張皓東 王玉勤* 倪小強(qiáng) 韓志博 張恒

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

由于居民環(huán)保意識(shí)的缺乏，亂扔垃圾的現(xiàn)象普遍存在，很多垃圾直接或者間接的進(jìn)入江、河、湖、海，造成嚴(yán)重的水污染環(huán)境[1]。傳統(tǒng)的水面垃圾清理主要是依靠人力方式打撈，打撈效率較低，且存在一定的安全隱患[2-4]。目前較為流行且不需要人工干預(yù)的國(guó)外“自吸式水上垃圾桶”自動(dòng)清掃系統(tǒng)，其工作原理是利用水基于表面張力的潮汐力原理，在河面形成渦旋系統(tǒng)，將漂浮在河面上的塑料瓶、樹葉等垃圾收集到桶內(nèi)。但該水體清潔系統(tǒng)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)裝置，設(shè)備需放置在固定水域，移動(dòng)性能差，特別是在惡劣條件下，無(wú)法對(duì)集中區(qū)域的垃圾進(jìn)行有效收集，工作效率低，能量消耗大。針對(duì)上述問(wèn)題，基于GE·WDR（地面設(shè)備·無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，Ground Equipment·Wireless Digital Radio）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種水面垃圾清理裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了人船分離的打撈模式，可以自動(dòng)捕捉水面信息，合理規(guī)劃路徑，及時(shí)打撈水面垃圾。該產(chǎn)品適用于城市內(nèi)河、旅游景區(qū)內(nèi)河、江河湖泊等水域的垃圾清理，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 GE·WDR 水面垃圾清理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GE·WDR 水面垃圾清理裝置由減陰升降裝置、垃圾收集裝置、遙控行進(jìn)裝置等組成，是一款智能化水面垃圾處理裝置，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該裝置集成了圖像傳輸自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和水面垃圾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線攝像及傳輸，操作人員可以觀察到水面垃圾，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控船體駛向垃圾水域并自動(dòng)清理垃圾，并實(shí)時(shí)傳輸回水面垃圾的污染及打撈情況。在使用過(guò)程中，利用絲杠帶動(dòng)收集裝置上移減少水陰，電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳行至目標(biāo)水域。當(dāng)船體到達(dá)工作區(qū)域，再次通過(guò)絲杠帶動(dòng)收集裝置下移，使傳送帶最低端潛入水面，通過(guò)收攏裝置將垃圾聚攏至船體前方，并通過(guò)傳送帶運(yùn)輸垃圾落入收集箱內(nèi)。在垃圾收集裝置和驅(qū)動(dòng)裝置的聯(lián)合運(yùn)行下，保證裝置及時(shí)、高效的開展水面垃圾收集工作。

圖1 GE·WDR 水面垃圾清理裝置整體示意圖

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 減陰升降裝置設(shè)計(jì)

為減少水面的陰力，降低對(duì)能量的消耗，設(shè)計(jì)一種可控的升降裝置。該裝置由底座、滾珠絲杠、減速機(jī)、支撐架和儲(chǔ)物箱等組成，具體如圖2 所示。為提高絲杠裝置的穩(wěn)定性，在其底部加寬了樁體與機(jī)器底座的接觸面積。絲桿升降機(jī)由蝸輪減速機(jī)和絲桿組成，利用蝸桿帶動(dòng)蝸輪實(shí)現(xiàn)減速。蝸輪中間攻有內(nèi)螺紋，升降絲桿和內(nèi)螺紋嚙合傳動(dòng)。絲桿升降機(jī)的升降速度等于蝸桿輸入轉(zhuǎn)速除以蝸輪蝸桿的減速比再乘以升降絲桿的螺距。為提高升降裝置的使用壽命和穩(wěn)定性，滾珠絲桿升降機(jī)采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。

圖2 減陰升降裝置示意圖

2.2 垃圾收集裝置設(shè)計(jì)

垃圾收集裝置由儲(chǔ)存收集箱、噴氣管、氣泵、太陽(yáng)能板、儲(chǔ)能蓄電池、傳送帶、加熱片、皮帶、轉(zhuǎn)軸、電動(dòng)機(jī)和太陽(yáng)能板支撐底座等組成。儲(chǔ)存箱內(nèi)部采用光滑斜面設(shè)計(jì)，便于收集垃圾。噴氣管通過(guò)氣泵對(duì)水面垃圾進(jìn)行切割與聚集，利用傳送帶傳將垃圾運(yùn)送至收集箱內(nèi)。傳送帶借助加熱片、皮帶和轉(zhuǎn)軸等零件實(shí)現(xiàn)垃圾的運(yùn)輸和收集功能，其中皮帶與轉(zhuǎn)軸相結(jié)合，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，皮帶帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。傳送帶有一定的摩擦系數(shù)，防止皮帶打滑。傳送帶間嵌入一定量的加熱片，當(dāng)垃圾經(jīng)過(guò)傳動(dòng)帶運(yùn)輸時(shí)，加熱片對(duì)垃圾進(jìn)行加熱，防止垃圾與傳輸帶粘粘的粘連性，以便垃圾快速落入儲(chǔ)存箱中。

為積極響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略發(fā)展要求，在船體上設(shè)置一面可感光太陽(yáng)能板，利用光伏發(fā)電功能配合感光頭實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化成電能，為設(shè)備提供干凈能源，保證船體能夠持續(xù)工作。

2.3 遙控驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部分主要由螺旋槳[5]、圓筒形保護(hù)罩、電機(jī)等組成，如圖3 所示。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置向前移動(dòng)，提高了垃圾收集的速度和效率。螺旋槳安裝在設(shè)備尾部，左右各一個(gè)。螺旋槳周圍裝有圓筒形保護(hù)罩，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了不必要的資源浪費(fèi)。螺旋槳槳葉長(zhǎng)度為120mm，螺旋槳總直徑（D）為255mm，槳轂直徑為150mm，葉數(shù)目（B）為5 條，實(shí)度（σ）系數(shù)為0.24，槳葉角（β）為10°，幾何螺距（H）為62mm，實(shí)際螺距（Hg）為56mm。

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

2.4 路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

GE·WDR 水面垃圾清理裝置在工作時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳播攝像頭、超聲波傳感器對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行掃描并采集相關(guān)水域信息。當(dāng)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)柵格法將目標(biāo)水域分為多個(gè)矩形區(qū)域，計(jì)算出路徑最優(yōu)解，設(shè)備在矩形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行S 型路徑規(guī)劃[6，7]，其設(shè)計(jì)模型如圖4 所示。當(dāng)設(shè)備搜尋到拐角處，自動(dòng)調(diào)整角度，沿著一定的弧度轉(zhuǎn)彎運(yùn)行，其彎道路徑模型如圖5 所示。同時(shí)在每個(gè)矩形區(qū)域設(shè)置有PIT（保養(yǎng)站，Pit Stop），及時(shí)清理收集裝置中的垃圾，保證下次水域收集工作的順利進(jìn)行，裝置在PIT內(nèi)停留時(shí)間依照保養(yǎng)條例彈性變化。

圖4 裝置路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)模型

圖5 裝置模擬彎道路徑模型

3 樣機(jī)制作

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，制作如圖6 所示的樣機(jī)。本裝置要求通過(guò)氣流切割水面垃圾并聚集至傳送帶前部，由傳送裝置完成垃圾收集。實(shí)物裝置依靠六顆EPS 泡沫浮筒提供浮力，四根直徑24mm 的TBI 滾珠絲桿與套筒參與減陰升降裝置整體運(yùn)動(dòng)，采用雙氣泵管道結(jié)構(gòu)聚集垃圾。垃圾傳送裝置選取額定功率65W 減速機(jī)，依靠半徑300mm 正反漿提供推進(jìn)動(dòng)力，轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘兩千轉(zhuǎn)。2 塊額定功率200W 最大溫度250℃硅橡膠加熱片對(duì)稱排列在傳送跑板內(nèi)部對(duì)水垃圾進(jìn)行加熱，減少水垃圾與傳送帶的粘連性。290°云臺(tái)角+70°的視覺(jué)識(shí)別攝像頭采集水面環(huán)境數(shù)據(jù)信息，10 塊長(zhǎng)200mm，寬50mm，12 伏65 安時(shí)光伏板輔助裝置供能。裝置于水接觸部分采用雙層2.4mm 厚度高分子防水卷材，在對(duì)裝置框架的選材時(shí)著重于材料的抗壓性。采用插接螺旋環(huán)接口式傳送帶傳遞垃圾，傳送帶材料優(yōu)先選取抗腐蝕性pvc 花紋網(wǎng)帶。經(jīng)過(guò)硬件和軟件兩部分的調(diào)試，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了水面垃圾收集的功能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 創(chuàng)新性

4.1 集中收集處理：為提高收集效率，設(shè)備安裝有小型氣泵，與設(shè)備前方聚集管配合，聚集管內(nèi)測(cè)有若干個(gè)氣孔，可以快速聚集兩桿之間的垃圾，便于傳送帶快速收集。

4.2 環(huán)境適用性廣泛：儲(chǔ)存箱的四周安裝有特殊設(shè)計(jì)的絲杠結(jié)構(gòu)，通過(guò)它能夠控制傳送帶的升降，保證裝置適應(yīng)各種不同的水域條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的高效分割收集。

4.3 續(xù)航性能優(yōu)越：為使機(jī)器能夠持續(xù)工作，本裝置在儲(chǔ)存箱的上面裝有太陽(yáng)能電池板，持續(xù)提供電能，保證設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。

4.4 維護(hù)的便捷性：本裝置采用可拆卸的機(jī)械零件，便于設(shè)備的裝配安裝以及后續(xù)的維護(hù)與升級(jí)。

5 結(jié)論

GE·WDR 水面垃圾清理裝置具備自動(dòng)導(dǎo)航、視覺(jué)識(shí)別以及智能控制等功能。設(shè)備配備有遙控行進(jìn)裝置和減陰升降裝置，可以自行規(guī)劃路徑，開展全天候、全方位、全覆蓋式垃圾收集工作，減少了人工參與度，提高了設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平。所設(shè)計(jì)的垃圾清理裝置擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有工作效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、維護(hù)便捷等特點(diǎn)，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要的促進(jìn)作用。