杜加福 蘇光富 何晨旭 莊忠猛 何德強(qiáng) 林 權(quán)

（武夷學(xué)院，福建 武夷山 354300）

0 引言

近年來，城市公園水域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)池塘、湖泊、水產(chǎn)養(yǎng)殖場等小型水域的垃圾污染日趨嚴(yán)重，許多景區(qū)的人工湖泊、河流、湖海及鄰邊水域受到礦泉水瓶、枯樹葉、塑料袋等水面漂浮垃圾的影響，對水質(zhì)造成嚴(yán)重破壞，甚至破壞生態(tài)平衡，給人民的日常生活帶來很大隱患［1-3］。國內(nèi)外對大型水域水面垃圾收集方式的研究和相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品有很多，但對小型水域的水面垃圾收集裝置的研究和開發(fā)相對較少［4-7］。本研究研發(fā)出一種自適應(yīng)能力強(qiáng)、便于攜帶、結(jié)構(gòu)簡單、裝拆調(diào)整方便、工作效率高、控制靈活的水面垃圾收集裝置，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 船式垃圾收集裝置總體結(jié)構(gòu)

船式垃圾收集裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、收集器、動(dòng)力源及輔助部分構(gòu)成。動(dòng)力部分作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)船體水下推進(jìn)器三自由度的運(yùn)動(dòng)形式。隔離板輔助部分通過開合動(dòng)作輔助收集水面漂浮物，從而提高垃圾進(jìn)入船口速度，提高收集效率。恒溫箱體輔助部分主要用于保護(hù)裝置全部電路。太陽能追光輔助部分將太陽能實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電能，為裝置提供能源。傳動(dòng)部分將輸送帶收集到的水面漂浮物傳送至收集器內(nèi)，完成對水面漂浮物的收集工作。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)

2 各組成部分方案設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由機(jī)架、兩個(gè)浮筒和兩個(gè)水下推進(jìn)器組成。通過模型質(zhì)量分析，整個(gè)裝置所需浮力為68.6 N，因此,在船體兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)浮筒，提供船體的浮力需求，并在船體下方布置了兩個(gè)水下推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。該裝置動(dòng)力采用傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)技術(shù)，螺旋槳只能繞其軸線旋轉(zhuǎn)，通過改變螺旋槳同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差來改變各螺旋槳推進(jìn)力參數(shù)，從而控制船體前進(jìn)、倒退、左右轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。為了防止水下的雜物纏繞扇葉，設(shè)計(jì)了馬達(dá)外殼，用于保護(hù)水下無刷馬達(dá)，保證水下無刷馬達(dá)能更加安全高效地在水下進(jìn)行動(dòng)力輸出。

圖2 動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)

2.2 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)如圖3 所示，以鏈傳動(dòng)為主，帶動(dòng)垃圾輸送帶向上或向下運(yùn)動(dòng)，將水面漂浮垃圾送入收集器中。通過PLC 編程設(shè)計(jì)，控制電機(jī)及光電開關(guān)檢測器，實(shí)現(xiàn)輸送帶兩種速度狀態(tài)，即低速和高速。傳動(dòng)部分利用光電感應(yīng)開關(guān)工作原理，當(dāng)傳送帶上被檢測到有垃圾時(shí)，使用高速，將垃圾輸送至收集器中，若10 s 內(nèi)未檢測到垃圾，則由高速切換到低速狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。輸送帶結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 鏈傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)

圖4 輸送帶結(jié)構(gòu)

2.3 收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集器裝置如圖5 所示，由收集箱體、曲柄、舵機(jī)、底蓋、搖桿和插銷組成。為了方便取出收集器內(nèi)的垃圾，采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿方式，將底蓋與搖桿固定在一起，實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)開合，使垃圾通過底蓋滑出收集箱體，完成收集垃圾的清潔工作。收集器開合控制方式有兩種，分別為按鍵控制模式和超聲波測距控制模式。按鍵開關(guān)使用方式簡單，直接連接對應(yīng)89C52 單片機(jī)上的按鍵進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)，通過按鍵控制舵機(jī)。超聲波測距方式是通過外接一個(gè)HC-SR04 模塊進(jìn)行編程，HC-SR04模塊有四個(gè)引腳，其中兩個(gè)接電源、兩個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)送和接收超聲波，根據(jù)時(shí)間差和聲音傳播速度來計(jì)算出HC-SR04 模塊到前方障礙物的距離，通過檢測到的距離來控制舵機(jī)。

圖5 收集器結(jié)構(gòu)

2.4 輔助部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隔離板輔助裝置結(jié)構(gòu)如圖6 所示，由隔離板、水下電機(jī)、扇葉、機(jī)架和軸承組成。為了使水面漂浮物能更好地集中到船口處，設(shè)計(jì)了兩個(gè)水下電機(jī)，在水下完成順逆方向的旋轉(zhuǎn)，從而形成渦流，利用形成的渦流，吸引船口附近的垃圾靠近船口，再利用隔離板對垃圾進(jìn)行框選，框選至輸送帶的范圍內(nèi)，最后通過輸送帶傳送垃圾到收集器，完成輔助垃圾收集的工作。隔離板上開設(shè)有排水孔，以便隔離板框選垃圾時(shí)能將積水通過排水孔排出。

圖6 隔離板輔助結(jié)構(gòu)

太陽能追光輔助裝置結(jié)構(gòu)如圖7 所示，由太陽能板、法蘭盤、電機(jī)、固定底座組成。該裝置通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)來控制太陽能板朝向。電機(jī)與太陽能板通過法蘭盤連接固定，電機(jī)安裝固定在恒溫箱體上方，該裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，保證船式垃圾收集裝置能持續(xù)工作。

圖7 太陽能追光輔助結(jié)構(gòu)

3 船式垃圾收集裝置工作原理

船式垃圾收集裝置總裝如圖8 所示。該裝置依靠水下無刷馬達(dá)帶動(dòng)扇葉驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，并利用兩側(cè)馬達(dá)間的差速控制來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向功能，利用浮筒來實(shí)現(xiàn)在水面上漂浮。該裝置工作時(shí)，通過遠(yuǎn)程遙控來控制垃圾收集裝置靠近水面上的垃圾，前置隔離板帶有兩個(gè)順逆旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，用于驅(qū)動(dòng)扇葉，在水下形成順逆渦流，形成的順逆渦流能吸引附近的垃圾靠近船口處，再通過動(dòng)力裝置控制船體方向，利用隔離板框選需要收集的垃圾，框選至輸送帶口位置，由帶輪帶動(dòng)輸送帶將垃圾往收集器方向輸送，完成垃圾收集工作。該裝置通過編程控制隔離板前的兩個(gè)馬達(dá)和鏈傳動(dòng)直流電機(jī)，當(dāng)光電開關(guān)檢測器在船口處及輸送帶上感應(yīng)到垃圾時(shí)，直流電機(jī)和馬達(dá)為高速態(tài)，能提升收集效率。當(dāng)沒有感應(yīng)到垃圾時(shí)，直流電機(jī)和馬達(dá)為低速態(tài)，能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。該裝置還利用恒溫箱體裝置保護(hù)好全部電路，延長電路的使用壽命，裝置的電能由太陽能追光裝置提供。

圖8 船式垃圾收集裝置總裝（單位：mm）

4 結(jié)語

目前，主要還是以人工操機(jī)打撈和機(jī)械船只方式來打撈水面垃圾漂浮物，不僅浪費(fèi)了較多的人力和物力，且打撈效率不高，應(yīng)用場景有限，無法在特定水域工作。本研究從節(jié)約人力和物力及提高應(yīng)用場景的角度出發(fā)，研發(fā)出一種船式垃圾收集裝置，可實(shí)現(xiàn)對各種水域內(nèi)的水面垃圾漂浮物的自動(dòng)清潔，人工參與度低，大大提高了水面垃圾漂浮物收集的效率，利用智能化機(jī)電的有效結(jié)合，是一種集自動(dòng)化和機(jī)械化結(jié)合的新型裝置，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感應(yīng)、智能調(diào)節(jié)電機(jī)高低速態(tài)模式、傳送垃圾、溫濕度檢測調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)提供太陽能和蓄電池雙重電源等功能，不僅能大大提升裝置的性能，還能取代傳統(tǒng)治理水環(huán)境的方式，解決傳統(tǒng)治理水環(huán)境難題。