化粪池处理车真空出料机构设计与优化

赵 华

(天津机电职业技术学院， 天津 300350)

生活污水分散处理是指应用中小型污水处理设备就地处理相对集中的少量生活污水，这已经成为国内外生活污水处理的一种新理念[1-2]。化粪池污水处理车是针对分散小区化粪池污水处理研究的一项新技术，在日本等经济发达的国家和地区较为成熟。我国生活污水排放还不规范，化粪池污水成分十分复杂，市场上在售的化粪池污水处理车尚存在很多问题，如清洗困难、出料机构易堵塞等。本文研究的化粪池污水处理车具有回收有机物作为农业生产肥料的功能，它采用螺旋挤压式粗分离装置对化粪池污水杂质进行粗筛，初筛的废料被处理并排出，其余的稀料经过处理形成有机肥料。为解决出料机构堵塞和清洗困难的问题，使螺旋挤压式粗分离装置能更好的在化粪池污水处理车上工作，本文对出料机构进行了创新设计。

1 存在的问题

图1是天津机电职业技术学院与企业合作研发的一款化粪池污水处理车。受限于化粪池污水的特点，采用真空泵吸取污水的方法进料。真空泵抽气，使设备容积形成真空，污水在压差的作用下首先进入粗分离装置1，初筛的废料被处理并排出，其余的稀料进入下一个处理环节，最终通过精分离装置6处理形成有机肥料。其中，螺旋挤压式粗分离装置工作环境需要密闭，废料排出成为最大的问题。市场上现有的化粪池污水处理车普遍采用在粗分离装置出料端设置一个废料储料仓的方式，如图2所示。中施柯朗(天津)股份有限公司现场使用反馈显示，这种化粪池污水处理车废料排出方式是长时间间隔排料，不仅清理困难，而且废料出料口8及内部出液筛孔7经常堵塞。

1.粗分离装置；2.发电机；3.化学处理池；4.真空泵；5.精料储存箱；6.精分离装置。

图1 化粪池污水处理车工作原理示意图

1.减速电机；2.分离筒；3.螺旋轴；4.密封盖；5.污水进口；6.废料储料仓；7.出液筛孔；8.废料出料口。

图2 化粪池污水处理车螺旋挤压式粗分离装置简图

2 基于类比法的出料机构设计

由于现有的化粪池污水处理车的螺旋挤压机处于密闭环境中，不能实现及时排料，同时螺旋挤压过程又是一个不断增压的过程；因此，废料在不断加压的过程中必然会越来越密实，最终导致堵塞和清洗困难。通过分析，发现问题的主要矛盾是“出料”和“维持真空状态”。市场上现有产品的出料口往往只安装一个密封门，仅通过在时间上分开“维持真空状态”和“出料”过程即间歇排料来解决这一矛盾，这种设计必然导致堵塞和清理困难。为解决以上问题，出料机构势必重新设计。

本文采用类比设计法对出料机构进行创新设计。类比设计是将以往成功的设计案例作为源设计，通过对比及推理产生新的设想的设计方法。类比设计过程中，选择与待设计问题功能相似度高的案例非常重要[3-5]。具有类似“真空状态”和“出料”矛盾的设备集中在化工、包装及输送领域。通过对比国家知识产权局网站上可查的“真空状态出料”问题的解决方案及目前市场上的成熟产品，发现“叶片泵”的结构是简单、成熟和低成本的，并且空间上可以满足车载的要求。

以叶片泵为设计原型，本文设计了新型自动调节式真空连续出料机构，如图3所示。粗筛出来的废料进入螺旋挤压机，螺旋轴1旋转，带动废料向前移动。在螺旋轴1的末端，废料受到螺旋端盖2的阻力F1作用，同时弹簧预紧力通过间歇凸轮7及叶片轴3上的叶片将阻力F2施加给废料。废料在2个阻力的作用下，停止向前移动，由于废料不断挤压过来，螺旋轴1末端的压力逐渐升高，废料中的水分不断被挤压出去。叶片轴3上有5个叶片，叶片把1个圆分割成5个腔，叶片中间有密封条，密封条可以和上下密封板形成密封。当螺旋轴1末端的压力升高到一定的压力值P，叶片轴受到废料压力产生的力矩大于阻尼力矩时，叶片轴逆时针旋转，叶片轴3被一定比例的上密封板4和下密封板6包围，使叶片轴在旋转的过程中，始终在废料出口处形成一个密封仓。叶片上镶有齿耙，可以起到刮擦废料的作用。通过调整阻尼调整螺母11在弹簧导向轴8上的位置，可以调整弹簧9的预紧力，从而调整叶片上的阻尼力矩大小。

1.螺旋轴；2.螺旋端盖；3.叶片轴；4.上密封板；5出料斗；6.下密封板；7.间歇凸轮；8.弹簧导向轴；9.弹簧；10.弹簧挡板；11.阻尼调整螺母；12.凸轮滚子。

图3 新型自动调节式真空连续出料机构

3 关键参数的设计

3.1 叶片数量及密封包角的计算

叶片轴在旋转的过程中，保持外界的大气始终不和废料出口直接连通，以确保螺旋挤压仓相对密闭。这就要求一个叶片脱出上密封板的时候，下一个叶片正好从废料出口啮入上密封板，同时，一个叶片脱出下密封板的时候，下一个叶片正好从外部啮入下密封板。根据2个叶片之间的容积与出料口的尺寸大小，取叶片数量n=5，2个叶片之间的角度为θ=360/5=70°。上密封板和下密封板之间的密封包角φ>3×72=216°，考虑到密封条的宽度和密封效果，取φ=240°。

3.2 叶片长度及弹簧参数的计算

机构的其他关键参数，如图4所示。经过试验测定，螺旋轴末端压强达到P=150 kPa时，排出的废料干湿度符合甲方要求。取叶片半径R=100 mm，设叶片长度为L(设为x1)，出料口圆弧半径r=150 mm，出料口最高端与出料口中心距离f为30 mm，出料口宽度W=L。通过几何计算，出料口面积S(x)为：

(1)

式中：S1为拱形ABC的面积；S2为矩形ACDE的面积；S3为拱形FHG的面积；x1为叶片的长度。

图4 关键参数及分析示意图

凸轮基圆半径取r0=50 mm，凸轮滚子偏置取e=40 mm，此时滚子为主动件时可以实现自锁，即凸轮不能顺时针旋转。阻尼弹簧选取标准模具弹簧，模具弹簧的弹簧系数为k(设为x2)，外径为D(设为x3)，自由长度H0。根据空间尺寸限制条件，取弹簧的自由长度H0=50 mm，最大压缩量25 mm。

阻尼装置上设有2个模具弹簧，对称布置，通过调整螺母设定弹簧的初始压缩量为lo=13 mm，产生弹簧预紧力Fzo=2klo=26x2(N)。当凸轮旋转时，弹簧被压缩，最大压缩量等于推杆行程。推杆行程与初始压缩量之和不得大于弹簧的最大压缩量，并需要给出一定的调整空间，推杆行程取h=7 mm。最大工作阻尼Fzmax=2k(lo+7)=40x2(N)，阻尼力矩为

Tzmax=Fzmaxe=40x2e=1 600x2(N·mm)。

(2)

式中x2为模具弹簧的弹簧系数。

当叶片轴的中心越过出料口最低端，并向上偏移距离t(设为x4)时，出料压力不能完全产生出料力矩，偏移的距离t部分产生阻尼力矩，抵消一个t产生的出料力矩，这样可以有效降低阻尼装置的负载，克服由于空间问题产生的强度问题和弹簧选型问题。

废料出料力矩To(x)计算如下：

(3)

式中x4为叶片轴的中心与出料口最低端偏移距离。

根据出料的工作原理，有

To=Tzmax。

(4)

To(x)=1 600x2(N·mm)。

(5)

通过分析，阻尼装置工作过程中，最薄弱的零件是凸轮滚子轴销，轴销直径8 mm，选择双止转面型铰链销，材质为Q235，材料的极限剪应力τo=164.5 MPa。根据轴销工作状态，如图5所示，轴销承受剪切力。

图5 轴销的工作简图

由于整个出料装置总宽度受到限制，因此叶片长度和弹簧直径互相制约，取叶片长度与2个弹簧直径之和小于310 mm，则有2x3+x1≤310(mm)。

由于选取米思米的标准模具弹簧，x2、x3的取值按照模具弹簧规格选取，如表1所示。

表1 模具弹簧规格表

使用MATLAB工具将以上离散点拟合成曲线，并使用命令polyfit，求出x3=f(x2)函数的近似方程式为：x3=f(x2)=0.0327x22-0.0573x2+1.1607。

综合式(1)(5)，建立数学模型如下：

30x1-1 118.24(mm2)；

To(x)=1 600x2；

s.t.0.0654x22-0.1146x2+x1-307.6786≤0；

7.2

200≤x1≤300。

其中：S(x)越大，单位时间内进入出料机构的废料越多，同时废料在此处卡住的机会越少，出料效率越高；废料出料力矩To(x)越大，废料机构叶片轴受到的力矩越大，废料卡住后自行恢复正常的能力越强，出料稳定性越好。S(x)和To(x) 2个目标相互矛盾，无法同时达到最优解。由分析可知，当x1增大到一定值后，S(x)变化很小，此时放弃继续增大x1，在满足2x3+x1≤310条件下，将x2增大，To(x)却能获得一个很好的提高。为从整体上优化出料机构的综合性能，采用加权组合法对2个函数进行统一。由于2个目标函数函数值范围以及因变量范围都不同，依据容限加权法的原理[6]，对函数值范围进行加权处理，依据转化设计指标法的原理[7]对因变量范围进行加权处理，统一目标函数可以表示为

f(x)=S(x)+λ1To(λ2x)。

因此，建立的优化数学模型为：

1 118.24+0.067 4×1 600(2.272 7x2)；

s.t.0.0654x22-0.1146x2+x1-307.6786≤0；

7.2

200≤x1≤300。

该问题是一个多变量非线性目标、非线性约束的规划问题。MATLAB软件优化工具箱中的fmincon函数是用于求解极值优化问题的有效方法，可以求解约束非线性多变量非线性规划问题[8-10]。求解过程及程序代码如下。

1)先建立M文件myobj.m，定义目标函数。

function f=myobj(x)

f=-(22500*asin(x(1)/300)+0.5*x(1)*sqrt(150^2-0.25*x(1)^2)-30*x(1)-1118.24)-0.0674*1600*(2.2727*x(2));

end

2)再建立M文件mycon.m，定义非线性约束。

function[c,ceq]=mycon(x)

c=0.0654*x(2)^2-0.1146*x(2)+x(1)-307.6786;

ceq=[];

end

3)建立主程序。

A=[];b=[];

Aeq=[];beq=[];lb=[200 7.2];ub=[300 51.2];

x0=[200;7.2];

options=optimset('LargeScale','off','display','iter');

[x,fval,exitflag,output]=fmincon(@myobj,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@mycon,options);

3.3 设计结果

当弹簧系数x2=39.2 N·mm，弹簧外径x3=35 mm时，查表1，得到模具弹簧的内径为19 mm。将以上计算得到的参数密封包角φ=240°，叶片长度x1=240 mm，弹簧系数x2=39.2 N·mm，弹簧外径x3=35 mm，叶片轴中心向上偏移距离x4=20 mm以及模具弹簧内径19mm代入到初始设计中，得到设计结果，如图6所示。

图6 将计算结果代入后的结构图

4 结束语

自动调节式螺旋挤压机连续出料机构的研制，从根本上解决了化粪池处理车的螺旋挤压式粗分离装置出料堵塞和清洗困难的问题。利用MATLAB软件对关键参数进行优化设计，缩短了机构的研发周期，降低了研发成本。工程实践结果表明，该机构在化粪池处理车上的使用不仅改善了出料环节，也大大降低了整机的堵塞次数，提高了整机的工作效率和稳定性。