唐德蓮　吳柯依　鄭遠(yuǎn)航　吳昕怡　王琰隆

摘要：針對沙灘和草坪的垃圾污染、清理不及時(shí)等問題，設(shè)計(jì)了一種小型沙灘一草坪清理車，可填補(bǔ)小型環(huán)衛(wèi)機(jī)械的空白，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。該清理車具有人工操作和自動(dòng)清理兩種工作模式，可適應(yīng)不同地形，滿足多種清理需求;通過清掃模塊、振篩模塊和收集模塊實(shí)現(xiàn)流程化清理，操作簡單;能應(yīng)用于沙灘和草坪等休閑場地，減少垃圾對海洋和土壤的污染，是保護(hù)自然資源、發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)的必然選擇，具有良好的節(jié)能減排效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：清理車;小型機(jī)械;節(jié)能減排;模塊設(shè)計(jì)

中圖分類號：U469.6+91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.022

1 作品背景及意義

沙灘是沿海城市的名片，保護(hù)好城市景觀沙灘，是保護(hù)自然資源、發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)的內(nèi)在要求和必然選擇;同樣，草坪作為城市綠化的基本要素，標(biāo)志著城市的文明與發(fā)達(dá)程度，對市容市貌和微氣候調(diào)節(jié)起到至關(guān)重要的作用。但人類活動(dòng)給沙灘和草坪帶來的垃圾污染問題也日益嚴(yán)重，大量的垃圾導(dǎo)致沙灘生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，加劇了沙灘的侵蝕和退化。在公園、操場等場地的草坪上存在著大量垃圾與落葉，人類活動(dòng)遺留下的垃圾會(huì)危害草坪健康，影響市民游玩和城市美觀。

黨的十九大強(qiáng)調(diào)，要全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，增加綠化面積，明確要求沙灘不得減少，把改善沙灘生態(tài)環(huán)境質(zhì)量作為重點(diǎn)。為減緩沙灘退化、保護(hù)草坪生態(tài)環(huán)境，我國采用了多種機(jī)械和技術(shù)清理日常垃圾，加強(qiáng)對沙灘和草坪的清潔和管理。

現(xiàn)有管理中，沙灘和草坪的日常清潔維護(hù)工作以人工為主，少數(shù)沙灘采用大型沙灘垃圾清潔車進(jìn)行定期維護(hù)，草坪在打草季和落葉時(shí)節(jié)會(huì)采用機(jī)械輔助清理。人工維護(hù)具有耗時(shí)長、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，而機(jī)械清潔設(shè)備的研制在中國起步較晚，是我國環(huán)衛(wèi)機(jī)械產(chǎn)業(yè)的薄弱點(diǎn)。大型沙灘垃圾清潔車價(jià)格昂貴，使用頻率低;打草機(jī)通常不帶有草渣清理功能，需額外清理;鼓風(fēng)機(jī)清理草坪垃圾耗時(shí)耗能，清潔效果不佳?，F(xiàn)有機(jī)械裝置作業(yè)時(shí)揚(yáng)塵嚴(yán)重、噪聲大、消耗非清潔能源，使用時(shí)需封閉或半開放場地，在一定程度上影響了游客的舒適性。

基于以上背景，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種小型沙灘一草坪清理車作為沙灘和草坪等休閑場地清潔人員的輔助裝置，用于日常清理工作，提高人工清潔效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，延長深度維護(hù)的工作周期。在不影響沙灘和草坪正常使用的條件下，滿足其日常清理要求，可減緩沙灘退化，維持草坪良好狀態(tài)，最大限度地保護(hù)沙灘和草坪的生態(tài)系統(tǒng)。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

該作品主要研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)并加工一種小型沙灘一草坪清理車作為沙灘和草坪清潔人員的輔助裝置，擬解決現(xiàn)有沙灘和草坪清理工作強(qiáng)度大、效率低等問題。小型沙灘一草坪清理車主要由清掃模塊、振篩模塊和垃圾收集模塊組成，整體如圖1所示。

清掃模塊利用盤刷擴(kuò)大清理范圍，通過滾刷將收集物掃至鏟板;振篩模塊利用振篩網(wǎng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)分離垃圾與沙粒，并將垃圾輸送至收集箱;垃圾收集模塊位于箱體下部，采用可拆式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)垃圾的存儲與轉(zhuǎn)運(yùn)。

為使裝置更好地適應(yīng)不同地形、滿足多種清理需求，本作品設(shè)計(jì)了人工操作和自動(dòng)清理兩種工作模式。裝置使用清潔能源，G5N-20K直流電機(jī)為清理車提供動(dòng)力，采用后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的工作方式，結(jié)構(gòu)緊湊。人工模式下通過扶手處按鍵控制車體行進(jìn)、轉(zhuǎn)向及振篩網(wǎng)的啟停;自動(dòng)模式下通過BFS算法按照預(yù)定路徑行進(jìn)、GPS模塊進(jìn)行定位和測距、陀螺儀進(jìn)行方向校正與轉(zhuǎn)向，便于操作人員使用，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.1 清掃模塊設(shè)計(jì)

清掃模塊由可調(diào)節(jié)鏟板、滾筒毛刷及可拆卸盤刷組成。清理沙灘垃圾時(shí)，裝置向前行進(jìn)，鏟板底部以適當(dāng)?shù)慕嵌如P人沙地中，隨著裝置的行進(jìn)將沙粒和垃圾收集傳遞到后方的振篩部分，便于對垃圾的篩分處理。清理草地垃圾時(shí)，調(diào)整鏟板角度至距地面有一定距離以避免傷害草坪，安裝可拆卸盤刷，盤刷與滾刷協(xié)同工作，將草地垃圾掃入后方鏟板進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對草地垃圾的收集。

根據(jù)鏟板鏟沙量與鏟沙深度，查閱資料與計(jì)算，得出鏟板調(diào)整角度范圍為23° - 34°，保證鏟板磨損最小、工作效率最高。由于草坪和沙灘均存在凹坑，為減小清理盲區(qū)，滾筒毛刷高度設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)，范圍為0 - 65 mm。

2.2 振篩模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振篩模塊通過振動(dòng)過濾篩除沙粒，使沙粒與垃圾分離。振篩模塊主要由曲柄擺桿機(jī)構(gòu)、振篩網(wǎng)組成，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)，使振篩板沿著導(dǎo)軌做反復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)換成導(dǎo)桿的往復(fù)擺動(dòng)，裝置利用曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的急回性質(zhì)實(shí)現(xiàn)振篩板的振動(dòng)效果。

2.2.1 網(wǎng)眼式振篩網(wǎng)

振篩網(wǎng)設(shè)計(jì)為階梯式斜面網(wǎng)，配合曲柄擺桿運(yùn)動(dòng)將垃圾向上傳送，且過濾沙粒。根據(jù)清潔需求，將振篩網(wǎng)設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，一方面便于清潔殘留垃圾，另一方面在振篩網(wǎng)過濾不同規(guī)格的沙灘垃圾時(shí)能做到更加方便和人性化。

2.2.2 曲柄擺桿機(jī)構(gòu)

振篩網(wǎng)兩端安裝有滑軌用以引導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)，滑塊在滑軌中沿固定軌道做直線運(yùn)動(dòng)，與曲柄擺桿機(jī)構(gòu)相配合，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)振篩板沿著設(shè)計(jì)的軌跡反復(fù)直線振動(dòng)。當(dāng)振篩網(wǎng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲柄擺桿的急回性質(zhì)加速振篩網(wǎng)向上運(yùn)動(dòng)，對其上的垃圾產(chǎn)生一個(gè)向后上方的力，隨后篩板運(yùn)動(dòng)到原位置，垃圾落到上方的一級階梯上，以此完成對垃圾向上的傳送功能。

2.3 垃圾收集模塊設(shè)計(jì)

本裝置的垃圾箱位于振篩模塊的后方，用于收集篩分后的垃圾。垃圾箱固定于車架上，箱底采用推拉式設(shè)計(jì)。當(dāng)垃圾箱裝滿時(shí)，將箱底抽出，使垃圾掉落，實(shí)現(xiàn)垃圾的收集和打包。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

本作品后輪使用雙電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向所需力矩較大，綜合考慮實(shí)際因素，采用前輪舵機(jī)引導(dǎo)結(jié)合后輪電機(jī)差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向。前輪使用扭矩為180 kg.cm的舵機(jī)，聯(lián)軸器將舵機(jī)輸出軸與前輪方向機(jī)連接，舵機(jī)左右轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)前輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)引導(dǎo)裝置前進(jìn)，改變裝置前進(jìn)方向。

2.5 工作模式

裝置有兩種工作模式供操作人員選擇，分別為人工操作模式和自動(dòng)清理模式，可通過模式切換開關(guān)進(jìn)行切換。裝置有2個(gè)開關(guān)，電源開關(guān)和模式切換開關(guān)。按下電源開關(guān)后，裝置接通電源。模式切換開關(guān)有三個(gè)擋位，分別為停止擋、人工模式擋、自動(dòng)模式擋，可實(shí)現(xiàn)裝置工作狀態(tài)的切換。

2.5.1 人工操作模式

在場地地形復(fù)雜、游客較多的情況下，采取人工操作模式。人工操作模式的工作流程為：根據(jù)工作環(huán)境，調(diào)整合適的鏟板角度，按下電源開關(guān)開啟裝置，按下模式切換開關(guān)，裝置在工作人員的操作下進(jìn)行垃圾清理。該模式下，工作人員可根據(jù)場地實(shí)際情況控制裝置轉(zhuǎn)向，行進(jìn)至工作地點(diǎn)。該工作模式適用范圍廣、靈活性高，可降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

2.5.2 自動(dòng)清理模式

在工作場地地形平坦、游客較少的情況下，可使用自動(dòng)清理模式。裝置自動(dòng)行走過程中使用GPS模塊進(jìn)行定位和測距，使用陀螺儀進(jìn)行方向校正與轉(zhuǎn)向，通過兩者的結(jié)合，使裝置行走預(yù)設(shè)的距離后180°轉(zhuǎn)向。行走距離以及清理范圍可由操作人員事先設(shè)定，裝置的初始定位及初始角度由裝置切換為自動(dòng)清理工作模式時(shí)測量得到。

3 收集效果實(shí)驗(yàn)

用自動(dòng)清理模式和人工清理模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量試驗(yàn)前后的實(shí)驗(yàn)草地和沙地中的垃圾情況以及裝置垃圾箱內(nèi)存儲的垃圾的重量。數(shù)據(jù)顯示，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾清理功能，且清理效果良好。

4 總結(jié)

本作品具有體積小、操作簡便、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可用于沙灘和草坪日常清理，能夠高效清理日常垃圾，提高游客舒適度，具有良好的社會(huì)效益。同時(shí)，可以彌補(bǔ)大型清理機(jī)器存在的弊端，延長使用周期，減小因大型機(jī)器使用時(shí)封閉場地而引起的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本裝置可廣泛地應(yīng)用于沙灘和各種草坪場地進(jìn)行清理工作。裝置的盤刷部分可根據(jù)使用場地的不同拆卸替換，因此，裝置也可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)場、高爾夫球場、道路等場地的清理工作。綜上所述，本作品具有廣泛的應(yīng)用前景。