一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盧思雨， 張建偉， 王穩(wěn)

（浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022）

關(guān)鍵字：垃圾清理；水體增氧；環(huán)保設(shè)備

0 引 言

近年來，人們環(huán)保意識(shí)逐漸提高，由于湖面為露天公共環(huán)境，居民生活用水排放使水體含磷量增加，造成水中浮萍、綠藻等大量繁殖，長(zhǎng)此以往不僅會(huì)影響水質(zhì)，造成水環(huán)境污染，也會(huì)使水體內(nèi)的水生物缺氧死亡。垃圾丟棄問題同時(shí)也會(huì)造成湖水的污染，湖邊綠植落葉或者人為丟棄的塑料瓶、塑料袋等會(huì)使湖面有漂浮垃圾，這不僅影響美觀，同時(shí)湖面清理起來也較為麻煩。

目前針對(duì)于湖面垃圾的清理，通常是環(huán)保部門人員用網(wǎng)沿著岸邊打撈，或者劃船用網(wǎng)兜清理，其人工成本過于高昂，并且打撈頻率不高，效率更是不盡人意。此外，現(xiàn)有的水面垃圾清理裝置往往功能單一，普適性較高、針對(duì)性不強(qiáng)，不能針對(duì)人工湖或養(yǎng)殖魚塘等水域的情況進(jìn)行特定高效的垃圾清理[1-6]。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)湖面垃圾的收集、傳送和儲(chǔ)存，減少了環(huán)保部門在湖面清理方面的人工投入，有效地提高了水面垃圾打撈的工作效率。同時(shí)，此設(shè)計(jì)還可增加水體含氧量，解決水體氧氣不足造成的魚類死亡問題，提高養(yǎng)殖魚類的存活率。清理船以單片機(jī)作為控制中心，通過自動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，使清理船在一定區(qū)域自主巡航。

1 一種水車式湖面垃圾清理雙體船

目前的湖面垃圾清理大多為人工定點(diǎn)式網(wǎng)兜打撈，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)于工作人員的安全保障不到位。此外，對(duì)于人工湖或養(yǎng)殖魚塘等不流動(dòng)的水體，普遍于水面上設(shè)置增氧機(jī)，以增加水體含氧量，降低水生物死亡率[7-8]。針對(duì)上述問題，本文主要從湖面垃圾的自動(dòng)清理及水體增氧等兩方面進(jìn)行探究，將垃圾清理和水體增氧有機(jī)結(jié)合，提出了一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝置如圖1、圖2所示。

圖1 水車式湖面垃圾清理雙體船主視圖

圖2 水車式湖面垃圾清理雙體船簡(jiǎn)圖

裝置的兩個(gè)船體結(jié)構(gòu)之間設(shè)有連接梁，水車式垃圾清理機(jī)構(gòu)通過第一轉(zhuǎn)軸架放在兩船體之間，水車上的弧形彎板入水、出水即可將垃圾收集；船體兩側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)葉板，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)雙體船在湖面上移動(dòng)；垃圾清理機(jī)構(gòu)后設(shè)有毛刷、高壓噴頭及傳送帶，構(gòu)成垃圾輸送機(jī)構(gòu)，毛刷和高壓噴頭通過第二轉(zhuǎn)軸設(shè)于船體之間；垃圾收集框位于兩船體后方；單片機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)清理船在工作區(qū)域內(nèi)的自主巡航。清理船工作時(shí)，垃圾由弧形彎板收集，再經(jīng)毛刷、高壓噴頭，沖落于傳送帶上，最后輸送進(jìn)入垃圾收集框內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水體垃圾的打撈。在此過程中，弧形彎板入水、出水，可將湖水暴露于空氣中，在重力作用下，湖水再經(jīng)弧形彎板上的流水孔進(jìn)入水體，提高了水體含氧量；高壓噴頭的水源來自于工作水體，在將弧形彎板內(nèi)的垃圾沖至傳送帶的過程中，也可實(shí)現(xiàn)水體的增氧。

2 主要系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有垃圾打撈方法和打撈裝置的效率較低，且普通的打撈裝置對(duì)于湖面垃圾清理的針對(duì)性不強(qiáng)，不具備多功能性。因此，本文設(shè)計(jì)了一種水車式湖面垃圾清理雙體船，尤其設(shè)計(jì)了一種水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)湖面垃圾的清理及水體的增氧,如圖3、圖4所示。水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)主要由圓環(huán)形車架和弧形彎板構(gòu)成，圓環(huán)形車架通過第一轉(zhuǎn)軸設(shè)于兩船體之間，車架上設(shè)有若干個(gè)固定桿，弧形彎板通過套管設(shè)于固定桿上，可繞著固定桿轉(zhuǎn)動(dòng)；弧形彎板通過隔板與套管連接，板上均設(shè)有流水孔；弧形彎板靠近船體的左側(cè)邊上設(shè)有第一永磁鐵，船體內(nèi)側(cè)靠近圓環(huán)形車架左下角的位置設(shè)有與第一永磁鐵磁極相反的第二永磁鐵。雙體船行進(jìn)過程中，水流逆船行方向流動(dòng)，從而帶動(dòng)水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，弧形彎板入水、出水，即可實(shí)現(xiàn)水面垃圾的收集，湖水經(jīng)流出孔流回湖內(nèi)。在此過程中，由于弧形彎板入水時(shí)方向無法確定，從而導(dǎo)致入水阻力增大，為減少能量損耗，弧形彎板及船體側(cè)面加設(shè)了磁性相反的永磁鐵。當(dāng)弧形彎板移動(dòng)至接近水面時(shí)，彎板左側(cè)的第一永磁鐵與船體側(cè)面的第二永磁鐵產(chǎn)生吸引力，使得弧形彎板繞固定桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而實(shí)現(xiàn)了弧形彎板入水時(shí)與水平面存在一定夾角，降低了入水阻力，第一、第二永磁鐵距離加大后，弧形彎板恢復(fù)水平。同時(shí)，部分湖水不斷地通過流水孔下落至水面，可實(shí)現(xiàn)水體的增氧，以提高水體內(nèi)魚類存活率。水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)了垃圾收集及水體增氧，同時(shí)動(dòng)力由行進(jìn)過程中的水體流動(dòng)提供。

圖3 水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)俯視圖

圖4 水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)主視圖

2.2 垃圾輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

船體行進(jìn)中，水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)持續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在弧形彎板收集到垃圾后，就需將垃圾轉(zhuǎn)移至垃圾儲(chǔ)存框內(nèi)，因此，本文同時(shí)進(jìn)行了垃圾輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖5、圖6所示。垃圾輸送機(jī)構(gòu)主要由毛刷、高壓噴頭、導(dǎo)向桿和傳送帶組成。毛刷、導(dǎo)向桿和噴水管直接設(shè)于第二轉(zhuǎn)軸上；轉(zhuǎn)動(dòng)桿末端設(shè)有導(dǎo)向輪；集水腔設(shè)于第二轉(zhuǎn)軸內(nèi)，噴水管與集水腔和高壓噴頭連接；傳送帶斜向設(shè)于毛刷下方。清理船開始工作，第一電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)水泵啟動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)毛刷和導(dǎo)向桿轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)弧形彎板運(yùn)動(dòng)至接近毛刷的位置時(shí)，導(dǎo)向桿通過導(dǎo)向輪將弧形彎板繞著固定桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，毛刷同時(shí)動(dòng)作，將弧形彎板內(nèi)的垃圾掃落至傳送帶上，高壓噴頭將水噴射到弧形彎板上，使得垃圾沖刷更為徹底。此過程中，高壓噴頭與毛刷實(shí)現(xiàn)了弧形彎板上垃圾的徹底清掃，同時(shí)，噴出的水經(jīng)空氣進(jìn)入水體，可進(jìn)一步提高湖水含氧量。

圖5 垃圾輸送機(jī)構(gòu)主視圖

圖6 毛刷、噴水管局部放大圖

2.3 清理船驅(qū)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，本設(shè)計(jì)使用轉(zhuǎn)葉板作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)裝置工作清理水面垃圾時(shí)，水流沖擊水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行垃圾打撈工作。在此過程中，轉(zhuǎn)葉板在水體中進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，可使水體活動(dòng)，起到了水體增氧的作用，提高了湖內(nèi)生物存活率。此外，雙體船結(jié)構(gòu)使得船體運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，打撈后得到的垃圾不易向周圍掉落，使得打撈工作更加徹底、方便，有效提高了垃圾打撈的效率。

圖7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)俯視圖

3 系統(tǒng)工作流程

如圖 8 所示，清理船以單片機(jī)作為控制中心，使船體能夠在一定的工作水域內(nèi)巡航，工作開始時(shí)，雙體船在水面航行，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)葉板轉(zhuǎn)動(dòng)，在水流沖擊作用下，水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)通過第一轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；弧形彎板逐漸靠近水面，在永磁鐵的作用下，弧形彎板繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成與水平方向呈一定角度入水，繼而磁力減弱，彎板水平浸入水中，出水后實(shí)現(xiàn)湖面垃圾的收集；打撈過程中存于弧形彎板上的湖水通過流水孔回落到湖中，實(shí)現(xiàn)水體的增氧；垃圾清理工作開始時(shí)，船體空腔內(nèi)的第一電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)第二轉(zhuǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)毛刷及導(dǎo)向桿轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)弧形彎板運(yùn)動(dòng)至靠近毛刷時(shí)，導(dǎo)向桿通過導(dǎo)向輪使弧形彎板繞固定軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，以利于垃圾傾倒至傳送帶上；毛刷作用于弧形彎板內(nèi)凹面，將垃圾掃落至傳送帶上；電動(dòng)水泵同第一電動(dòng)機(jī)一起啟動(dòng)，將湖水抽至集水腔內(nèi)，再通過高壓噴頭將湖水噴出，對(duì)弧形彎板進(jìn)行沖刷，實(shí)現(xiàn)垃圾的完全掃落，同時(shí)增加湖水含氧量；垃圾落至傳送帶，繼而通過傳送帶將垃圾運(yùn)送至垃圾收集框內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水面垃圾的清理工作。

4 結(jié) 語

圖8 清理船俯視圖

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和國(guó)家環(huán)保力度的加大，針對(duì)水面垃圾清理裝置的研究也逐漸增多，各種垃圾打撈設(shè)備層出不窮，但也存在著作用對(duì)象不明確及功能單一等問題。根據(jù)上述問題，又基于針對(duì)性強(qiáng)、功能多樣的水面垃圾清理設(shè)備的設(shè)計(jì)理念，本文提出了一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在船體行進(jìn)過程中，水車式垃圾收集機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)水面垃圾的收集及水體的增氧，垃圾輸送機(jī)構(gòu)中的毛刷及高壓噴頭可將收集機(jī)構(gòu)打撈到的垃圾掃落至傳送帶上，繼而運(yùn)輸至垃圾收集框內(nèi)，同時(shí)高壓噴頭、噴水管、集水腔和電動(dòng)機(jī)水泵可實(shí)現(xiàn)水體的增氧；清理船以轉(zhuǎn)葉板作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也可增加湖水流動(dòng)，增加水體含氧量；當(dāng)收集框內(nèi)的垃圾儲(chǔ)存到一定數(shù)量以后，工作人員便可以直接處理收集框內(nèi)收集濾水后的垃圾，操作簡(jiǎn)單，方便快捷。

本文所設(shè)計(jì)的垃圾清理雙體船主要應(yīng)用于公園湖泊、水產(chǎn)養(yǎng)殖塘等需要垃圾清理及水體增氧的水域，清理船通過特定的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在垃圾清理的同時(shí)，對(duì)水體進(jìn)行增氧，有效降低了水體增氧的成本投入，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)并節(jié)省人力成本。