一种集沼气池清洗抽排于一体的沼气服务车设计

　　1 概述

　　沼气是国家大力发展的洁净能源，沼气池里的沼液、沼渣经常需要清理， 人工清理费工费时，而且劳动强度大，环境肮脏。 清理的沼液、沼渣是很好的肥料，要人工将沼液、 沼渣运送到果园或者农田，劳动量大，效率低。

　　新型沼气服务车是我们在自主开发的底盘的基础上根据市场要求自行设计开发的特种车。 集沼液、沼渣的抽、排、顺冲洗、反冲洗、高炮喷洒及运输功能于一体，并配备自行设计的辅助工具，大大提高劳动效率，降低劳动强度。

　　2 上装设计

　　沼气服务车用户是广大的农村沼气池用户， 上装本着多功能、低成本、新技术的设计原则，确保产品性能可靠、操作简单方便。

　　2．1 上装动力源的设计

　　2．1．1 上装动力源的选择 我们设计的沼气服务车，侧重多功能，既能抽且能强排，动力源必须提供较大的负压，也能提供较大的正压， 还需要为气动污水泵、气动工具等提供气体动力。

　　一般抽排机的动力源都选择旋片式真空泵，真空泵具有结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低，振动小等优点；空压机也能实现真空泵的 功 能 。 表 1 是 二 者 性 能 的 对比。【表1】

　　综合考虑，使用空压机提供的动力更为充足，同时比真空泵经济性更好。

　　2．1．2 空压机技术指标的确定 整机设计最大真空度－65kPa。标准大气压换算水柱：1 标准大 气 压 ＝101．325kPa ＝10．336m 水柱。

　　抽排机最大真空度－65kPa，换算成水柱压强，计算如下：H ＝10．336m 水 柱/101．325kPa× 65kPa＝6．6m抽排机最大离地高度 2．1m，抽排机定义垂直抽吸深度为能抽吸离抽排机停放面垂直距离不小于 3 米的沼液面，则本抽排机要求抽吸总高度＝2．1＋3＝5．1m。因：H＝6．6m＞5．1m系统最大真空度满足垂直抽吸深度需要的真空度要求。

　　在计算基础上我们选择空压机主要参数见表 2。【表2】

　　本公司根据沼气服务车需要，将现有空压机产品进行技术改造，形成一款适用于沼气服务车性能的新型空气压缩装置，连续作业时间更长，维修更简单，性能更优越。

　　2．1．3 空压机传动技术 空压机的体积较大，放在车架罐体和驾驶室中间，利用取力器带动， 这样必须使用两级皮带传动，使传动效率大大降低，工作效率也受到较大影响。

　　为了解决这一问题，我们将空压机设计安装在底盘车架侧面，实现了取力器和空压机的一级传动，显着提高了空压机的工作效率。

　　2．1．4 空压机减振技术 空压机本身有振动，再加之将空压机设计安装在车架侧面，带来的一个问题是空压机振动也带动了整车的振动。 为了解决这一问题，我们将空压机的支座加强筋设计成两截，中间用两块 40mm 厚的的橡胶垫块连接，很好的解决了空压机振动问题。

　　2．2 抽排罐体设计
　　2．2．1 抽排罐本体设计 抽排罐体是沼气服务车的主体，内部装沼渣沼液。 为了降低重心，优化其结构性能，设计罐体为椭圆形，用优质钢板焊接制成。 为了防止锈蚀，罐体内部做了防腐处理。 罐体顶部设计由人孔盖、人孔盖打开关闭方便，密封性能好。 罐体顶部设由真空压力表及安全阀，确保安全。 中部装有防浪板，用以减少车辆行驶所引起的液体的剧烈晃荡冲击对罐体及其车架连接部位损坏。

　　2．2．2 排渣技术 沼液里面混有沼渣，沼渣沉淀后，很难排净。 我们针对这一难题，设计了顺冲洗、反冲洗功能，确保罐体内沼液、沼渣彻底排放干净。

　　在抽排罐内设计过虑装置，将罐体内部的污水过虑到污水仓，在罐体排放沼液、沼渣时，通过气动污水泵将污水仓里过虑的污水对沼渣进行边排放边反冲洗，使沼渣排放更顺畅。

　　沼液、 沼渣排放到最后时，污水仓里没有了污水，罐体底部还有部分沼渣未能彻底排出。 在罐体外部设计了清水箱，最后利用高压气体的作用，将清水箱内的清水对罐体底部进行顺冲洗，这样，罐体内部的沼液、沼渣就彻底的排出。

　　2．2．3 下抽、下排技术 一般抽排机都是上抽、 下排。由于我们使用的是空压机作为动力源，我们设计使用了下抽、下排结构。 下抽下排是抽、排口合二为一，使罐体结构更加简洁，零部件减少，成本降低。

　　2．2．4 液位显示与控制技术
　　（1） 液位控制技术。 沼气服务车抽液速度很快，如果不设计自动控制装置， 会出现罐体内抽满了，动 力 源 还 在 继续工作，这样对动 力 源 有 较 大损害。我 们 在 罐体 抽 真 空 的 管路 口 设 计 安 装了 浮 球 防 溢 球阀，当向罐体内抽沼液时，罐体内 液 面 上 升 使浮球抬起，关闭浮球球阀，使罐内气体无法通过空压机排出，从而自动停止沼液的抽取。

　　（2）液位显示技术。 通常罐车的液位显示都是在后封头上利用两个管路接头接一段塑料罐，用来观察液位。 沼气服务车在抽沼液、沼渣时候，沼渣容易进入液位显示器，不容易排放干净，也不易冲洗，而且一般塑料管容易腐蚀。

　　针对这一问题，我们设计了透明的钢化玻璃， 安装在后封头上，既能方便的观察液面，也不用担心沼渣进入冲洗难的问题。

　　2．3 抽排管路设计
　　2．3．1 抽排系统工作原理设计 按照整车设计，抽排系统所要实现的功能有： 抽沼液、 沼渣、排沼液、沼渣、顺冲洗、反冲洗、 高炮喷洒以及 能带动气动工具， 且管路尽可能简化，成本尽可能降低。实现高炮喷洒一般都需要泵带动马达来实现，这样就需要增加一套液压系统。 增加一套系统，增加一个动力源，使得零部件大大增加，管路复杂化，而且成本难以控制。

　　按照设计要求，我们设计了一款专用的气动污水泵，直接公用空压机为动力源，使结构简化，成本降低。

　　我们设计的抽排系统由四通阀、水汽分离器、空气过滤器、空压机、气动污水泵及相关管路、球阀组成。 原理图如图 1：【图1】

　　
　　如原理图 1 所示， 抽吸工作时，关闭高炮喷洒及冲洗管路的球阀，搬动四通阀手柄，使得 1、3 联通，2、4 联通，发动机通过取力器带动空压机工作，罐体的空气经过水气分离器、四通阀、空气分离器进入空压机，再经过储气筒、四通阀排到大气， 使得罐体形成真空，沼液沼渣在大气压力作用下，进入罐体，从而完成抽吸作业。

　　一般排出作业时，只需要开启后出料口球阀，及可将罐体内沼液排出。 如果需要强排时，关闭高炮喷洒及冲洗管路的球阀，发动机通过取力器带动空压机工作，搬动四通阀手柄， 使得 1、4 联通，2、3 联通，大气通过四通阀、空气分离器、进入空压机，再经过储气筒、四通阀、水气分离器进入罐体，对罐体施加一定的气压，将沼液从后出料口压出，从而完成排渣作业。

　　同时也能方便的实现正冲洗、反冲洗、高炮喷洒等功能。抽排管路系统集抽、排、喷洒、正冲洗、反冲洗于一体，功能齐全，结构简单，操作方便。

　　2．3．2 抽排气管路内径计算 按 照 公 式 d＝20×［10×S／ （π×Vi×n）］1 ／ 2 进行管路计算。式中： d———抽排管内径，mm；S———真空泵有效抽速，L ／ s；Vi———排气口流速， 一般为 20m／s－30m／s；n———排气口数。d ＝20 ×［10 ×12．22 ／ （π ×30 ×1）］1 ／ 2＝22．8（mm）结合实际，选用真空泵抽排气管内径为 50mm。
　　
　　2．4 高炮喷洒装置设计
　　2．4．1 气动污水泵的设计 一般喷洒装置，都选择用液压系统来驱动，使得气动系统、液压系统两套系统相互独立，管路设计变得及其复杂，真空泵、液压泵及驱动装置等相关设备多，成本大大增高，安装检修不便。

　　本着这条思路，我们将污水泵改造成气体驱动，我们巧妙的设计了气动污水泵，利用上装唯一的动力源空压机提供气体作为动力，使整个管路系统连为一体， 结构简单，成本降低，操作方便。

　　气动污水泵是由空压机气体带动的， 在满足扬程需要的同时，其额定耗气量必须小于空压机的排气量。 按照此原则，我们设计的气动污水泵主要参数如表 3：【表3】

　　
　　2．4．2 喷洒装置的工作原理 喷洒系统由气动污水泵、高压喷枪、污水仓、内循环管路及相关管路、球阀组成。 气动污水泵进气口与储气筒连接，在储气筒的高压气体作用下，把污水仓内的污水打出，供高压喷枪喷洒。

　　2．5 辅助工具设计
　　沼气池如果长时间不清理，表面会结成一层硬壳， 如不破除，很难抽取沼液、沼渣。 有的用户沼气池接电不方便，使用电动工具来破除沼气池上的硬壳不能普及。我们创造性的利用整车的气路系统作为动力源，设计出一些辅助工具来解决这类难题。 气动工具包括气动捞渣器、 气动除壳器、气动搅拌器。 分别用来捞渣、除壳、搅拌。 解决了沼气池沼液沼渣不能彻底清理的难题。

　　2．5．1 气动捞渣器的设计 气动捞渣器由气动开关、捞爪、气缸、连杆等组成，以储气筒里的高压气体作为动力，推动气缸伸缩，带动捞爪工作，把沼气池里面的杂物捞起。

　　2．5．2气动除壳器的设计 气动除壳器由储气筒里的高压气体作为动力，驱动气动马达带动除壳器旋转，气动马达上设计一个换向阀，实现除壳器正转和反转的自由控制，从而达到更好的破除沼气池表面及底部的硬壳的效果。

　　2．5．3 气动搅拌器的设计 气动搅拌换器同样由储气筒里的高压气体作为动力，驱动气动马达带动拌换器旋转。 搅拌器下部设计三块刀片，转动后，将沼气池内部的沼渣搅动，切碎。 为了简化设计，气动搅拌器和气动除壳器共用一套连杆、马达及换向阀。
　　
　　2．5．4 气动马达的选择气动马达是气动捞渣器、气动搅拌器的驱动元件。 是一种以压缩气体为能源，把压力能转化成机械能的动力装置，其排气量也须小于或等于空压机的排气量。 主要技术参数如表 4：【表4】

　　
　　气动工具是我们根据沼气池现场环境及操纵使用状况开发的新型工具，具有操纵方便，使用安全，效率高等特点。

　　3 抽吸时间计算
　　
　　按照抽吸计算公式 t＝2．3×V／S×［lg（p2 ／ p1）］计算抽吸时间。式 中 ：t———抽 吸 时 间 ，h；V———罐 体有效容 积 ，m3；S———真空泵有效抽速，L／s；p2———标准大气压 101．325kPa；p1———统真空压强，65kPa。t ＝2．3 ×2．1 ／ 12．22 ×lg （101．325 ／65）＝0．05407（h）＝4．5（min）理论上一次沼液、沼渣抽满罐体所需时间为 4．5 分钟。

　　4 结语

　　新型沼气服务车经过试验验证，能达到设计要求。 与同类产品相比有以下优势：⑴上装功能齐全， 集抽排功能、冲洗功能、高炮喷洒功能于一体，使用非常方便；⑵抽吸时间短，管路设计结构简单，构思新颖独特；尽可能的采用标准件、通用件，做到互换性强，维修保养方便；⑶外形应美观大方， 工艺性好，车内视野开阔，人员工作灵便安全。

　　参考文献
　　
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