都治国、 孙淑光、 卢钢、 刘鹏亮、 徐群松
青岛市市政工程设计研究院有限责任公司 山东青岛 266000
摘要:污水处理机械是否可靠直接影响着污水处理厂能否正常运行，为了保障污水处理厂的正常运营，我们应当在设计污水处理机械时，着重考量其机械系统的可靠性。通过本文作者将介绍污水处理厂机械系统可靠性衡量指标及其具体分析方法，归纳总结出机械可靠性设计应当遵循的基本准则。此外，还将依据污水处理机械的运行特征，同耐环境设计、人机工程、可靠性维修以及安全防护等方面，分析并概括出提高污水处理机械可靠性的方式与方法，以期提高污水处理厂的整体运行能力。
关键词:污水处理，机械可靠性，设计与分析
污水处理厂机械设备运行稳定性是保证处理厂正常工作的基础和关键。由于污水污泥的载荷作用及其腐蚀性，常常会导致设备出现出现故障，例如轴承损坏、叶片疲劳断裂、管道磨损破裂等。所以提升污水处理厂机械可靠性有助于保证污水处理工艺的正常运转，降低维修检查成本。此外，据可靠资料显示，国产机械的可靠性指标大多只能达到进口机械指标的1/3~1/2，如何提升国产机械的可靠性成为亟待解决的课题。
一、机械可靠性指标
机械系统的可靠性指标通常包括三个：其一，平均无故障工作时间、平均修复时间和有效度。平均无故障工作时间指的是正常运营过程中，机械系统连续两次发生故障的间隔时间的平均值。平均修复时间指的是从故障开始暴露直至彻底恢复正常所需要的平均时间。有效度是从可靠度以及可维修度两个方面对整个机械系统的正常工作状态进行综合评定的指标。
二、可靠性设计准则
所谓提升机械可靠性，通俗来讲就是延长机械使用寿命，提高机械系统平均无故障工作时间，不断降低平均修复时间。为了提升污水处理机械装置的可靠性，我们可以从结构设计以及零部件的强度两方面入手，具体还可以分为定性设计和定量设计。
定性可靠性设计时，需要多方面考虑机械的故障模式、可能对机械造成的具体影响以及不同故障所导致的危害结果，在此基础上吸收借鉴成功的设计经验，以便达到提高污水处理机械可靠性的最终目的。
如果说定性可靠性设计属于宏观方面的考量，那么定量可靠性设计就属于微观方面的具体措施。为了实现定量可靠性设计，我们应当充分掌握所设计的机械零部件的强度分布以及应力分布。除此之外我们还应当熟悉各种设计参数的随机性状，通过显性或隐性极限状态函数的分析方法，最大程度上降低机械断裂、疲劳、被腐蚀、被磨损的可能性。
三、可靠性设计方法
（一）耐环境设计
污水处理厂的机械不同于普通机械，即通常设置于户外或潮湿易腐蚀的环境中，在提升即实现机械可靠性的设计途径中，耐环境设计首当其冲。
耐环境设计主要需考虑到，整个污水处理机械在其生命周期内可能处于的各种情景，并根据预先设定的情景，采取必要的保护方法，降低甚至排除不利环境对机械的影响。例如我们可以在方案设计、涂层选择、材料选择、表面处理工艺等方面提高机械零部件的耐环境性能。
以曝气转盘为例，该零部件长期遭受微生物和酸碱物质的侵蚀，所以在方案设计上可以采用玻璃钢材质，这样起寿命期间可达15年以上。对于暴露在潮湿环境中的各类部件，例如阀门电动装置等，由于其极易被氧化，我们可以在此类部件上加载自动加热器并进行防锈处理。
（二）人机工程设计
人机工程设计宗旨是将操作台控制柜以及操纵环境与操作者的生理要求相匹配，考虑一般操作者的日常操作习惯，当机械设计的更为人性化，进而最大程度上降低操作者的误操作可能性，提升机械使用阶段的可靠性。所以在设计污水处理机械操纵杆及其它控制部件时，除了要确保读数准确灵敏外，还应当确保其读数的显示方法、展现模式容易被操作人员正确及时的接受。
另外，还应当考虑操作人员所处的操作环境，最大程度上降低因外部环境中的温度、湿度、噪声、振动等给操作人员造成的干扰。尤其是对于水泵、鼓风机等高速旋转的机械，应当配备隔音措施，同时综合采用通风散热冷却等手段，改善操作人员的工作环境。
（三）可维修性设计
在污水机械设计阶段，还应当充分考虑其可维修性，从设备的寿命周期看，可靠性和维修性共同构成了污水处理机械的整个寿命周期，也可以将其理解为广义的可靠性。尽管我们在设计之初要不断提高平均无故障工作时间，努力实现从设备投产到报废零维修的目标。但是一旦设备发生故障，如何缩短平均修复时间，不断降低维修成本，提升污水处理机械本身的应急能力和有效率，则成为污水处理厂必须考虑的事项。
为了实现提升可维修性的目标，我们在设计之初应当以标准化原则为设计的基本原则。比如，对于水泵机械密封、联轴器、搅拌机齿轮等长期处于运转状态的零部件，应当在采购时选择标准化系列产品，一旦零部件出现故障，其采购备件的时间将大大缩短，机械整体维修停机的时间也将缩短。即使发生故障，污水处理厂的维修人员，也能够快速更换零部件并对整机进行调整和校正。
机械设计的另一个追求，应当是操作简便、利于维护。在不降低污水处理机械性能把前提下，最大程度上使零部件简单化。例如，回转式刮泥机相较于桁车式刮泥机，前者的设计更为简单，维修方式更为便捷。此外，前者的材质大多使用铝合金和不锈钢，进一步增加了污水处理机械在运营阶段的可靠性。相比之下，后者的运行模式做较为复杂，故障报修率高，维修难度大。
（四）实效性预防设计
设备部件的应力和强度分布，将直接决定可靠性系数。以曝气机转刷轴为例，它是整个污水处理系统中受力最为关键的部件。当它在污水中进行运转时，由于水对其产生反作用力，转刷轴的横截面同时受到扭转应力和弯曲应力的双重作用。由此我们在对该部件进行可靠性系数设计时，将合成应力作为计算基础更为适宜。
参考文献：
[1]机械工程的可靠性优化设计分析[J].柏洪武.河北农机. 2019(10)
[2]机械设计的优化方法分析[J].彭华康.科技经济导刊. 2018(12)
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