河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船設(shè)計(jì)*

戴有華，吳丹，金文忻，孫昌權(quán)

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容，212400)

0 引言

河道水體黑臭影響城市景觀、破壞生態(tài)環(huán)境、影響居民生活、危害人體健康，已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的水環(huán)境問(wèn)題[1]。2015年國(guó)務(wù)院頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出：到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，全國(guó)城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除[2]。為實(shí)現(xiàn)黑臭水體治理與水質(zhì)長(zhǎng)效改善，黑臭水體修復(fù)的研究主要集中在原位修復(fù)技術(shù)和組合修復(fù)技術(shù)，原位修復(fù)技術(shù)還可分為物理法、化學(xué)法、生物生態(tài)法[3]，而關(guān)于黑臭水體修復(fù)裝備設(shè)計(jì)開發(fā)的研究就很缺乏，僅有漂浮式修復(fù)裝置[4]、固定式修復(fù)裝置[5]、沉浸式修復(fù)裝置[6]、過(guò)濾式修復(fù)裝置[7]等。但是，人工進(jìn)行河道黑臭水體修復(fù)作業(yè)存在健康危害大、作業(yè)效率低等問(wèn)題，因此，急需研發(fā)應(yīng)用黑臭水體修復(fù)裝備。

本文選用樊開青提出的碳纖維生態(tài)草技術(shù)協(xié)同曝氣修復(fù)黑臭水體技術(shù)[8]、曲面優(yōu)化高鐵酸鉀與活性炭協(xié)同修復(fù)黑臭水體技術(shù)[9]，進(jìn)而確定采用“投加微生物菌劑+鼓風(fēng)曝氣+投放炭纖維生態(tài)草”的黑臭水體修復(fù)技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)該修復(fù)技術(shù)的作業(yè)過(guò)程機(jī)械化，研發(fā)一種河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船，以提高黑臭水體修復(fù)作業(yè)的移動(dòng)性、安全性和快速性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船主要由船體行駛系統(tǒng)、微生物菌劑投加系統(tǒng)、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)、炭纖維生態(tài)草投放系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成，如圖1所示，船體行駛系統(tǒng)由船體、葉輪、船體推進(jìn)電機(jī)、船體推進(jìn)處聯(lián)軸器、方向舵、方向舵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、方向舵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、甲板等組成；微生物菌劑投加系統(tǒng)由儲(chǔ)液箱、旋轉(zhuǎn)閥、流量計(jì)、微生物菌劑投加電磁閥、微生物菌劑投加管、攪拌電機(jī)、攪拌葉片等組成；鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、輸氣電磁閥、輸氣管、電動(dòng)推桿、曝氣桿、微型曝氣孔等組成；炭纖維生態(tài)草投放系統(tǒng)由儲(chǔ)草箱、炭纖維生態(tài)草投放驅(qū)動(dòng)電機(jī)、炭纖維生態(tài)草投放處聯(lián)軸器、炭纖維生態(tài)草投放處變速箱、炭纖維生態(tài)草投放控制葉片等組成；自動(dòng)控制系統(tǒng)由電氣控制柜和電線等組成；供電系統(tǒng)由蓄電池組和電源逆變器等組成。

圖1 無(wú)人船的結(jié)構(gòu)示意圖

船體內(nèi)底部設(shè)置甲板，甲板上左右居中地安裝蓄電池組、電源逆變器、空氣壓縮機(jī)、船體推進(jìn)電機(jī)等，以使整個(gè)無(wú)人船的重心較低；微生物菌劑投加系統(tǒng)、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)、炭纖維生態(tài)草投放系統(tǒng)等通過(guò)機(jī)架左右對(duì)稱地安裝在船體上方，以便平穩(wěn)地進(jìn)行黑臭水體修復(fù)作業(yè)。

該無(wú)人船的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of unmanned boat for in-situ restoration of river black-odor water body

1.2 工作原理

河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船作業(yè)時(shí)，由船體推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生推動(dòng)力、并由方向舵驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)方向舵轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船體轉(zhuǎn)向；攪拌電機(jī)帶動(dòng)攪拌葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，使微生物菌劑在儲(chǔ)液箱里保持?jǐn)噭驙顟B(tài)，再通過(guò)微生物菌劑投加電磁閥控制微生物菌劑從多個(gè)管道口投加到河道水體中；空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)輸氣電磁閥輸入曝氣桿，電動(dòng)推桿將曝氣桿轉(zhuǎn)動(dòng)河道水體較深處，曝氣桿上的多個(gè)微型曝氣孔持續(xù)向水體中曝出壓縮空氣；儲(chǔ)草箱中放滿圓柱狀生態(tài)草，炭纖維生態(tài)草投放驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)草箱底部出口處的炭纖維生態(tài)草投放控制葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，以連續(xù)平緩地向河道水體中投放炭纖維生態(tài)草；蓄電池組對(duì)各個(gè)電動(dòng)機(jī)、各個(gè)電磁閥、電氣控制柜進(jìn)行供電，電氣控制柜接收河岸上發(fā)來(lái)的控制信號(hào)、并驅(qū)動(dòng)各個(gè)電動(dòng)機(jī)和各個(gè)電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 船體的設(shè)計(jì)

船體的外形曲面由船體型線決定，船體型線可根據(jù)船舶主要要素、并參考母型船進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]。河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船屬于簡(jiǎn)單的小型船，在船體設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，根據(jù)該船的使用要求：船體承載能力≤200 kg、船長(zhǎng)約為2 200 mm、船寬約為970 mm、吃水深度約為300 mm、型深約為105 mm、船速估計(jì)≤10 km/h，并考慮到船行駛時(shí)的穩(wěn)性，設(shè)計(jì)出了該船的船體型線，如圖2所示，從而為該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、放樣制造等提供了依據(jù)。

圖2 船體型線圖

2.2 方向舵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

方向舵處于葉輪正后方的左右居中位置，黑臭水體修復(fù)無(wú)人的轉(zhuǎn)向靠方向舵的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向時(shí)，由方向舵驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠、再經(jīng)連桿帶動(dòng)方向舵轉(zhuǎn)動(dòng)；直行時(shí)，滾珠絲杠上的方形螺母保持在滾珠絲杠的中間位置。方向舵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與滾珠絲杠串聯(lián)而成，方形螺母用作滑塊，如圖3所示，其中，轉(zhuǎn)動(dòng)副A的配合間隙留得稍大一些，以防出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，方向舵的轉(zhuǎn)角范圍在-50°～+50°。

圖3 方向舵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.3 微生物菌劑投加裝置的設(shè)計(jì)

微生物菌劑加入清水混合，先將其注入儲(chǔ)液箱，并在攪拌葉片的持續(xù)攪動(dòng)下保持均勻混合狀態(tài)，再通過(guò)微生物菌劑投加管投入河道水體中。微生物菌劑投加裝置主要通過(guò)儲(chǔ)液箱底部出口聯(lián)接微生物菌劑投加管實(shí)現(xiàn)(圖4)，微生物菌劑投加管上裝有微生物菌劑投加電磁閥，以控制微生物菌劑是否投加；微生物菌劑投加管在緊貼船體處分成左右對(duì)稱的兩根，每根投加管上設(shè)置幾個(gè)細(xì)管穿出船體，以便于向河道水體投加微生物菌劑。

圖4 微生物菌劑投加裝置

2.4 鼓風(fēng)曝氣裝置的設(shè)計(jì)

鼓風(fēng)曝氣裝置左右對(duì)稱地與船體及機(jī)架緊固聯(lián)接，左右兩邊的推轉(zhuǎn)管可以繞與船體聯(lián)接的橫桿轉(zhuǎn)動(dòng)，曝氣桿與推轉(zhuǎn)管緊固聯(lián)接成一直線，每根曝氣桿的首端聯(lián)接輸氣管、中段安裝30多個(gè)微型曝氣孔、末端安裝蓋子，如圖5所示，以便將輸氣管里的壓縮空氣經(jīng)曝氣桿上的微型曝氣孔吹出至河道水體較深處。

圖5 鼓風(fēng)曝氣裝置

曝氣時(shí)，左右兩邊的電動(dòng)推桿都伸出，分別推動(dòng)左右兩邊的推轉(zhuǎn)管轉(zhuǎn)動(dòng)大約70°，將曝氣桿轉(zhuǎn)入了河道水體較深處，再接通輸氣電磁閥，將空氣壓縮機(jī)里的壓縮空氣輸出；不曝氣時(shí)，左右兩邊的電動(dòng)推桿都縮回，將曝氣桿接近水平地緊靠船體兩側(cè)上部，再斷開輸氣電磁閥，停止輸出壓縮空氣。曝氣作業(yè)過(guò)程若有河道水體進(jìn)入曝氣桿，可以擰開曝氣桿末端的蓋子、將水體排出，再擰上蓋子即可正常進(jìn)行曝氣作業(yè)。

2.5 炭纖維生態(tài)草投放裝置的設(shè)計(jì)

為了便于使炭纖維生態(tài)草在黑臭水體中停放較長(zhǎng)的時(shí)間，將多層塑料圓盤懸掛的炭纖維生態(tài)草與較薄的圓柱形泡沫塊用水溶膠粘接成較厚的圓柱狀顆粒，當(dāng)投放到黑臭水體中以后，泡沫塊浮于水面上、多層塑料圓盤掛接于泡沫塊下、炭纖維生態(tài)草懸掛于水下多層塑料圓盤下，經(jīng)10多天掛膜之后，再將泡沫塊及炭纖維生態(tài)草一起打撈走。

炭纖維生態(tài)草投放裝置上部是儲(chǔ)草箱，箱體底部有一個(gè)長(zhǎng)方形的出口，在出口處安裝了炭纖維生態(tài)草投放控制葉片，在出口下方焊接出料槽，如圖6所示。投放炭纖維生態(tài)草時(shí)，炭纖維生態(tài)草投放驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)周向均布的5個(gè)炭纖維生態(tài)草投放控制葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱狀的炭纖維生態(tài)草顆粒被撥動(dòng)從儲(chǔ)草箱底部長(zhǎng)方形出口掉到出料槽，并沿著出料槽滑入河道水體中；不投放炭纖維生態(tài)草時(shí)，停止炭纖維生態(tài)草投放驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，炭纖維生態(tài)草投放控制葉片在不轉(zhuǎn)的狀態(tài)下堵住了存放箱底部長(zhǎng)方形出口，炭纖維生態(tài)草顆粒也不會(huì)被投入河道水體中。炭纖維生態(tài)草的投放速度由炭纖維生態(tài)草投放驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

圖6 炭纖維生態(tài)草投放裝置

3 控制及通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC是一種工業(yè)自動(dòng)控制裝置，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程的控制，現(xiàn)采用西門子PLC為核心控制器進(jìn)行河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船的自動(dòng)控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件部分主要是西門子S7-200 SMART PLC、MCGS觸摸屏、24 V船體推進(jìn)電機(jī)，直流24 V方向舵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、交流220 V攪拌電機(jī)、交流電磁閥、交流220 V空氣壓縮機(jī)、直流電動(dòng)推桿、電動(dòng)推桿限位開關(guān)、MPBS超聲波傳感器、交流220 V生態(tài)草投放電機(jī)等。PLC的I/O地址分配見(jiàn)表2，PLC控制系統(tǒng)的I/O外部接線圖，如圖7所示。通過(guò)觸摸屏也可以操控河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船。

表2 無(wú)人船PLC控制系統(tǒng)的I/O地址分配表Tab. 2 I/O address allocation table of PLC control system for unmanned boat

圖7 無(wú)人船PLC控制系統(tǒng)的接線圖

自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件部分采用西門子STEP 7-Micro/Win SMART軟件進(jìn)行梯形圖編程，自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序流程圖，如圖8所示。

圖8 無(wú)人船自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序流程圖

對(duì)于船體的行駛控制，啟動(dòng)船體行駛按鈕以及必要時(shí)啟動(dòng)船體向左或向右轉(zhuǎn)向按鈕即可，左轉(zhuǎn)向或右轉(zhuǎn)向限位開關(guān)會(huì)限制方向舵的極限轉(zhuǎn)角，船體周圍設(shè)置四個(gè)超聲波傳感器會(huì)在檢測(cè)到障礙物時(shí)停止船體行駛。

對(duì)于微生物菌劑投加控制，啟動(dòng)微生物菌劑攪拌按鈕和微生物菌劑投加按鈕即可；對(duì)于鼓風(fēng)曝氣控制，先啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)按鈕和鼓風(fēng)曝氣按鈕、再啟動(dòng)曝氣桿展開按鈕即可，左側(cè)和右側(cè)展開限位開關(guān)會(huì)限制曝氣桿展開的極限位置；對(duì)于炭纖維生態(tài)草投放控制，啟動(dòng)炭纖維生態(tài)草投放按鈕即可。

3.2 無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在河岸上對(duì)河面上黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船的操控要采用無(wú)線通信方式，現(xiàn)選用傳輸速率較快、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較穩(wěn)定的NB-IoT對(duì)無(wú)人船進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。無(wú)線通信系統(tǒng)由無(wú)人船上的PLC、NB-IoT無(wú)線網(wǎng)關(guān)、手機(jī)APP等組成，如圖9所示，PLC與觸摸屏、NB-IoT無(wú)線網(wǎng)關(guān)等采用有線方式通信，再通過(guò)NB-IoT無(wú)線網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)到云平臺(tái)或接受云平臺(tái)的控制命令，并通過(guò)手機(jī)APP與云平臺(tái)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船。

圖9 無(wú)人船無(wú)線通信系統(tǒng)

4 樣機(jī)的三維設(shè)計(jì)

本文采用UG軟件進(jìn)行河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船的三維建模，以便于后續(xù)進(jìn)行該無(wú)人船的樣機(jī)制造。對(duì)于船體，主要是根據(jù)船體型線、并通過(guò)[網(wǎng)格曲面]命令創(chuàng)建；對(duì)于蓄電池組、電源逆變器、儲(chǔ)液箱、電氣控制柜、儲(chǔ)草箱等，主要是通過(guò)[拉伸]命令創(chuàng)建；對(duì)于各個(gè)電動(dòng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等，主要是通過(guò)[旋轉(zhuǎn)]命令創(chuàng)建；對(duì)于微生物菌劑投加管、輸氣管等，主要是通過(guò)[管道]命令創(chuàng)建。在各零部件的創(chuàng)建過(guò)程中，要準(zhǔn)確創(chuàng)建關(guān)鍵尺寸、外觀形狀等，可以簡(jiǎn)化不重要的尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，另外，對(duì)于多個(gè)相同的零部件，只需創(chuàng)建一次。在進(jìn)行零部件的虛擬裝配時(shí)，要先采用[原點(diǎn)]定位方式裝入船體，然后采用[約束]關(guān)系依次地裝上甲板、甲板上的各零部件、機(jī)架上的各零部件等。創(chuàng)建完成后，所得的樣機(jī)三維模型如圖10所示。

圖10 無(wú)人船樣機(jī)的三維模型

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

2020年12月，在某市城邊的某黑臭河道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。河面寬度≥10 m、河面長(zhǎng)度≥3 km、河水深度≥2 m，河道水體流動(dòng)性差?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力≤2級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)溫度≈7 ℃、多云天氣。河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船沿河面寬度方向“S”型路徑行駛。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船進(jìn)入穩(wěn)定作業(yè)階段后，進(jìn)行各項(xiàng)作業(yè)性能參數(shù)的測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船性能試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Performance test results of unmanned boat for in-situ restoration of black-odor river water body

從表3可知，修復(fù)作用截面范圍的測(cè)定值比設(shè)計(jì)值略大、船體轉(zhuǎn)向不夠靈活，是由于船體實(shí)際尺寸比設(shè)計(jì)值稍大了一些；增氧后溶解氧濃度的測(cè)定值比設(shè)計(jì)值略大，是由于實(shí)際采用的空氣壓縮機(jī)功率比設(shè)計(jì)值大；微生物菌劑投加均勻度粗略測(cè)定顯示較均勻；炭纖維生態(tài)草投放密度的測(cè)定值與設(shè)計(jì)值相差較大，是由于投放速度與船速、投放控制葉片轉(zhuǎn)速等都有關(guān)；遠(yuǎn)程控制距離的測(cè)定值比設(shè)計(jì)值略大，是由于通訊信號(hào)條件較好；作業(yè)時(shí)船速的測(cè)定值比設(shè)計(jì)值小，是由于船體直行區(qū)段短；連續(xù)作業(yè)時(shí)間的測(cè)定值比設(shè)計(jì)值大，是由于能裝載容量大的蓄電池組，水體中的氨氮(NH3-H)和化學(xué)需氧量(COD)去除率的測(cè)定值比設(shè)計(jì)值大，是由于原位修復(fù)技術(shù)選用得當(dāng)?？傮w來(lái)看，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

1) 為滿足所采用黑臭水體原位修復(fù)技術(shù)的組合作業(yè)要求,設(shè)計(jì)了無(wú)人船的行駛系統(tǒng)、微生物菌劑投加系統(tǒng)、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)、炭纖維生態(tài)草投放系統(tǒng)等。能對(duì)大面積河道進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)、且作業(yè)效率是人工的5倍以上，具有裝備使用率高、作業(yè)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的效果。

2) 為實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船行駛系統(tǒng)及各個(gè)修復(fù)作業(yè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)和NB-IoT通信系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制距離≥3 km，使工人可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行修復(fù)作業(yè)，減少了黑臭水體對(duì)工人的健康危害。

3) 性能試驗(yàn)結(jié)果表明：修復(fù)作用截面范圍≥1 m2、增氧后溶解氧濃度≥3 mg/L、菌劑投加均勻度85%、生態(tài)草投放密度10～15粒/m2，水體中的氨氮(NH3-H)去除率≥73%、化學(xué)需氧量(COD)去除率≥65%，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

4) 河道黑臭水體原位修復(fù)無(wú)人船是針對(duì)典型的黑臭水體原位修復(fù)技術(shù)設(shè)計(jì)的，值得生產(chǎn)并推廣應(yīng)用，同時(shí)，也為開發(fā)針對(duì)其他黑臭水體原位修復(fù)技術(shù)的裝備，提供了技術(shù)參考。