王 雪，楊 婕，趙曉棟，樊祜頻，牛玉寧，陳俊龍

(煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

0 引言

海濱城市已成為人們旅游的重要目的地，但由于海濱旅游產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，游客數(shù)量不斷攀升，沙灘垃圾污染問題也逐漸顯現(xiàn)，沙灘垃圾的清理問題已經(jīng)迫在眉睫[1]。

目前，世界各國(guó)對(duì)于沙灘垃圾處理的方式主要有三種[2]：人工垃圾清理、動(dòng)力機(jī)械與清理裝置配合清理以及采用自行走式沙灘垃圾清理車。國(guó)內(nèi)眾多海濱旅游景區(qū)仍然采用人工撿拾垃圾與垃圾清理車交替工作的垃圾清理方式，垃圾清理過于依賴時(shí)間、氣候、環(huán)境，并存在清理深度淺、垃圾含沙量大、能源消耗過多等缺點(diǎn)；對(duì)于沙灘垃圾清理裝置的研究還處于初步發(fā)展階段，一般都是參考國(guó)外現(xiàn)有的裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，缺少原創(chuàng)性設(shè)計(jì)[3-6]。本文設(shè)計(jì)的環(huán)保型沙灘垃圾清理裝置，解決了國(guó)內(nèi)人工清理的低效問題，自動(dòng)化程度高，縮小了與國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的差距。

1 全自動(dòng)沙灘垃圾清理裝置整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)沙灘垃圾清理裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下壓裝置1、篩沙裝置2、排沙裝置3、車體4、履帶行走機(jī)構(gòu)5、起沙機(jī)構(gòu)6、液壓懸臂7、噴氣裝置8、傳送機(jī)構(gòu)9、儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)10等組成。其主要設(shè)計(jì)功能包括：通過不同深度的起沙裝置6實(shí)現(xiàn)分層次、大深度、低局限地清理海灘垃圾；通過內(nèi)部噴氣裝置8降低垃圾的含水和含沙率；采用離心分離技術(shù)，將垃圾依據(jù)密度進(jìn)行自動(dòng)簡(jiǎn)單分類；通過紅外線感應(yīng)系統(tǒng)使裝置能夠自動(dòng)規(guī)避障礙物；下壓裝置1頂部的太陽(yáng)能板可儲(chǔ)存太陽(yáng)能，提高能量利用效率；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)需人工駕駛和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)工；此外，獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)適合沙灘旅游景區(qū)需求。

1.2 工作原理

本裝置通過遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，線上制定清理方案以及工作路程，通過履帶行走機(jī)構(gòu)5向前行進(jìn)，使起沙機(jī)構(gòu)6與沙灘沙層接觸，通過起沙機(jī)構(gòu)對(duì)沙灘的淺沙層和深沙層分別進(jìn)行起沙操作；然后啟動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)9，把起沙機(jī)構(gòu)掀起的沙子通過傳送機(jī)構(gòu)輸送到篩沙裝置2中的篩沙框內(nèi)；隨后啟動(dòng)下壓裝置1、篩沙裝置2和噴氣裝置8，篩網(wǎng)對(duì)篩沙框內(nèi)沙子進(jìn)行篩分，同時(shí)通過噴氣裝置吹風(fēng)，且下壓裝置中液壓缸收縮，使下壓板與沙子接觸；篩分后，沙子通過排沙裝置3排出，篩沙框篩出的垃圾通過儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)10中的離心裝置進(jìn)行分類后，利用機(jī)械手臂撿拾到垃圾存放箱內(nèi)。而且，深層起沙機(jī)構(gòu)的起沙間隙可以調(diào)整，從而可以排除石頭等硬物對(duì)起沙機(jī)構(gòu)行進(jìn)過程的影響，并對(duì)團(tuán)聚的泥沙具有破壞分散效果，從而提高裝置經(jīng)過區(qū)域沙層的間隙度和垃圾清理質(zhì)量。本裝置還取消了傳統(tǒng)的多層篩網(wǎng)，采用向篩沙框內(nèi)震蕩的沙子吹出溫?zé)釟怏w和下壓機(jī)構(gòu)摩擦的方式，可以加速沙子中的水分流失，提高沙子的流動(dòng)性，降低清理垃圾的表面含水含沙率。因此，本裝置可提高垃圾清理的深度與維度，極大減少垃圾表面的含沙量，同時(shí)雙動(dòng)力系統(tǒng)提高了能量利用率，減少了污染氣體的排放。

2 全自動(dòng)沙灘垃圾清理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該沙灘垃圾清理裝置根據(jù)功能不同分為動(dòng)力模塊和清理模塊。動(dòng)力模塊為沙灘垃圾清理裝置的前后移動(dòng)和清理動(dòng)作的完成提供動(dòng)力；清理模塊的各機(jī)構(gòu)之間協(xié)同配合完成垃圾清理的全部工作。兩個(gè)模塊又分別由不同機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

1-下壓裝置；2-篩沙裝置；3-排沙裝置；4-車體；5-履帶行走機(jī)構(gòu)；6-起沙機(jī)構(gòu)；7-液壓懸臂；8-噴氣裝置；9-傳送機(jī)構(gòu)；10-儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)

圖2 沙灘垃圾清理裝置結(jié)構(gòu)組成框圖

2.1 清理模塊

清理模塊由完成沙灘垃圾清理工作的所有部件組成，包含起沙機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)。起沙機(jī)構(gòu)將沙灘表層及深層的垃圾挖取出來轉(zhuǎn)移到傳送機(jī)構(gòu)上，傳送機(jī)構(gòu)將含沙垃圾傳送到分離機(jī)構(gòu)，分離機(jī)構(gòu)各部件把沙子和垃圾分離，沙子被過濾到沙灘上，而垃圾最終被儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)收集儲(chǔ)存。

起沙機(jī)構(gòu)如圖3所示，它通過液壓懸臂與車體連接，包括掀沙齒1、U型框2、固定板3、彈簧4和深層起沙機(jī)構(gòu)5。U型框2的后端面與液壓懸臂采用鍵連接，前端固定連接有多個(gè)均勻分布的掀沙齒1；后端面還固定連接有固定板3，固定板3通過彈簧與深層起沙機(jī)構(gòu)5連接。深層起沙機(jī)構(gòu)5位于固定板3下方，通過轉(zhuǎn)軸與固定板3轉(zhuǎn)動(dòng)連接，包括鐵絲網(wǎng)、頂板、螺紋桿、滑塊、限位桿、滑槽和旋鈕。鐵絲網(wǎng)通過轉(zhuǎn)軸與U型框2下表面的直角折彎處轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上端面固定連接頂板，頂板的前端面開設(shè)滑槽，滑槽內(nèi)滑動(dòng)連接滑塊，滑槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)連接螺紋桿，螺紋桿一端貫穿頂板固定連接旋鈕，貫穿滑塊并與滑塊螺紋連接。滑塊的一端延伸到滑槽的外部并固定連接另一處鐵絲網(wǎng)。

傳送機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、上料板1、傳送帶和多個(gè)隔板4，傳送帶繞制在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間，多個(gè)隔板4安裝于傳送帶的外側(cè)。上料板1一端延伸至起沙機(jī)構(gòu)的U型框內(nèi)，通過轉(zhuǎn)軸2與液壓懸臂3轉(zhuǎn)動(dòng)連接，轉(zhuǎn)軸由液壓懸臂內(nèi)小型液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)；另一端位于篩沙框的上方。

分離機(jī)構(gòu)由篩沙裝置、噴氣裝置、下壓裝置和排沙裝置組成，各裝置如圖5～圖7所示，四個(gè)部分相互配合工作，共同完成垃圾與其表面所攜帶沙子的分離工作。篩沙裝置中的篩沙框1內(nèi)部固定連接篩網(wǎng)2，并通過彈簧連接多個(gè)用于和垃圾以及沙子碰撞的擺球3，其內(nèi)表面連接電動(dòng)機(jī)4，電動(dòng)機(jī)4的輸出端連接圓盤5的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，圓盤5另一側(cè)連接凸塊，且連接在運(yùn)動(dòng)框中心位置開設(shè)的通槽內(nèi)。通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)圓盤5轉(zhuǎn)動(dòng)，在凸塊作用下，使運(yùn)動(dòng)框往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在連接桿和連接板的作用下，篩沙框1通過震蕩加快物體之間的抖動(dòng)促使其表面的沙子與物體快速分離，擺球3擺動(dòng)并與垃圾接觸發(fā)生碰撞，更有利于沙子與垃圾分離，同時(shí)在篩沙裝置運(yùn)作過程中噴氣裝置(如圖6所示)的噴嘴2噴出溫?zé)釟怏w，吹向震蕩沙子，加速沙子中的水分流失并提高沙子的流動(dòng)性，減小垃圾的表面含沙率從而對(duì)垃圾進(jìn)行篩選分離。同時(shí)下壓機(jī)構(gòu)(如圖7所示)中的液壓缸1收縮，使得下壓板2與沙子接觸；篩分下的沙子通過排沙板3排出，且篩沙框篩出的垃圾，通過雜物儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)中的機(jī)械手臂1撿拾到的垃圾存放箱2內(nèi)。

1-掀沙齒；2-U型框；3-固定板； 1-上料板；2-轉(zhuǎn)軸； 4-彈簧；5-深層起沙機(jī)構(gòu) 3-液壓懸臂；4-隔板

1-篩沙框；2-篩網(wǎng)；3-擺球； 1-篩沙框；2-噴嘴 4-電動(dòng)機(jī)；5-圓盤

1-液壓缸；2-下壓板；3-排沙板

儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)如圖8所示，包括機(jī)械手臂1、儲(chǔ)存箱2、移動(dòng)桿3。儲(chǔ)存箱2和篩沙框上端面設(shè)有滾輪的移動(dòng)軌道，移動(dòng)桿3下端面設(shè)有機(jī)械手臂1的移動(dòng)軌道，儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)與車體和排沙框固定連接。機(jī)械手臂通過電力驅(qū)動(dòng)對(duì)垃圾進(jìn)行撿拾并放入到儲(chǔ)存箱內(nèi)。

2.2 動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊為整個(gè)裝置提供動(dòng)力，由車體和履帶行走機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖9所示。本裝置采用雙動(dòng)力系統(tǒng)，借助蓄電池及太陽(yáng)能來滿足裝置的動(dòng)力需要。車體上端面與排沙框連接，前端面與液壓懸臂連接，左端面與垃圾存放裝置連接，下端面固定在履帶行走裝置上；車體內(nèi)部設(shè)有液壓泵1、微型控制器2、兩組蓄電池3、電動(dòng)機(jī)4，液壓泵1為液壓懸臂提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)則為履帶5行走裝置提供動(dòng)力，且液壓泵1、電動(dòng)機(jī)4均由兩組蓄電池3作為電源。履帶行走機(jī)構(gòu)由履帶5、車架6、車輪7等部分組成，由電力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的前后移動(dòng)，采用履帶行走機(jī)構(gòu)，能應(yīng)對(duì)不同地形的沙灘清理。太陽(yáng)能收集裝置為自動(dòng)規(guī)避裝置、微型處理器提供能量，自動(dòng)規(guī)避裝置上設(shè)置有紅外探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置前方及其四周的事物的分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)避障礙物功能，同時(shí)微型控制器上設(shè)置有WIFI裝置，WIFI裝置作為遙控信號(hào)的接收和發(fā)送中心，將手機(jī)發(fā)出的動(dòng)作指令發(fā)送到微型控制器，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與微型控制器的串行通信，清潔人員可以通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，對(duì)垃圾清理裝置進(jìn)行調(diào)速、轉(zhuǎn)向以及各種清潔命令的控制。

1-機(jī)械手臂；2-垃圾儲(chǔ)存箱； 1-液壓泵；2-微型控制器； 3-移動(dòng)桿 3-蓄電池；4-電動(dòng)機(jī)；5-履帶； 6-車架；7-車輪

3 結(jié)論

本研究從海濱城市沙灘垃圾清理所面臨的問題出發(fā)，從行業(yè)背景、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理入手，分析現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的局限，借鑒相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)思路，制定合理的解決方案，通過SolidWorks軟件進(jìn)行本裝置的建模與設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)沙灘垃圾清理高效化、自動(dòng)化和智能化，并利用現(xiàn)有的成熟的技術(shù)理論具體說明和驗(yàn)證了沙灘垃圾清理裝置設(shè)計(jì)的合理性與可行性。本裝置的設(shè)計(jì)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，不但可為沙灘垃圾清理工作節(jié)省大量的人力物力，同時(shí)也為維護(hù)人類與海洋生態(tài)環(huán)境之間的和諧關(guān)系貢獻(xiàn)了一份力量。