0.87 倍，b=0.871.25=1.087mm； z旋合螺纹牙数，为 12。 计算得到： 内=1.11mpa内=3.5mpa， 由计算结果可以知道设计使用的顶针座内螺孔的螺 纹强度能够达到设计与使用的要求。 外=1.23mpa外=40mpa， 由计算结果可以知道设计使用的螺栓的螺纹强度能 够达到设计与使用的要求。 图 3-8 顶针结构图 （5）翻板的形变分析）翻板的形变分析 翻板的材料为 304 不锈钢钢板，翻板的固定端与翻板采用氩弧焊焊接，牢固可 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 27 靠；翻板的固定端为一椭圆形的通孔，可以根据翻板与进污口的接触面，自动调节， 防止翻板偏移致使阀门漏气；另外，顶针的头部加工成球形，也可以起到自适应的 作用，防止螺钉顶部的非球面与翻板接触造成受力不均致使阀门密封不严。翻板被 顶针顶住，受力较大，且集中于一点，需对其进行分析。 翻板上下受到压差的作用，下部受到顶针的集中力的作用，翻板四周与进污口 贴合，对其进行简化，略去压差对翻板的作用力，对翻板进行分析，翻板相当于为 周界铰支，中心受集中载荷的圆形平板，根据公式50： 2 3 0.55fr y eh （3-10） max 2 0.63ln1.16 fr hh （3-11） 式中： y中心挠度（mm） ； max 中心应力（mpa） ； 中心处许用应力，304 不锈钢的许用应力为屈服强度的 1.5 倍， 2051.5=307.5mpa； f中心处集中载荷（n） ，f=p1=363n； r圆板半径（mm） ，r=37.5mm； h圆板厚度（mm） ，不锈钢板厚度为 3mm； e材料弹性模数（mpa） ，20下 e=195gpa=195000mpa； 计算得到： 22 33 0.550.55 363 37.5 0.16 195000 3 fr ymm eh max 22 36337.5 0.63ln1.160.63 ln1.16110.96 33 fr mpa hh 由上面的计算结果可知，翻板的中心挠度为 0.16mm，形变量很小，能够实现要 求。中心处的应力 110.96mpa 小于材料的许用应力 307.5mpa，符合要求。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 28 3.2.4 气缸的选择 根据肘节翻板阀的工作环境以及对气缸的工作要求，选择单活塞杆双作用气缸。 活塞杆的推力 ft和拉力 fl51，按如下公式计算： 2 4 ts fd p （3-12） 22 () 4 ls fddp （3-13） 式中： ft活塞的推力（n） ； fl活塞的拉力（n） ； d活塞杆直径（mm） ； d活塞直径（mm） ； ps气源压力（mpa） ； 考虑摩擦阻力影响引入的系数，取 =0.8。 选用 sns2550 气缸，其活塞内径 d=25mm，活塞杆直径 d=10mm，计算得到 在不同的气源压力下气缸的拉力和推力，见表 3-1。 表 3-1 不同气源压力下的气缸的推力和拉力 编号 气源压力 (mpa) 推力 ft (n) 拉力 fl (n) 1 0.2 79 82 2 0.3 118 124 3 0.4 157 165 4 0.5 196 206 5 0.6 236 247 6 0.7 275 288 根据图 3-7 得出的 p4=96.1n， 结合表 3-1 气缸的推力及拉力， 分析得出气源压力 大于等于 0.3mpa 的情况下足以克服阀门的反封力 p1，实现阀门的密封。 3.2.5 阀体的设计 阀体的设计主要参考以下几个方面因素： 保证其内部的肘节机构能够在阀体内自动运行； 优化阀门的流通特性； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 29 便于加工、安装与维修。 由于该阀为应用于真空排水系统领域的新型界面阀，其成功与否为一个未知数， 故设计一个方便加工的模型来研究其可行性，因此设计的阀体为多块板子靠紧固件 （如拉杆）和胶粘共同完成，两侧为透明的有机玻璃板，便于观察内部肘节结构和 密封口的运行状况，加工的模型见附录 1 图 1。 对有机玻璃板的强度进行校核：板子的四周通过螺钉与阀体连接，板子内外的 压力为 0.06mpa，根据实物简化模型，可以认为其为周边嵌住，整个板面均匀布载 荷的情况，校核公式50为 4 3 3 qb yc eh （3-14） 2 4y b c q h （3-15） 2 5x b c q h （3-16） 式中： y中心挠度（mm） ； c3、c4、c5矩形平板系数； e板子的弹性模量，有机玻璃为 72000mpa（n/mm2） q均布载荷，q=0.06mpa（n/mm2） ； a、b分别为矩形平板的长和宽（mm） ，a=233mm，b=156mm； h矩形平板的厚度（mm） ，h=5mm； 由 233 1.5 156 a b ，查表50得到：c3=0.0241，c4=0.2208，c5=0.1224。 计算得到： 中心挠度 44 3 33 0.06 156 0.02410.1 72000 5 qb ycmm eh 中心应力 22 4 156 0.2208 0.0612.9 5 y b c qmpa h 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 30 22 5 156 0.1224 0.067.1 5 x b c qmpa h 由计算结果可知：中心挠度较小，中心应力小于普通有机玻璃的弯曲强度 （90130mpa） 。因此，设计使用的有机玻璃能够达到要求。 为了防止克服气缸推动伸缩头的力与翻板与进污口闭合的力对整个阀门的不利 影响，故在阀门的前后端及上下端采用拉杆将其固定住，使用材料为 45 号钢，最小 断面的直径分别为 4mm、8mm。拉杆应有足够的强度和刚度，表面要有一定的光洁 度和硬度，对其进行如下校核。 （1）前后拉杆）前后拉杆 1）拉伸强度 气缸孔所在的位置并非在前板的中央处，产生的偏载可能对前后拉杆用一定的 影响，由于整个系统的刚性较大，加之这部分偏载较小，可以忽略其对系统的影响， 将连接前后板的拉杆简化成受纯拉伸的杆件，其拉伸强度条件47为 2 0.785 p d z （3-17） 式中： p力（公斤力：kgf） ； d拉杆直径（cm） ； z拉杆数； 许用拉伸应力，对 45 号钢，其 可取 750900kgf/cm2；取该 值为 750 公斤力/厘米 2，原因为：偏载使拉杆的载荷为非均匀分配；拉杆的断面 变化处存在应力集中现象。 代入公式（3-17）计算： 2 22 96.1/9.8 0.20/ 0.7850.785 44 p kgfcm d z 得到 ，前后拉杆的拉伸强度达到要求。 2）疲劳强度 拉杆在阀门工作的过程中，关闭时受拉伸，打开时被压缩，且两个力度大小不 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 31 一，承受变载作用，需要对拉杆进行疲劳强度验算，其疲劳强度条件47为 2 1 2 ttc n kk （3-18） 式中： -1材料拉伸强度持久限（kgf/cm2） ，45 号钢其值为 2700 kgf/cm2； t拉应力（kgf/cm2） ，为 0.27 kgf/cm2； c压应力（kgf/cm2） ；取拉应力的 10%15%，取值为 0.04 kgf/cm2； n强度安全系数，n=1.51.8，取 1.8； k应力集中系数，取 1.82.0，取 2； k比例因素系数，拉杆直径在 100mm 内可取 11.1，大于 100mm 时取 1.25，取 1.1； 计算得到：0.18681.8，满足疲劳限要求。 （2）上下上下拉杆拉杆 连接固定上下板子的拉杆在阀门开启和关闭时均只受拉力，因此仅需校正其拉 伸强度，根据公式（3-9）计算得到： 22 22 363/9.8 0.37/ 750/ 0.7850.785 82 p kgfcmkgfcm d z 可知：上下拉杆的拉伸强度达到要求。 3.3 阀门参数阀门参数 阀门的相关参数包括公称通径、公称压力、以及流阻系数和流量系数等，下面 分别阐述。 3.3.1 流阻系数 流体流过阀门时，其阻力损失以流经阀门前后的流体压力降来表示，记作p。 阀体的流阻系数是计算流体压力降的主要参数，其值主要取决于阀体的结构、尺寸 以及流道类型51，记作，其值为阀体内任何一个产生阻力原件的流阻系数之和。 阀体简图见图 3-9。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 32 图 3-9 阀体结构见图 据图 3-9，首先，可以认为污水从内径为 75mm 的管段突然扩大 156 mm95mm 的矩形断面，其流阻系数51为1： 2 2 2 12 1 156 95 115.55 75 4 a a （3-19） 然后认为有一个 90的直角转弯，根据标准弯头阻力系数表，取2=0.75。 最后可以简化认为污水经 15695mm2的矩形断面突然缩小至内径为 54mm 的 管段，其流阻系数51为3： 2 3 3 2 54 4 0.5 10.510.423 156 95 a a （3-20） 肘节翻板阀的流阻系数=1+2+3=5.55+0.75+0.42=6.72。 3.3.2 压力损失 作为真空排污系统的排污终端，其气液两相流可以认为是紊流状态，通过肘节 翻板阀的压力降 2 2 u p （3-21） 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 33 式中： p阀门的压力降（pa） ； 流阻系数； u污水的平均流速（m/s） ，取 4.57m/s52； 污水密度（kg/m3） ，取气液比为 6 时的流体密度 142kg/m352。 计算： 22 6.72 4.57142 9964.610 22 u ppakpa 。 由上述计算可知肘节翻板阀分别为 6.72 和 10kpa，相比于正压隔膜界面阀的流 阻系数 9.84 和压力降 17kpa52，均较小。可知：肘节翻板阀的流通性能好于课题组 原设计的正压隔膜界面阀。 3.3.3 流量系数 流量系数的物理意义为流经阀门时产生单位压力损失的流体流量，是评价阀门 流通能力的重要指标，阀门的流量系数越大表示流经阀门的流体的压力损失越小， 其值受限于阀门的结构、尺寸、阀门类型等参数51。 流量系数的计算公式由于其单位的不同有多种计算方法，一般采用公式 3-22 计 算51： v aq p （3-22） 式中： av流量系数（m2） ； q体积流量（m3/s）; p阀门压力损失（pa） ； 流体密度（kg/m3） 。 体积流量 22 3 3.14 0.0544.57 0.01046 44 d qa uum s 带入式 3-12 计算： 32 142 0.010461.25 10 10000 v aqm p 通过以上三个参数的计算，与正压隔膜界面阀的参数52作比较，见表 3-2。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 34 表 3-2 阀门参数对比表 阀门 流阻系数 压力损失 流量系数 正压隔膜界面阀 肘节翻板阀 9.84 6.72 17kpa 10kpa 6.410-4 m2 1.2510-3m2 根据表 3-2 中的数据可以得出， 肘节翻板阀的流通效果好于正压隔膜界面阀， 在 防止界面阀堵塞这一块可以有所改善，由此可见设计理念正确。 3.3.4 其余参数 该肘节翻板阀是针对真空排水系统设计的，因此能适应真空排水系统的应用要 求，现将其部分参数列如下： （1）界面阀的入口（进污口）口径为 75mm，出口（排污口）口径为 54mm； （2）界面阀在真空排污系统中的工作压力为 0.04mpa0.07mpa（绝对压力） ； （3）驱动界面阀动作的正压气源压力0.4mpa； （4）界面阀的适用介质为水、气及水气混合物； （5）界面阀的适用温度为常温。 3.4 本章小结本章小结 本章首先介绍了肘节翻板阀的设计思路以及设计过程，包括肘节机构的动作原 理设计、肘节机构的设计以及肘节机构敏感零部件的力学分析，理论上论证了该新 型界面阀设计理念正确。 然后计算了肘节翻板阀的相关参数，包括流量系数、压力损失以及流阻系数， 并与课题组目前可靠性较高的正压隔膜界面阀作比较，其流通性能优于正压隔膜界 面阀，即肘节翻板阀较正压隔膜界面阀不易堵塞。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 35 4 翻板阀两用翻板阀两用改造设计研究改造设计研究 真空厕所作为一种新型的环保生态厕所，其独特的优势决定了其巨大的市场潜 力。但目前厕所使用的便器基本上都是陶瓷的或者不锈钢的材质，这种便器使用寿 命长、且不易损坏，若想推广真空厕所，必须要根据市场现有的便器，研发出配套 的界面阀，组成真空厕所，以便完成市场的推广。 我国的城市排水系统，一方面主要侧重于污水处理技术的研究，因此传统的排 水系统的功能主要是及时将生活污水、工业废水和雨水输送至污水处理厂进行处理， 防止不及时输送发生内涝，影响市政交通和市容市貌；另一方面侧重于新建城市下 水道系统的规划建设工作，忽略了对老城区旧排水系统的改造研究53。 目前，老城区及中小城区的排水系统及其改造存在以下问题54： （1）排水系统不完善，大都采用雨污合流的方式，各类废水直接经由一条管道 接入市政管网，直接排入城市水体，且没有规划设置污水处理厂，严重影响城市生 态环境； （2）旧城区的给排水管道服务年限长，年久失修，管道老化与锈蚀，存在泄露 现象，造成环境污染，影响市容市貌； （3） 老城区的排水系统改造工程要以保证其传承的文化价值为前提， 项目复杂， 拆迁工作量大，成本高，经济效益不明显。 因此，若想既能快速实现老城区的排水系统改造，在无需新建市政管网的基础 上实现污水的收集与资源化利用，又能体现老城区生态环保的特色，针对传统便器 的真空厕所改造方案不失一种好方法。 4.1 传统的重力冲水型厕所传统的重力冲水型厕所 在建筑给排水领域，传统的室内给排水方式为隔层排水方式，即上层的排水管 道的存水弯、排水横管和支管穿过楼板，安在下一层的顶部，若楼板防水质量较差 就可能造成跑、冒、滴、漏等问题，维修麻烦。另外一种排水方式为同层排水系统， 即同楼层的排水支管和主排水支管均不穿越楼层，在同一楼层内连接到排水立管上 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 36 55，能够很好的解决隔层排水系统出现的问题。 卫生器具是建筑排水系统的起点，接纳各种污水后排入管网系统，污水从卫生 器具排出口进入，经存水弯和器具排水管流入横支管，经排水立管排出至检查井进 入市政污水管网系统。 以隔层排水系统为例，对大便器的管道安装进行说明。蹲便器按其冲洗方式， 可以分为高水箱冲洗和自闭式冲洗阀冲洗两种56，见图 4-1。 高水箱冲洗方式 自闭式冲洗阀冲洗方式 图 4-1 蹲便器冲水方式图 蹲便器的安装要符合位置正确性、稳固性、美观性、严密性、可拆卸容易等的 技术要点56，其安装一般安排在工程的收尾阶段，器具一旦安好，要进行有效防护， 如用纸袋或苫布将器具盖住、切断水源等。 蹲便器的接管程序：楼层的钢筋混凝土楼板完成后，安装与便器出口直接相连 的排水管，排水管与便器出口以承插的形式连接，连接管的承口顶部要高于楼板 25mm 左右， 待对其做好防水处理 48h 后再进行便器的安装， 安装前需要在连接管的 承口内外涂上油灰，将便器排水口插入连接管的承口，并再用油灰填满承插部位的 缝隙，在便器底部填白灰膏，把承插部位填充密实，并使大便器水平56，连接方式 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 37 见图 4-2。 4-2 大便器与排水管的连接 4.2 肘节翻板阀的两用改造肘节翻板阀的两用改造 第三章讲述的肘节翻板阀（见图 3-3）是专门为真空排水系统设计的，在阀门的 下边有一个卸污孔，阀门两侧为透明的玻璃板，可以观察到阀门内部的情况，当阀 门堵塞或是内部零件出现问题时，打开卸污孔，排放污物或维修内部破损的零件。 阀门的两用改造是指既能采用重力排水系统收集粪便污水，又能用真空排水系 统收集。通常在有电和真空排水系统不出现故障时采用真空收集粪便污水，当停电 或者真空排水系统出现故障时，采用重力排水系统收集，即“真空-重力”两用阀17。 4.2.1 插板阀 插板阀是通过闸板与密封橡胶之间的配合实现截流的，阀板与密封橡胶之间配 合是决定阀门密封性能的关键，其结构图 4-3。 图 4-3 插板阀结构图 目前，插板阀已经应用于实验室的车载真空厕所系统的集污罐上，位于集污罐 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 38 的底部，为正压气源驱动，见图 4-4。 图 4-4 插板阀应用图 插板阀的作用：当排污罐内达到污水上限时，打开插板阀排掉污水，然后关上 阀门，真空厕所恢复使用，这个操作过程完全由 plc 实现自动控制。由于插板阀在 车载真空厕所系统上的使用频率较小，截止目前没有出现内漏的问题，因此，根据 工程经验可知：将其应用于只有在停电或者真空排水系统出现故障时才使用的场合， 也没有问题。 4.2.2 两用改造 首先，按照插板阀的连接方式和连接尺寸，对肘节翻板阀底部的卸污孔进行改 造。 若只针对真空排水系统使用时， 可以将改造后的卸污口与如图 4-5 的零件与环形 橡胶圈连接起来，用螺丝配合密封胶固定。 图 4-5 卸污口密封板 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 39 若将该界面阀用于“真空-重力”两用的场合时，将插板阀与改造后的卸污口连 接即可，构成两用的界面阀，见图 4-6。 图 4-6 两用阀结构图 4.3 两用阀的工作及控制原理两用阀的工作及控制原理 4.3.1 工作原理 （1）当真空排水系统出现故障、进行预防性维护以及停电时，不能使用真空排 水系统收集污水，打开翻板，开启插板阀，粪便污水靠重力流入下水道； （2）除去上述状况，可以利用真空排水系统收集输送污水，通过 plc 自动控制 系统打开空压机，达到一定压力后会驱动插板阀关闭，驱动翻板贴紧排污口，待系 统真空度达到预设值并持续一段时间后，开放厕所使用。 4.3.2 控制原理 正压隔膜界面阀靠三通五位的单电控电磁气阀控制，即只有一个线圈。未通电 时，a 端与正压气源接通，正压阀关闭，通电时，b 端与正压气源接通，正压阀开 启，断电后，靠电磁气阀内的弹簧复位。翻板阀和插板阀的驱动气缸与正压阀一样， 均为单活塞杆双作用气缸，根据正压隔膜界面阀的驱动原理，并结合两用阀的应用 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 40 分析，选择了双电控电磁气阀作为其控制装置。 双电控电磁气阀有两个线圈， 一侧通电时阀门换向， 断电以后不复位 （无弹簧） ， 另一侧通电时才复位。因此，在重力排水系统工作时，阀门需要长时间开启，相对 于单电控电磁气阀，双电控电磁气阀可以避免线圈长期通电过热的弊端。 下面根据图 4-7 阐述“真空-重力”两用阀的控制原理。 图 4-7 两用阀控制原理简图 （1） 采用重力排水系统收集粪便污水时， plc 控制系统接通备用电源 （dc24v） ， 使双电控电磁阀 7、11 的线圈 ct2 和 ct4 得电，利用空压机 12 内剩余的气压将翻 板 1 和插板阀的闸板 2 打开，污水依靠重力从下孔流出，经过存水弯 3，直接进入化 粪池 9 进行处理； （2）来电时，plc 控制系统自动开启空压机 12，同时双电控电磁阀 7、11 的线 圈 ct1、ct3 得电，推动气缸 4、6 的伸缩杆伸出，关闭翻板 1 和闸板 2，与此同时， 开启真空泵泵机组 10，对整个系统抽真空，达到一定的压力后自动停机，系统可以 对外开放，经真空排水系统收集的粪便污水经过真空管网进入真空站的集污罐 8，再 将集污罐内的污水排入化粪池 9 进行下一步的处理与处置。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 41 4.4 与传统便器与传统便器连接连接 4.4.1 对接 真空排水系统既可应用于隔层排水系统，又可以用于同层排水系统。下面结合 前面图 4-1 所示的隔层排水系统的管道安装，将“真空-重力”两用阀与其对接，对 接简图见图 4-8。 图 4-8 便器与两用阀对接简图 安装方式：首先截去排水管中间的一部分，然后将两用阀与上下的管子连接上， 上部靠承压座内的 j 型圈与上部管道相连，下部将插板阀的与下面的管子相连。并 采用托架对其进行固定。 阀门上部的承接座压圈的尺寸为100mm，这是根据国标的100mm 的 j 型圈 设计的，而传统厕所的排水管管径为 de110，在对接的过程中使用变径接头即可实现 对接功能。上部的排水管与变径接头用胶粘连，变径接头的小头直径为 100mm，可 以直接和翻板阀的 j 型圈连接，通过 j 型圈与管道的紧密贴合，实现密封效果。两用 阀下部的插板阀与管道连接时，也是通过插板阀下侧的橡胶圈与管道接触实现密封。 这两部分密封不会与真空直接相连，只需要保证不漏水即可。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 42 4.4.2 冲洗水设置 （1）传统便器的冲水传统便器的冲水及其控制及其控制方式方式 1）传统便器的冲水方式分为直冲式和虹吸式两种： 直冲式即利用水流的冲力冲走粪便，一般便池面较陡，存水面积小，水力集 中，冲污效率高。其优点是结构简单、管径粗（80100mm）利用水的重力加速度即 可冲洗干净，与虹吸式相比，容易冲下较大的污物，卫生间内可不备纸篓，从节水 方面也比虹吸式省水；缺点是冲洗水噪声大、容易结垢、臭味控制较差。目前市场 上直冲式厕所产品可供选择的范围较小。 虹吸式即便器内有一个侧倒的“s”形管道，池壁坡度较缓，排污能力强、 冲洗面较大。优点是冲水噪音小、防臭效果好、市面上可供选择的产品较多；缺点 是用水量较大、易被厕纸等较大污物堵塞。 2）便器的出水方式上有以下两种： 水箱冲水式：按照冲洗水箱的安装高度分为低位冲洗水箱和高位冲洗水箱， 一般低位冲洗水箱由于水的压头较小，冲洗水用量较大，应用较少一般多采用高冲 洗水箱56。 自闭式冲水阀式：这种阀门的种类较多，有脚踏式、手按式等等，原理相近， 都是通过机械延时装置57控制保证冲水水量，但这种方式经常出现故障导致冲水量 不易控制、浮动较大。 （2）改造后的冲水控制方式）改造后的冲水控制方式 重力排水系统改造为真空排水系统后，冲洗水量势必减少，而原始的阀件控制 出水量不够精确，且故障率较高，常常由于机械延时装置失灵造成水资源的严重浪 费，增加污水收集与处理的负荷，对真空排水系统的影响更为显著，由于排水量的 增加一方面导致真空站内设备长期运行造成设备使用寿命缩短，另一方面超过真空 排水的负荷容易造成溢流，污染卫生间。因此需要对其进行改造，改造需要从两个 方面着手，一为管道改造，二为控制系统改造，见图 4-9。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 43 图 4-9 真空-重力两用冲水方式示意图 1）管道改造 给水管道分出两条支管，并联连接，分别安装有电磁水阀（均为 dc24v）控制 给水水量，其中一个电磁水阀接 plc 控制系统，该控制系统服务于真空排水系统， 设置开启时间为 2s；另一个电磁水阀接重力终端控制系统，设置开启时间为 10s。前 后的球阀用于维修时使用。 冲洗水的给水水压一般在 0.10.6mpa 之间，冲洗水的速度约为 13m/s，一般情 况下使用的冲洗水压力为 0.3mpa（即 3 个大气压） ，选取速度为 1.6m/s，已知管径为 20mm，计算得到： 22 -42 d3.14 0.02 s=3.14 10 44 m 443 1.6 3.14 105.024 100.5qvsm sl s 则在真空排水系统收集污水时，冲水量约为 1l，重力排水系统收集污水时，冲 水量约为 5l。 冲洗时间可以根据工程调试时便器的冲水效果决定冲洗水的开启时间， 以便实现对冲水水量的精确控制。 2）控制方式 电磁水阀中有一个由 plc 控制系统实现自动控制，这个水阀用于控制真空排水 系统下的冲洗水，其 plc 程序设计及优化已由冯斌58完成。为了实现对重力冲水水 量的精确控制， 设计了一种重力终端控制系统， 控制系统主要由 dc24v 电源、 按钮、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 44 中间继电器、时间继电器和电磁水阀组成，其原理图见图 4-10。 图 4-10 重力终端控制系统原理图 无电时，启动系统的 dc24v 备用电源，厕所采用重力排水系统收集污水。使用 时，用户按下按钮，中间继电器得电，其常开触点 j1、j2 闭合，j1 闭合实现中间继 电器的自锁，j2 闭合时间继电器和电磁水阀得电开始工作，时间继电器设置延时时 间为 10s，10s 过后，时间继电器的常闭延时断开触点 sj1 断开，中间继电器失电， j1、j2 复位（断开） ，时间继电器失电，sj1 复位（闭合） ，一个冲水过程结束。 4.5 本章小结本章小结 本章首先介绍了老城区旧的重力排水系统存在的问题及改造的必然性；其次根 据第三章设计的肘节翻板阀，对其进行改造，与插板阀进行组装构成“真空-重力” 两用界面阀，阐述了两用界面阀的工作与控制原理；最后介绍了如何将两用阀与传 统便器实现对接，包括固定安装和控制等方面的内容，阐述了“真空-重力”两种阀 的控制方式，并对传统的给水管道进行改造，设计了重力冲厕终端的电路控制系统。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 45 5 新型界面阀的实验研究过程新型界面阀的实验研究过程 5.1 界面阀测试实验的目的和原则界面阀测试实验的目的和原则 5.1.1 实验目的 通过实验确定新型界面阀的各项性能参数，包括界面阀的密封性能、耐久性以 及抗堵塞性能等。 5.1.2 实验原则 （1）界面阀单元在承受一定数量的运行次数后（该数据应大于设于制造商推荐 的数据） ，仍能正常工作。 （2）在实验室内对界面阀单元所做的测试工作应模拟其实际的工作状况，测试 时应使用干净的水和空气，证实完整的界面单元可以正常完成规定动作次数的循环 后，仍能正常工作。 （3）测试工作应该保证界面阀可以在如下情况仍能正常工作：被废水淹没；废 水水流路径未按阀件机械特性控制等5。 5.2 耐久性耐久性测试实验测试实验 这部分实验的目的为通过翻板阀开启和关闭的连续操作，观察新型界面阀的内 部肘节机构、翻板密封面等受力较大的部件可能会出现的问题。由于加工制作的界 面阀为一个模型，阀门的阀体是由 pvc 板靠胶粘和拉杆连接而成的，其强度不高， 因此在实验过程中测试的时间较短，但基本上可以得知阀门的一些性能和效果。 5.2.1 实验装置 实验装置由新型界面阀、界面阀的控制系统、空压机构成，空压机的参数如表 5-3 所述；界面阀的控制系统相对于实际工况的控制系统较简单，主要实现有规律的 开关阀门的作用，是由 1 个电磁气阀、和 2 个时间继电器构成的，简单介绍如下： （1）电磁气阀 选用 airtac 牌的三位五通的电磁阀。三位指的是阀芯可以处在三个位置，五 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 46 通是指阀上的接口数量为五， 有一侧有三个孔， 中间的接空压机的进气管， 标注为 p， 两侧的用于装消声器；另一侧有两个孔，分别标为 a、b，其中 a 是常通孔，即无电 时 p-a 接通，有电时 p-b 接通，断电后靠内部的弹簧自动复位，恢复至 p-a 通。 （2）时间继电器 型号为 js14s。它适用于交流 50hz，额定控制电源电压至 380v 及直流控制电 源电压至 240v 的控制电路中作延时元件，按预定的时间接通或断开电路。实验中使 用的时间继电器的基本参数见表 5-1。 表 5-1 js14s 的主要参数和技术性能表 序号 各项参数 序号 各项参数 1 工作方式 通电延时 5 环境温度 -5 +40 2 触点容量 5a 250vac 阻性 6 功耗 3va 3 工作电源 ac220v 50hz/60hz 7 安装方式 面板式 4 延时精度 1% 8 延时范围 099s 界面阀的电路控制系统见图 5-1。 a 控制原理图 b 实物图 图 5-1 实验电路控制原理及实物图 图中，sj1、sj2 为时间继电器，分别控制电磁气阀是否得电、整个系统的运行 周期，由其延时断开的常闭触点完成工作。sj1 的延时时间设置为 2s，sj2 的延时时 间设置为 4s。ct1 为三位五通的电磁气阀。图 b 为连接的实物图。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 47 当将电源的插头插入电源后，按下开关 k1，时间继电器 sj1、sj2 和电磁气阀 ct1 得电，此时，电磁气阀的 p-b 相通，界面阀打开；sj1 的常闭触点经过 2s 钟的 延时断开，电磁气阀 ct1 断电，内部弹簧自动复位，电磁气阀 p-a 相通，界面阀关 闭；此时，sj1 和 sj2 还在通电的状态下，sj1 的常闭触点一直断开，一直等到 4s 时，sj2 的常闭触点延时断开后，整个控制系统断电，sj1 和 sj2 的常闭触点同时复 位（闭合） ，进行下一周期的循环。 时间继电器 sj1 和 sj2 的时间可以根据实验的需求随时断电调节。 5.2.2 实验过程 （1）实验准备）实验准备 1）装配阀门 拉杆要实现其对阀门的预紧力，保证构成板子连接的强度和刚度； 在装配的过程中尽量考虑到所有可能漏气的部位，并采用一定的措施进行防 治，便于后续试验测试其气密性。 2）检验电控系统 按照耐久性试验的电气控制原理图连线，检查电路连线方式，并进行实验，确 保电磁气阀及时间继电器的正常运行； 3）检查空压机； 4）接好气路管路，将空压机压力打到 0.3mpa（3 个大气压） ，检验气路管路是 否漏气。 （2）实验步骤）实验步骤 1）实验准备阶段，确保实验装置运行稳定可靠； 2）将空压机的压力打到 0.3mpa（3 个大气压） ，空压机内的高压气驱动气缸动 作，关闭阀门； 3）调节顶针座上的顶针，将其顶住进污口； 4）将水倒入阀门进污口处，继续拧紧顶针，至进污口处不再往下滴水，拧紧锁 紧螺母； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 48 5）接通电源，按下开关 k1，开始计时，计算阀门的运行次数； 6）运行一段次数之后，向进污口内倒水，观察阀门是否泄漏。 5.2.3 实验结果及分析 实验用的阀门是一个模型，阀门的阀体是由 pvc 板靠胶粘和拉杆连接而成的， 而实验的主要目的是观察其内部结构的耐久性。 （1） 笔者较担心由于阀体强度不够出现解体的问题， 因此测试的时间相对较短， 仅为 115，阀门在这段时间内开关了 19 次，再向进污口内倒水发现并未有水的泄 漏，坚持这种状态至当第二天的 9:35，期间约有 17 个小时，放置在阀门进污口内的 水位没有下降，在阀体内也没有看见水迹，可知阀门密封口处的密封性能良好。 （2）翻板机构的钢板及密封橡胶板没有出现变形、磨损等现象，肘节机构的连 接部件没有出现变形、弯曲现象。由此得出：阀门内部结构的耐久性较好。 （3）在实验的过程中，观察到阀门内部的肘节机构运转正常，开启/关闭动作反 应迅速，但是阀门动作时噪声及震动较大，据观察发现主要是由于肘节机构在气缸 的推动作用下，运行速度快，翻板与进污口闭合过程造成的噪声和震动。 5.2.4 震动的预防方法 阀门的震动是由翻板与进污口快速闭合造成的，因此针对震动的原因，对阀门 的开启和关闭速度进行控制能够较好的解决该问题。 一般气缸的速度控制系统由单向节流阀实现的，单向节流阀由一个针阀和一个 单向阀并联构成，针阀通过其开度的可调来实现对进气和出气流量的限制，来完成 对气缸速度的控制。速度控制系统分为进气控制回路系统和排气控制回路系统40两 种，见图 5-2。 由于排气节流系统具有更好的速度可控性和稳定性，因此目前主流的气路节流 回路系统为排气节流系统，此外其还具有两个优点：气缸运动的过程中排气口始 终保持一定的压力，起到缓冲的作用；活塞杆在伸出和关闭的过程中，排气侧有 一定的压力， 可以起到减小启动加速度的作用， 防止活塞杆在启动时冲出的现象 （进 气节流可能出现的现象） 。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 49 图 5-2 气路节流系统 因此，若将排气节流系统应用于翻板阀的控制系统中，可以在一定程度上减少 阀门在关闭的过程中翻板与进污口接触的力度，起到缓冲的作用，从而减小接触产 生的震动。 5.3 密封性密封性测试测试实验实验 密封性能指的是排污终端与真空管道相连后，运行一定的次数后，确定其在真 空存在的环境下是否存在漏水和漏气的现象，主要测试阀门密封口处的密封状况以 及阀体连接处的密封状况。 5.3.1 实验装置 该实验装置主要由真空站部分、中间管路部分以及排污终端及其控制部分。实 验装置见图 5-3。 图 5-3 实验装置简图 实验装置简要介绍如下： （1）真空站）真空站 真空站是真空排水系统收集、输送污水的动力源，主要由集污罐、储能罐、真 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 50 空泵机组、排污泵机组以及电控柜组成。设备参数见表 5-2。 表 5-2 真空站主要设备基本参数表 序号 设备 数量 参数 1 集污罐 1 容积：0.3m3 2 储能罐 2 总容积：0.4m3 3 电控柜 1 继电器控制柜 4 排污泵 1 功率：1.5kw 扬程：15m 流量：1.5m3/h 5 真空泵 2 功率：2.2kw 抽气量：0.8 m3/min （2