基于重勢(shì)的小型水體水面漂浮物收集裝置

韓沛松，趙天昊，徐艷樺

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

現(xiàn)如今，由于水資源的短缺，人類對(duì)水資源的保護(hù)尤為重視，水資源污染成為全世界共同關(guān)注的話題。水污染的種類很多，從污染的性質(zhì)劃分，可分為物理性污染、化學(xué)性污染和生物性污染。對(duì)于城鎮(zhèn)湖泊河流，污染種類多為物理漂浮物污染?，F(xiàn)有清理水體漂浮垃圾的方式多為清潔船打撈，但是此種方式成本較高，且無(wú)法適用于中小型湖泊。人工打撈方式效率不高。

現(xiàn)有清理方式的對(duì)比如表1所示。

表1 現(xiàn)有清理方式對(duì)比表

市面上現(xiàn)有的清理裝置的機(jī)械式打撈無(wú)法達(dá)到較好的效果，且成本高昂。基于以上背景，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械與重勢(shì)同時(shí)使用的收集方式，此種方式既可以達(dá)到較高的效率，也節(jié)約了能量，使得垃圾的收集清理效率提高。具體優(yōu)勢(shì)為：利用機(jī)械和重勢(shì)方式收集垃圾，節(jié)約能耗的同時(shí)保證了清理效率和清理效果；該裝置將收集與儲(chǔ)存垃圾同時(shí)實(shí)現(xiàn)，提高了工作效率；裝置較小，在水中可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)作。

這款裝置解決了水面漂浮垃圾不能及時(shí)清理的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了垃圾收集和儲(chǔ)存，適用于各種小型湖泊。

1 整體方案

該裝置主要由運(yùn)動(dòng)模塊、收集模塊、分離模塊、儲(chǔ)存模塊和控制模塊組成，如圖1所示。

圖1 裝置整體示意圖

裝置整體潛在水下，由水輪作為動(dòng)力來(lái)源進(jìn)行水面漂浮工作。為了實(shí)現(xiàn)裝置的懸浮，在裝置內(nèi)部設(shè)置有空氣夾層，可避免裝置下沉，同時(shí)在平衡模塊、平衡浮球液位計(jì)和漂浮外殼的作用下保證裝置的平穩(wěn)。運(yùn)作時(shí)，平臺(tái)下降，垃圾會(huì)跟隨水流運(yùn)動(dòng)到裝置中心處的平臺(tái)，并且在底部水泵的作用下，由水流帶動(dòng)垃圾進(jìn)入裝置內(nèi)部的垃圾儲(chǔ)存?zhèn)}，并掉落到收集倉(cāng)中的濾網(wǎng)上。由于收集過(guò)程中吸入了大量的水，多余的水隨后在水泵的作用下將裝置內(nèi)部的水抽出，實(shí)現(xiàn)裝置的動(dòng)態(tài)平衡。

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于較難了解水下情況，所以在裝置內(nèi)部添加了紅外感應(yīng)裝置，對(duì)裝置附近的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。收集工作結(jié)束后，操作人員對(duì)裝置內(nèi)部?jī)?chǔ)存的垃圾進(jìn)行清理。具體工作流程如圖2所示。

2 研究方法和技術(shù)路線

2.1 運(yùn)動(dòng)模塊和控制模塊

運(yùn)動(dòng)模塊由單片機(jī)、電機(jī)、水輪構(gòu)成。為使裝置在水中靈活運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了雙水輪結(jié)構(gòu)，便于裝置的轉(zhuǎn)向和變速?？刂撇糠忠訟T89S52單片機(jī)作為控制核心，附件為小型電機(jī)、按鍵、遙控等模塊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

2.2 收集模塊

收集工作主要由升降平臺(tái)來(lái)完成，平臺(tái)的動(dòng)力由底座的液壓部分和電機(jī)部分提供。在固定軸座上安裝有用于固定的偏心輪，偏心輪另一側(cè)由皮帶輪連接，由低功率電機(jī)提供動(dòng)力。開(kāi)始工作時(shí)，裝置移動(dòng)至水面漂浮垃圾附近，之后在電機(jī)的帶動(dòng)下，液壓桿繞在偏心輪上開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于液壓桿的作用，偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將拉動(dòng)杠桿，由杠桿原理可知，杠桿的一端將會(huì)與另一端形成較大的位移差，平臺(tái)抬升和下降，此時(shí)水流開(kāi)始向中心流動(dòng)，由于平臺(tái)和外殼間存在較大的間距，水流將會(huì)攜帶水面漂浮物進(jìn)入裝置內(nèi)部。

圖2 裝置實(shí)際工作示意

2.3 分離模塊

實(shí)現(xiàn)收集后，裝置平臺(tái)將會(huì)上升至原先的位置，以防止多余的水進(jìn)入裝置。此后裝置進(jìn)入密閉狀態(tài)，但是此時(shí)內(nèi)部仍然有大量的水。為了排出水，在管道中設(shè)置了抽水泵，將裝置內(nèi)部多余的水抽出，以保證裝置的平衡。

2.4 儲(chǔ)存模塊

在實(shí)現(xiàn)垃圾收集后，由于升降平臺(tái)與外殼間存在較大的間距，所以垃圾會(huì)暫時(shí)儲(chǔ)存在外殼中，外殼作為臨時(shí)儲(chǔ)存模塊。儲(chǔ)存模塊固定在平臺(tái)下方，水面貼合平臺(tái)上方，底面積較大。內(nèi)部由防水材料覆蓋，且內(nèi)部底板具有一定的傾斜角度，內(nèi)部存在內(nèi)擋板，可防止垃圾掉落。為了實(shí)現(xiàn)垃圾的清理，在儲(chǔ)存外殼內(nèi)部鋪上垃圾袋，當(dāng)垃圾儲(chǔ)存到一定量時(shí)，人工打開(kāi)外殼取出垃圾袋，完成垃圾的進(jìn)一步處理。

3 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

3.1 研究基礎(chǔ)

基于目前對(duì)收集漂浮垃圾的研究，經(jīng)實(shí)地調(diào)研可知，水面漂浮垃圾的種類主要為塑料制品，也存在一些水生植物，比如藻類。該裝置以相關(guān)論文的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的模塊選取合適的材料進(jìn)行制作，以保證裝置的穩(wěn)定性。

3.2 可行性分析

針對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊，由論文數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有小型馬達(dá)可達(dá)到的最大功率為5kW，2個(gè)小型馬達(dá)提供的動(dòng)力可以實(shí)現(xiàn)裝置的整體運(yùn)行。

為了保證裝置能夠懸浮于水面，浮力計(jì)算公式為：

式（1）中：ρ為液體密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；V為浸入液體的體積，m3。

當(dāng)受力平衡時(shí)，裝置將完成懸浮，根據(jù)裝置的工作狀態(tài)，采用密度較低的金屬和塑料材質(zhì)進(jìn)行加工，以保證裝置在強(qiáng)度合格的情況下質(zhì)量最小，多利用亞克力材料進(jìn)行實(shí)物制作。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，實(shí)物重量在25kg左右，以g=9.8m/s2計(jì)算，重力G=mg=245N。

根據(jù)設(shè)計(jì)體積可知浸入水體體積為0.827m3，理論水可提供浮力F=ρgV=10.02N。

設(shè)計(jì)裝置可裝垃圾10kg，則主浮體至少提供330N的浮力。多個(gè)水面浮標(biāo)與浮球的配合實(shí)現(xiàn)裝置的懸浮，同時(shí)，頂部外殼選擇粘貼輕型材料，以保證裝置漂浮。

4 收集實(shí)驗(yàn)研究

水面漂浮物的清理最大指標(biāo)就是清理效率，其決定了研究的必要性和有效性。實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，裝置可達(dá)到較好的清理效果，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，清理效果與裝置的運(yùn)動(dòng)速度存在一定的關(guān)聯(lián)，由于裝置在水體中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生水波紋，干擾漂浮物的收集，所以，在多次實(shí)驗(yàn)后確定了最佳的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到了最佳的清理效果。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)城鎮(zhèn)小型水體的漂浮物清理，比如公園池塘等小型水體。經(jīng)過(guò)實(shí)際校核，該裝置可達(dá)到較高的收集效率，同時(shí)，其改變了以往多機(jī)械合作清理的方式，使清理方便化，其控制部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了24h清理模式，且具有避障性能，同時(shí)，材料和加工無(wú)特殊要求，具有很大的應(yīng)用推廣價(jià)值。