吳東軍，張玉峰，周睿杰，劉泓良，字天成

(北華大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

近幾年隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，旅游逐漸成為大多數(shù)人鐘愛的娛樂方式.而沿海沙灘優(yōu)美的環(huán)境和恬靜的氣息受到廣大旅客的推崇.但由于旅客整體環(huán)保意識薄弱，沿海沙灘垃圾數(shù)量日益增加，對我國沿海地區(qū)環(huán)境和海洋環(huán)境造成嚴重污染[1].據(jù)美國的一項報告表明：全球每日產(chǎn)生海灘垃圾3 700 t，香煙和塑料袋成為全球海洋環(huán)境的頭號“殺手”.經(jīng)調(diào)查，國內(nèi)沙灘常見的垃圾主要有塑料瓶，易拉罐，包裝袋等，這類垃圾很難分解回收，對環(huán)境造成嚴重污染[2-4].沙灘垃圾污染已經(jīng)給海岸帶及近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的壓力，嚴重影響了人類的生存與發(fā)展[5].

基于上述沿海沙灘垃圾問題，目前國內(nèi)對沙灘清理車的結(jié)構(gòu)設(shè)計有多方面的研究，相關(guān)技術(shù)都具有一定基礎(chǔ)，對沙灘垃圾的清理有重要意義[6].但是每個國家的沙灘環(huán)境狀況各不相同，并且我國的海岸線較長，沿海面積較大，而我們設(shè)計的這款清理車是符合大面積沙灘垃圾的清理，是以機械代替人工，實現(xiàn)高效清理與有效分類，并且成本低，安全性能高，有較高的使用價值.

1　整機結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1　整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機的結(jié)構(gòu)主要有機架、鏟沙機構(gòu)、篩分機構(gòu)、鏈條齒輪傳送機構(gòu)以及收集裝置等組成.其核心為鏟沙機構(gòu)和篩分機構(gòu)，三維如圖1所示.

圖1　沙灘清理車整體三維模型

1.2　工作原理

該機器主要由小型牽引車通過懸掛式牽引進行工作，以電動機為動力元件，電源采用車載蓄電方式.根據(jù)工作區(qū)域的情況，在行進過程中通過牽引車液壓系統(tǒng)控制鏟沙刀兩側(cè)的液壓油缸來調(diào)節(jié)鏟沙刀入沙深度，進行鏟沙.沙子和海灘垃圾一起進入篩分機構(gòu)后，篩分機構(gòu)由電機驅(qū)動鏈條機構(gòu)傳動，齒輪帶動兩層篩分板中間的曲桿轉(zhuǎn)動使篩分板抖動.抖動過程中沙子與沙灘垃圾分離，垃圾進入收集裝置，至此沙灘垃圾收集完成[7,8].

2　主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　機架的設(shè)計

機架的設(shè)計主要考慮自身的穩(wěn)定性，強度，材料選擇，尺寸大小等問題.在機架上主要安裝有鏟沙刀，篩分板，調(diào)節(jié)桿，鏈條齒輪傳動機構(gòu)，電動機，收集箱等裝置.在保證各個部件安裝位置準確的前提下，還要減輕整機質(zhì)量，提高工作強度.因此我們設(shè)計的整機機架的尺寸2 100 mm×1 120 mm×855 mm，整機質(zhì)量約250 kg.它主要由牽引架，橫梁，左右兩側(cè)板等組成.如圖2所示.

圖2　機架三維效果圖

2.2　鏟沙機構(gòu)的設(shè)計

鏟沙機構(gòu)主要由鏟沙刀和伸縮桿組成，如圖3所示.根據(jù)工作地點的沙地松軟程度調(diào)節(jié)鏟沙機構(gòu)的高度，防止鏟沙刀鏟入沙土深度太深損毀機構(gòu).當在適宜的鏟沙深度工作時，鏟沙機構(gòu)上的鏟刀會分離大多數(shù)的沙土，少部分體積較大的沙土和垃圾會進入篩分機構(gòu).

圖3　鏟沙機構(gòu)

(1)鏟沙刀的材質(zhì)和性能的選擇：根據(jù)國內(nèi)資源及使用要求，研制了31Si2CrMoB、40SiMnTi鋼、65Mn，并且對這三種材料的耐磨性能進行了試驗.對三種材料的耐磨性、塑性、沖擊性、以及適用機型進行了統(tǒng)計.如表1所示.

通過查閱相關(guān)資料和一些基礎(chǔ)實驗研究，最終確定了選用了65Mn作為鏟沙刀的主要材料.65Mn具有較好的耐磨性，較強的塑性以及抗沖擊性.

(2)伸縮桿的設(shè)計：它是將牽引車配置的液壓系統(tǒng)改裝，然后通過手動加壓控制沙灘清理車鏟沙刀.目的是根據(jù)鏟沙刀所受阻力使用液壓裝置對鏟沙刀的傾斜角度和鏟入深度進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)鏟沙器的一端與清理車的側(cè)板固定，另一部分與前車架通過絲杠連接，達到調(diào)節(jié)并維持鏟沙刀傾斜角度的目的，以保證鏟沙刀在更適宜的鏟入深度下工作，不會因為鏟沙阻力太大而損毀[9].

2.3　篩分機構(gòu)的設(shè)計

圖4為篩分機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)，主要由電機、齒輪、鏈條等機構(gòu)組成.當沙灘清理車工作開始時，電機開始工作帶動鏈條傳動，鏈條帶動齒輪機構(gòu)中的曲桿轉(zhuǎn)動使篩分機構(gòu)抖動，沙塊發(fā)生受迫震動至破碎，從篩分機構(gòu)的孔中落下，包裹在垃圾中的沙子被抖出并從篩分機構(gòu)的孔中落下，從而達到將沙子與垃圾分離的目的.分離后的垃圾通過傳送機構(gòu)進入收集裝置.

圖4　篩分機構(gòu)

2.4　傳送機構(gòu)的設(shè)計

由以上公式可知，鏈條的振動頻率f與z1、n1、t有關(guān)，它們之間既互相聯(lián)系又相互制約.

2.5　收集裝置的設(shè)計

沙灘清理車還安裝了簡易的垃圾回收裝置，將垃圾箱分為可回收區(qū)和不可回收區(qū)，經(jīng)過垃圾的分離機構(gòu)，收集來的垃圾分別進入不同的箱中.垃圾分類回收裝置是通過螺旋輸送桿機構(gòu)設(shè)計[11].由兩個螺旋輸送桿組成，并采用兩端螺旋反向的設(shè)計使可回收垃圾輸送到可回收垃圾箱中，不可回收的垃圾在輸送過程中由于形狀和尺寸的不同進行分離[12,13].結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5　垃圾收集裝置

在此研究基礎(chǔ)上，完成了基本模型樣機的加工制作，實物如圖6所示.

圖6　沙灘清理車模型樣機

3　結(jié)　　論

(1)本次研究通過Solidworks等軟件進行建模與分析，完成了沙灘清理車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化.清理車可完成沙灘垃圾的收集、篩除和分類三項工作，并可以根據(jù)實際情況調(diào)整鏟沙裝置的鏟入深度，確保垃圾清理工作順利進行.

(2)根據(jù)研究結(jié)果和設(shè)計圖紙制作了模型樣機，但由于實驗條件限制，暫時在清理功能的實際驗證方面尚存在一些欠缺.

參考文獻：

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