唐德蓮　吳柯依　鄭遠(yuǎn)航　吳昕怡　王琰隆

摘要：針對(duì)沙灘和草坪的垃圾污染、清理不及時(shí)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種小型沙灘一草坪清理車(chē)，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(chē)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(mǎn)足多種清理需求;通過(guò)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(jiǎn)單;能應(yīng)用于沙灘和草坪等休閑場(chǎng)地，減少垃圾對(duì)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(chē);小型機(jī)械;節(jié)能減排;模塊設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6+91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guān)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(duì)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(lèi)活動(dòng)給沙灘和草坪帶來(lái)的垃圾污染問(wèn)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(chǎng)等場(chǎng)地的草坪上存在著大量垃圾與落葉，人類(lèi)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(guān)。

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(guó)采用了多種機(jī)械和技術(shù)清理日常垃圾，加強(qiáng)對(duì)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(chē)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(zhǎng)、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(guó)起步較晚，是我國(guó)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(chē)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(kāi)放場(chǎng)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(chē)作為沙灘和草坪等休閑場(chǎng)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(zhǎng)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(mǎn)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?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)并加工一種小型沙灘一草坪清理車(chē)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(wèn)題。小型沙灘一草坪清理車(chē)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(pán)刷擴(kuò)大清理范圍，通過(guò)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(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)。

為使裝置更好地適應(yīng)不同地形、滿(mǎn)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(chē)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(guò)扶手處按鍵控制車(chē)體行進(jìn)、轉(zhuǎn)向及振篩網(wǎng)的啟停;自動(dòng)模式下通過(guò)BFS算法按照預(yù)定路徑行進(jìn)、GPS模塊進(jìn)行定位和測(cè)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(pán)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(duì)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(pán)刷，盤(pán)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(duì)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(guò)振動(dòng)過(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(duì)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(jí)階梯上，以此完成對(duì)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(chē)架上，箱底采用推拉式設(shè)計(jì)。當(dāng)垃圾箱裝滿(mǎn)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(guò)模式切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。裝置有2個(gè)開(kāi)關(guān)，電源開(kāi)關(guān)和模式切換開(kāi)關(guān)。按下電源開(kāi)關(guān)后，裝置接通電源。模式切換開(kāi)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(chǎng)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(kāi)關(guān)開(kāi)啟裝置，按下模式切換開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中使用GPS模塊進(jìn)行定位和測(cè)距，使用陀螺儀進(jìn)行方向校正與轉(zhuǎn)向，通過(guò)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(cè)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(cè)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(chǔ)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(jiǎn)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(zhǎng)使用周期，減小因大型機(jī)器使用時(shí)封閉場(chǎng)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(chǎng)地進(jìn)行清理工作。裝置的盤(pán)刷部分可根據(jù)使用場(chǎng)地的不同拆卸替換，因此，裝置也可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)、道路等場(chǎng)地的清理工作。綜上所述，本作品具有廣泛的應(yīng)用前景。