鄭爍桐，顏健鋒，李偉杰，謝洪鯨，張淑瑤，黎亦文，馬 穎*

（1.廣州大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

我國有許多大型水電站和水庫，在很多旅游景點(diǎn)和娛樂場所也都建造了人工湖。由于一次性包裝食品的大量生產(chǎn)和消費(fèi)等原因，致使江、河、湖泊、水庫上漂浮大量垃圾，引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)問題，尤其是航運(yùn)河道、發(fā)電站前池，若不及時(shí)清理，將會影響航道運(yùn)行、發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，不少水面垃圾清理機(jī)器船應(yīng)運(yùn)而生。國內(nèi)外清理水面漂浮垃圾的設(shè)備及方法大致可分為：懸臂式安裝和機(jī)械格柵，但都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、安裝難度大、清理能力有限等缺點(diǎn)。人工清理垃圾的方式效率低下，安全性能不高。在一些景點(diǎn)的河道常會有小型漂浮垃圾，為了維持景點(diǎn)水面的清潔，清潔工人需要花費(fèi)大量時(shí)間在河道內(nèi)清潔垃圾，不但浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，也影響景點(diǎn)的美觀。

為克服水面清理機(jī)器船結(jié)構(gòu)復(fù)雜、清理難度大和效率低等一系列問題，秉承“綠色環(huán)保、節(jié)能便捷”的理念，以流體力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程控制等作為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合軟硬件技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款渦旋式改進(jìn)型水面垃圾回收裝置。該裝置能高效安全地實(shí)現(xiàn)全天候的打撈水面漂浮垃圾工作，能節(jié)約并有效利用資源，具有結(jié)構(gòu)簡單、活動靈活的特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

針對現(xiàn)有的水面垃圾回收裝置存在的缺點(diǎn)或不足，本裝置通過設(shè)計(jì)對稱分布的穩(wěn)定浮艙使設(shè)備穩(wěn)定地漂浮在水面上，浮艙的四點(diǎn)分布以及將各浮艙與設(shè)備主體的銜接設(shè)計(jì)在水面以下，使承擔(dān)回收工作的設(shè)備主體與工作水域有更為廣闊的水面接觸范圍，使其可以吸納更多方位的水面垃圾，提高工作效率。在設(shè)備主體與水面接觸的位置設(shè)計(jì)導(dǎo)流片，使流入設(shè)備的水流更快地形成水面渦旋，增大其在吸收范圍內(nèi)產(chǎn)生向心吸力。在裝置工作中，本裝置通過單片機(jī)結(jié)合紅外線感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)，由紅外線感應(yīng)裝置對工作水面有無垃圾作出判斷，從而決定裝置所處于工作或待機(jī)狀態(tài)，以減少過多運(yùn)行能源的浪費(fèi)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)以繼電器作為單片機(jī)控制各個(gè)動作的媒介，使得裝置整體的感知部分、控制部分、動力部分以及供電系統(tǒng)單元化、模塊化，這使得裝置在投入使用后的后期維護(hù)更加方便[1-5]。此外，浮艙作為保留的拓展平臺，為裝置保留了一定的可拓展創(chuàng)新的空間，這使該裝置對適應(yīng)多種環(huán)境保留了更多的改造可能，使其更具有實(shí)用價(jià)值。

裝置設(shè)計(jì)概念圖如圖1 所示。

圖1 裝置設(shè)計(jì)概念圖

2 設(shè)計(jì)原理

在流體力學(xué)中，渦旋尚沒有明確的嚴(yán)格定義，但渦量有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，即定義為速度的旋度ω→=▽×v→。流體的渦旋運(yùn)動被定義為：在流場的某一區(qū)域中，如ω≠0，稱在這個(gè)區(qū)域中流體是有旋的，也稱為渦旋運(yùn)動[6]。自然界中渦旋的產(chǎn)生主要是因?yàn)榈剞D(zhuǎn)偏向力的存在，物體在地球表面垂直于地球緯線運(yùn)動時(shí)，由于地球自轉(zhuǎn)線速度隨緯度變化而變化，由于慣性，物體會有保持原來相對地面的速度的運(yùn)動方向趨勢，這就叫地轉(zhuǎn)偏向力。地轉(zhuǎn)偏向力使水流速度的旋度不為零，即產(chǎn)生了渦量，形成渦旋。本裝置以水流產(chǎn)生渦量為理論依據(jù)，利用導(dǎo)流片、底部漏斗及水泵給予裝置周圍水面一個(gè)“人工偏向力”，巧妙地實(shí)現(xiàn)了渦旋的人工產(chǎn)生和渦旋可視，進(jìn)而利用渦旋產(chǎn)生的向心吸力實(shí)現(xiàn)垃圾回收的目的。

本裝置利用安裝在圓柱環(huán)壁表面的導(dǎo)流片使裝置四周水流流入裝置時(shí)獲得切向速度，同時(shí)底部漏斗下的水泵啟動，給水流一個(gè)向下的吸力，水流渦量不為零，形成渦旋，水面垃圾被渦旋產(chǎn)生的向心吸力吸引，隨水流流入裝置，被裝置內(nèi)的濾網(wǎng)攔截，水泵不斷將水抽出裝置外，使渦旋可持續(xù)。

在本裝置完成設(shè)計(jì)的垃圾回收動作時(shí)，需要通過單片機(jī)對潛水泵和齒輪電機(jī)的啟動和停止時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)控制，而單片機(jī)是一個(gè)弱電器件，一般情況下其工作電壓為5V 甚至更低，驅(qū)動電流在mA 級以下。在面對本裝置選用硬件中工作電壓為12V 且功率為數(shù)十瓦的電動機(jī)時(shí)，單片機(jī)的IO 口驅(qū)動能力不足以驅(qū)動潛水泵中電動機(jī)和設(shè)計(jì)所用的齒輪電機(jī)，因此，可通過直接驅(qū)動繼電器或利用ULN2003A 驅(qū)動芯片來驅(qū)動繼電器。

光耦繼電器是用光耦來控制開光狀態(tài)的固態(tài)繼電器。一般繼電器都是機(jī)械觸點(diǎn)，靠通電流過線圈變成有磁性的磁鐵吸合觸點(diǎn)，從而控制開關(guān)狀態(tài)。而光耦繼電器工作原理類似于光電耦合器。此類繼電器廣泛應(yīng)用在電子設(shè)備、儀器儀表及自動化設(shè)備中。在各種自動控制設(shè)備中，都要求用一個(gè)低壓電路控制一個(gè)高壓電路，如常作為單片機(jī)外圍設(shè)備的繼電器可完成5V 對12V/24V 的電動機(jī)電路的控制，故本裝置通過單片機(jī)控制繼電器進(jìn)而控制電源與電動機(jī)之間的通斷，以達(dá)到對電動機(jī)進(jìn)行控制的目的。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置由主體艙、圓柱環(huán)壁、穩(wěn)定浮艙及硬件系統(tǒng)四部分組成，全長700mm，寬700mm，高350mm。裝置各主要組件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 各主要組件結(jié)構(gòu)圖

（1）主體艙

主體艙本身作為吸納水面垃圾的工作主體，采用ABS 樹脂材料制成，長206mm，寬206mm，高150mm，如圖2 所示。主體艙內(nèi)部分為收集艙、密封艙兩個(gè)部分。收集艙上沿外側(cè)有與圓柱環(huán)壁內(nèi)側(cè)相咬合的凹螺旋卡槽。收集艙對稱圓柱體的結(jié)構(gòu)使整個(gè)裝置在水中所受壓力對稱，也更有利于艙內(nèi)渦旋的產(chǎn)生和保持，如圖3 所示。收集艙底部為漏斗型，包含螺旋槳的渦旋產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，如圖4所示。螺旋槳下方漏斗底部與止回閥相接，止回閥作用是使艙內(nèi)的水量可由止回閥下方潛水泵的抽水量控制。

圖3 收集艙

圖4 底部漏斗結(jié)構(gòu)

漏斗型垃圾濾網(wǎng)位于收集艙上端艙口，其底部中央有一漏口，水面垃圾一旦被渦旋經(jīng)該漏口吸入收集艙便不會再漂出水面，避免反復(fù)收集同一垃圾而浪費(fèi)資源。底部潛水泵的作用是將裝置內(nèi)的水從底部抽至裝置外，是使水面產(chǎn)生渦旋的同時(shí)使渦旋可持續(xù)的關(guān)鍵。

位于收集艙漏斗型底部以下的密封艙內(nèi)設(shè)有12V鋰電池組為裝置提供主要動力，以及操控裝置完成工作的單片機(jī)及其電路系統(tǒng)。

（2）圓柱環(huán)壁

圓柱環(huán)壁長213mm，寬213mm，高120mm，如圖5 所示。圓柱環(huán)內(nèi)壁的凸螺旋卡槽設(shè)計(jì)與主體艙外壁的凹卡槽準(zhǔn)確咬合，構(gòu)成螺旋卡扣；外壁帶有由履帶構(gòu)成的鋸齒條紋與對稱安裝在主體艙上的三個(gè)齒輪電機(jī)緊密咬合。這樣的設(shè)計(jì)使得圓柱環(huán)壁可在電機(jī)的帶動下緊貼著主體艙上下螺旋轉(zhuǎn)動，使裝置可以在高于水平面和低于水平面兩個(gè)狀態(tài)來回切換，機(jī)械效率高。當(dāng)環(huán)壁螺旋下降至低于水平面時(shí)，水流流入裝置，產(chǎn)生渦旋、吸引垃圾；當(dāng)環(huán)壁螺旋上升至高于水面時(shí)，隔離水面，使被吸納在過濾網(wǎng)以下的垃圾不再漂出。

圖5 圓柱環(huán)壁

圓柱環(huán)壁上端帶有對稱均勻分布的導(dǎo)流片，作用是給水流一個(gè)切向速度、配合在底部水泵產(chǎn)生抽水吸力的同時(shí)產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象，吸引水面垃圾流入裝置內(nèi)的濾網(wǎng)中。

（3）穩(wěn)定浮艙

穩(wěn)定浮艙以主體艙為中心，呈水平正矩形四點(diǎn)分布，每個(gè)浮艙均用PVC 硬管與主體艙的中下部在水面以下牢固銜接，為裝置的整體提供浮力。在保證主體艙在水中保持豎直的工作狀態(tài)的同時(shí)，浮艙與主體艙在水面保持一定距離，使主體艙艙口四周360°均被水面環(huán)繞。這一設(shè)計(jì)的目的在于使水面各方位流入主體艙的水流流量相同，在水面渦旋產(chǎn)生的同時(shí)，最大程度地讓渦旋產(chǎn)生地水面吸力能夠吸納更多方位的水面垃圾，使產(chǎn)生的渦旋吸力工作效率達(dá)到最大化。四個(gè)浮艙的分布設(shè)計(jì)，讓裝置在水中保持著一個(gè)較為穩(wěn)定的位置狀態(tài)，使其更好地在不同的天氣、不同的水域環(huán)境中工作。除了在浮艙上方安裝判斷水面無垃圾的紅外線傳感器之外，浮艙內(nèi)的閑置空間為后續(xù)裝置的改造保留了拓展的空間，例如可拓展更多的蓄電池，也可結(jié)合應(yīng)用環(huán)境搭載太陽能電池板或海浪發(fā)電機(jī)使設(shè)備實(shí)現(xiàn)能源自給自足，這使裝置存在面對不同環(huán)境可針對性作出優(yōu)化方案的可能，從提升環(huán)境適應(yīng)能力的角度提升了其實(shí)用性。

裝置實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 裝置實(shí)物圖

3.2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

齒輪電機(jī)：設(shè)計(jì)選用3 臺做過防水處理的22W 直流齒輪電機(jī)，額定電壓為12V，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為300r/min。

單片機(jī)：設(shè)計(jì)選用STC89C51 單片機(jī)，是STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8 位微機(jī)，內(nèi)有4K 字節(jié)的用戶應(yīng)用程序空間，2 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及2 路外部中斷，借此我們通過編寫片內(nèi)程序使單片機(jī)控制各組件完成裝置工作中的各個(gè)動作。

直流潛水泵：設(shè)計(jì)選用80W 的直流潛水泵，額定電壓為12V，最大抽水流量達(dá)5000L 每小時(shí)（即約1.39L/s）。

紅外線傳感器：設(shè)計(jì)選用帶有LM393 比較器的紅外線測距傳感器，通過設(shè)置比較器調(diào)整測距距離，在所設(shè)距離內(nèi)存在障礙物（水面垃圾）時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送信號。

繼電器：設(shè)計(jì)選用帶光耦隔離的常閉繼電器，工作電壓為直流5V。選用不同組的繼電器的常閉負(fù)載端分別將12V 直流電源模塊和齒輪電機(jī)以及直流潛水泵相接，在接收到單片機(jī)向其輸出的高電平期間，負(fù)載端之間通路，使對應(yīng)用電器通電運(yùn)行。

藍(lán)牙模塊：設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊選用HC-05，可通過手機(jī)APP 的藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)直連，通過藍(lán)牙無線控制單片機(jī)以控制裝置的正常工作和強(qiáng)制待機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在投放使用和回收維護(hù)時(shí)對裝置整體的開關(guān)機(jī)。

電源模塊：設(shè)計(jì)選用四組均為8400mAh 的12V 鋰電池組組成電源電池組，向潛水泵、電機(jī)提供直流12V 電源以外，通過降壓電阻電路向單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、紅外傳感器等組件提供5V 電源。

各硬件所連接情況如圖7 所示。

圖7 硬件接線圖

4 工作過程

將通電后被強(qiáng)制待機(jī)的裝置放置在指定水域，裝置漂浮于水面上，通過藍(lán)牙無線控制喚醒裝置，使裝置處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)安裝在浮艙上的紅外線感應(yīng)裝置感應(yīng)到裝置四周在一定工作范圍內(nèi)的水域有水面垃圾時(shí)，裝置進(jìn)入回收工作狀態(tài)，齒輪電機(jī)帶動圓柱環(huán)壁螺旋下降，使裝置圓柱環(huán)壁上沿低于水平面，主體艙口邊緣的水流入主體艙，同時(shí)主體艙底部直流潛水泵將過濾后的水抽出主體艙，保證艙內(nèi)外水位差的可持續(xù)性。此時(shí)，流入主體艙的水流經(jīng)過艙口導(dǎo)流片后產(chǎn)生液面渦旋，渦旋產(chǎn)生液面向心引力，吸引水面垃圾，與水流一起流入主體艙的垃圾流入艙中漏斗型垃圾濾網(wǎng)以下，并在濾網(wǎng)防止其再次漂浮的情況下存儲在濾網(wǎng)以下的主體艙中的收集艙部分。一次作業(yè)結(jié)束后，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動圓柱環(huán)壁螺旋上升，使主體艙內(nèi)部與水面隔離，水泵抽出主體艙內(nèi)一部分的水使裝置吃水線下降至回收工作前的大致位置。此時(shí)，裝置重新回到待機(jī)狀態(tài)繼續(xù)漂浮在水面上，等待紅外線感應(yīng)裝置發(fā)來下一次回收工作的信號，或者等待維護(hù)人員通過藍(lán)牙無線控制來強(qiáng)制待機(jī)后進(jìn)行清理維護(hù)。

實(shí)物工作效果圖如圖8 所示。

圖8 實(shí)物工作效果圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一款自行設(shè)計(jì)制作的基于流體渦旋向心吸力的改進(jìn)型水面垃圾回收裝置及其基本工作原理、設(shè)計(jì)制作過程與工作過程。已完成制作的裝置設(shè)計(jì)思路巧妙，實(shí)現(xiàn)了全自動產(chǎn)生可視的渦旋，并將渦旋應(yīng)用于水面垃圾收集這一環(huán)保領(lǐng)域，創(chuàng)新性強(qiáng)，改善了現(xiàn)有水面垃圾回收裝置存在的工作效率低、適應(yīng)場景單一、高耗能的不足。裝置以低廉的制作成本實(shí)現(xiàn)全自動環(huán)衛(wèi)功能，性價(jià)比較高。