汪成樾,陳 艷,劉玥琦,朱安新,梁家豪,曾 勇
(湖北大學知行學院 機械與自動化學院,430011,湖北武漢)
湖泊水面常可見有害漂浮物、油污油膜、微型塑料等,這些生態(tài)污染現(xiàn)象造成大量生物死亡,使生物多樣性不斷降低,嚴重破壞生態(tài)平衡[1],但多數(shù)水域生態(tài)污染現(xiàn)象并沒有得到很好的解決[2]。
鑒于目前水上生態(tài)修復清理設(shè)備的缺陷、不足及使用現(xiàn)狀不盡如人意,在進行廣泛實際調(diào)研和資料查閱后,擬設(shè)計一款多功能遙控式生態(tài)修復船,綜合利用機械、化學、人工輔助治理的辦法,實現(xiàn)半自動化控制[3],進行有害水生植物收割、油污處理、漂浮物清理等多種生態(tài)環(huán)境治理,克服人工清理和現(xiàn)有機器的局限性,有效降低勞動成本。設(shè)計的生態(tài)修復船可應用于各種干渠、水渠、河流、湖泊、海洋等多種水域的常態(tài)化水面生態(tài)治理修復。
經(jīng)過團隊成員反復調(diào)研,進行方案設(shè)計,擬定圖1所示的設(shè)計思路。生態(tài)修復船整體結(jié)構(gòu)包括船體、剪切裝置、聚物裝置、輸送裝置、攪碎裝置、壓縮裝置、儲物裝置、噴灑裝置、油污處理模塊、太陽能自動追光系統(tǒng)及自控式夜間燈光控制系統(tǒng)等。
圖1 設(shè)計思路
船體選用“箱體型”,外壁與前端選擇設(shè)計成流線型,如圖2 所示,有利于減少水流的阻力;船體內(nèi)側(cè)做成60°的V 型結(jié)構(gòu),便于匯流。船體總長2 875 mm,寬2 096 mm,中間輸送帶寬621 mm,船高1 460 mm,內(nèi)含螺旋槳驅(qū)動機構(gòu)。
圖2 船體結(jié)構(gòu)
剪切裝置主要用于切斷水生有害植物的根部,由往復運動的割刀和固定不動的支承部分組成。聚物裝置借鑒水稻多齒撥禾收割機,將撥草輪安裝于輸送裝置的前端、剪切裝置的上方,由電機通過鏈傳動帶動撥草輪,將有害物撥入輸送帶,保障清理作業(yè)的正常進行。輸送裝置將有害物傳輸至攪碎裝置。根據(jù)船體雙體構(gòu)造,將輸送裝置放在雙體結(jié)構(gòu)中間以便進行傳輸,傳輸帶的角度取45°。為避免有害物在傳輸過程中倒退下滑,每隔一段距離增加一塊擋板,擋板高度建議取值范圍為40~45 mm。上述裝置的位置布置如圖3 所示。
圖3 剪切、聚物、輸送裝置結(jié)構(gòu)簡圖
攪碎裝置通過電機-齒輪減速器,驅(qū)動兩個刀軸正反旋轉(zhuǎn),利用兩刀軸上的相鄰刃口相互剪切、擠壓對水上有害物進行破碎。壓縮裝置采用直線推桿電機,實現(xiàn)破碎物在存儲裝置內(nèi)的空間壓縮,盡可能提高存儲利用率。儲物裝置借鑒家用抽屜的原理,設(shè)計成可抽拉式儲存屜,將攪碎、壓縮后的有害物通過進料口集中儲存在儲存屜,屜承板設(shè)有多個小孔,下方隔板具有一定斜度,可將水排到下方瀝水池單獨排出。當存儲量達到一定程度時,由人遙控船回岸邊將有害物從屜中清理出去。上述裝置的位置布置示意圖如圖4 所示。
圖4 攪碎、壓縮、儲物、噴灑裝置結(jié)構(gòu)簡圖
噴灑裝置(撒藥裝置)是利用物理或化學凈化原理對受到污染的水域進行凈化處理,操作人員將藥物倒入拌藥池內(nèi),通過水泵和噴灑器均勻噴灑在水面,結(jié)構(gòu)如圖5所示。油污、微塑料的處理模塊可設(shè)計成可拆卸式油水分離器,方便整治水中油污及微塑料問題,如圖6 所示。
圖5 噴灑裝置
圖6 油污收集裝置
自控式夜間燈光裝置利用光敏電阻實現(xiàn)燈光的啟閉,夜間光線過暗,燈光開啟,白天燈光自動關(guān)閉,可滿足夜間作業(yè)及節(jié)能需求??紤]窄洞、隧道等特殊作業(yè)環(huán)境,增設(shè)攝像頭模塊,可通過手機查看復雜環(huán)境,并有效處理作業(yè)需求。如圖7 所示。
圖7 自控燈及攝像頭安裝位置圖
太陽能自動追光系統(tǒng)可以保證太陽能板自動跟蹤太陽,且始終使電池板以最佳角度面向陽光,提高對光能的利用率,并轉(zhuǎn)化為電能。通過接入充電控制模塊對蓄電池進行充電,當充到95%時,充電系統(tǒng)將會自動斷開以保護蓄電池[4]。自動追光系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖8 所示。
圖8 太陽能自動追光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用SolidWorks 模型搭建,為后續(xù)的運動仿真和ANSYS 有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化做準備,以提高其合理性。最終整機結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示。
圖9 生態(tài)修復船整體結(jié)構(gòu)圖
STC89C52 單片機通過HC-06 藍牙模塊與Android 手機通信,控制驅(qū)動電機啟動或停止,實現(xiàn)遙控功能,相關(guān)原理圖如下頁圖10 所示。
圖10 藍牙遙控原理圖
轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)由單片機控制船體內(nèi)部兩電機,通過改變輸入端的邏輯電平實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用L298 N 專用驅(qū)動集成電路,輸出電流2 A,最高4 A,最高工作電壓50 V,與單片機直接相連,可實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。
采用性能優(yōu)異的鋰電池恒流/恒壓線性充電器TP4056 模塊進行充電?;贛OSFET 架構(gòu)和特有的防倒充電路設(shè)計,TP4056 不需要單獨外接隔離二極管和檢測電阻。當外界周圍環(huán)境溫度很高或者在大功率應用情景下充電時,充電器TP4056 模塊內(nèi)部熱反饋系統(tǒng)可以調(diào)整充電電流大小,用以降低芯片溫度。充電器TP4056 模塊充電電壓固定在4.2 V,充電電流大小通過外部電阻器進行調(diào)整。當電壓達到最終浮充電壓后電流下降至給定值的10%時,TP4056 終止充電循環(huán)。當輸入電壓斷開時,TP4056 進入睡眠狀態(tài)。
單片機控制繼電器實現(xiàn)電動推桿的伸縮。通過繼電器四個I/O 輸出口實現(xiàn)狀態(tài)的改變(如圖11 所示)。每次只有繼電器的兩個輸出口為吸合狀態(tài),才能實現(xiàn)電動推桿的某種功能。如果繼電器的四個口都沒有吸合,則電動推桿會自鎖;但是要避免出現(xiàn)四個輸出口都吸合的狀態(tài)。
圖11 壓縮裝置控制示意圖
設(shè)計一種可自動追光電路系統(tǒng),搭配自動追光系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使太陽能板以最佳角度面向陽光,原理圖如圖12 所示。由四個光敏和固定電阻構(gòu)成一個十字架。如果光照不同,UP、DW、LF、RT 的電壓會發(fā)生變化。單片機驅(qū)動0832 芯片,分別讀取UP、DW、LF、RT 電壓值。如果UUP>UDW,舵機向下轉(zhuǎn)動;如果UUP<UDW,舵機向上轉(zhuǎn)動;如果ULF>URT,舵機向右轉(zhuǎn)動;如果ULF<URT,舵機向左轉(zhuǎn)動:控制PWM 的占空比。
圖12 太陽能自動追光系統(tǒng)原理圖
自控燈光感應系統(tǒng)由光敏電阻同TP4056 相連接,當光敏電阻所處環(huán)境的光線亮度發(fā)生改變時,其電阻值大小也會發(fā)生相應變化,使得TP4056 通道得到的電壓信號值發(fā)生對應變化,由TP4056 轉(zhuǎn)換成相應數(shù)字信號,傳遞給STC89C52 單片機進行處理。原理圖如圖13 所示。
圖13 自控燈光感應系統(tǒng)搭建原理圖
本新型遙控式生態(tài)修復船可廣泛應用于海洋、干渠、湖泊、河流、水渠等水域的常態(tài)化生態(tài)治理修復,具有以下創(chuàng)新點:采用光敏自控式燈光,可滿足夜間工作條件并且節(jié)省能源;采用攪碎與壓縮裝置,可節(jié)省儲存空間,降低運收成本,方便回收;采用攝像頭+燈光,可深入隧道等特殊環(huán)境;利用單片機進行智能控制,遠程操作,安全可靠;設(shè)有噴灑模塊,可噴灑各種生態(tài)治理藥物,實現(xiàn)生態(tài)修復;符合“碳達峰”“碳中和”發(fā)展趨勢,采取可充式動力源提供能源,且可利用太陽能進行充電,環(huán)保性高。