车载多功能制供水系统的结构设计

李儒鹏，朱孟府，苑英海，宿红波，赵连玉

车载多功能制供水系统的结构设计

李儒鹏，朱孟府，苑英海，宿红波，赵连玉

目的：研制一种供灾害救援使用的车载多功能制供水系统。方法：建立净水工艺，应用SolidWorks软件进行系统结构设计，并应用ANSYS软件对系统框架进行受力分析，最终完成机电一体的车载多功能制供水系统的结构设计。

净水；多功能；结构设计；车载

0 引言

当今时代，自然灾害和突发事件频发，灾区人民的生命财产安全受到巨大威胁，如何快速有效地进行灾害救援已经成为世界各国关注的焦点。灾害发生后，现场水源污染严重，不能直接作为灾害救援用水。供水不足可造成救援力量的战斗力被削弱，导致救援工作效率低下[1-2]，所以，解决灾害救援用水是灾害救援工作中亟待解决的关键问题之一。

世界各国都在积极研制车载式制供水系统，如美国的600GPH型反渗透净水设备、德国的WTC500型净水装备[3-4]，以及国内的H5090XJS型净水车、HNSAE11053应急救援水处理车、DTRO移动应急供水设备[5]。这些制供水系统都在灾害救援中发挥了重要作用，但同时也存在着产水功能单一、缺少排水保护功能等不足。签于此，本文设计一种车载式多功能制供水系统，可以根据不同需求制备洗消用水、饮用水和药用水，进行分质供水，并具有排水功能，适合灾害救援使用。

1 工艺设计

1.1 设计依据

根据灾害救援用水需求，车载制供水系统不同用水的产水流量分别为消毒用水1 000 L/h、饮用水200 L/h、药用水100 L/h，产水水质符合相关标准[6-7]。根据机械设计原则，结构需满足机械强度、刚度及稳定性的要求。结构设计还要充分考虑各单元之间的空间分布合理性，系统的净水单元、动力单元、控制单元、排水单元要保证不相互干扰，保证便于维修、安装和拆卸。

1.2 净水工艺

根据设计依据，设计了超滤、反渗透、离子交换集成净水工艺[8-11]，工艺流程示意如图1所示。原水经潜水泵加压进入精密过滤，再经超滤制备洗消用水。超滤产水经高压泵进入一级反渗透，制备饮用水。一级反渗透的产水进入二级反渗透和离子交换树脂，制备药用水。在净水工艺中，精密滤器可以作为预处理，去除水中固体颗粒，超滤可以滤除水中的颗粒物、大分子有机物、微生物和胶体，反渗透可以去除水中的可溶性盐、有机物、微生物，离子交换可以进行深度脱盐。该集成净水工艺能够制备符合要求的洗消用水、饮用水和药用水。

图1 净水工艺流程示意

1.3 排水工艺

为了防止系统中的水在低温环境结冰，损坏管路和元器件，设计了车载多功能制供水系统的排水工艺流程（如图2所示）。空压机压缩空气进入管路，通过控制阀门分别对精密过滤、超滤、反渗透、离子交换树脂以及管路进行排水，基本保证系统中的水排出。

图2 排水工艺流程示意

2 结构设计

2.1 系统结构

车载多功能制供水系统由洗消用水模块、饮用水模块、药用水模块3个功能模块组成。每个模块都设计有压力表和流量计及压力保护装置，在产水压力过高时自动停机，产水管路上连接电导率仪，用于在线监测水质。主要管路、反渗透膜壳、陶瓷膜膜壳及系统框架均采用304不锈钢材料，系统框架规格为40 mm×40 mm×3 mm，药用水单元管路采用316不锈钢材料。应用SolidWorks软件进行系统结构设计，对主要元器件进行结构布局。如图3所示，正面分别为指示面板、铭牌面板和操作面板，指示面板用于观察工作压力及产水流量，以便随时进行调控，操作面板上装有PLC显示屏、操作开关和指示灯。系统左侧面（如图4所示）为进出水口面板，电控箱与操作面板直接相连，其后面设计配件箱，用于放置耗材及配件等。

1.反渗透膜；2.高压泵；3.超滤膜；4.精密滤器；5.离子交换树脂（a）俯视图

图3 系统平面示意

图4 系统等轴测示意

2.2 功能模块

2.2.1 洗消用水模块>

洗消用水模块由潜水泵、精密过滤器、超滤膜、压力表和流量计组成。使用时将固定在系统框架的潜水泵取下放入水囊中，使用完毕后重新放回并固定。超滤膜型号为4021，材料为陶瓷，2支串联连接。陶瓷超滤膜组件及固定如图5所示，侧面用不锈钢金属带固定，金属带两端则通过螺纹连接在框架横梁上，同时，框架底部专门为陶瓷膜设计了底部支撑梁，以增加其稳定性。

图5 陶瓷膜组件局部视图（单位：mm）

2.2.2 饮用水模块

饮用水模块由高压泵、一级反渗透膜、压力表、流量计组成。高压泵固定方式为底座四角固定，进水口与洗消用水模块的产水相连接，出水进入一级反渗透，反渗透膜型号为4021，3支串联连接。

2.2.3 药用水模块

药用水模块由二级反渗透膜和离子交换树脂组件组成，串联连接。一级反渗透产水进入药用水模块，经二级反渗透和离子交换树脂深度脱盐制备药用水。二级反渗透膜型号为4021，数量1支，离子交换树脂规格为φ120 mm×500 mm，3支串联连接。

3 力学分析

车载多功能净水系统的框架承担着所有的净水元器件和电气元件的质量，需要进行强度校核，选择ANSYS力学分析软件进行力学分析。框架材料为304工业方钢，厚度为3 mm，截面尺寸为40 mm×40 mm，弹性模量E=193 GPa，泊松比μ=0.3，设单元类型为Solid45，进行力学分析，采用自由网格划分，分别对受压力较大的陶瓷超滤膜支撑梁及整体框架作力学分析。

陶瓷膜组件的质量约为100 kg，是系统中质量最大的元器件，需针对其支撑梁单独进行受力分析。支撑梁为2根，受力相同，为简化计算，取其中一根作受力分析，其应变、应力如图6所示。其最大应变为9.4×10-5m，应变量很小，最大应力为2.4×106Pa，低于所选材料屈服强度2.05×108Pa，说明陶瓷膜组件支撑梁能够满足机械强度和刚度的要求。

图6 陶瓷膜组件支撑梁应变、应力

对于整体框架，将主要元器件按实际情况转化为载荷施加到框架对应位置上，其中高压泵的质量为45 kg，潜水泵的质量为12 kg，空压机的质量为15 kg，反渗透膜组件的总质量约为35 kg，离子交换树脂组件的总质量约为15kg，精密过滤器的质量约为40kg，对应施加载荷后框架的应变、应力如图7所示，框架最大应变为2.87×10-3m，应变量很小，最大应力为3.69×106Pa，低于所选材料屈服强度2.05×108Pa，说明框架整体设计满足机械强度和刚度的要求。

图7 整体框架应变、应力

4 性能分析

4.1 应用效果

根据结构设计，试制出车载多功能制供水系统样机，并对样机进行初步性能评价。当系统制备洗消用水时，产水流量可达1 120 L/h；当系统制备饮用水时，产水流量可达240 L/h；当系统制备药用水时，产水流量可达120 L/h。产水流量符合设计预期，产水水质均符合相关标准。

4.2 技术参数

车载多功能制供水系统外形尺寸为2 000 mm× 800mm×1200mm，质量约为400kg，电源为220V/50 Hz，系统最大功率消耗为3.40 kW，其中，高压泵功率为1.50 kW，空压机功率为0.37 kW，潜水泵功率为0.25 kW。

5 结论

通过车载多功能制供水系统净水工艺的建立，以及净水元件和动力元件的选型，采用SolidWorks完成了系统的结构图和空间布局，确定设备外形尺寸，最终完成了车载多功能净水系统的结构设计。通过ANSYS力学分析表明，框架应变较小，应力小于所选材料屈服强度，框架强度与刚度均符合机械设计要求。车载多功能制供水系统工艺合理，能够实现洗消用水、饮用水、药用水分质产水供水功能，结构设计合理，稳定可靠，维修方便，作为车载多功能制供水系统，可满足灾害救援用水需求，具有广阔的应用前景。

[1]钱阳明.建立我国水系灾害救援体系的研究与思考[J].中国急救复苏与灾害医学杂志，2006，1（6）：251-253.

[2]宋风兵.军队医院组织突发事件应急医学救援的探讨[J].华南国防医学杂志，2006，20（4）：61-63.

[3]高树田，伍瑞昌，王运斗，等.国外军用反渗透净水装备的发展现状[J].中国医学装备，2007，4（12）：56-58.

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[4]杨敏.美军净水装备及技术发展综述[J].给水排水，2010，36（12）：125-130.

[5]左俊芳，宋延冬，王晶.新型碟管式反渗透移动应急供水设备[J].现代化工，2011，31（增刊1）：397-400，402.

[6]GB 5749—2006 国家生活饮用水卫生标准[S].

[7]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].9版.北京：中国医药科技出版社，2012：32-42.

[8]朱孟府，邓橙，宿红波，等.荷电微孔陶瓷膜在应急饮水净化中的应用研究[J].膜科学与技术，2013，33（3）：1-4.

[9]苑英海，宿红波，朱孟府，等.车载式反渗透净水机的结构设计[J].医疗卫生装备，2014，35（3）：17-18，22.

[10]Alzahrani S.Comparative study of NF and RO membranes in the treatment of produced water[J].Desalination，2013，315：27-32.

[11]朱孟府.野战制液技术与装备研究现状及发展趋势[J].医疗卫生装备，2008，29（9）：247-249.

（收稿：2014-07-19 修回：2014-10-25）

Structure design of multi-functional vehicle-mounted system for water treatment and supply

LI Ru-peng1,2,ZHU Meng-fu2,YUAN Ying-hai2,SU Hong-bo2,ZHAO Lian-yu1
（1.Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medicine Sciences,Tianjin 300161,China）

To develop a multi-functional vehicle-mounted system of water treatment and supply for disaster rescue.The structure design was completed with water purification process established,SolidWorks for design and ANSYS for frame stress analysis.The system had the dimensions of 2 000 mm×800 mm×1 200 mm,maximal stress of 2.4×106Pa,sterilization water flow of 1 000 L/h,drinking water flow of 200 L/h and medicinal water flow of 100 L/h.The system has its structure design finished on the basis of water purification process,and the frame strength and rigidity meet the desired requirements,which can produce different water for sterilization,drinking or pharmacy in disaster relief.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：1-3，38]

water purification;multi function;structure design;vehicle-mounted

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2014）12-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.001

国家科技重大专项（2012ZX10004801003）

李儒鹏（1991—），男，研究方向为机械设计制造，E-mail：lirupeng99 @163.com。

300384天津，天津理工大学（李儒鹏，赵连玉）；300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（李儒鹏，朱孟府，苑英海，宿红波）

朱孟府，E-mail：zmf323@163.com；赵连玉，E-mail：lianyuzhao@ 163.com

结果：车载多功能制供水系统外形尺寸为2 000 mm×800 mm×1 200 mm，所受最大应力为2.4×106Pa，消毒用水流量1 000 L/h、饮用水流量200 L/h、药用水流量100 L/h。结论：根据车载多功能制供水系统净水工艺，完成了净水系统的结构设计，系统框架的强度与刚度均符合机械设计要求，能够实现洗消用水、饮用水、药用水分质产水功能，满足灾害救援需求，具有广阔的应用前景。