基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理裝置

鄒海蓉　代雨嫻　于悅

摘? 要：水景觀與人工湖泊水面的漂浮垃圾不僅影響美觀，還會(huì)威脅水生生物的生存繁衍。而這些水域往往水深較淺，清污船舶難以抵達(dá)，清理漂浮垃圾成為困擾環(huán)衛(wèi)工人的難題。針對(duì)上述問(wèn)題該文設(shè)計(jì)制作了一種收集淺水區(qū)水面漂浮垃圾的裝置—— 基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理裝置。該裝置通過(guò)保持進(jìn)入與排出裝置的水流流量，使裝置內(nèi)外形成穩(wěn)定的水位差，可將水面上的漂浮垃圾引流入裝置內(nèi)。此外，該裝置還配備了遙控芯片和動(dòng)力螺旋槳，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，具有安全可靠、機(jī)動(dòng)靈活、操控簡(jiǎn)單，且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：淺水水域? 水面漂浮垃圾? 垃圾清理? 遠(yuǎn)程遙控

中圖分類號(hào)：P742? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（c）-0083-04

Abstract： Floating garbage on water landscape and artificial lake surface not only affects aesthetic impact， but also threatens the survival and reproduction of aquatic organisms. However， the clean-up ships are difficult to reach the shallow water area to clean the floating garbage， that has become a problem for sanitation workers. In this paper， a self-floating garbage cleaning device based on flow balance was designed to collect floating garbage in shallow water. The floating garbage can be inhaled into the device by a water level difference between the inside and outside of the device. In addition， the device is also equipped with remote control chip and propeller to realize easy remote control. It has the advantages of safety， reliability， mobility， simple operation， low cost， and it has a broad market prospect.

Key Words： Shallow water; Floating garbage; Garbage collection; Remote control

為了滿足廣大人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要，加快打造現(xiàn)代化有特色、美麗的宜居城市，政府大力投資修建了許多人工湖、濕地公園、水景觀等親水區(qū)域，這些水域不僅能美化環(huán)境，還能凈化空氣和改善城市微環(huán)境。但是這些干凈的水域由于自然和人為因素常常存在大量的漂浮物，如食品袋、飲料瓶、落葉、浮藻等，如若不及時(shí)清理不僅嚴(yán)重影響水域美觀，還會(huì)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，出現(xiàn)水華等水污染問(wèn)題。水面漂浮物的傳統(tǒng)清理方式主要是依靠環(huán)衛(wèi)工人利用長(zhǎng)桿網(wǎng)兜打撈，而長(zhǎng)桿本身長(zhǎng)度有限，對(duì)于稍微大一點(diǎn)的人工湖只有等風(fēng)將垃圾吹至岸邊時(shí)才能清理，圍繞湖泊岸線清理一圈往往需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，且效果不佳。因此，高效且經(jīng)濟(jì)地清理淺水區(qū)域的水上漂浮垃圾一直是環(huán)衛(wèi)部門亟需解決的問(wèn)題。

目前市場(chǎng)上針對(duì)大型湖泊水面垃圾清理設(shè)備大都為大型綜合清污船，這類水面固體垃圾收集機(jī)械功能強(qiáng)大，但體積龐大，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本較高，并不適用于小型人工湖等淺水區(qū)域的漂浮物清理[1-4]。而淺水區(qū)域的漂浮物清理裝置通常有固定式和移動(dòng)式兩大類，固定式通常需要插電使用，且必須固定于水邊某一位置不可移動(dòng)，其清理漂浮物的范圍十分有限，只適合用于小型魚塘落葉和浮渣的收集[5-6]。而移動(dòng)式的大都具有智能化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但價(jià)格昂貴，后期維護(hù)使用成本極高[7-11]。

綜上所述，為了解決淺水區(qū)域水面漂浮物打撈困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自浮式水面漂浮物清理裝置，其采用自動(dòng)水位控制器配合抽水泵平衡進(jìn)入與排出裝置的水流流量，使裝置內(nèi)外形成穩(wěn)定的水位差，讓漂浮物自動(dòng)流入收集艙內(nèi)且裝置能浮于水面之上。此外，為了能夠清理任何位置的漂浮垃圾，該裝置還配備了遙控芯片和動(dòng)力螺旋槳，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作。該裝置不僅具有固定式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，還具有移動(dòng)式裝置操作靈活的特點(diǎn)，對(duì)提高環(huán)衛(wèi)工人工作效率，改善水體生態(tài)環(huán)境具有實(shí)際意義。

1? 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，裝置利用自動(dòng)水位控制器配合抽水泵平衡進(jìn)入與排出裝置的水流流量，即隨垃圾一起進(jìn)入裝置的水流流量Q1等于抽水器排出的流量Q2，故裝置內(nèi)外一直能形成穩(wěn)定的水位差，可讓漂浮物自動(dòng)流入收集艙內(nèi)。同時(shí)裝置兩側(cè)裝有浮板，能夠給收集裝置提供最大浮力。待收集艙中漂浮垃圾儲(chǔ)存滿后，可將裝置遙控至岸邊，取出收集艙中的垃圾。

此裝置外形為圓柱體，在移動(dòng)時(shí)可較好地減小水流阻力。裝置自浮于水面的關(guān)鍵在于進(jìn)入艙內(nèi)的流量和吸出流量是否平衡，可通過(guò)自動(dòng)控制底部抽水泵啟閉來(lái)調(diào)節(jié)裝置的吃水深度。其中，水位控制器是控制抽水泵工作的主要部件，當(dāng)水流進(jìn)入收集艙內(nèi)，裝置整體下沉，內(nèi)部水位升高到設(shè)計(jì)水位后觸發(fā)側(cè)壁的水位傳感器，水泵自動(dòng)開始工作;當(dāng)排水量大于進(jìn)水量時(shí)，裝置逐漸上浮，艙內(nèi)水位降低到設(shè)計(jì)水位以下，傳感器感應(yīng)不到水體，水泵自動(dòng)關(guān)閉，循環(huán)往復(fù)。由此可實(shí)現(xiàn)該裝置始終自浮于水面，且艙內(nèi)一直能形成穩(wěn)定水位差，使水面漂浮垃圾隨時(shí)自流進(jìn)入搜集艙內(nèi)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 整體設(shè)計(jì)

裝置在兩側(cè)采用對(duì)稱浮板，兩浮板間用塑料或 PVC材料制成圓柱型，浮板固定于圓筒上部?jī)蓚?cè)，裝置底部密封并安裝抽水泵。如圖2所示，在裝置中間位置留出空間安裝垃圾收集艙，在保證裝置浮力的條件下可擴(kuò)大漂浮垃圾進(jìn)口，使大體積垃圾可進(jìn)入收集艙。此外，可在塑料圓筒外側(cè)根據(jù)裝置本身重量增加浮力材料，用以承擔(dān)裝置本身的重量，減小浮板體積。

1.2.2 垃圾收集艙計(jì)

垃圾收集艙放置于塑料圓筒內(nèi)部，如圖3所示，采用雙層上開口圓柱濾網(wǎng)，內(nèi)層為大孔濾網(wǎng)，外層為纏有密織鐵絲的大孔濾網(wǎng)，采用疏密雙層設(shè)計(jì)阻止垃圾漏出堵塞抽水機(jī)，在工作時(shí)，垃圾從裝置頂部由開口順?biāo)魅氩⒈４嬗谑占撝?，同時(shí)在收集艙頂部布置若干橫桿（見(jiàn)圖2），以便于提出內(nèi)層濾網(wǎng)和防止高水位垃圾溢出。

1.2.3 動(dòng)力裝置及遙控裝置設(shè)計(jì)

該裝置采用動(dòng)力螺旋槳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖2），螺旋槳位于裝置兩側(cè)的浮板下方，使其整體淹沒(méi)于水下，槳葉連接防水電機(jī)，可進(jìn)行快速推進(jìn)。此外，采用遠(yuǎn)程遙控芯片連接動(dòng)力螺旋槳，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，整個(gè)裝置的能量來(lái)源為鋰電池（也可采用太陽(yáng)能電池板），電池組和控制芯片布置于浮板上方。

1.2.4 浮力設(shè)計(jì)

浮力控制系統(tǒng)主要由抽水泵、水位控制器和電池組3部分組成，裝置底部嵌入一臺(tái)抽水泵，抽水泵連接全自動(dòng)水位控制器，控制器上再連接電池，整套系統(tǒng)可自動(dòng)控制搜集艙內(nèi)的水位。如圖4所示，全自動(dòng)水位控制器采用單片機(jī)控制，探頭電壓采用直流8 V，可以傳輸300 m信號(hào)，控制器分為控制箱和探頭兩部分，控制箱上接出的5根線從左至右依次為A、B、C、D、E，C、D、E連接探頭，E為下水池上限水位控制點(diǎn)，水位上升達(dá)到E點(diǎn)水位，水與探頭接觸，水位控制器自動(dòng)開泵，水池排水。D為下水池下限水位控制點(diǎn)，水位下降到D點(diǎn)水位以下，水與探頭脫離接觸，水位控制器自動(dòng)關(guān)泵，水池停止排水，C為水池地線，放在比B點(diǎn)低的位置，其接線方式如圖5所示。

2? 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一種基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理裝置，通過(guò)平衡進(jìn)出裝置的水流流量實(shí)現(xiàn)自浮，同時(shí)利用裝置內(nèi)外形成的水位差，使水面漂浮垃圾自動(dòng)流入收集艙。該裝置還配備遙控芯片和動(dòng)力螺旋槳，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，能夠清理水面任意位置的漂浮垃圾。該裝置可用于大型人工湖面漂浮垃圾收集，也可對(duì)水深較淺水域的漂浮垃圾開展清理，如池塘、水景觀等。此外，該裝置還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、造價(jià)低、后期維護(hù)保養(yǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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