可连续取水的移动应急净水车结构设计与分析

2021-03-22崔雅筠郭安福李俊颉李永鑫

工程设计学报 2021年1期

崔雅筠，郭安福，姜涛，李俊颉，李永鑫

（聊城大学机械与汽车工程学院，山东聊城252059）

地震、洪水等大型自然灾害易使水源遭受次生污染，导致供水系统出现不同程度的损坏，严重威胁当地居民的饮水安全［1］。饮水安全与人类身体健康息息相关，饮用受污染的水可能会引发伤寒、痢疾等多种疾病，长期接触和饮用受污染的水甚至会导致患癌率和死亡率升高［2-4］。当自然灾害突发时，应急净水装置可作为保障灾区居民饮水安全的重要工具。

20世纪60年代起，日本、美国等发达国家不断加强应急净水技术的研究，各种应急净水装置相继问世。例如：Seko等通过辐射诱导乳液接枝聚合技术，研发了一种可以去除福岛灾区水中放射性污染物的净水器［5］；Taheran等设计了一款新型的高效便携式净水装置，其采用由聚丙烯腈/壳聚糖复合膜、聚丙烯腈/生物炭复合膜和聚丙烯腈/生物炭/漆酶复合膜组成的3层复合膜净化水质，该净水装置去除杂质效率高且不需要消耗能量，适用于净水工艺落后的地区［6］；Sundaramahalingam等设计开发了一款纳米陶瓷滤水器，其原料易得，成本低，且能够有效去除水中的杂质［7］。

近年来，我国应急净水装置的发展也较为迅速。例如：张小燕等发明了一款具有双层沉淀功能的新型一体化净水器［8］；陈斌、梁好等研制了装有多层滤芯的高效净水器［9-10］；王贤等开发了一种基于Kano 模型的带拉伸结构及营养素补充结构的户外净水器［11］；Hu等通过将聚乙烯亚胺衍生的季铵盐化合物嫁接到三维细菌纤维素基上以形成生物基结构，并基于该结构设计了一款适用于净水工艺落后地区的纸状多功能净水器［12］；Liu等对可应用于农村分散式供水工程的旋转交叉流超滤净水器进行了研究［13］。

综上，国内外学者对应急净水装置的研究多侧重于供单人使用的小型净水装置，仅可实现单一的净水功能且出水量小。因此，笔者拟设计一种滤水精度较高的可连续取水的移动应急净水车，以满足小群体的饮水需求。首先，对可连续取水的移动应急净水车的结构进行设计；然后，运用SolidWorks软件对该移动应急净水车的运水装置进行建模分析；最后，搭建可连续取水的移动应急净水车样机，并开展取水、储水、滤水和运水试验。

1 可连续取水的移动应急净水车的总体结构与工作原理

1.1 总体结构

可连续取水的移动应急净水车主要由取水装置、滤水装置、储水装置和运水装置四部分组成，其总体结构如图1所示。

图1 可连续取水的移动应急净水车总体结构Fig.1 Overall structure of mobile emergency water purification trolly with continuous water intake

1.2 工作原理

可连续取水的移动应急净水车的工作原理为：1）打开取水装置电源，将吸水器放入受污染的水中，将水吸到加压水箱中；2）手动对加压水箱内部加压以形成真空状态，从而使水流入滤水装置；3）水经滤水装置净化后流入储水装置；4）转动储水装置上的旋钮，轻轻按压即可出水。

2 可连续取水的移动应急净水车主要装置的设计与分析

2.1 取水装置的设计与分析

可连续取水的移动应急净水车取水装置的三维模型如图2所示，其主要由固定支座、可伸缩支座、手杆、水管、加压水箱和吸水器等组成，其中加压水箱上设有1个进水口和1个出水口。

图2 取水装置三维模型Fig.2 Three-dimensional model of water intake device

取水装置加压水箱上的进水口与吸水器通过水管连接，出水口与滤水装置通过水管连接，以实现水从取水装置流入滤水装置。取水装置中的水管选用内径为4 mm、外径为6 mm的软水管，其具有较高的抗拉、抗压强度。在利用手杆对加压水箱加压时，手杆作线性运动，以使加压水箱内部形成真空状态。基于如图3所示的杠杆原理，选取合适的力臂，可达到省力的目的。

图3 杠杆原理示意图Fig.3 Schematic diagram of leverage principle

由此可知：在一定范围内，当阻力F阻与阻力臂L阻一定时，动力臂L动越长，动力F动越小，即动力臂越长越省力。因此，应选取较长的动力臂，因此选取较长的手杆。在实际设计时，结合移动应急净水车车身的尺寸、省力特点和强度要求，取手杆长度为0.47 m。

2.2 滤水装置的设计与分析

可连续取水的移动应急净水车滤水装置的三维模型如图4所示。滤水装置是可连续取水的移动应急净水车的核心部分，其精度直接影响饮用水的质量。为了防止水倒流，滤水装置进水口侧装有单向阀。

图4 滤水装置三维模型Fig.4 Three-dimensional model of water filtration device

滤水装置中的滤芯共有3 层：第1 层为陶瓷滤芯，第2 层为纳滤膜滤芯，第3 层为活性炭滤芯［6，9-10，14-15］。

陶瓷滤芯可过滤水中直径大于0.2 μm的微细颗粒杂质、细菌和病毒等杂质。该滤芯运用表层截留和内部截留的工作机理，将滤除的杂质截留在滤芯中，直接筛除杂质，其净化速度快且净化能力强，但滤水精度不够，对无机离子和小分子的处理能力不强［7］。

纳米科学技术的发展使得多孔膜净水性能大幅提升［16］。纳滤膜滤芯对水的浊度降低以及COD（chemical oxygen demand，化学需氧量）和部分离子的去除均有明显效果，其具有通用性、可回收性和高油水分离性等优点［17］。但在滤水过程中，容易引发膜污染问题，导致膜通量降低。

活性炭滤芯孔隙多及吸附作用强，可去除水中大部分有机物，但容易在微生物催化作用下形成亚硝酸氮，亚硝酸氮与水中的胺类物质反应会生成有害的亚硝酸胺；此外，其滤水能力受水质酸碱度、溶质浓度等因素的影响［18-20］。

综上，采用3层滤芯过滤水的方式能避免单层滤芯滤水时存在的诸多不足，可有效提高滤水精度。

2.3 储水装置的设计与分析

可连续取水的移动应急净水车储水装置的三维模型如图5所示。

图5 储水装置三维模型Fig.5 Three-dimensional model of water storage device

储水装置的主体部分为10 L 的伸缩水桶，其材料为延展性优良的TPU（thermoplastic polyurethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶）。伸缩水桶可上、下拉伸，其装满水后的高度约为0.30 m，空桶压缩后的高度约为0.17 m，即不储水时该水桶占用的体积较小。伸缩水桶上方装有旋转开关，转动旋钮开关，轻轻按压水桶即可出水。

2.4 运水装置的设计与分析

为了使可连续取水的移动应急净水车更好地在受灾环境中应用，设计了手拉式运水装置，其三维模型如图6所示。

图6 运水装置三维模型Fig.6 Three-dimensional model of water transport device

运水装置的主体为带有伸缩拉杆的小车，其上装有储水装置放置支架和滤水装置放置支架，以实现与其余3个装置的连接。运水装置是实现可连续取水的移动应急净水车移动功能的载体。当移动应急净水车需要静止时，通过运水装置车身部分的支撑部件来实现平稳停靠；当移动应急净水车需要运动时，通过轮子组件来实现快速运动。

3 可连续取水的移动应急净水车关键部件有限元分析

运水装置是决定可连续取水的移动应急净水车功能是否稳定发挥的关键部件。由于取水装置、滤水装置和储水装置均集成在运水装置上，且运水装置还要实现运水功能，其受到的外加载荷最大，最容易损坏。因此，需对运水装置上承重支架的强度进行有限元分析［21］。

储水装置放置支架、滤水装置放置支架所需承受的外加载荷主要为储水装置、滤水装置的重力。储水装置装满水后的质量为11 kg，滤水装置的质量为5 kg。

运用SolidWoks软件的Simulation功能对储水装置放置支架、滤水装置放置支架的强度进行有限元分析。在储水装置放置支架有限元模型上施加竖直向下的110 N载荷，在滤水装置放置支架有限元模型上施加竖直向下的50 N载荷，设2个支架的材质均为不锈钢。通过有限元分析得到的储水装置放置支架和滤水装置放置支架的von-Mises应力分布云图如图7所示。

一般情况下，承重支架的强度判据为：式中：σmax为最大应力，N/m2；σ 为许用应力，N/m2；Nmax为最大载荷，N；A为承重支架的横截面积，m2。

由式（2）可知，当承重支架所受的最大应力σmax不大于许用应力σ时，满足强度判据。当载荷Nmax不变时，承重支架横截面积A越大，其所受的应力越小，则越不容易损坏。因此，储水装置放置支架、滤水装置放置支架应具有较大的横截面积。本文选取的储水装置放置支架的横截面积为8×10-2m2，滤水装置放置支架的横截面积为6.4×10-2m2。

由图7（a）可知，储水装置放置支架所受的最大von-Mises 应力σmax1=2.381×103N/m2；由图7（b）可知，滤水装置放置支架所受的最大von-Mises 应力σmax2=6.642×104N/m2。结果表明，储水装置放置支架、滤水装置放置支架所受的最大von-Mises应力均小于其材料的许用应力1.723×108N/m2，均处于弹性应力应变阶段，满足强度要求。

4 试验验证

图7 储水装置放置支架和滤水装置放置支架的von-Mises应力分布云图Fig.7 Ⅴon-Mises stress distribution cloud diagram of water storage device placement bracket and water filtration device placement bracket

为验证上文仿真结果的准确性，搭建可连续取水的移动应急净水车样机，如图8所示。利用搭建的样机在聊城大学东湖边进行取水、储水、滤水和运水试验。

4.1 取水和储水试验

打开可连续取水的移动应急净水车取水装置中的吸水器，并将吸水器放入湖中，利用手杆对加压水箱进行加压。在加压过程中，观察取水装置、滤水装置和储水装置的变化，10 min后停止加压，并关闭吸水器。通过试验发现，取水装置抽取的水快速通过滤水装置后进入储水装置，各装置封闭性良好，无大规模漏水等现象，表明该移动应急净水车可以实现预期的取水、储水功能。