車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李儒鵬，朱孟府，苑英海，宿紅波，趙連玉

車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李儒鵬，朱孟府，苑英海，宿紅波，趙連玉

目的：研制一種供災(zāi)害救援使用的車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)。方法：建立凈水工藝，應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)系統(tǒng)框架進(jìn)行受力分析，最終完成機(jī)電一體的車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

凈水；多功能；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；車(chē)載

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，自然災(zāi)害和突發(fā)事件頻發(fā)，災(zāi)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到巨大威脅，如何快速有效地進(jìn)行災(zāi)害救援已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。災(zāi)害發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)水源污染嚴(yán)重，不能直接作為災(zāi)害救援用水。供水不足可造成救援力量的戰(zhàn)斗力被削弱，導(dǎo)致救援工作效率低下[1-2]，所以，解決災(zāi)害救援用水是災(zāi)害救援工作中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

世界各國(guó)都在積極研制車(chē)載式制供水系統(tǒng)，如美國(guó)的600GPH型反滲透凈水設(shè)備、德國(guó)的WTC500型凈水裝備[3-4]，以及國(guó)內(nèi)的H5090XJS型凈水車(chē)、HNSAE11053應(yīng)急救援水處理車(chē)、DTRO移動(dòng)應(yīng)急供水設(shè)備[5]。這些制供水系統(tǒng)都在災(zāi)害救援中發(fā)揮了重要作用，但同時(shí)也存在著產(chǎn)水功能單一、缺少排水保護(hù)功能等不足。簽于此，本文設(shè)計(jì)一種車(chē)載式多功能制供水系統(tǒng)，可以根據(jù)不同需求制備洗消用水、飲用水和藥用水，進(jìn)行分質(zhì)供水，并具有排水功能，適合災(zāi)害救援使用。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)災(zāi)害救援用水需求，車(chē)載制供水系統(tǒng)不同用水的產(chǎn)水流量分別為消毒用水1 000 L/h、飲用水200 L/h、藥用水100 L/h，產(chǎn)水水質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)需滿足機(jī)械強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要充分考慮各單元之間的空間分布合理性，系統(tǒng)的凈水單元、動(dòng)力單元、控制單元、排水單元要保證不相互干擾，保證便于維修、安裝和拆卸。

1.2 凈水工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)了超濾、反滲透、離子交換集成凈水工藝[8-11]，工藝流程示意如圖1所示。原水經(jīng)潛水泵加壓進(jìn)入精密過(guò)濾，再經(jīng)超濾制備洗消用水。超濾產(chǎn)水經(jīng)高壓泵進(jìn)入一級(jí)反滲透，制備飲用水。一級(jí)反滲透的產(chǎn)水進(jìn)入二級(jí)反滲透和離子交換樹(shù)脂，制備藥用水。在凈水工藝中，精密濾器可以作為預(yù)處理，去除水中固體顆粒，超濾可以濾除水中的顆粒物、大分子有機(jī)物、微生物和膠體，反滲透可以去除水中的可溶性鹽、有機(jī)物、微生物，離子交換可以進(jìn)行深度脫鹽。該集成凈水工藝能夠制備符合要求的洗消用水、飲用水和藥用水。

圖1 凈水工藝流程示意

1.3 排水工藝

為了防止系統(tǒng)中的水在低溫環(huán)境結(jié)冰，損壞管路和元器件，設(shè)計(jì)了車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)的排水工藝流程（如圖2所示）。空壓機(jī)壓縮空氣進(jìn)入管路，通過(guò)控制閥門(mén)分別對(duì)精密過(guò)濾、超濾、反滲透、離子交換樹(shù)脂以及管路進(jìn)行排水，基本保證系統(tǒng)中的水排出。

圖2 排水工藝流程示意

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)由洗消用水模塊、飲用水模塊、藥用水模塊3個(gè)功能模塊組成。每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)有壓力表和流量計(jì)及壓力保護(hù)裝置，在產(chǎn)水壓力過(guò)高時(shí)自動(dòng)停機(jī)，產(chǎn)水管路上連接電導(dǎo)率儀，用于在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)。主要管路、反滲透膜殼、陶瓷膜膜殼及系統(tǒng)框架均采用304不銹鋼材料，系統(tǒng)框架規(guī)格為40 mm×40 mm×3 mm，藥用水單元管路采用316不銹鋼材料。應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)主要元器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局。如圖3所示，正面分別為指示面板、銘牌面板和操作面板，指示面板用于觀察工作壓力及產(chǎn)水流量，以便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)控，操作面板上裝有PLC顯示屏、操作開(kāi)關(guān)和指示燈。系統(tǒng)左側(cè)面（如圖4所示）為進(jìn)出水口面板，電控箱與操作面板直接相連，其后面設(shè)計(jì)配件箱，用于放置耗材及配件等。

1.反滲透膜；2.高壓泵；3.超濾膜；4.精密濾器；5.離子交換樹(shù)脂（a）俯視圖

圖3 系統(tǒng)平面示意

圖4 系統(tǒng)等軸測(cè)示意

2.2 功能模塊

2.2.1 洗消用水模塊>

洗消用水模塊由潛水泵、精密過(guò)濾器、超濾膜、壓力表和流量計(jì)組成。使用時(shí)將固定在系統(tǒng)框架的潛水泵取下放入水囊中，使用完畢后重新放回并固定。超濾膜型號(hào)為4021，材料為陶瓷，2支串聯(lián)連接。陶瓷超濾膜組件及固定如圖5所示，側(cè)面用不銹鋼金屬帶固定，金屬帶兩端則通過(guò)螺紋連接在框架橫梁上，同時(shí)，框架底部專(zhuān)門(mén)為陶瓷膜設(shè)計(jì)了底部支撐梁，以增加其穩(wěn)定性。

圖5 陶瓷膜組件局部視圖（單位：mm）

2.2.2 飲用水模塊

飲用水模塊由高壓泵、一級(jí)反滲透膜、壓力表、流量計(jì)組成。高壓泵固定方式為底座四角固定，進(jìn)水口與洗消用水模塊的產(chǎn)水相連接，出水進(jìn)入一級(jí)反滲透，反滲透膜型號(hào)為4021，3支串聯(lián)連接。

2.2.3 藥用水模塊

藥用水模塊由二級(jí)反滲透膜和離子交換樹(shù)脂組件組成，串聯(lián)連接。一級(jí)反滲透產(chǎn)水進(jìn)入藥用水模塊，經(jīng)二級(jí)反滲透和離子交換樹(shù)脂深度脫鹽制備藥用水。二級(jí)反滲透膜型號(hào)為4021，數(shù)量1支，離子交換樹(shù)脂規(guī)格為φ120 mm×500 mm，3支串聯(lián)連接。

3 力學(xué)分析

車(chē)載多功能凈水系統(tǒng)的框架承擔(dān)著所有的凈水元器件和電氣元件的質(zhì)量，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，選擇ANSYS力學(xué)分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析?？蚣懿牧蠟?04工業(yè)方鋼，厚度為3 mm，截面尺寸為40 mm×40 mm，彈性模量E=193 GPa，泊松比μ=0.3，設(shè)單元類(lèi)型為Solid45，進(jìn)行力學(xué)分析，采用自由網(wǎng)格劃分，分別對(duì)受壓力較大的陶瓷超濾膜支撐梁及整體框架作力學(xué)分析。

陶瓷膜組件的質(zhì)量約為100 kg，是系統(tǒng)中質(zhì)量最大的元器件，需針對(duì)其支撐梁?jiǎn)为?dú)進(jìn)行受力分析。支撐梁為2根，受力相同，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取其中一根作受力分析，其應(yīng)變、應(yīng)力如圖6所示。其最大應(yīng)變?yōu)?.4×10-5m，應(yīng)變量很小，最大應(yīng)力為2.4×106Pa，低于所選材料屈服強(qiáng)度2.05×108Pa，說(shuō)明陶瓷膜組件支撐梁能夠滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求。

圖6 陶瓷膜組件支撐梁應(yīng)變、應(yīng)力

對(duì)于整體框架，將主要元器件按實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為載荷施加到框架對(duì)應(yīng)位置上，其中高壓泵的質(zhì)量為45 kg，潛水泵的質(zhì)量為12 kg，空壓機(jī)的質(zhì)量為15 kg，反滲透膜組件的總質(zhì)量約為35 kg，離子交換樹(shù)脂組件的總質(zhì)量約為15kg，精密過(guò)濾器的質(zhì)量約為40kg，對(duì)應(yīng)施加載荷后框架的應(yīng)變、應(yīng)力如圖7所示，框架最大應(yīng)變?yōu)?.87×10-3m，應(yīng)變量很小，最大應(yīng)力為3.69×106Pa，低于所選材料屈服強(qiáng)度2.05×108Pa，說(shuō)明框架整體設(shè)計(jì)滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求。

圖7 整體框架應(yīng)變、應(yīng)力

4 性能分析

4.1 應(yīng)用效果

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試制出車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行初步性能評(píng)價(jià)。當(dāng)系統(tǒng)制備洗消用水時(shí)，產(chǎn)水流量可達(dá)1 120 L/h；當(dāng)系統(tǒng)制備飲用水時(shí)，產(chǎn)水流量可達(dá)240 L/h；當(dāng)系統(tǒng)制備藥用水時(shí)，產(chǎn)水流量可達(dá)120 L/h。產(chǎn)水流量符合設(shè)計(jì)預(yù)期，產(chǎn)水水質(zhì)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 技術(shù)參數(shù)

車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)外形尺寸為2 000 mm× 800mm×1200mm，質(zhì)量約為400kg，電源為220V/50 Hz，系統(tǒng)最大功率消耗為3.40 kW，其中，高壓泵功率為1.50 kW，空壓機(jī)功率為0.37 kW，潛水泵功率為0.25 kW。

5 結(jié)論

通過(guò)車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)凈水工藝的建立，以及凈水元件和動(dòng)力元件的選型，采用SolidWorks完成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和空間布局，確定設(shè)備外形尺寸，最終完成了車(chē)載多功能凈水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)ANSYS力學(xué)分析表明，框架應(yīng)變較小，應(yīng)力小于所選材料屈服強(qiáng)度，框架強(qiáng)度與剛度均符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求。車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)工藝合理，能夠?qū)崿F(xiàn)洗消用水、飲用水、藥用水分質(zhì)產(chǎn)水供水功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定可靠，維修方便，作為車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)，可滿足災(zāi)害救援用水需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]錢(qián)陽(yáng)明.建立我國(guó)水系災(zāi)害救援體系的研究與思考[J].中國(guó)急救復(fù)蘇與災(zāi)害醫(yī)學(xué)雜志，2006，1（6）：251-253.

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（????）（????）

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（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

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2012ZX10004801003）

李儒鵬（1991—），男，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造，E-mail：lirupeng99 @163.com。

300384天津，天津理工大學(xué)（李儒鵬，趙連玉）；300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（李儒鵬，朱孟府，苑英海，宿紅波）

朱孟府，E-mail：zmf323@163.com；趙連玉，E-mail：lianyuzhao@ 163.com

結(jié)果：車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)外形尺寸為2 000 mm×800 mm×1 200 mm，所受最大應(yīng)力為2.4×106Pa，消毒用水流量1 000 L/h、飲用水流量200 L/h、藥用水流量100 L/h。結(jié)論：根據(jù)車(chē)載多功能制供水系統(tǒng)凈水工藝，完成了凈水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框架的強(qiáng)度與剛度均符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)洗消用水、飲用水、藥用水分質(zhì)產(chǎn)水功能，滿足災(zāi)害救援需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。