王穩(wěn)， 張建偉， 羅爾霖， 史浩輝， 吳世博， 張瀚宇

（浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山316022）

關(guān)鍵字：垃圾；泥質(zhì)海岸；清理船；環(huán)保設(shè)備

0 引 言

隨著海洋垃圾污染的日益加重，海灘垃圾作為最容易接觸到的海洋垃圾，它們也對人類的生活產(chǎn)生了直接影響。2017年的中國海洋環(huán)境公報(bào)顯示，中國平均海灘垃圾數(shù)量為52 123 km2，平均密度為1420 kg/km2[1]。淤泥質(zhì)海岸在各種垃圾的作用下，其區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)和土質(zhì)均遭到嚴(yán)重污染，惡劣的環(huán)境影響岸灘生產(chǎn)中農(nóng)、牧、漁和旅游等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也危及人們的身體健康。對于淤泥質(zhì)海岸垃圾的收集，目前常使用人工撿拾的方法，又由于淤泥質(zhì)海岸兼具水、陸兩種地貌特征的部分性質(zhì)，國內(nèi)外相關(guān)裝置研究設(shè)計(jì)較少且技術(shù)不成熟，目前沒有大范圍推廣[2-5]。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船，實(shí)現(xiàn)了淤泥質(zhì)海岸垃圾的收集、傳送、清淤、儲存和回收，有效提高了淤泥堆積環(huán)境下垃圾的清理效率，解決了淤泥質(zhì)海岸垃圾難清理的問題。

圖1 淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船結(jié)構(gòu)示意圖

1 淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)了一種淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船，船體由船頭、船身、船尾構(gòu)成；船身內(nèi)部設(shè)有工作艙，儲存框設(shè)在工作艙內(nèi)，工作艙與船身頂部連通；船體結(jié)構(gòu)設(shè)有轉(zhuǎn)輪，驅(qū)動清理船在淤泥中移動；船尾頂部雙側(cè)各設(shè)置兩個(gè)安裝箱，且兩箱之間設(shè)有收集垃圾的耙釘型傳送帶一，還設(shè)有能夠?qū)⑹占降睦斔椭羶Υ婵騼?nèi)的輸送傳送帶二；儲存框內(nèi)設(shè)有噴頭和橫桿，實(shí)現(xiàn)垃圾和淤泥的分離[6]。垃圾清理船使用單片機(jī)作為控制中心，通過紅外光電及超聲波兩種傳感器、GPS定位系統(tǒng)和多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對垃圾的精確識別和定位；通過重量傳感器、自動控制算法，實(shí)現(xiàn)裝置的自主巡航和儲存框內(nèi)垃圾收集重量達(dá)到上限時(shí)清理船的自動返航；通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)對垃圾收集裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及裝置在垃圾自動收集模式下出現(xiàn)故障時(shí)的遙控模式[7]。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 垃圾收集裝置及傳送裝置設(shè)計(jì)

淤泥質(zhì)海岸垃圾收集的困難在于部分垃圾會半嵌于淤泥中，因此給垃圾的收集造成困難。本文設(shè)計(jì)使用一種耙釘型傳送帶一進(jìn)行垃圾的收集。清理船在巡航過程中，超聲波傳感器、紅外光電傳感器實(shí)時(shí)檢測海岸垃圾，當(dāng)檢測到海岸垃圾時(shí)，控制中心啟動電動機(jī)，使傳動帶一、垃圾掃板和傳送帶二順時(shí)針轉(zhuǎn)動，傳送帶一上的耙釘將淤泥中的垃圾帶出，垃圾通過垃圾掃板傳遞至輸送機(jī)構(gòu)傳送帶二上。其中，當(dāng)耙釘穿過垃圾掃板上相對應(yīng)的缺口時(shí)，耙釘上的垃圾和淤泥被轉(zhuǎn)移至垃圾掃板上，在重力的作用下，垃圾掃板上的垃圾和淤泥下落至傳送帶二上，傳送帶二將垃圾和淤泥輸送至儲存框內(nèi)，有效提高垃圾的輸送效率；由于耙釘?shù)臋M截面積較小，使得耙釘上存留的淤泥也較少，可避免淤泥和垃圾混合收集，提高垃圾在儲存框內(nèi)的儲存量；耙釘型傳送帶一的固定軸一上設(shè)有支撐拖輪，可減小收集裝置與淤泥接觸帶來的阻力，便于清理船在淤泥上的移動，且傳送帶一的支撐板內(nèi)設(shè)有與轉(zhuǎn)軸三直徑相同的柱形通孔，通孔內(nèi)設(shè)有彈簧，可實(shí)現(xiàn)傳送帶一位置的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。裝置如圖2所示。

2.2 垃圾淤泥分離裝置及驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)

圖2 垃圾收集及傳送裝置

由于耙釘帶出的垃圾上附著有淤泥，淤泥和垃圾會被一起收集、輸送到儲存框內(nèi)，為增加船體內(nèi)垃圾的儲存容量，設(shè)計(jì)了一種垃圾淤泥分離裝置。垃圾和淤泥被輸送到儲存框后，控制中心啟動電動機(jī)及水泵，使用豎桿攪拌儲存框內(nèi)的垃圾，輔以噴頭噴水的方式，沖洗垃圾表面的淤泥，使得垃圾和淤泥分離。使用吸泥水泵，將分離出來的泥水從過濾網(wǎng)吸走，再經(jīng)泥水通道排出船體，以減少儲存框內(nèi)的淤泥，增加垃圾的儲存容量，降低船只負(fù)載，節(jié)省能量消耗。儲存框底部設(shè)有重量傳感器，當(dāng)儲存框內(nèi)的垃圾達(dá)到一定量或清理工作結(jié)束后，清理船返航，使儲存框向上移動至開口一附近，清理人員站在船體結(jié)構(gòu)的頂部即可回收儲存框內(nèi)的垃圾，操作簡單。其中，設(shè)備箱內(nèi)采用錐齒輪傳動，以避免因水泡而發(fā)生短路事故。裝置如圖3所示。

清理船使用轉(zhuǎn)輪驅(qū)動，當(dāng)需要清理海岸垃圾時(shí)，轉(zhuǎn)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，使垃圾清理船在淤泥中移動，利用收集裝置收集淤泥質(zhì)海岸上的垃圾；此外，當(dāng)海水漲潮時(shí)，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動還可以使垃圾清理船在水面上移動，不會被海水淹沒或者沖走，安全可靠。

圖3 垃圾淤泥分離及驅(qū)動裝置

2.3 垃圾取出設(shè)計(jì)

當(dāng)清理工作結(jié)束或船體內(nèi)部垃圾達(dá)到最大限度時(shí)，需要對收集到的垃圾進(jìn)行回收。船體內(nèi)垃圾的回收主要靠儲存框的上下移動實(shí)現(xiàn)，為避免儲存框在移動過程中與船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相撞，設(shè)計(jì)使用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)上述目的。當(dāng)儲存框向上移動即將到達(dá)頂端時(shí)，分別與壓力傳感器一和壓力傳感器三相接觸，壓力傳感器一和壓力傳感器三發(fā)送信號給控制中心，控制中心關(guān)閉電動機(jī)，使儲存框停止移動，防止儲存框與工作艙的頂部相碰撞；當(dāng)儲存框向下移動至傳送帶二的下方時(shí)，分別與壓力傳感器二和壓力傳感器四相接觸，壓力傳感器二和壓力傳感器四發(fā)送信號給控制中心，控制中心關(guān)閉電動機(jī)，使儲存框停止移動，防止儲存框與水泵或吸泥水泵等設(shè)備相碰撞，確保儲存框在限位的范圍內(nèi)安全地上下移動。裝置如圖4所示。

3 清理船工作流程

當(dāng)淤泥質(zhì)海岸垃圾收集船工作時(shí)，超聲波傳感器、紅外光電傳感器實(shí)時(shí)檢測海岸垃圾，當(dāng)檢測到垃圾時(shí)，控制中心控制耙釘型傳送帶一順時(shí)針轉(zhuǎn)動，耙釘將淤泥中的垃圾挖出，并將垃圾限制在耙釘型傳送帶一上，傳送帶一持續(xù)轉(zhuǎn)動，垃圾不斷挖出并輸送至垃圾掃板處。垃圾掃板同時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，當(dāng)耙釘穿過垃圾掃板上相對應(yīng)的缺口時(shí)，耙釘上的垃圾及粘連的淤泥被轉(zhuǎn)移到垃圾掃板上，在重力的作用下，垃圾和淤泥下落至輸送傳送帶二上，輸送傳送帶二順時(shí)針轉(zhuǎn)動將垃圾和淤泥輸送至儲存框。垃圾停止收集時(shí)，耙釘型傳送帶一、垃圾掃板、輸送傳送帶二均停止轉(zhuǎn)動，其中支撐拖輪可降低行船阻力，支撐板設(shè)置的彈簧實(shí)現(xiàn)傳送帶一位置的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。垃圾及淤泥進(jìn)入儲存框后，豎桿對垃圾進(jìn)行攪拌，同時(shí)噴頭噴水，對垃圾進(jìn)行沖洗，使淤泥和垃圾分離。沖洗垃圾后形成的泥水被吸泥水泵吸至泥水通道排出船體。當(dāng)船體內(nèi)垃圾存量到達(dá)上限或垃圾清理工作結(jié)束后，可控制儲存框上移，以便于對垃圾進(jìn)行回收。清理船使用轉(zhuǎn)輪驅(qū)動，可使清理船在淤泥上自由移動；同時(shí)，當(dāng)海水漲潮清理船浮于水面時(shí)，轉(zhuǎn)輪也可驅(qū)動船體在水面移動。清理船結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船剖視圖

4 結(jié) 語

對于淤泥質(zhì)海岸垃圾的收集，目前主要采用人工撿拾的方法，但工作效率低，且耗費(fèi)大量人力。由于淤泥質(zhì)海岸兼具水、陸兩種地貌特征，在淤泥堆積環(huán)境下，使得部分垃圾半嵌于淤泥中，給收集造成困難，各類機(jī)器設(shè)備在使用時(shí)也易陷入淤泥中[8]。本文針對以上問題，以單片機(jī)為控制中心，輔以多種傳感器，設(shè)計(jì)使用傳送帶上的耙釘將淤泥中的垃圾帶出，當(dāng)耙釘通過垃圾掃板缺口時(shí)，垃圾被轉(zhuǎn)移至垃圾掃板上，在重力的作用下，垃圾掃板上的垃圾和淤泥下落至輸送機(jī)構(gòu)上，輸送機(jī)構(gòu)中的傳送帶將垃圾輸送至儲存框內(nèi)，簡單高效；垃圾在儲存框內(nèi)被攪拌，并進(jìn)行水流沖洗，將垃圾上的淤泥沖洗下來，沖洗下來的淤泥通過吸泥水口被吸走，實(shí)現(xiàn)垃圾和淤泥分離，同時(shí)增加了儲存框內(nèi)的垃圾的存放量，提高了垃圾的清理效率；當(dāng)儲存框內(nèi)的垃圾達(dá)到一定量時(shí)，清理人員站在船體結(jié)構(gòu)的頂部，就可以清除儲存框內(nèi)的垃圾，操作簡單；轉(zhuǎn)輪式驅(qū)動裝置，驅(qū)動垃圾清理船在淤泥質(zhì)的海岸上移動，當(dāng)海水漲潮時(shí)，轉(zhuǎn)輪還可以使垃圾清理船在水面上移動，不會被海水淹沒或者沖走。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于各淤泥海岸和湖泊等區(qū)域的垃圾清理，可實(shí)現(xiàn)對于環(huán)境的保護(hù)。