海洋垃圾回收船設(shè)計(jì)

朱永強(qiáng)，張平霞

（青島理工大學(xué)黃島校區(qū)汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520）

1 引言

當(dāng)前各城市景區(qū)近海水域的水面垃圾污染較多，主要有塑料袋、軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等。而采用人工回收效率較低，而且費(fèi)用較高，采用垃圾回收船則可較好地解決這一問(wèn)題。

目前對(duì)垃圾回收船的研究主要集中以下幾方面：（1）推進(jìn)驅(qū)動(dòng)方面：文獻(xiàn)[1]提出了一種應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)性環(huán)境的垃圾清理船推進(jìn)系統(tǒng)，分析其在常規(guī)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)原理。（2）自動(dòng)控制、自動(dòng)駕駛方面：主要對(duì)無(wú)人駕駛垃圾清理船從控制、受力、障礙物識(shí)別以及垃圾識(shí)別等方面進(jìn)行了分析[2-3]。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：主要從結(jié)構(gòu)方面來(lái)分析如何提高垃圾清理、如何提高垃圾回收效率等[5-12]，進(jìn)行了新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、以及向相關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡以及受力分析。

但在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，由于水面的垃圾，極易隨水流動(dòng)，如何利用這一特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，來(lái)提高垃圾回收效率，目前未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)分析。基于此，提出了收攏、導(dǎo)流、傳輸、分流的回收過(guò)程，以加快水面垃圾的回收，并通過(guò)分流孔洞，來(lái)減小船體行駛阻力，實(shí)現(xiàn)垃圾與水的分離。

2 海洋垃圾回收船的設(shè)計(jì)

海洋垃圾清理船的整體結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示。主要由駕駛室、船體、護(hù)欄、明輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、垃圾傳輸系統(tǒng)、漂浮物聚攏機(jī)構(gòu)、垃圾導(dǎo)流系統(tǒng)、垃圾箱組成。

圖1 海洋垃圾回收船整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Whole Structure of the Marine Garbage Collection Vessel

圖2 海洋垃圾清理船整體結(jié)構(gòu)半剖視圖Fig.2 The Semisectional View of the Marine Garbage Collection Vessel

2.1 船體設(shè)計(jì)

為了盡可能地?cái)U(kuò)大水面垃圾收集范圍，提高垃圾的收集效率，并增加船體的穩(wěn)定性，垃圾回收船采用了兩側(cè)對(duì)稱布置、船體中部空置的雙船體結(jié)構(gòu)。雙船體由兩個(gè)流線型船體、兩個(gè)焊接連接板組成，如圖3所示。通過(guò)上下兩個(gè)連接板將兩船體連接起來(lái)，既起到了連接加固的作用，同時(shí)可以使水面垃圾快速地進(jìn)入到兩船體之間的導(dǎo)流通道，并順利地收集進(jìn)倉(cāng)。

圖3 船體結(jié)構(gòu)Fig.3 The Hull Structure

左右船體是中空的，兩船體的壁厚有10mm，且船體左右兩側(cè)外壁有15°的傾角，因此可構(gòu)成上寬下窄的船體結(jié)構(gòu)，有利于減小水流阻力，另外，船的左右船體前端也做成了弧形，這樣可以減小水流對(duì)船體的阻力。

2.2 明輪設(shè)計(jì)

該船采用的是明輪式推進(jìn)系統(tǒng)，即在船的兩側(cè)安裝明輪。由于明輪的直徑非常大，并且入水深度一般不超過(guò)半徑的1/2，所以可以避免垃圾的纏繞，而且由于明輪的運(yùn)行處于可視狀態(tài)，因此也便于及時(shí)了解運(yùn)行狀態(tài)及維護(hù)。本明輪的最大直徑為1080mm，明輪的工作面大小為300×680的葉片，通過(guò)水壓促使船舶前進(jìn)，工作面的入水深度在150mm左右。明輪通過(guò)直徑為60mm的轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)明輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)將明輪設(shè)計(jì)為六塊葉片，形成一個(gè)六邊形的外觀，滿足景區(qū)美學(xué)的需要，如圖3所示。為滿足回收船前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎的需要，在船體兩側(cè)各安裝一個(gè)由獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的明輪，來(lái)實(shí)現(xiàn)同向轉(zhuǎn)動(dòng)、異向轉(zhuǎn)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)動(dòng)等。

2.3 垃圾傳輸裝置設(shè)計(jì)

傳輸裝置是經(jīng)由動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)，將水面漂浮的垃圾傳輸至垃圾存儲(chǔ)裝置。傳輸裝置放在左右船體之間，通過(guò)傳送帶將水面上漂浮物傳輸至垃圾收集裝置中。傳輸裝置結(jié)構(gòu)，如圖4所示。為了使漂浮物在傳送過(guò)程中不發(fā)生漂浮物卡在傳送帶與船體之間的縫隙中的現(xiàn)象，在傳動(dòng)帶兩側(cè)設(shè)計(jì)有100mm高的縱擋板，使得漂浮物能夠集中在一起。在傳送帶的表面每隔一段距離設(shè)置一個(gè)與傳送帶面成一定斜角的的高度為80mm的橫擋板，形成防滑塊，防止漂浮垃圾與傳送帶之間因摩擦力太小，導(dǎo)致漂浮物不能跟隨傳送帶向上運(yùn)動(dòng)。在傳送帶上根據(jù)一定的規(guī)則打出一些泄水孔，實(shí)現(xiàn)傳送過(guò)程中的水和垃圾的分離，以減輕傳送帶的工作負(fù)擔(dān)，降低海洋垃圾回收船的載荷。

圖4 海洋垃圾回收船傳送帶Fig.4 The Conveyor of Marine Garbage Collection Vessel

2.4 漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于雙船體的結(jié)構(gòu)有限，因此收集海面漂浮物的寬度并不大，左右兩船體之間的間距僅為900mm，為了更好地提高垃圾清理的效率，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)漂浮物聚攏機(jī)構(gòu)，來(lái)增大海洋垃圾清理船的工作面。漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)由多桿機(jī)構(gòu)組成，可以將傳送帶口以外的漂浮物用左右兩塊來(lái)回運(yùn)動(dòng)的擋板聚攏到傳送帶口的正面，通過(guò)傳送帶將漂浮物帶動(dòng)上船，最后進(jìn)入垃圾收集裝置中。聚攏引導(dǎo)裝置為安裝在船首的擋板，該擋板一部分浸在水中，呈外八字向前張開(kāi)，且可以自由控制張合張角。工作時(shí)可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，更好地把前方垃圾引導(dǎo)到傳送帶的寬度范圍內(nèi)，大大地增加了清理范圍。為減小引導(dǎo)板張合過(guò)程中所受水的阻力，將引導(dǎo)板做成網(wǎng)狀，板上按一定規(guī)則布滿了孔洞。漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)Fig.5 Link Mechanisms for Gathering Floating Objects

聚攏板是通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)來(lái)操控的，工作人員坐在操作室即可通過(guò)控制操作搖桿，帶動(dòng)多桿機(jī)構(gòu)前后移動(dòng)來(lái)操縱漂浮物聚攏板在一定角度的自由張合，實(shí)現(xiàn)海面漂浮物的引導(dǎo)聚攏功能。

漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)工作原理：漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)由引導(dǎo)聚攏濾水擋板、多桿機(jī)構(gòu)、搖桿、連桿機(jī)構(gòu)定位支座等組成。引導(dǎo)聚攏擋板一端通過(guò)銷子固定于船首，并且可以（30～90）°之間自由轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，通過(guò)操控?fù)u桿，多桿機(jī)構(gòu)隨之前后運(yùn)動(dòng)，使多桿機(jī)構(gòu)最前端發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，多桿與擋板上的滑槽活動(dòng)鏈接，多桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)引導(dǎo)聚攏擋板運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)擋板角度。根據(jù)實(shí)際的水面情況，通過(guò)控制搖桿來(lái)控制擋板的角度，從而控制引導(dǎo)裝置的張開(kāi)和閉合來(lái)調(diào)節(jié)收集范圍。

2.5 導(dǎo)流螺旋槳裝置設(shè)計(jì)

為引導(dǎo)漂浮物流向海洋垃圾清理船的工作范圍，以提高垃圾清理的效率，在兩船體之間設(shè)有導(dǎo)流螺旋槳結(jié)構(gòu)，如圖6所示。同時(shí)為防止螺旋槳被水草或其他滕草纏繞，導(dǎo)流螺旋槳還設(shè)計(jì)有保護(hù)殼，如圖6所示。根據(jù)螺旋槳的結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)，將保護(hù)殼設(shè)計(jì)成一個(gè)圓筒型的保護(hù)殼，方便螺旋槳的工作。在保護(hù)殼的前端面，有均勻分布的圓孔。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在水中會(huì)產(chǎn)生水壓形成水流，使海水經(jīng)過(guò)保護(hù)殼上的孔洞流到螺旋槳的后方，達(dá)到引導(dǎo)海水表面漂浮物的效果。

圖6 導(dǎo)流螺旋槳總成分解圖Fig.6 The Exploded View of Diversion Propeller Assembly

3 工作原理

由于海洋垃圾在水面上漂浮時(shí)，呈現(xiàn)液固兩相的屬性，即固體垃圾極易隨水流動(dòng)，因此可以利用水為載體，形成特定的水流，帶動(dòng)固體漂浮物，流向傳送帶附近，便于執(zhí)行回收動(dòng)作。（1）收攏：當(dāng)船舶在海面行駛時(shí)，通過(guò)左右擋板的引導(dǎo)作用，將水面垃圾初步聚攏到船的前部。（2）導(dǎo)流與初次分流：當(dāng)導(dǎo)流螺旋槳在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)流螺旋槳前后產(chǎn)生水壓差，水通過(guò)螺旋槳保護(hù)殼上的孔洞流到螺旋槳的后方，實(shí)現(xiàn)水沿著兩船體與上下連接板之間的狹長(zhǎng)貫通通道，由船的前部流進(jìn)，后部流出，形成海水的定向流動(dòng)，從而帶動(dòng)水面垃圾向船前部的傳送帶區(qū)域流動(dòng)，達(dá)到漂浮物二次集中的功能。同時(shí)在此過(guò)程中，由于傳送帶以及導(dǎo)流螺旋槳保護(hù)殼上孔隙的過(guò)濾作用，使一部分水可以透過(guò)這些孔隙進(jìn)入船體之間的貫通通道，向后流動(dòng)，而水面垃圾則會(huì)聚集到傳送帶附近，實(shí)現(xiàn)水與垃圾的初次分流。（3）傳輸與二次分流：傳送帶前端一部分伸入水中，因此隨著水的流動(dòng)，垃圾會(huì)靠攏到傳送帶上，當(dāng)傳送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，在摩擦力和傳送帶橫板的作用下，一部分水和垃圾會(huì)隨傳送帶向上運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，水會(huì)從傳送帶上的孔隙泄掉，而垃圾會(huì)隨傳送帶一起運(yùn)動(dòng)，形成垃圾與水的二次分離，最后垃圾在重力作用下，掉落到傳送裝置尾端的垃圾桶中，完成垃圾的收集，如圖7所示。傳送帶不斷地循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)將水面漂浮物不斷帶上船，送入傳送裝置尾端的垃圾桶中。漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流螺旋槳和傳送帶，這三種裝置相互配合工作，大大提高了海面漂浮物的聚攏、排水和收集的工作效率。

圖7 垃圾與水的分流圖Fig.7 Garbage and Water Diversion Map

4 結(jié)論

本垃圾回收船的設(shè)計(jì)，采用雙船體結(jié)構(gòu)，既增加了作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)在兩船體之間形成的狹長(zhǎng)通道又起到了水面垃圾導(dǎo)流的作用。在此基礎(chǔ)上還通過(guò)增加漂浮物聚攏連桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流螺旋槳以及分流孔洞，進(jìn)一步形成收攏、導(dǎo)流、傳輸、分流的回收過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了水面垃圾的雙次聚攏，以及垃圾與水的雙次分流，加快了水面垃圾的回收，減小了船體行駛阻力，降低了垃圾的含水量。使垃圾回收效率大大提高，非常適合景區(qū)單人操作。