可連續取水的移動應急凈水車結構設計與分析

崔雅筠，郭安福，姜 濤，李俊頡，李永鑫

（聊城大學機械與汽車工程學院，山東聊城252059）

地震、洪水等大型自然災害易使水源遭受次生污染，導致供水系統出現不同程度的損壞，嚴重威脅當地居民的飲水安全［1］。飲水安全與人類身體健康息息相關，飲用受污染的水可能會引發傷寒、痢疾等多種疾病，長期接觸和飲用受污染的水甚至會導致患癌率和死亡率升高［2-4］。當自然災害突發時，應急凈水裝置可作為保障災區居民飲水安全的重要工具。

20世紀60年代起，日本、美國等發達國家不斷加強應急凈水技術的研究，各種應急凈水裝置相繼問世。例如：Seko等通過輻射誘導乳液接枝聚合技術，研發了一種可以去除福島災區水中放射性污染物的凈水器［5］；Taheran等設計了一款新型的高效便攜式凈水裝置，其采用由聚丙烯腈/殼聚糖復合膜、聚丙烯腈/生物炭復合膜和聚丙烯腈/生物炭/漆酶復合膜組成的3層復合膜凈化水質，該凈水裝置去除雜質效率高且不需要消耗能量，適用于凈水工藝落后的地區［6］；Sundaramahalingam等設計開發了一款納米陶瓷濾水器，其原料易得，成本低，且能夠有效去除水中的雜質［7］。

近年來，我國應急凈水裝置的發展也較為迅速。例如：張小燕等發明了一款具有雙層沉淀功能的新型一體化凈水器［8］；陳斌、梁好等研制了裝有多層濾芯的高效凈水器［9-10］；王賢等開發了一種基于Kano 模型的帶拉伸結構及營養素補充結構的戶外凈水器［11］；Hu等通過將聚乙烯亞胺衍生的季銨鹽化合物嫁接到三維細菌纖維素基上以形成生物基結構，并基于該結構設計了一款適用于凈水工藝落后地區的紙狀多功能凈水器［12］；Liu等對可應用于農村分散式供水工程的旋轉交叉流超濾凈水器進行了研究［13］。

綜上，國內外學者對應急凈水裝置的研究多側重于供單人使用的小型凈水裝置，僅可實現單一的凈水功能且出水量小。因此，筆者擬設計一種濾水精度較高的可連續取水的移動應急凈水車，以滿足小群體的飲水需求。首先，對可連續取水的移動應急凈水車的結構進行設計；然后，運用SolidWorks軟件對該移動應急凈水車的運水裝置進行建模分析；最后，搭建可連續取水的移動應急凈水車樣機，并開展取水、儲水、濾水和運水試驗。

1 可連續取水的移動應急凈水車的總體結構與工作原理

1.1 總體結構

可連續取水的移動應急凈水車主要由取水裝置、濾水裝置、儲水裝置和運水裝置四部分組成，其總體結構如圖1所示。

圖1 可連續取水的移動應急凈水車總體結構Fig.1 Overall structure of mobile emergency water purification trolly with continuous water intake

1.2 工作原理

可連續取水的移動應急凈水車的工作原理為：1）打開取水裝置電源，將吸水器放入受污染的水中，將水吸到加壓水箱中；2）手動對加壓水箱內部加壓以形成真空狀態，從而使水流入濾水裝置；3）水經濾水裝置凈化后流入儲水裝置；4）轉動儲水裝置上的旋鈕，輕輕按壓即可出水。

2 可連續取水的移動應急凈水車主要裝置的設計與分析

2.1 取水裝置的設計與分析

可連續取水的移動應急凈水車取水裝置的三維模型如圖2所示，其主要由固定支座、可伸縮支座、手桿、水管、加壓水箱和吸水器等組成，其中加壓水箱上設有1個進水口和1個出水口。

圖2 取水裝置三維模型Fig.2 Three-dimensional model of water intake device

取水裝置加壓水箱上的進水口與吸水器通過水管連接，出水口與濾水裝置通過水管連接，以實現水從取水裝置流入濾水裝置。取水裝置中的水管選用內徑為4 mm、外徑為6 mm的軟水管，其具有較高的抗拉、抗壓強度。在利用手桿對加壓水箱加壓時，手桿作線性運動，以使加壓水箱內部形成真空狀態。基于如圖3所示的杠桿原理，選取合適的力臂，可達到省力的目的。

圖3 杠桿原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of leverage principle

由此可知：在一定范圍內，當阻力F阻與阻力臂L阻一定時，動力臂L動越長，動力F動越小，即動力臂越長越省力。因此，應選取較長的動力臂，因此選取較長的手桿。在實際設計時，結合移動應急凈水車車身的尺寸、省力特點和強度要求，取手桿長度為0.47 m。

2.2 濾水裝置的設計與分析

可連續取水的移動應急凈水車濾水裝置的三維模型如圖4所示。濾水裝置是可連續取水的移動應急凈水車的核心部分，其精度直接影響飲用水的質量。為了防止水倒流，濾水裝置進水口側裝有單向閥。

圖4 濾水裝置三維模型Fig.4 Three-dimensional model of water filtration device

濾水裝置中的濾芯共有3 層：第1 層為陶瓷濾芯，第2 層為納濾膜濾芯，第3 層為活性炭濾芯［6，9-10，14-15］。

陶瓷濾芯可過濾水中直徑大于0.2 μm的微細顆粒雜質、細菌和病毒等雜質。該濾芯運用表層截留和內部截留的工作機理，將濾除的雜質截留在濾芯中，直接篩除雜質，其凈化速度快且凈化能力強，但濾水精度不夠，對無機離子和小分子的處理能力不強［7］。

納米科學技術的發展使得多孔膜凈水性能大幅提升［16］。納濾膜濾芯對水的濁度降低以及COD（chemical oxygen demand，化學需氧量）和部分離子的去除均有明顯效果，其具有通用性、可回收性和高油水分離性等優點［17］。但在濾水過程中，容易引發膜污染問題，導致膜通量降低。

活性炭濾芯孔隙多及吸附作用強，可去除水中大部分有機物，但容易在微生物催化作用下形成亞硝酸氮，亞硝酸氮與水中的胺類物質反應會生成有害的亞硝酸胺；此外，其濾水能力受水質酸堿度、溶質濃度等因素的影響［18-20］。

綜上，采用3層濾芯過濾水的方式能避免單層濾芯濾水時存在的諸多不足，可有效提高濾水精度。

2.3 儲水裝置的設計與分析

可連續取水的移動應急凈水車儲水裝置的三維模型如圖5所示。

圖5 儲水裝置三維模型Fig.5 Three-dimensional model of water storage device

儲水裝置的主體部分為10 L 的伸縮水桶，其材料為延展性優良的TPU（thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）。伸縮水桶可上、下拉伸，其裝滿水后的高度約為0.30 m，空桶壓縮后的高度約為0.17 m，即不儲水時該水桶占用的體積較小。伸縮水桶上方裝有旋轉開關，轉動旋鈕開關，輕輕按壓水桶即可出水。

2.4 運水裝置的設計與分析

為了使可連續取水的移動應急凈水車更好地在受災環境中應用，設計了手拉式運水裝置，其三維模型如圖6所示。

圖6 運水裝置三維模型Fig.6 Three-dimensional model of water transport device

運水裝置的主體為帶有伸縮拉桿的小車，其上裝有儲水裝置放置支架和濾水裝置放置支架，以實現與其余3個裝置的連接。運水裝置是實現可連續取水的移動應急凈水車移動功能的載體。當移動應急凈水車需要靜止時，通過運水裝置車身部分的支撐部件來實現平穩停靠；當移動應急凈水車需要運動時，通過輪子組件來實現快速運動。

3 可連續取水的移動應急凈水車關鍵部件有限元分析

運水裝置是決定可連續取水的移動應急凈水車功能是否穩定發揮的關鍵部件。由于取水裝置、濾水裝置和儲水裝置均集成在運水裝置上，且運水裝置還要實現運水功能，其受到的外加載荷最大，最容易損壞。因此，需對運水裝置上承重支架的強度進行有限元分析［21］。

儲水裝置放置支架、濾水裝置放置支架所需承受的外加載荷主要為儲水裝置、濾水裝置的重力。儲水裝置裝滿水后的質量為11 kg，濾水裝置的質量為5 kg。

運用SolidWoks軟件的Simulation功能對儲水裝置放置支架、濾水裝置放置支架的強度進行有限元分析。在儲水裝置放置支架有限元模型上施加豎直向下的110 N載荷，在濾水裝置放置支架有限元模型上施加豎直向下的50 N載荷，設2個支架的材質均為不銹鋼。通過有限元分析得到的儲水裝置放置支架和濾水裝置放置支架的von-Mises應力分布云圖如圖7所示。

一般情況下，承重支架的強度判據為：式中：σmax為最大應力，N/m2；σ 為許用應力，N/m2；Nmax為最大載荷，N；A為承重支架的橫截面積，m2。

由式（2）可知，當承重支架所受的最大應力σmax不大于許用應力σ時，滿足強度判據。當載荷Nmax不變時，承重支架橫截面積A越大，其所受的應力越小，則越不容易損壞。因此，儲水裝置放置支架、濾水裝置放置支架應具有較大的橫截面積。本文選取的儲水裝置放置支架的橫截面積為8×10-2m2，濾水裝置放置支架的橫截面積為6.4×10-2m2。

由圖7（a）可知，儲水裝置放置支架所受的最大von-Mises 應力σmax1=2.381×103N/m2；由圖7（b）可知，濾水裝置放置支架所受的最大von-Mises 應力σmax2=6.642×104N/m2。結果表明，儲水裝置放置支架、濾水裝置放置支架所受的最大von-Mises應力均小于其材料的許用應力1.723×108N/m2，均處于彈性應力應變階段，滿足強度要求。

4 試驗驗證

圖7 儲水裝置放置支架和濾水裝置放置支架的von-Mises應力分布云圖Fig.7 Ⅴon-Mises stress distribution cloud diagram of water storage device placement bracket and water filtration device placement bracket

為驗證上文仿真結果的準確性，搭建可連續取水的移動應急凈水車樣機，如圖8所示。利用搭建的樣機在聊城大學東湖邊進行取水、儲水、濾水和運水試驗。

4.1 取水和儲水試驗

打開可連續取水的移動應急凈水車取水裝置中的吸水器，并將吸水器放入湖中，利用手桿對加壓水箱進行加壓。在加壓過程中，觀察取水裝置、濾水裝置和儲水裝置的變化，10 min后停止加壓，并關閉吸水器。通過試驗發現，取水裝置抽取的水快速通過濾水裝置后進入儲水裝置，各裝置封閉性良好，無大規模漏水等現象，表明該移動應急凈水車可以實現預期的取水、儲水功能。

4.2 濾水試驗

圖8 可連續取水的移動應急凈水車樣機Fig.8 Prototype of mobile emergency water purification trolly with continuous water intake

采集經過濾裝置過濾后的水樣，并對其部分指標進行檢測。各指標的檢測方法、檢測結果及其對應的標準（《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）），如表1所示。

表1 濾水試驗結果Table 1 Water filtration test results

由表1可知，經濾水裝置過濾后，水樣清澈且無異臭、異味，未見渾濁沉淀物；水樣呈弱堿性，在水質常規指標許可限值之內；COD為2.5 mg/L，低于水質常規指標中的限值。綜上可知，該濾水裝置能有效濾除水中的雜質，濾水精度較高。

4.3 運水試驗

在理想條件下，利用可連續取水的移動應急凈水車樣機進行運水試驗。記錄該移動應急凈水車裝滿水后運行500 m 的時間，共進行3 次試驗，結果如表2所示。

表2 運水試驗結果Table 2 Water transport test results

由表2可知，可連續取水的移動應急凈水車的平均運水速度為48 m/min，且其在運送過程中十分省力，表明其運水性能良好。

5 結 論

1）對可連續取水的移動應急凈水車的結構進行設計和分析，主要包括取水裝置、濾水裝置、儲水裝置和運水裝置四部分。

2）采用由陶瓷濾芯、納濾膜濾芯和活性炭濾芯組成的3層濾芯，提高了濾水精度；取水裝置、濾水裝置、儲水裝置集成在運水裝置上，運輸方便。

3）利用SolidWoks軟件的Simulation功能對可連續取水的移動應急凈水車承受外加載荷最大的2個放置支架的強度進行了有限元分析。結果表明這2個放置支架的強度均滿足要求。

4）搭建了可連續取水的移動應急凈水車樣機，并對其取水、濾水、儲水和運水功能進行試驗驗證。試驗結果表明，該樣機能實現預期的連續取水、儲水功能，濾水精度較高；平均運水速度為48 m/min，運水省力。