趙 華

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 天津 300350)

生活污水分散處理是指應(yīng)用中小型污水處理設(shè)備就地處理相對集中的少量生活污水，這已經(jīng)成為國內(nèi)外生活污水處理的一種新理念[1-2]?；S池污水處理車是針對分散小區(qū)化糞池污水處理研究的一項(xiàng)新技術(shù)，在日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)較為成熟。我國生活污水排放還不規(guī)范，化糞池污水成分十分復(fù)雜，市場上在售的化糞池污水處理車尚存在很多問題，如清洗困難、出料機(jī)構(gòu)易堵塞等。本文研究的化糞池污水處理車具有回收有機(jī)物作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)肥料的功能，它采用螺旋擠壓式粗分離裝置對化糞池污水雜質(zhì)進(jìn)行粗篩，初篩的廢料被處理并排出，其余的稀料經(jīng)過處理形成有機(jī)肥料。為解決出料機(jī)構(gòu)堵塞和清洗困難的問題，使螺旋擠壓式粗分離裝置能更好的在化糞池污水處理車上工作，本文對出料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 存在的問題

圖1是天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院與企業(yè)合作研發(fā)的一款化糞池污水處理車。受限于化糞池污水的特點(diǎn)，采用真空泵吸取污水的方法進(jìn)料。真空泵抽氣，使設(shè)備容積形成真空，污水在壓差的作用下首先進(jìn)入粗分離裝置1，初篩的廢料被處理并排出，其余的稀料進(jìn)入下一個(gè)處理環(huán)節(jié)，最終通過精分離裝置6處理形成有機(jī)肥料。其中，螺旋擠壓式粗分離裝置工作環(huán)境需要密閉，廢料排出成為最大的問題。市場上現(xiàn)有的化糞池污水處理車普遍采用在粗分離裝置出料端設(shè)置一個(gè)廢料儲料倉的方式，如圖2所示。中施柯朗(天津)股份有限公司現(xiàn)場使用反饋顯示，這種化糞池污水處理車廢料排出方式是長時(shí)間間隔排料，不僅清理困難，而且廢料出料口8及內(nèi)部出液篩孔7經(jīng)常堵塞。

1.粗分離裝置；2.發(fā)電機(jī)；3.化學(xué)處理池；4.真空泵；5.精料儲存箱；6.精分離裝置。

圖1 化糞池污水處理車工作原理示意圖

1.減速電機(jī)；2.分離筒；3.螺旋軸；4.密封蓋；5.污水進(jìn)口；6.廢料儲料倉；7.出液篩孔；8.廢料出料口。

圖2 化糞池污水處理車螺旋擠壓式粗分離裝置簡圖

2 基于類比法的出料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有的化糞池污水處理車的螺旋擠壓機(jī)處于密閉環(huán)境中，不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)排料，同時(shí)螺旋擠壓過程又是一個(gè)不斷增壓的過程；因此，廢料在不斷加壓的過程中必然會越來越密實(shí)，最終導(dǎo)致堵塞和清洗困難。通過分析，發(fā)現(xiàn)問題的主要矛盾是“出料”和“維持真空狀態(tài)”。市場上現(xiàn)有產(chǎn)品的出料口往往只安裝一個(gè)密封門，僅通過在時(shí)間上分開“維持真空狀態(tài)”和“出料”過程即間歇排料來解決這一矛盾，這種設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致堵塞和清理困難。為解決以上問題，出料機(jī)構(gòu)勢必重新設(shè)計(jì)。

本文采用類比設(shè)計(jì)法對出料機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。類比設(shè)計(jì)是將以往成功的設(shè)計(jì)案例作為源設(shè)計(jì)，通過對比及推理產(chǎn)生新的設(shè)想的設(shè)計(jì)方法。類比設(shè)計(jì)過程中，選擇與待設(shè)計(jì)問題功能相似度高的案例非常重要[3-5]。具有類似“真空狀態(tài)”和“出料”矛盾的設(shè)備集中在化工、包裝及輸送領(lǐng)域。通過對比國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站上可查的“真空狀態(tài)出料”問題的解決方案及目前市場上的成熟產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)“葉片泵”的結(jié)構(gòu)是簡單、成熟和低成本的，并且空間上可以滿足車載的要求。

以葉片泵為設(shè)計(jì)原型，本文設(shè)計(jì)了新型自動調(diào)節(jié)式真空連續(xù)出料機(jī)構(gòu)，如圖3所示。粗篩出來的廢料進(jìn)入螺旋擠壓機(jī)，螺旋軸1旋轉(zhuǎn)，帶動廢料向前移動。在螺旋軸1的末端，廢料受到螺旋端蓋2的阻力F1作用，同時(shí)彈簧預(yù)緊力通過間歇凸輪7及葉片軸3上的葉片將阻力F2施加給廢料。廢料在2個(gè)阻力的作用下，停止向前移動，由于廢料不斷擠壓過來，螺旋軸1末端的壓力逐漸升高，廢料中的水分不斷被擠壓出去。葉片軸3上有5個(gè)葉片，葉片把1個(gè)圓分割成5個(gè)腔，葉片中間有密封條，密封條可以和上下密封板形成密封。當(dāng)螺旋軸1末端的壓力升高到一定的壓力值P，葉片軸受到廢料壓力產(chǎn)生的力矩大于阻尼力矩時(shí)，葉片軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，葉片軸3被一定比例的上密封板4和下密封板6包圍，使葉片軸在旋轉(zhuǎn)的過程中，始終在廢料出口處形成一個(gè)密封倉。葉片上鑲有齒耙，可以起到刮擦廢料的作用。通過調(diào)整阻尼調(diào)整螺母11在彈簧導(dǎo)向軸8上的位置，可以調(diào)整彈簧9的預(yù)緊力，從而調(diào)整葉片上的阻尼力矩大小。

1.螺旋軸；2.螺旋端蓋；3.葉片軸；4.上密封板；5出料斗；6.下密封板；7.間歇凸輪；8.彈簧導(dǎo)向軸；9.彈簧；10.彈簧擋板；11.阻尼調(diào)整螺母；12.凸輪滾子。

圖3 新型自動調(diào)節(jié)式真空連續(xù)出料機(jī)構(gòu)

3 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 葉片數(shù)量及密封包角的計(jì)算

葉片軸在旋轉(zhuǎn)的過程中，保持外界的大氣始終不和廢料出口直接連通，以確保螺旋擠壓倉相對密閉。這就要求一個(gè)葉片脫出上密封板的時(shí)候，下一個(gè)葉片正好從廢料出口嚙入上密封板，同時(shí)，一個(gè)葉片脫出下密封板的時(shí)候，下一個(gè)葉片正好從外部嚙入下密封板。根據(jù)2個(gè)葉片之間的容積與出料口的尺寸大小，取葉片數(shù)量n=5，2個(gè)葉片之間的角度為θ=360/5=70°。上密封板和下密封板之間的密封包角φ>3×72=216°，考慮到密封條的寬度和密封效果，取φ=240°。

3.2 葉片長度及彈簧參數(shù)的計(jì)算

機(jī)構(gòu)的其他關(guān)鍵參數(shù)，如圖4所示。經(jīng)過試驗(yàn)測定，螺旋軸末端壓強(qiáng)達(dá)到P=150 kPa時(shí)，排出的廢料干濕度符合甲方要求。取葉片半徑R=100 mm，設(shè)葉片長度為L(設(shè)為x1)，出料口圓弧半徑r=150 mm，出料口最高端與出料口中心距離f為30 mm，出料口寬度W=L。通過幾何計(jì)算，出料口面積S(x)為：

(1)

式中：S1為拱形ABC的面積；S2為矩形ACDE的面積；S3為拱形FHG的面積；x1為葉片的長度。

圖4 關(guān)鍵參數(shù)及分析示意圖

凸輪基圓半徑取r0=50 mm，凸輪滾子偏置取e=40 mm，此時(shí)滾子為主動件時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自鎖，即凸輪不能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。阻尼彈簧選取標(biāo)準(zhǔn)模具彈簧，模具彈簧的彈簧系數(shù)為k(設(shè)為x2)，外徑為D(設(shè)為x3)，自由長度H0。根據(jù)空間尺寸限制條件，取彈簧的自由長度H0=50 mm，最大壓縮量25 mm。

阻尼裝置上設(shè)有2個(gè)模具彈簧，對稱布置，通過調(diào)整螺母設(shè)定彈簧的初始壓縮量為lo=13 mm，產(chǎn)生彈簧預(yù)緊力Fzo=2klo=26x2(N)。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧被壓縮，最大壓縮量等于推桿行程。推桿行程與初始壓縮量之和不得大于彈簧的最大壓縮量，并需要給出一定的調(diào)整空間，推桿行程取h=7 mm。最大工作阻尼Fzmax=2k(lo+7)=40x2(N)，阻尼力矩為

Tzmax=Fzmaxe=40x2e=1 600x2(N·mm)。

(2)

式中x2為模具彈簧的彈簧系數(shù)。

當(dāng)葉片軸的中心越過出料口最低端，并向上偏移距離t(設(shè)為x4)時(shí)，出料壓力不能完全產(chǎn)生出料力矩，偏移的距離t部分產(chǎn)生阻尼力矩，抵消一個(gè)t產(chǎn)生的出料力矩，這樣可以有效降低阻尼裝置的負(fù)載，克服由于空間問題產(chǎn)生的強(qiáng)度問題和彈簧選型問題。

廢料出料力矩To(x)計(jì)算如下：

(3)

式中x4為葉片軸的中心與出料口最低端偏移距離。

根據(jù)出料的工作原理，有

To=Tzmax。

(4)

To(x)=1 600x2(N·mm)。

(5)

通過分析，阻尼裝置工作過程中，最薄弱的零件是凸輪滾子軸銷，軸銷直徑8 mm，選擇雙止轉(zhuǎn)面型鉸鏈銷，材質(zhì)為Q235，材料的極限剪應(yīng)力τo=164.5 MPa。根據(jù)軸銷工作狀態(tài)，如圖5所示，軸銷承受剪切力。

圖5 軸銷的工作簡圖

由于整個(gè)出料裝置總寬度受到限制，因此葉片長度和彈簧直徑互相制約，取葉片長度與2個(gè)彈簧直徑之和小于310 mm，則有2x3+x1≤310(mm)。

由于選取米思米的標(biāo)準(zhǔn)模具彈簧，x2、x3的取值按照模具彈簧規(guī)格選取，如表1所示。

表1 模具彈簧規(guī)格表

使用MATLAB工具將以上離散點(diǎn)擬合成曲線，并使用命令polyfit，求出x3=f(x2)函數(shù)的近似方程式為：x3=f(x2)=0.0327x22-0.0573x2+1.1607。

綜合式(1)(5)，建立數(shù)學(xué)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，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入出料機(jī)構(gòu)的廢料越多，同時(shí)廢料在此處卡住的機(jī)會越少，出料效率越高；廢料出料力矩To(x)越大，廢料機(jī)構(gòu)葉片軸受到的力矩越大，廢料卡住后自行恢復(fù)正常的能力越強(qiáng)，出料穩(wěn)定性越好。S(x)和To(x) 2個(gè)目標(biāo)相互矛盾，無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)解。由分析可知，當(dāng)x1增大到一定值后，S(x)變化很小，此時(shí)放棄繼續(xù)增大x1，在滿足2x3+x1≤310條件下，將x2增大，To(x)卻能獲得一個(gè)很好的提高。為從整體上優(yōu)化出料機(jī)構(gòu)的綜合性能，采用加權(quán)組合法對2個(gè)函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一。由于2個(gè)目標(biāo)函數(shù)函數(shù)值范圍以及因變量范圍都不同，依據(jù)容限加權(quán)法的原理[6]，對函數(shù)值范圍進(jìn)行加權(quán)處理，依據(jù)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)指標(biāo)法的原理[7]對因變量范圍進(jìn)行加權(quán)處理，統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)可以表示為

f(x)=S(x)+λ1To(λ2x)。

因此，建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

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。

該問題是一個(gè)多變量非線性目標(biāo)、非線性約束的規(guī)劃問題。MATLAB軟件優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)是用于求解極值優(yōu)化問題的有效方法，可以求解約束非線性多變量非線性規(guī)劃問題[8-10]。求解過程及程序代碼如下。

1)先建立M文件myobj.m，定義目標(biāo)函數(shù)。

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，定義非線性約束。

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 設(shè)計(jì)結(jié)果

當(dāng)彈簧系數(shù)x2=39.2 N·mm，彈簧外徑x3=35 mm時(shí)，查表1，得到模具彈簧的內(nèi)徑為19 mm。將以上計(jì)算得到的參數(shù)密封包角φ=240°，葉片長度x1=240 mm，彈簧系數(shù)x2=39.2 N·mm，彈簧外徑x3=35 mm，葉片軸中心向上偏移距離x4=20 mm以及模具彈簧內(nèi)徑19mm代入到初始設(shè)計(jì)中，得到設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖6所示。

圖6 將計(jì)算結(jié)果代入后的結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

自動調(diào)節(jié)式螺旋擠壓機(jī)連續(xù)出料機(jī)構(gòu)的研制，從根本上解決了化糞池處理車的螺旋擠壓式粗分離裝置出料堵塞和清洗困難的問題。利用MATLAB軟件對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短了機(jī)構(gòu)的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。工程實(shí)踐結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)在化糞池處理車上的使用不僅改善了出料環(huán)節(jié)，也大大降低了整機(jī)的堵塞次數(shù)，提高了整機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。