吳紹鋒，李東波

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

水是人們生活和生產(chǎn)的重要支柱，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的加劇，水污染問題嚴重威脅社會安全[1]。水質(zhì)監(jiān)測是水質(zhì)評價與水污染防治的主要依據(jù)。隨著水體污染問題的日益嚴重，對水污染的動態(tài)監(jiān)測與評價已成為當(dāng)務(wù)之急。目前水質(zhì)監(jiān)測主要由專業(yè)取樣人員進行野外采樣，然后送到實驗室進行各種項目的分析與化驗，這種傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測費時費力，耗材耗力，且受自然條件和時空等因素限制[2]?？蒲腥藛T為了盡早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的異常變化，提高下游水質(zhì)污染預(yù)報水平，及時追蹤污染源，研究了水的稀釋及水環(huán)境的自我凈化規(guī)律，在完善實驗室監(jiān)測的同時，發(fā)展了光譜法水質(zhì)移動監(jiān)測系統(tǒng)和光譜法原位水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。光譜法水質(zhì)分析技術(shù)與傳統(tǒng)化學(xué)法相比，具有操作便捷、不消耗試劑、重復(fù)性好等優(yōu)點[3]。針對我國水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、非原位和成本高等問題[4]，開發(fā)以傳感器為核心的低功耗原位水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守、持續(xù)性原位監(jiān)測[5]。

浸入式光譜法水質(zhì)檢測裝置(以下簡稱水質(zhì)檢測裝置)，采用先進的物理光譜法對水質(zhì)直接檢測，檢測周期小于5 min，同時不需要使用任何化學(xué)試劑、不產(chǎn)生二次污染，是現(xiàn)代化水質(zhì)監(jiān)測首選設(shè)備。

1 水質(zhì)檢測裝置結(jié)構(gòu)需求分析

為了保證光譜水樣的原位測量，在滿足光譜測量必備的結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，水質(zhì)檢測裝置結(jié)構(gòu)必須滿足浸入式測量的特征，同時為了安裝過程、維護過程的便捷，必須保持輕量化的特點。

水質(zhì)檢測裝置的工作環(huán)境為水下0.5～1.5 m，其檢測流程如下：設(shè)備置于預(yù)定水深測量處，啟動設(shè)備進行初始化；光譜采集單元運動到參比測量區(qū)域，進行參比水樣光譜采集；光譜采集單元運動至開放式測量池，進行實際水樣光譜采集；光譜采集單元復(fù)位，同時進行通光孔鏡面清洗，完成單次檢測。

1.1 需解決的問題

1)光譜采集單元光路結(jié)構(gòu)問題。

一次檢測需要先后完成參比光譜、實際水光譜采集，且要保證通光量一致，需解決光譜采集測量光路結(jié)構(gòu)問題。

2)防水密封問題。

作為浸入式設(shè)備投放至水下，需解決防水密封問題，確保設(shè)備穩(wěn)定、可靠運行。

3)原位監(jiān)測實際水光譜采集問題。

原位監(jiān)測直接獲取處于流動狀態(tài)水樣的光譜數(shù)據(jù)，無進樣、排樣過程，需解決實際水光譜采集問題。

4)水下測量光孔鏡面清潔問題。

設(shè)備長期水下工作，受藻類、泥沙等影響，測量光孔鏡面清晰度降低，直接影響光譜的測量結(jié)果，需解決測量光孔鏡面清潔度問題。

1.2 解決方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合機械設(shè)計相關(guān)知識及生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，經(jīng)過與合作單位的聯(lián)合論證，確定最終總體設(shè)計方案。水質(zhì)檢測裝置機械結(jié)構(gòu)總體構(gòu)成及部件功能，如圖1所示。

圖1 機械結(jié)構(gòu)總體構(gòu)成及部件功能

2 水質(zhì)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 測量骨架設(shè)計與分析

測量骨架是完成測量的關(guān)鍵零部件，其設(shè)計內(nèi)容包含光路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析3個部分。

2.1.1光路設(shè)計

檢測設(shè)備需要采集參比水樣的透射光譜和檢測水樣的透射光譜，對比形成檢測水樣的吸光度。在對參比水樣和實際待檢水樣進行光譜檢測時必須保證入射通光量的一致性，因此測量光路采用將光源、硬質(zhì)短光纖、準(zhǔn)直鏡、光譜儀等光學(xué)測量部件固定在軸上，使整個測量組件分別隨軸旋轉(zhuǎn)運動至參比樣和待測樣的檢測位置，從而實現(xiàn)參比樣和待測樣的分時檢測，并且滿足入射通光量一致的要求，如圖2所示。

圖2 光路設(shè)計

2.1.2測量骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

測量骨架結(jié)構(gòu)分為運動部分和靜止部分，運動部分由步進電機直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，其中脈沖氙燈通過光纖與準(zhǔn)直鏡固定在旋轉(zhuǎn)軸的一端，光譜儀通過光纖連接另一準(zhǔn)直鏡固定在旋轉(zhuǎn)軸的另一端，保證兩準(zhǔn)直鏡之間的同心度不低于0.05，兩準(zhǔn)直鏡之間是開放式測量池。靜止部分通過立柱與開放式測量池螺紋連接，同時固定到安裝蓋上，如圖3所示。

1—旋轉(zhuǎn)軸；2—光源固定架；3—光源；4—光源安裝立柱；5—準(zhǔn)直鏡；6—光譜儀；7—步進電機；8—光譜儀固定架；9—光譜儀安裝立柱；10—光纖

檢測過程：步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至開放式測量池上的蒸餾水測量光孔，光源發(fā)光，光譜儀接收蒸餾水透射光譜；隨后步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至開放式測量池上的實際水測量光孔，光源發(fā)光，光譜儀接收實際水透射光譜。通過兩者透射光譜得到實際水的吸光度，完成測量。

2.1.3測量骨架軸上部件有限元分析

軸上部件隨軸轉(zhuǎn)動，軸旋轉(zhuǎn)的速度較低，由于軸上光學(xué)部件屬于敏感元器件，很有可能出現(xiàn)共振等影響光學(xué)測量的現(xiàn)象，因此需對軸上部件進行模態(tài)分析。

光源固定架、光譜儀固定架與軸均是使用銷連接，銷的材料屬性與軸相同，并且與軸過盈配合連接，故簡化模型將軸與銷當(dāng)作一體件處理。軸、固定架的材料分別為316不銹鋼和6063-T5鋁合金，模態(tài)分析結(jié)果取前6階，見表1；節(jié)選1階、2階模態(tài)振型如圖4所示。

由表1和圖4可知：軸上部件的各階模態(tài)變形均不一樣，主要體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)軸的彎曲以及光源固定架與光譜儀固定架的彎曲和扭曲，其1階模態(tài)振型頻率達到278.30 Hz，以后各階逐步上升，而步進電機的頻率為0.28～0.83 Hz，遠遠小于各階模態(tài)振型所顯示的固有頻率，不在共振范圍內(nèi)，因此測量骨架軸上部件結(jié)構(gòu)及材料滿足設(shè)計要求。

表1 軸上部件模態(tài)振型

圖4 軸上部件模態(tài)振型圖

2.2 外壁筒設(shè)計與分析

外壁筒連接開放式測量池，分為上下兩個部分，外壁筒體與連接法蘭采用無縫焊接設(shè)計，主要作用是保護光譜檢測裝置中的所有檢測部件不受水體的干擾。

2.2.1外壁筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于浸入式設(shè)備工作條件多種多樣，大多數(shù)情況下工作在較為惡劣的環(huán)境中，如鹽度較高的海水、腐蝕性較強的工業(yè)廢水和生活污水，因此外壁筒的材料性能直接影響設(shè)備的使用和壽命。本文選取防腐蝕、防銹蝕、抗氧化性能均很好的316不銹鋼作為外壁筒的設(shè)計材料，根據(jù)檢測組件骨架大小和開放式測量池測量光孔的位置，上外壁筒的直徑和長度分別設(shè)計為180 mm和312 mm，下外壁筒的直徑和長度分別設(shè)計為180 mm和227 mm，外壁筒三維圖如圖5所示。

圖5 外壁筒三維圖

2.2.2外壁筒有限元分析

外壁筒采用無縫鋼管與法蘭焊接而成，并且在工作時承受水壓，本文所設(shè)計的檢測裝置工作水深為0.5～1.5 m，為應(yīng)對測量水域因天氣原因出現(xiàn)潮汐、洪澇等因素影響的水位增加，外壁筒設(shè)計應(yīng)能夠滿足抗5～8 m深度的水壓需求。在保證外壁筒滿足抗壓需求下需要對其壁厚進行有限元分析，尋求最佳壁厚以達到輕量化的目的。本文以8 m水深處水壓為載荷條件，對0.2 mm壁厚的外壁筒進行有限元分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 外壁筒有限元分析

由圖6可知，外壁筒的最大應(yīng)力遠小于材料的屈服極限，最大應(yīng)力為34.5 MPa，最大位移為0.018 7 mm，因此外壁筒在8 m水深下不會發(fā)生變形。根據(jù)分析結(jié)果，在滿足應(yīng)力和位移雙重條件的基礎(chǔ)上，本文選擇0.2 mm的壁筒厚度完全符合設(shè)計要求。

2.3 開放式測量池設(shè)計

開放式測量池是連接外壁筒和測量骨架的關(guān)鍵零部件，是整個裝置防水密封、自由進樣的關(guān)鍵點。

如圖7所示，由連接柱將測量池上下體連接，同時采用通光鏡面配合密封管將蒸餾水無氣泡密封，實際水透光鏡分別密封粘貼在測量池上下體之上。當(dāng)水質(zhì)檢測裝置進入水體后，待測水體可以在測量池之間自由流通，滿足自由進樣的需求。

1—測量池上體；2—實際水透光鏡面；3—連接柱；4—測量池下體；5—蒸餾水密封管；6—蒸餾水透光鏡面

開放式測量池有連接上下壁筒的作用，由于整個裝置工作于水下，為了保證密封的有效性，采用O型密封圈和榫槽面法蘭密封結(jié)構(gòu)結(jié)合，保證密封圈不會被擠出，墊圈受力均勻。由于墊片與介質(zhì)不直接接觸，介質(zhì)腐蝕影響和壓力機制的滲透影響最小，完全適用于水下密封，如圖8所示。

1—O型密封圈；2—上法蘭；3—下法蘭

由前文可知，整個測量骨架連接軸貫穿開放式測量池，同時測量骨架有相對旋轉(zhuǎn)運動，存在動密封。由于密封空間狹小，同時設(shè)備用于水質(zhì)檢測，不能存在密封泄漏的風(fēng)險，無論是機械密封還是油封均不能很好地滿足密封要求，為此本文針對設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，以及設(shè)備測量旋轉(zhuǎn)角度小的優(yōu)勢，專門對密封結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，轉(zhuǎn)動密封為靜態(tài)密封，其密封結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1—軸上固定套；2—乳膠套；3—靜止固定套；4—旋壓螺母

通過軸上固定套和靜止固定套，并配合旋壓螺母，將乳膠套管兩端分別固定在軸上和靜止端，軸上固定套可以隨軸轉(zhuǎn)動。檢測裝置從蒸餾水檢測孔位運動到實際水檢測孔位，其旋轉(zhuǎn)角度小于45°，完全在乳膠套的旋轉(zhuǎn)承受范圍之內(nèi)。本文利用乳膠管套不僅具有防水特性，同時屬于超彈性材料，具有伸縮性能好的優(yōu)點，將動密封轉(zhuǎn)化為靜密封，大大提高了密封效率。

2.4 鏡面清洗裝置設(shè)計

在開放式測量池中實際水檢測通光孔的石英鏡面上，由于長期與檢測水面接觸，受到藻類、泥沙的影響，鏡面清晰度低，影響水質(zhì)光譜檢測，因此本文設(shè)計鏡面清洗裝置，在測量之前清洗鏡面，達到保持鏡面清潔的作用，如圖10所示。

1—夾板體；2—鏡面刷；3—夾緊螺栓

鏡面清洗結(jié)構(gòu)固定在旋轉(zhuǎn)軸上，并位于開放式測量池中間，通過鎖緊螺栓鎖緊鏡面刷，鏡面刷上、下斜面分別與通光鏡面接觸，同時安裝位置位于蒸餾水通光鏡面和實際水通光鏡面之間。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，整個測量骨架由蒸餾水測量面旋轉(zhuǎn)移動至實際水測量面時，由于安裝角度的關(guān)系，鏡面清洗裝置先行清洗實際水測量鏡面，保證每次測量均在清洗之后完成。

2.5 水質(zhì)檢測裝置試驗樣機

本文設(shè)計的水質(zhì)檢測裝置試驗樣機如圖11所示。

圖11 水質(zhì)檢測裝置試驗樣機

3 結(jié)束語

本文根據(jù)水質(zhì)檢測裝置結(jié)構(gòu)功能需求，提出該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計總體構(gòu)成，并對外壁筒、開放式測量池、測量骨架、鏡面清洗和密封防水等結(jié)構(gòu)做了詳細設(shè)計和分析，最終得出總裝設(shè)計和試驗樣機。目前該裝置能夠滿足地表水、生活污水等水樣原位測量，但是對于海水、高腐蝕性工業(yè)廢水等特殊水樣仍然存在設(shè)計上的不足，設(shè)備性能還需進一步提升。