《环保设备设计及应用》 课程设计
题目： 普通辐流式沉淀池的设计
学 院： 环境科学与工程学院
年级专业： 姓
学
12-环保设备班
陈艳云、洪小云、庄煜倩
名：
号： 1216022103、 1216022106、1216022154
二○一五年六月十日
目 录
设计任务及要求 ........................................... 1 普通辐流式沉淀池简介 ................................... 2 沉淀池基本参数计算 .....................................
2.1 设计参数要求 ................................................. 2.2 基本参数计算 ................................................. 2.3 中心进水管的计算 ............................................. 2.4 出水堰的计算 .................................................
2.5 扩散筒 .......................................................
3 驱动机构设计 ...........................................
3.1 传动装置的选择 ............................................... 3.2 驱动机构选择 ................................................. 3.3 传动轴计算 ...................................................
3.4 齿轮的设计 ...................................................
4 中心传动竖架设计 ......................................
4.1 中心传动竖架结构 ............................................
5 刮臂和刮板设计 ........................................
5.1 刮板 ........................................................
6 设计小结 .............................................. 7 小组分工 .............................................. 参考文献 ................................................ 成绩评定 ................................................ 附件 ....................................................
2/21
1 1 3
3 3 5 5 6
6
6 7 9 9
12
14
1214
1617181818
设计任务及要求
(1) 设计普通辐流式沉淀池， 在设计过程中熟悉和掌握辐流式沉淀池的工作原理
及过程。
(2) 根据设计任务拟订总体设计方案；按工作状态分析、计算和确定零部件的型
号或主要尺寸；考虑安装、使用维护等问题进行结构设计；绘制整体装配图和零部件工作图；编写设计计算说明书等。
(3) 每小组学生应完成：
A．整体装配图 1 张（ A3 号）；
B．零部件工作图不少于 3 张；
C．设计说明书 1 份，不少于 6000 字。
1 普通辐流式沉淀池简介
普通辐流式沉淀池呈圆形或正方形，直径 (或边长 )一般为 6～60m，最大可达 100m，中心深度为 2.5～5.0m，周边深度 1.5～ 3.0m，污水从辐流式沉淀池的中心进入，由于直径比深度大得多， 水流呈辐射状向周边流动， 沉淀后的污水由四周的集水槽排出。 由于是辐射状流动， 水流过水断面逐渐增大， 而流速逐渐减小。
普通辐流式沉淀池大多采用机械排泥（尤其是当池径大于 20m时），将全池沉积污泥收集到中心污泥斗， 再借静水压力或污泥泵排出。 刮泥机一般为桁架结构，绕池中心转动，刮泥刀安装在桁架上，可中心驱动或周边驱动。
下图为中心进水周边出水机械排泥的普通辐流式沉淀池。池中心处设中心管，污水从池底进入中心管， 在中心管周围常有用穿孔板围成的流入区使污水能沿圆周方向均匀分布。 为阻挡漂浮物， 出水堰前端可加设挡板及浮渣收集与排出装置。
1/21
1-工作桥； 2-刮臂； 3 刮板； 4-刮板； 5-导流筒； 6-中心进水管； 7-摆线针轮减速
机； 8-蜗轮蜗杆减速器； 9-滚动轴承式旋转支承； 10-扩散筒； 11-中心竖架； 12-
水下轴承； 13-撇渣板； 14-排渣斗 序号 部件名称 1 2 3 4 5
数量 1 套 1 套 1 套 1 套
材料
主件不锈钢 碳钢 碳钢喷塑 碳钢 碳钢
备注
密度流板碳钢
溢流堰及排渣斗 中心驱动装置 电气装置
钢梁及中心平台
走道桥热浸锌
稳 流筒 distribution flow 1 套 tube
进水柱 infall column 驱动架 driving frame
6 7 8
1 套 1 套
碳钢 碳钢
刮 浮 渣 装 置 skimming 2 套 device
刮泥桁架 sludge rake
支架碳钢刮板边缘刮板氟橡 不锈钢 桁架碳钢 支架碳钢
胶
刮刀不锈钢 刮刀不锈钢
9 10
2 套
小刮泥架 small scraping2 套 frame
11
冲水阀 rushing water valve 1套 紧固件
1 套
不锈钢 水下不锈钢
阀体橡胶 其余碳钢
12
2/21
为了避免中心配水时的径向流速过高造成短路而影响沉淀的效果，
一般在中
心进水配水管外设置导流筒改变出水流向， 导流筒的水平截面积为水池横截面的 3%。池径大于 21m 时，还需在中心进水柱管的出水口外周加置扩散筒，使出水
在导流筒内先形成水平切向流， 然后再变成缓慢下降的旋流。 下图为扩散筒的结
构，扩散管为中心柱管的同心套筒，扩散筒的环面积略大于中心柱管的断面积，
筒体高度比中心柱管的矩形出水口长度长出
100mm，筒体下端为封板，封板的
8 个纵向长槽口， 沿
位置略低于中心柱管的出流口， 然后在扩散筒体上相应开设
槽口设置导流板，使原水（污水）从扩散筒流出后，沿切线方向旋流，以此改善
沉淀效果。
1-扩散筒； 2-支撑； 3-封板； 4-进水柱管
2 沉淀池基本参数计算
2.1 设计参数要求
已知设计参数： 最大设计流量 Qmax 为 1800m3 h ，池的个数 n 为 2，表面负荷
q0 为 1.6 m3 m2 h ，设计人口 N 为 34 万，污泥沉淀时间 t 为 2h，污泥在斗内贮存时间 T 为 4h。
2.2 基本参数计算
（ 1）每个沉淀池的表面积和池径
3/21
A
Qmax
nq0
1800 2 1.6
562.5m2
D
4 A1
26.76m 取 27m
（ 2）沉淀池有效水深和有效容积，校验径深比 , 沉淀时间为 2h
h2 q0 t 1.6 2 3.2 m
V1 Ah1 2 562.5 3.2 1800m3 D h2
27 3.2
8.4
校验结果介于 6 到 12 之间，符合要求。
（ 3）沉淀池总高度
污泥产率 S
0.5 L 人 d
，污泥在斗内贮存时间 4h
SNT
0 . 5 340000 1000 2
污泥斗所需容积
W1
1000n 24
4 3 14.17m
r1 取 2 m , r2 取 1m , 取 600 则 污泥斗高度 h5 坡底落差 h4
r1 r2 tan R r1 0.06
2 1 3 1.73 m,取 1.8m
0.7m
13.5 2 0.06
污泥斗容积 V1
h5 r1 2 3
rr1 2 r22
3.14 1.8 22
2 1
13.19m
3
3
池底可贮存污泥的体积 :
V2
h4 r12 r1R R2 3
3.14
0.7 22 27 13.52
156.24m3
3
沉淀池共可贮存的污泥体积为 V1 V2 沉淀池总高度 H
169.43m3 ，大于 W1，符合要求。
h1 h2 h3 h4 h5 0.3 3.2 0.4 0.7 1.8 7.4m
其中 h1 为沉淀池超高，取 0.3m
h3 为缓冲层高度，与刮泥机有关，可采用 0.4m。
4/21
2.3 中心进水管的计算
管内流速取 v1 1m/s，出管流速 v2 0.8 m/s
Q
D1
max
900
3.14
1 3600
0.28m
V1
出流面积 A2
Qmax
V2
0.31m2 900
3600 0.8
A
设置 6 个出水孔，每个出水孔面积
0.31 0.05m2
6
按长：宽＝ 1.8:1，确定尺寸则
出水孔长为 0.31m，宽为 0.17m，在中心进水管上等间隔均匀分布
导流筒的深度为池深的一半， h'
h2 2
导流筒的面积按沉淀池面积的 3%设计，则导流筒的直径
4A1
3%
4.6m
D0
2.4 出水堰的计算
采用正三角形出水堰，
5/21
堰上水头 H w 为 5cm，三角堰的角度为 θ，则
过流堰宽 B 流量系数 Cd
2 H w tan 600
0.06 m
，则单堰过堰流量
q1
8
=0.65
Cd 2g tan H w2.5 4.95 10 4 m3 / s 15 2
沉淀池应布置的出水堰总数
Q
N
max
q1
900
3600 4.95
10
4
505 个
出水总线长 L D 3.14 27 84.78m 出水堰总长 L′=
m
2BN
2 0.06 505 60.6
b=（ L- L′）/N=
相邻出水堰的堰顶间距
84.78 60.6
0.05m
505
环形集水渠宽 0.6m。
2.5 扩散筒
池的直径 D>21m，还需在中心进水柱管的出水口外周加置扩散筒。
3 驱动机构设计
3.1 传动装置的选择
（ 1）由于所设计的辐流式沉淀池的池体直径为
27m，因此选择外啮合式的传动
装置较为适合。 其主要由户外式电动机直联的立式摆线减速机、 联轴器、齿轮及
带外齿圈的滚动轴承式旋转支承等组成。如下图所示（见下一页）：
6/21
1－摆线减速机； 2－链条联轴器； 3－安全销； 4- 传动轴； 5－轴承座； 6－小齿
轮； 7－外啮合滚动轴承式旋转支承； 8－中心旋转竖架
工作桥为半桥式钢结构， 桥脚的一端架在池壁顶上， 另一端固定在中心支柱
的平台上。立式摆线减速机安装在工作桥上， 带外齿圈的滚动轴承式旋转支承 （回
转支承）安装在中心支柱的平台上， 使减速机出轴的小齿轮与外齿圈保持啮合位
置。
（ 2）刮泥功率的计算
查表取刮泥机刮臂臂端的线速度 v 4.0 m/min
刮臂直径： D1 D 1 27 1 26 m
v 2 R
4.0 2 13
0.049 r/min
则刮泥机刮臂旋转速度 n
刮臂驱动转矩 M n 则刮泥功率为 P
0.25(D 1)2 K
0.25 (27 1)2 447 75543N m
M n n 9550
75543 0.049
9550
0.388 kW
3.2 驱动机构选择
（ 1）总传动比的计算
一般情况下，电动机的额定转速在
750-1500r/min 较为合适，暂取电动机
7/21
额定转速 N=1400r/min，则总传动比 i 为 i
N n
1400 0.049
28571
（ 2）立式摆线减速机的选择
由于总传动比的数值很大，因此选择立式三级摆线减速机比较合适。查阅文献【 1】取减速机的传动比 i减 =25585 ，输入功率 4kW ，
则其型号选择为： BLSD-1953-25585( 43 35 17 )-4kW ，输出轴的需用转矩
为 5000 N m。
（ 3）回转支承的选择
根据徐州海林回转支承有限公司提供的回转支承系列产品介绍书，即文献
【3】，综合考虑选择单排四点接触球式回转支承（ 01 系列），确定型号为
011.25.355，其 外齿轮主 要参数： 齿数 z2 b2 50 mm，齿顶圆直径 De2
475 mm。
93 ，模数 m 5 mm ，齿宽
回转支承外型尺寸 D=448mm，d=262mm，H=70mm；安
装尺寸 D1 412mm， D2 298 mm， L=32mm
结构尺寸 D3
（ 4）分配传动比
356mm， d1 354mm， H 1 60mm，h=10mm
已知总传动比 i 28571 ，减速机传动比 i减 =25585 则小齿轮与回转支承间的传动比
i
28571 = 25585i=齿
i 减
=1.1
（ 5）联轴器的选择
查阅文献【 2】，选择链条联轴器，型号 GL9，公称直径 1600N m ，许用转速为 400 r/min。
（ 6）电动机的选择
查阅资料得立式三级摆线减速机的传动效率
齿
减
=90 % ，齿轮传动效率
=98 %，联轴器传动效率 联轴器 =98 %
减
齿
联轴器
则总传动效率
=90% 98% 98%=86.436%
8/21
P0.388
P 1 Pd
则电动机所需功率 P总 =
0.449 kW
86.436%
查阅文献【 2】选择电动机的型号： YS8014，其主要参数：电动机额定功
率 Pd 550 W，转速 nd 1400r/min 。
3.3 传动轴计算
轴 1：电动机与立式三级摆线减速机之间的传动轴；轴 2；立式三级摆线减速机与小齿轮之间的传动轴；轴 3：小齿轮与回转支承之间的传动轴。
（ 1） 各传动轴转速 n
n1 nd 1400r/min
nn2
1 = 1400 =0.055 r/min
i减
25585
n
n2 = 0.055=0.05 r/min 3
i齿 1.1
（ 2） 各传动轴功率 P
0.55 kW
P
P
减 联轴器 =0.55 90% 98%=0.4851kW
2
1
P3 P2
齿
=0.4851 98%=0.475 kW
（ 3） 各传动轴转矩 T
T9550 P1
9550 0.55
1
3.752 N m
n1
1400
T2 T1 减
联轴器
i减 =3.752 90% 98% 25585=84667.519N m
T3 T2
齿
i齿 =84667.519 98% 1.1=91271.585N m
3.4 齿轮的设计
（ 1） 齿轮的选择
9/21
选用直齿圆柱齿轮，开式传动；
精度等级 7 级，材料 45 号钢，调质处理；
查阅文献【 4】表 11-1 可得齿轮的接触疲劳极限
H lim
560 MPa，齿轮的
弯曲疲劳极限
FE
440 MPa.
（ 2） 齿数的确定
该齿轮与带有外齿圈的单排四点接触球式回转支承配对， 已知回转支承外
齿的齿数 z2 93 ，模数 m 5 mm，暂取齿数比 u i 齿 =1.1 设小齿轮的齿数为 z1 ，则 z1
则齿数比 u
z2
93 1.1
85
u
93 85
1.09
z2 z1
（ 3） 齿轮基本尺寸的计算
1） 按齿面接触强度设计
a.查阅文献【4】表 11-3 取载荷系数 Kt 1.2 ，查表 11-6 取齿宽系数 d 0.4 ；
b.小齿轮传递转矩为减速器输出许用转矩为 c.查表 11-4，取材料的弹性影响系数 ZE
T =5000 N m
188.0；
d.查表 11-5，取最小安全系数 SH min 1.0，则许用接触应力
H lim
H
560 1.0
560 MPa
SH
e.试算小齿轮分度圆直径：对于标准齿轮，区域系数
ZH 2.5 ，则
3
d
3
1t
2KtT u
d
H
1 ZZ2
2
EH3
1.2 5000 10
1.09 1 188.0 2.5 1.09
2
343mm
u
f.齿轮的圆周速度 v
dn1t 0.4
2
560
9.88 10 4 m/s；
60 1000
d
343 0.055 60 1000
g.齿宽 b h.模数 mt
d
d1t
0.4 343 137.2 mm；
343 85
4.04 mm
1t
z1
齿高 h 2.25mt 2.25 4.04 9.09 mm
10/21
齿宽与齿高比 i.计算载荷系数
b
h
137.2 15.09 9.09
根据 v 9.88 10 4 m/s， 7
级精度，查阅文献【 5】图 10-8 取动载荷数
1
K H
KV 1.05，查阅文献【 4】表 11-3 取 K H K F
查阅文献【 5】表 10-4，用插值法求齿向载荷分布系数
1 6 0 1 2 0
137. 2 1 2 0
1. 2 0 7
1. 216 1. 2 0K7H 则 K H 1.211
查阅文献【 5】表 10-2 取使用系数 K A 由 1.00
1.211
b
15.09 ， K H
1.211，查图 10-13 得 K F
h
则载荷系数 K
KAKV KH KH 1.00 1.05 1 1.211 1.272
按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，则 d1 d1t 3 K
Kt
343 3
1.2721.2
349.73mm
j.计算模数 m
d1 z1
349.73
85
4.11 mm
2）按齿根弯曲强度设计
a.应力循环次数的计算
小齿轮的工作寿命 15 年，无障碍工作时间 8000 小时，则
N 6 0n j L 6 0 0. 0 5 5 1 ( 1 5 8 0 0 0 ) 5
h
3. 96 10
b.查阅文献【 5】图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 K FN c.计算弯曲疲劳许用应力
查阅文献【 4】表 11-5，取弯曲疲劳安全系数 SF
FE
1.7
1.25
K
FN
则 F
440 1.7 1.25
598.4 MPa
SF
11/21
d.载荷系数的计算 K KAKVKF
K F
1.00 1.05 1 1.211 1.272
2.21，应力校正系数 1.775
e.查阅文献【 5】表 10-5 取齿形系数 YFa f.设计计算
m 3
2KtT YSaYFa
3 2 1.272 5000 10
3
1.775 2.21
598.4
3.07mm
2 zd1
F
0.4 852
对比以上结果，由齿面接触疲劳计算的模数
m 大于由齿根弯曲疲劳强度计
算的模数，由于齿轮模数
m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，可
取由弯曲强度算得的模数 3.07。根据回转支承 011.25.355的模数 m=5，取小齿轮
模数与回转支承的模数相同， 既满足于齿面接触疲劳强度， 又满足齿根弯曲疲劳
强度。
（ 4） 齿轮的基本尺寸
分度圆直径 d1 z1 m 85 5 425 mm
85 93 5
中心距 a
z1 z2 m
445 mm
2
2
齿宽 b d d1 0.4 425 170mm
4 中心传动竖架设计
4.1 中心传动竖架结构
竖架的上端连接在回转支承的齿圈上， 下端装刮臂，并设滑动轴承作径向支
承，刮板固定在刮泥架底弦上。中心竖架设计为截面为正方形的框架结构。
中心竖架与外齿圈连接构造（见下一页） ：
12/21
1，3- 螺钉； 2- 回转支承； 4- 固定基座； 5- 旋转支座； 6- 中心传动竖架； 7- 基础
螺栓
为保持旋转时的平稳， 在垂架的下端安装 4 个轴瓦式滑动轴承， 沿中心进水
柱管外圆的环圈滑动，以保证中心传动竖架的传动精度。
13/21
5 刮臂和刮板设计
刮臂承受刮泥阻力和刮臂、 刮板等自重的作用。 本设计采用悬臂式的刮臂桁
架，因此刮臂桁架承受水平方向由刮泥阻力产生的力矩， 同时承受竖直方向由自
重引起的弯矩。
5.1 刮板
吸泥机和刮泥机是排泥设备中最主要的两种设备。
本设计采用刮泥设备， 刮
泥机是利用机械传动收集底泥。沉淀池的集泥槽位于水池中心，当刮板旋转时，
刮板 a、b、c、d 各点触及沉淀污泥后，使污泥受到刮板法向的推力和沿刮板的
14/21
摩擦力作用向水池中心移动。 本设计为中心进水的沉淀池， 刮板的形状设计成对数螺旋线。此外，对数螺旋线是一条变曲率曲线，刮板制造比较困难，因此在设计中简化成直线刮板的形式，刮板与刮臂中心线的夹角为
45°，相互平行排列。
刮泥板简图
本设计采用的是垂架式中心传动刮泥机，为双刮臂式，设置刮板从距池边
0.5m 开始。池子的直径为 27m，每个刮臂上设有 14 个刮板，刮板每间隔 0.85m 均匀分布。由于邻近的刮板在刮臂轴心线上的投影彼此重叠， 而且重叠度为刮板长度
投影的 10%－15%，一般为 150mm－250mm。所以刮泥板的长度为：
0.15 0.15
2 2 2 2
0.7m
Lmin
Lmax
0.25 0.1 1.8m
又因为刮板长度随桁架结构形式而变，由池边向中心布置，长度逐渐增大，
所以第一块刮板设计长度为 0.7m，第二，三，四、、、、、、十三，十四块刮板设计
15/21
长度分别为 0.75m，0.8m，0.85m，0.9m，0.95m，1.0m，1.1m，1.2m，1.3m，1.4m，
1.5m，1.6，1.8m，且最后一块刮板的末端伸出中心集泥槽的外周为 0.15m（一般为 0.1－0.15m），刮板高度统一，为 250mm，下缘距池底 20mm。
6 设计小结
课程设计的时间过得快， 也许是已经大三了， 以前做过几次课设， 所以这次做起来感觉轻松多了， 还记得大一时也是做设备， 可那时候什么都不会， 搞得焦头烂额，还为了完成 CAD 画图熬夜到很晚。这次课程设计在安排在考试之前。
我们除了做课设之外还要准备期末考，感觉每天都很忙。但我们的共同努力下，还提前完成了。这次课程设计我做的是沉淀池的设计计算，由于课上老师教过，所以做起来比较轻松。 感觉以前如果每节课都能认真听讲， 其实还是能学到不少东西的。课程设计虽然比较幸苦， 但是我觉得还是很有意义的， 可以让我们更加主动自觉的去看资料， 从中学到平常不会接触到的东西， 对设备有一个更加深入和细致的了解。同时也可以锻炼 CAD 画图能力，一举多得。（陈艳云）
此次课程设计我负责的是驱动装置设计这一部分， 通过这次的设计计算， 使
我对驱动装置有了一定的认识。同时，零件图的绘制让我有点生疏的 CAD 绘图又变得熟练起来了。当然，设计一开始我是无从下手的，通过向老师请教、同学
间讨论以及翻看各种资料，才有了思路。但是设计计算并不是一次就能成功的，是需要不断的进行选择进行多次计算才能找到最合适的， 想必这就是设计的魅力所在吧，在不断的探索当中找到最好的。 在此次查找资料的过程中， 我有和相关的企业进行一些交流， 时间虽短， 但还是能从中学到课本上所学不到的知识， 非常感谢他们提供的减速机及回转支承产品书以及对我的耐心解答。 这次设计的不足点在于传动装置的选取，选择内啮合式的传动装置有可能会更好一些。最后，非常感谢老师对我的耐心解答和小伙伴的帮助。 （洪小云）
16/21
这次课程设计虽然只有两周的时间， 不过我却觉得收获很大。 辐流式沉淀池对于学环境工程的人来说并不陌生， 但是我们这次比较偏向机械设备的设计， 我是负责中心传动架和刮臂及刮泥板的设计。 刚开始接触这两部分的计算时， 只能
用懵掉两个字来形容， 那时候我还分不清哪个是刮臂、 刮板，而且还把工作桥当成了刮臂。后来慢慢的查了下资料，问了同学和老师，终于把它们弄明白了。设计刮板这部分时， 由于资料有限， 没有模板可参考， 所以我就按照自己的想法写下来，虽然还有很多缺陷，但是我觉得我还是能学到很多。比如，刮板设计要从距池边 0.3-0.5m 开始，第一块按实际需要设计，其余均应有一定的前伸量，保
证邻近的刮板在刮臂轴心线上的投影彼此重叠。重叠度为刮板长度投影的
10%
－ 15%，一般为 150mm－ 250mm。最后一块刮板的末端伸出中心集泥槽的外周0.1-0.15m。刮板长度随桁架结构形式而变，由池边向中心布置，长度逐渐增大。刮板高度统一，约 250mm，下缘距池底 20mm。设计每个刮臂上有几个刮板时要注意刮板不能太少， 也不能太密集， 而且刮板的尺寸也要选好。 在画中心竖架与外齿圈连接构造时， 要能明白某个零件是怎么工作的， 还要懂得某个部位是什么零件，这样我们才不会盲目画图， 结果画完了自己什么都不知道。 做课程设计不仅使我巩固了专业知识，还让我锻炼了 CAD 画图能力。最后感谢同组队友对我 “啰嗦 ”问题不厌其烦地解答。 （庄煜倩）
7 小组分工
学号
姓名
主要分工（详细说明）
沉淀池基本参数计算，装配图的绘制
驱动机构的设计计算，小齿轮与回转轴承零件图的绘 制，文案排版
中心传动竖架与刮臂和刮板的设计计算及两个零件图 的绘制。
1216022103 陈艳云 1216022106 洪小云
1216022154 庄煜倩
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参考文献
【 1】 B 系列立式摆线针轮减速器
；
【 2】 机械设计课程设计手册（第 3 版），吴宗泽主编，高等教育出版社； 【 3】 徐州海林回转支承有限公司提供的回转支承系列产品书； 【 4】 《机械设计基础（第五版） 》，杨可桢主编，高等教育出版社； 【 5】 《机械设计（第八版）》，濮良贵主编，高等教育出版社。 【 6】 对数螺旋曲线型刮板。
成绩评定
老师评语：
成绩评定如下：
学号
姓名 成绩（优秀、良好、中等、及格、不及格）
附件
1、整体装配图一张（ A3）
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2、小齿轮与回转支承图（ A4 ）
3、中心竖架与外齿圈连接图（ A4 ）
4、刮板及刮板布置（ A4）
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