陸 安，劉慶森，李浩文

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇 蘇州215600）

1 研究背景

1.1 發(fā)展背景

目前許多國(guó)家的河流、海域漂浮物污染十分嚴(yán)重，給人們的生存環(huán)境、投資環(huán)境等帶來(lái)負(fù)面影響。海洋垃圾在北美、亞洲、大洋洲和非洲的海面上“肆虐”，使得許多水域原有生物大量滅絕，嚴(yán)重地破壞了生物多樣性和生態(tài)平衡。這些垃圾導(dǎo)致水體發(fā)黑、發(fā)臭，河流、湖泊淤塞，相關(guān)海域赤潮頻發(fā)。秋冬季節(jié)里，成片的垃圾隨風(fēng)漂蕩，嚴(yán)重影響到船舶的航運(yùn)安全、水利設(shè)施和水電站機(jī)組的安全，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等造成的經(jīng)濟(jì)損失更大，這些都要求治理外水面垃圾的呼聲越來(lái)越高。許多地方采用人工打撈的方法予以清除，但效率低下，人身安全沒有保障，亟需安全、高效的打撈設(shè)備。

1.2 傳統(tǒng)打撈方式

1.2.1 依靠人工打撈

依靠人工打撈的缺點(diǎn)：（1）效率低下；（2）人身安全沒有保障。

1.2.2 傳統(tǒng)清理船打撈

傳統(tǒng)清理船打撈的缺點(diǎn)：（1）安全性得不到保障；（2）人力物力投入較大；（3）經(jīng)濟(jì)效益不高。

2 垃圾清理船工作流程

垃圾清理船工作流程與步驟如圖1所示。

圖1 工作流程與步驟

2.1 垃圾聚合

垃圾聚合模塊包括兩根相對(duì)設(shè)置的橡膠軟管，兩根所述橡膠軟管分別位于所述船體前端的兩側(cè)設(shè)置，兩根所述橡膠軟管的一端與主船體內(nèi)設(shè)置的纜軸相接，另一端均連接有用于帶動(dòng)所述橡膠軟管在水面移動(dòng)的推進(jìn)器。

其中一個(gè)所述推進(jìn)器的前端為水平外凸的半圓形凸起，另一個(gè)所述推進(jìn)器的前端為內(nèi)凹的半圓形槽，所述半圓形凸起與所述半圓形槽相匹配，所述半圓形凸起和半圓形槽的側(cè)壁上均設(shè)置有電磁鐵；其中一個(gè)所述推進(jìn)器的頂部設(shè)置有紅外線發(fā)射器，另一個(gè)所述推進(jìn)器的頂部設(shè)置有紅外線接收器。

垃圾聚合模塊工作時(shí)推進(jìn)器由船艙中的駕駛員控制驅(qū)動(dòng)，駕駛員通過(guò)控制兩個(gè)推進(jìn)器，帶動(dòng)橡膠軟管的移動(dòng)，從而控制兩根橡膠軟管形成一個(gè)包圍圈，將偏離航道的垃圾控制在指定的范圍內(nèi)。為了方便橡膠軟管的回收，在船體內(nèi)部設(shè)計(jì)有可旋轉(zhuǎn)的纜軸，通過(guò)纜軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)橡膠軟管回收。在工作中，兩根橡膠軟管回收的同時(shí)，也帶動(dòng)了垃圾收集圈的縮小，從而將垃圾帶到指定位置，這也大大減小了清理船的航行距離，節(jié)約了能源。

并且，位于船體左側(cè)的推進(jìn)器的頂部設(shè)置有紅外線發(fā)射器，位于船體右側(cè)的推進(jìn)器的頂部設(shè)置有紅外線接收器，當(dāng)右側(cè)的推進(jìn)器上的紅外線接收器在散射范圍內(nèi)接收到信號(hào)時(shí)，兩個(gè)推進(jìn)器自動(dòng)對(duì)接，使駕駛員控制左右推進(jìn)器貼合的難度大大降低，給駕駛員帶來(lái)了很大的便利。同時(shí)，左右兩個(gè)推進(jìn)器的外觀采用不同的設(shè)計(jì)。左側(cè)的推進(jìn)器的前端為水平外凸的半圓形凸起，右側(cè)的推進(jìn)器的前端為內(nèi)凹的半圓形槽，半圓形凸起與半圓形槽相匹配，這樣的設(shè)計(jì)使得兩個(gè)推進(jìn)器的貼合度大大提高，更加有利于形成一個(gè)封閉的垃圾收集圈。

2.2 垃圾分類、沖洗

垃圾分類模塊包括配合設(shè)置的垃圾收集器和垃圾刮理器，垃圾收集器位于垃圾刮理器的下方，垃圾收集器包括轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在主船體上的第一滾筒和沿第一滾筒徑向外延伸的扒動(dòng)板，扒動(dòng)板采用規(guī)則的梯形設(shè)計(jì)。工作時(shí)布置于主船體兩側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)垃圾收集器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其主要任務(wù)是將前面打撈上來(lái)的垃圾收集到船上并且稍微上移，從而方便垃圾刮理器進(jìn)行第二步的處理。

垃圾刮理器包括轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在船體上的第二滾筒，第二滾筒上設(shè)置有用于將水面垃圾中的袋裝垃圾與其他垃圾進(jìn)行分離的第一刀頭和用于對(duì)分離后剩余的水面垃圾進(jìn)行碎化處理的第二刀頭。

第一刀頭的頭部較鈍，刀背沒有開刃且較為光滑，外形設(shè)計(jì)為圓弧狀，在整個(gè)裝置中分布較疏，刀頭的布置方向呈順時(shí)針方向。第一刀頭的主要任務(wù)是對(duì)在垃圾收集器中收集好的垃圾進(jìn)行一個(gè)初步的分類，即第一刀頭與扒動(dòng)板之間通過(guò)嚙合的方式，利用第一刀頭將含水量較大的塑料袋等袋裝垃圾和含水量較少的其他垃圾進(jìn)行分離。當(dāng)分離的塑料袋等袋裝垃圾隨著垃圾刮理器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°后，由于塑料袋等袋裝垃圾含水量較大，受到重力等因素的影響，袋裝垃圾自動(dòng)滑落，并順著光滑的刀背滑入布置于垃圾刮理器右下方的袋裝垃圾收集艙中，袋裝垃圾收集艙入口處斜側(cè)板上設(shè)有間隙，可供第一刀頭從斜側(cè)板上劃過(guò)。在清理船工作完畢后，收集的袋裝垃圾統(tǒng)一處理加工，大大節(jié)約了人力物力。除此之外，由于袋裝垃圾含水量較大，在后續(xù)的甩干中將會(huì)耗費(fèi)大量的能源。所以，提前將其分離出來(lái)，既節(jié)約了人力物力，又減少了能源的損耗，一舉兩得。

垃圾刮理器的第二刀頭在第二滾筒上呈逆時(shí)針分布，刀面開刃且較為鋒利，分布較密，外形為不規(guī)則的圓弧狀，略長(zhǎng)于第一刀頭。其主要任務(wù)是將分離后的垃圾在一定程度上進(jìn)行碎化處理，即通過(guò)與垃圾收集器上的扒動(dòng)板嚙合的方式對(duì)較大的垃圾進(jìn)行碎化。

由于垃圾刮理器上的兩種刀頭分布的疏密不同，小型的垃圾和繩狀垃圾會(huì)在兩種刀頭的間隙中滑落或被切碎，并不會(huì)影響塑料袋等垃圾的分離。碎化后的垃圾隨著垃圾收集器繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)45°后，進(jìn)入垃圾沖洗模塊中。

垃圾沖洗模塊將水面垃圾上的泥沙沖掉，提高水面垃圾的裝載率。垃圾沖洗模塊包括水平設(shè)置的第二傳送帶和設(shè)置在第二傳送帶出料端上的濕垃圾收集艙，第二傳送帶上均勻分布有漏水孔，第二傳送帶的兩側(cè)均設(shè)置有垃圾沖洗單元，垃圾沖洗單元包括沖洗管道和與沖洗管道連接的抽水泵，抽水泵的進(jìn)水口上設(shè)置有用于過(guò)濾海水的泥沙過(guò)濾網(wǎng)，泥沙過(guò)濾網(wǎng)避免海水中的泥沙進(jìn)入沖洗管道中，從而影響沖洗效率。海水被抽水泵抽入沖洗管道以后，對(duì)碎化后的垃圾進(jìn)行沖洗，這種自給自足的沖洗方式，既節(jié)約了水源，又為后期的壓縮掃除了泥沙這一障礙。垃圾上沖洗出來(lái)的泥沙和污水直接通過(guò)第二傳送帶上的漏水孔重新進(jìn)入水中。并且，在第二傳送帶的下方，布置有微小垃圾過(guò)濾網(wǎng)，從而避免微小的垃圾重新進(jìn)入海水中，而沖洗完畢的垃圾則會(huì)繼續(xù)跟隨第二傳送帶進(jìn)入濕垃圾收集艙。

濕垃圾收集艙包括沿第二傳送帶傳送方向并排設(shè)置的前艙和后艙，前艙和后艙頂部敞口設(shè)置，前艙和后艙之間通過(guò)兩塊可以繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的擋板分隔，擋板繞兩端的轉(zhuǎn)軸可以進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)。前艙為漏洞狀，固定于主船體上，后艙為長(zhǎng)方體腔體，可以通過(guò)后艙左右兩側(cè)外壁上的轉(zhuǎn)軸跟隨主船體上的鉸鏈進(jìn)行上下移動(dòng)，并繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，后艙底部設(shè)置有壓力傳感器。

當(dāng)沖洗完畢的垃圾跟隨第二傳送帶進(jìn)入前艙時(shí)，垃圾從前艙左邊的斜坡上順勢(shì)滑入前艙底部；與此同時(shí)，前艙和后艙之間的兩塊擋板同時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。后進(jìn)入的垃圾推動(dòng)先進(jìn)入的垃圾向前移動(dòng)，從而進(jìn)入后艙。當(dāng)位于后艙底部的壓力傳感器檢測(cè)到的壓力值大于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，兩塊擋板反向旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，將前艙和后艙分割開。前艙繼續(xù)收集由第二傳送帶傳送過(guò)來(lái)的垃圾，后艙跟隨鉸鏈向上移動(dòng)；當(dāng)后艙向上移動(dòng)到指定位置時(shí)，收集艙繞軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，后艙內(nèi)的垃圾從后艙內(nèi)滑入垃圾甩干模塊中。當(dāng)垃圾全部進(jìn)入垃圾甩干模塊后，后艙移動(dòng)回指定位置繼續(xù)收集。

2.3 垃圾甩干、壓縮

垃圾甩干模塊包括甩干機(jī)，甩干機(jī)包括外層筒和轉(zhuǎn)動(dòng)穿設(shè)在外層筒內(nèi)的內(nèi)層筒，內(nèi)層筒上均勻分布有漏水孔，便于甩出的水分進(jìn)入外層筒，外層筒固定設(shè)置，頂部開設(shè)有第一進(jìn)料口，第一進(jìn)料口上設(shè)置有用于閉合第一進(jìn)料口的擋料板。第一進(jìn)料口外設(shè)置有集料斗，集料斗便于垃圾進(jìn)入甩干機(jī)。外層筒底部設(shè)置有與第一進(jìn)料口相對(duì)的出料口；內(nèi)層筒上開設(shè)有第二進(jìn)料口，第二進(jìn)料口上設(shè)置有用于將第二進(jìn)料口閉合的弧形擋板，弧形擋板的曲率與內(nèi)層筒的曲率相同。

當(dāng)垃圾從集料斗進(jìn)入甩干機(jī)后，弧形擋板和擋料板閉合，甩干機(jī)開始工作，船艙內(nèi)工作人員根據(jù)垃圾的數(shù)量控制甩干機(jī)的工作時(shí)間。垃圾甩干后，弧形擋板打開，垃圾從甩干機(jī)下方的出料口滑出。

由于含水量大的袋裝垃圾在垃圾分類模塊中被分離，體積較大的垃圾被垃圾刮理器碎化，因此沒有含水量較大和體積較大的垃圾進(jìn)入甩干機(jī)。這樣一來(lái)，大大減小了甩干機(jī)的工作功率，既節(jié)約了能源，又提高了甩干機(jī)的工作效率，從而加大了垃圾的甩干量。

垃圾壓縮裝置包括垃圾壓縮機(jī)和設(shè)置在垃圾壓縮機(jī)出料口底部的垃圾存儲(chǔ)艙，垃圾壓縮機(jī)的進(jìn)料口與甩干機(jī)的出料口之間通過(guò)第三傳送帶連接。從甩干機(jī)的出料口滑落的垃圾落入第三傳送帶上，第三傳送帶將甩干后的垃圾運(yùn)輸?shù)嚼鴫嚎s機(jī)中進(jìn)行粉碎壓縮，當(dāng)垃圾進(jìn)入垃圾壓縮機(jī)后，垃圾壓縮機(jī)對(duì)各種大小的垃圾進(jìn)行粉碎壓縮處理，處理完畢的垃圾從垃圾壓縮機(jī)下方落入垃圾存儲(chǔ)艙中進(jìn)行存放。

由于垃圾在前兩個(gè)部分已經(jīng)進(jìn)行了碎化、沖洗、甩干等一系列處理，所以在垃圾壓縮部分，不會(huì)有水分和泥沙的存在，既方便壓縮，又不會(huì)因?yàn)樗值膯栴}影響壓縮機(jī)的使用壽命。與此同時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)大型垃圾進(jìn)行了碎化，所以在一定程度減少了壓縮機(jī)工作時(shí)所消耗的能源。

由于粉碎壓縮后的垃圾的體積大大減小，所以垃圾存儲(chǔ)艙內(nèi)可以存放的垃圾的量大大增加。這在一定程度上增加了垃圾清理船出航一次的垃圾收集量。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過(guò)在船首布置由推進(jìn)器、可收縮橡膠管及具有紅外導(dǎo)引功能的電磁鐵構(gòu)成的可自主實(shí)現(xiàn)封閉式垃圾收集圈，導(dǎo)引偏離航道的垃圾快速準(zhǔn)確地進(jìn)入垃圾回收指定區(qū)域，是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

（2）垃圾刮理器采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)更換不同方向和類型的刀頭，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)袋裝垃圾的自動(dòng)分類和大型垃圾的碎化處理，提高對(duì)垃圾甩干和壓縮處理效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垃圾綜合處理船的作業(yè)效率，是本設(shè)計(jì)的又一大創(chuàng)新。

（3）相較于常規(guī)垃圾清理船，本設(shè)計(jì)針對(duì)垃圾回收實(shí)現(xiàn)了沖洗、甩干、碎化、壓縮等一體化作業(yè)流程，提高了垃圾回收的綜合處理能力，大大簡(jiǎn)化了垃圾上岸的處理工序，體現(xiàn)了垃圾回收綜合處理船的智能化、自動(dòng)化水平，是該垃圾綜合處理船的優(yōu)勢(shì)特色。

4 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

（1）本作品針對(duì)海上環(huán)境污染問題，致力于海上固體漂浮垃圾的收集，實(shí)現(xiàn)了海上作業(yè)的效率化，整個(gè)環(huán)境護(hù)理的過(guò)程無(wú)需大量人工參與，安全性得到大幅提高，效率也是人工打撈的幾十倍至上百倍。

（2）本作品致力于海上固體漂浮垃圾的收集、分類、甩干、壓縮等一系列流程。減少了垃圾后期處理的人力物力的投入，減少了工作成本。此外，單獨(dú)回收的袋裝垃圾可以作為石油衍生物之一的原料進(jìn)行二次加工，節(jié)約成本的同時(shí)也減少了污染。

（3）本作品對(duì)水面垃圾進(jìn)行清撈與治理，可為航運(yùn)及旅游事業(yè)的發(fā)展提供良好的環(huán)境基礎(chǔ)，保持水路交通暢通，提高水上交通的安全系數(shù)可改善水域的環(huán)境衛(wèi)生面貌，美化流域的景觀確保水體生物物種的生態(tài)平衡同時(shí)可以保證良好的供水條件，提高有限水資源的利用率，減少水體的淤泥，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

本作品的水面垃圾綜合清理船不僅能夠完成對(duì)水面垃圾的打撈作業(yè)，還能對(duì)打撈起來(lái)的水面垃圾進(jìn)行后續(xù)的清理操作，極大地提高了水面垃圾的清理效率，有效地減少了人工工作強(qiáng)度。

本作品的水面垃圾綜合清理船對(duì)海上漂浮垃圾提供了一種一體化的處理方式，減少了水面垃圾處理回收的流程，節(jié)約了后期人力物力的投入，減小了工作成本。此外，單獨(dú)回收的袋裝垃圾可以作為石油衍生物之一的原料進(jìn)行二次加工，節(jié)約成本的同時(shí)也減少了污染。