崔雅筠，郭安福，姜 濤，李俊頡，李永鑫

（聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東聊城252059）

地震、洪水等大型自然災(zāi)害易使水源遭受次生污染，導(dǎo)致供水系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的損壞，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩?］。飲水安全與人類身體健康息息相關(guān)，飲用受污染的水可能會引發(fā)傷寒、痢疾等多種疾病，長期接觸和飲用受污染的水甚至?xí)?dǎo)致患癌率和死亡率升高［2-4］。當(dāng)自然災(zāi)害突發(fā)時，應(yīng)急凈水裝置可作為保障災(zāi)區(qū)居民飲水安全的重要工具。

20世紀(jì)60年代起，日本、美國等發(fā)達(dá)國家不斷加強(qiáng)應(yīng)急凈水技術(shù)的研究，各種應(yīng)急凈水裝置相繼問世。例如：Seko等通過輻射誘導(dǎo)乳液接枝聚合技術(shù)，研發(fā)了一種可以去除福島災(zāi)區(qū)水中放射性污染物的凈水器［5］；Taheran等設(shè)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(fù)合膜、聚丙烯腈/生物炭復(fù)合膜和聚丙烯腈/生物炭/漆酶復(fù)合膜組成的3層復(fù)合膜凈化水質(zhì)，該凈水裝置去除雜質(zhì)效率高且不需要消耗能量，適用于凈水工藝落后的地區(qū)［6］；Sundaramahalingam等設(shè)計開發(fā)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(zhì)［7］。

近年來，我國應(yīng)急凈水裝置的發(fā)展也較為迅速。例如：張小燕等發(fā)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(fā)了一種基于Kano 模型的帶拉伸結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)素補(bǔ)充結(jié)構(gòu)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(xì)菌纖維素基上以形成生物基結(jié)構(gòu)，并基于該結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款適用于凈水工藝落后地區(qū)的紙狀多功能凈水器［12］；Liu等對可應(yīng)用于農(nóng)村分散式供水工程的旋轉(zhuǎn)交叉流超濾凈水器進(jìn)行了研究［13］。

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

1 可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

可連續(xù)取水的移動應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of mobile emergency water purification trolly with continuous water intake

1.2 工作原理

可連續(xù)取水的移動應(yīng)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(nèi)部加壓以形成真空狀態(tài)，從而使水流入濾水裝置；3）水經(jīng)濾水裝置凈化后流入儲水裝置；4）轉(zhuǎn)動儲水裝置上的旋鈕，輕輕按壓即可出水。

2 可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車主要裝置的設(shè)計與分析

2.1 取水裝置的設(shè)計與分析

可連續(xù)取水的移動應(yīng)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(shè)有1個進(jìn)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(jìn)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(xiàn)水從取水裝置流入濾水裝置。取水裝置中的水管選用內(nèi)徑為4 mm、外徑為6 mm的軟水管，其具有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)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(nèi)部形成真空狀態(tài)?；谌鐖D3所示的杠桿原理，選取合適的力臂，可達(dá)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(nèi)，當(dāng)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(yīng)選取較長的動力臂，因此選取較長的手桿。在實際設(shè)計時，結(jié)合移動應(yīng)急凈水車車身的尺寸、省力特點和強(qiáng)度要求，取手桿長度為0.47 m。

2.2 濾水裝置的設(shè)計與分析

可連續(xù)取水的移動應(yīng)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(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車的核心部分，其精度直接影響飲用水的質(zhì)量。為了防止水倒流，濾水裝置進(jìn)水口側(cè)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(xì)顆粒雜質(zhì)、細(xì)菌和病毒等雜質(zhì)。該濾芯運用表層截留和內(nèi)部截留的工作機(jī)理，將濾除的雜質(zhì)截留在濾芯中，直接篩除雜質(zhì)，其凈化速度快且凈化能力強(qiáng)，但濾水精度不夠，對無機(jī)離子和小分子的處理能力不強(qiáng)［7］。

納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(xué)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(yōu)點［17］。但在濾水過程中，容易引發(fā)膜污染問題，導(dǎo)致膜通量降低。

活性炭濾芯孔隙多及吸附作用強(qiáng)，可去除水中大部分有機(jī)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(zhì)反應(yīng)會生成有害的亞硝酸胺；此外，其濾水能力受水質(zhì)酸堿度、溶質(zhì)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(shè)計與分析

可連續(xù)取水的移動應(yīng)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(yōu)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(zhuǎn)開關(guān)，轉(zhuǎn)動旋鈕開關(guān)，輕輕按壓水桶即可出水。

2.4 運水裝置的設(shè)計與分析

為了使可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車更好地在受災(zāi)環(huán)境中應(yīng)用，設(shè)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(xiàn)與其余3個裝置的連接。運水裝置是實現(xiàn)可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車移動功能的載體。當(dāng)移動應(yīng)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(xiàn)平穩(wěn)停靠；當(dāng)移動應(yīng)急凈水車需要運動時，通過輪子組件來實現(xiàn)快速運動。

3 可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車關(guān)鍵部件有限元分析

運水裝置是決定可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車功能是否穩(wěn)定發(fā)揮的關(guān)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(xiàn)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(qiáng)度進(jìn)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(zhì)量為11 kg，濾水裝置的質(zhì)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(qiáng)度進(jìn)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(shè)2個支架的材質(zhì)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(yīng)力分布云圖如圖7所示。

一般情況下，承重支架的強(qiáng)度判據(jù)為：式中：σmax為最大應(yīng)力，N/m2；σ 為許用應(yīng)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(dāng)承重支架所受的最大應(yīng)力σmax不大于許用應(yīng)力σ時，滿足強(qiáng)度判據(jù)。當(dāng)載荷Nmax不變時，承重支架橫截面積A越大，其所受的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力σmax2=6.642×104N/m2。結(jié)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(yīng)力均小于其材料的許用應(yīng)力1.723×108N/m2，均處于彈性應(yīng)力應(yīng)變階段，滿足強(qiáng)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(yīng)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(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車樣機(jī)，如圖8所示。利用搭建的樣機(jī)在聊城大學(xué)東湖邊進(jìn)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(xù)取水的移動應(yīng)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(jìn)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(guān)閉吸水器。通過試驗發(fā)現(xiàn)，取水裝置抽取的水快速通過濾水裝置后進(jìn)入儲水裝置，各裝置封閉性良好，無大規(guī)模漏水等現(xiàn)象，表明該移動應(yīng)急凈水車可以實現(xiàn)預(yù)期的取水、儲水功能。

4.2 濾水試驗

圖8 可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車樣機(jī)Fig.8 Prototype of mobile emergency water purification trolly with continuous water intake

采集經(jīng)過濾裝置過濾后的水樣，并對其部分指標(biāo)進(jìn)行檢測。各指標(biāo)的檢測方法、檢測結(jié)果及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）），如表1所示。

表1 濾水試驗結(jié)果Table 1 Water filtration test results

由表1可知，經(jīng)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(zhì)常規(guī)指標(biāo)許可限值之內(nèi)；COD為2.5 mg/L，低于水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)中的限值。綜上可知，該濾水裝置能有效濾除水中的雜質(zhì)，濾水精度較高。

4.3 運水試驗

在理想條件下，利用可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車樣機(jī)進(jìn)行運水試驗。記錄該移動應(yīng)急凈水車裝滿水后運行500 m 的時間，共進(jìn)行3 次試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 運水試驗結(jié)果Table 2 Water transport test results

由表2可知，可連續(xù)取水的移動應(yīng)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(jié) 論

1）對可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)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(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車承受外加載荷最大的2個放置支架的強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明這2個放置支架的強(qiáng)度均滿足要求。

4）搭建了可連續(xù)取水的移動應(yīng)急凈水車樣機(jī)，并對其取水、濾水、儲水和運水功能進(jìn)行試驗驗證。試驗結(jié)果表明，該樣機(jī)能實現(xiàn)預(yù)期的連續(xù)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。