一體化截污泵站中一種實用新型插板閥的設計與應用

陳緋　魏小明

摘 要：在城鎮給排水系統中應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備來實現自動控制、保護等功能，并利用計算機、網絡硬件設備以及一體化平臺、智能應用軟件實現站控級運行監視、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節的作用，鑒于此，設計了一種新型插板閥，其結構合理、功能實用。

關鍵詞：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”，就是說城市要構建一個大的雨水系統，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。插板閥不僅廣泛應用于市政工程給水排水管道中作疏水及調節用，還應用于農田水利節水灌溉輸水管道中，多用于工業、農業灌溉、城市生活污水處理系統的關鍵部位，在這些系統中起著截流和調節的作用。手動調節的插板閥需要人力進行控制，增加了企業的運行成本。實用且能自動控制的插板閥能降低企業的運營成本，提高企業的經濟效益。

1? ? 新型插板閥的研制需求

大城市中分流制地區由于雨污混接問題的存在，嚴重影響了水環境改善。在改造過程中，部分地區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，在小區雨水出戶管處或雨水管道排水口處建設截流井，將混接至雨水管的污水截流至污水管道，以減少對水環境的影響。雨水截流井應具有截污限流功能和無人值守功能，特別是重力式截污井，井筒里必須設置限流閥[1]。現在基本上用插板閥對截污量進行限流控制，而傳統的插板閥又稱“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設計、制造完成一種實用并能實現自動控制的新型插板閥。

2? ? 新型插板閥的設計

2.1? ? 新型插板閥結構設計

插板閥，又稱“手動刀型閘閥”，其結構多種多樣（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在閥體內卡阻少，能夠全通徑流通，其密封結構分為軟密封、硬密封兩種。這種插板閥主要由以下部件構成：閥體（框架）、閘板、手輪、絲桿、螺母等。因要設計的插板閥安裝在一體化截污井內（圖2），截污井的直徑在1.5～2 m，截污井內部有水泵及其導桿、粉碎格柵及其導桿、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。截污井內都是污水，水氣、濕度較大，若防水達不到要求，電器容易發生短路，電器傳動部分容易損壞，需要經常更換，因此決定采用液壓控制。考慮到安裝、維修方便，結構需要緊湊。為防止垃圾堆在閘板下部，閘板不能全關閉，設計閘板下部是不封閉的，閘板關閉的時候，將垃圾推到插板閥外部。因此采用圖3所示新型插板閥結構，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，讓液壓油缸的伸縮來控制閘板的開和關。若增加閘板的限位開關，根據閘板的打開程度，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計：采用標準法蘭的設計，根據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）閘板設計：采用楔形設計，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，據此設計液壓油缸（圖6）[2]。

2.2? ? 新型插板閥材料選用

一般閥門的閥體設計基本內容包含確定閥體材料，即根據其工作介質的特性來確定所用材料，材料應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中，且安裝在截污井內部，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化為硫化物，進而生成硫化氫和硫酸，從而產生腐蝕作用，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? ? 新型插板閥工藝設計

鑄造閥體是目前應用最廣的一種形式。插板閥的閥體一般是鑄件，閥體要提前澆鑄或做庫存備貨。若不備貨，那么當客戶需要時，生產周期長，生產制作來不及；若備貨，就相應積壓了企業的部分流動資金。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備，這樣又增加了企業的投入。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，給企業造成了負擔。新型插板閥大多是激光切割件，都是用現成的板材進行切割，采購現成的型材，不需要提前預制。激光切割好后即可裝配，組裝出來的閥門精度有保證，產品的一致性也好，能批量生產和應用。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。閘門采用榫槽型結構，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，并用磨光片去除焊接表面的水、油污等影響焊接質量的雜質。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。不需要連續焊，采用間斷焊，焊接長度50 mm，間距40 mm。

2）密封用斜錐環與框架的組裝：密封斜錐環加工完成后，與框架正確組裝，確保斜錐環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，定距管經過車加工，保證長度誤差在0.15 mm內。

2.4? ? 新型插板閥的設計計算

本次設計參數如下：公稱直徑為250 mm；驅動方式為液壓驅動；適用溫度≤100 ℃；閥體材質為不銹鋼；適用介質為生活污水[3]。

根據明桿閘閥的閥桿總的軸向力，閘閥關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為關閉時密封間的摩擦系數；0.35為開啟時密封間的摩擦系數。

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點

手動式插板閥由鑄件鑄造而成，整體質量重。新型插板閥材料是板材，質量輕，節省材料。手動式插板閥無驅動，打開和關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動，通過電控柜操作，20 s左右即可打開、關閉閥板，并可實現自動化控制。

2.6? ? 新型插板閥的安裝維護保養

1）新型插板閥更換或安裝運輸過程中要保持設備平穩，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經常保持清潔，發現故障時應立即停止使用，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堵塞并處于關閉狀態，并且應將插板閥整齊地存放在室內通風干燥的地方，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）表面質量、尺寸。檢查結果符合設計尺寸要求。

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，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）連續無故障啟閉運行。新型插板閥經安裝測試，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，試驗結果表明，插板閥動作正常、運行良好，密封良好、無泄漏。

4? ? 結論

新型插板閥具有結構合理、密封可靠、安裝方便、自動控制等優點，相比普通閘閥、平板閘閥、截止閥、調節閥、蝶閥等閥門來說生產周期短、耐腐蝕性好、流阻小、重量輕、經濟實惠、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、關閉穩定。采用下部未密封結構，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、農業灌溉等領域，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規程：DB31 SW/Z 008—2021[S].

[2] 成大先.機械設計手冊 第3卷[M].6版.北京：化學工業出版社，2016.

[3] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，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。