水面垃圾清理設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉 瑾， 高增亮， 錢(qián)明星， 白文強(qiáng)， 唐保成

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101； 2.山東浩順機(jī)械有限公司， 山東 昌樂(lè) 262415；3.山東德潤(rùn)能源控股集團(tuán)有限公司， 山東 昌樂(lè) 262408； 4.青島潤(rùn)勃水產(chǎn)有限公司， 山東 黃島 266500）

0 引言

水面垃圾不僅影響環(huán)境美觀，還易造成河道堵塞、湖水異味等問(wèn)題。目前常見(jiàn)的水面垃圾主要有4 種：地表植物覆蓋層，人類(lèi)廢棄物，意外事故漂浮物以及環(huán)境變化滋生的植物等[1]。對(duì)于水面垃圾的清理，目前大多數(shù)仍采用人工打撈的方式，這種方式清理的范圍有限，耗時(shí)長(zhǎng)且效率低。 針對(duì)水面垃圾的自動(dòng)清理清理，目前出現(xiàn)了諸多的新型設(shè)備，本文從設(shè)備結(jié)構(gòu)形式、垃圾收集方式、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、設(shè)備控制系統(tǒng)及能源供給等方面進(jìn)行了分析研究。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

1.1 雙船體

雙船體的設(shè)計(jì)分為左、右兩個(gè)獨(dú)立的船體，可以更好地利用兩邊的配重， 不僅能滿足船上工作操作時(shí)的平穩(wěn)要求，還能滿足船上各機(jī)構(gòu)的安裝要求[2]；每個(gè)獨(dú)立體上寬下窄，可以使船體更加的瘦長(zhǎng)，減小阻力與行駛時(shí)產(chǎn)生的波浪[3]；同時(shí)下尖型的船底設(shè)計(jì)會(huì)使船體的重心上移，使雙船體的設(shè)計(jì)比普通船體的穩(wěn)定性更強(qiáng)，在大風(fēng)浪來(lái)襲時(shí)可以穩(wěn)定工作，不易左右晃動(dòng)；雙船體的設(shè)計(jì)也使得船中部形成一條貫通整條船的天然流道[4]，更易于收集垃圾。如蔡孟凱等[5]設(shè)計(jì)的城市小型湖泊水面智能清潔裝置采用的是雙船體結(jié)構(gòu)，船體尺寸為700×800mm，當(dāng)達(dá)到最大入水深度100mm 時(shí)，最大載荷為40N；邱智等[6]設(shè)計(jì)的遙控型水面垃圾收集裝置其雙船體尺寸為1200×950mm， 吃水深度為400mm，見(jiàn)圖1。

圖1 雙船體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of double hull

1.2 單船體

單船體自身體型相差較大，小型的單船體結(jié)構(gòu)更加靈活，但是單次收集作業(yè)的最大容量較小，且小型單船體結(jié)構(gòu)不適合一些機(jī)械裝置的安裝， 因此其一般適用于小型水域人工清理[7]。但單船體解決了雙體結(jié)構(gòu)船不能收集岸邊垃圾的缺點(diǎn)，安全，高效，可以廣泛用于水面清理[8]。如陳嘉偉等[9]設(shè)計(jì)的水面垃圾保潔船使用的是單船體，船體尺寸為4300mm×1400mm， 最大吃水深度為350mm；邱成果[10]設(shè)計(jì)的水面垃圾清理船使用的單船體尺寸為14000mm×4000mm，最大吃水深度為800mm，見(jiàn)圖2。

圖2 單船體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Single hull structure diagram

1.3 仿生機(jī)器人

仿生來(lái)源于自然界，主要以科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新在工程和設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供創(chuàng)新性思維， 從而進(jìn)行學(xué)習(xí)和模仿， 解決目前存在的諸多問(wèn)題[11]。 水面垃圾清理機(jī)器人通過(guò)模仿魚(yú)類(lèi)的外形和游動(dòng)，可以顯著降低流體阻力，提高推進(jìn)效率，更容易在水中保持平衡。 如劉國(guó)蘋(píng)等[12]設(shè)計(jì)的水面清污器和郭李雯等[13]設(shè)計(jì)的水面清潔機(jī)器魚(yú)都運(yùn)用了仿生設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。

圖3 仿生機(jī)器人Fig.3 Bionic robot

2 垃圾收集方式

2.1 帶傳動(dòng)式

帶傳動(dòng)式收集裝置設(shè)置在船艏，外形如履帶[14]，以防止垃圾回水；帶傾斜，一端浸入水中， 另一端固定在船上。當(dāng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)水面上的垃圾會(huì)隨著傳送帶傳動(dòng)被打撈上來(lái)。這種收集裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)。但需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，能量消耗大。 如何曉鳳[15]設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化航跡規(guī)劃的水面垃圾清理船；占金鋒[16]設(shè)計(jì)的水上垃圾清掃船，其收集速度達(dá)60m/min，輸送帶有效寬度1m，伸縮有效行程10m，見(jiàn)圖4。

圖4 帶傳動(dòng)式垃圾清理船F(xiàn)ig.4 Belt drive garbage removal vessel

2.2 葉輪造流式

葉輪造流式收集裝置是將船舶前方的垃圾吸入垃圾翻斗中， 由集圾葉輪與導(dǎo)流板組成。 該裝置主要通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪使船艏方形成向葉輪的水流， 將漂浮在水上的垃圾導(dǎo)入到垃圾翻斗中，其中葉輪的形式、葉片數(shù)、葉輪的浸深和直徑都會(huì)對(duì)垃圾的收集效果產(chǎn)生影響。這種垃圾收集方式適用于環(huán)境復(fù)雜的水域， 但其結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，影響垃圾收集效果的因素多。 如溫潔[17]設(shè)計(jì)的珠江水面垃圾清掃船中，收集裝置采用的是葉輪造流式，見(jiàn)圖5。

圖5 葉輪造流式垃圾清理船F(xiàn)ig.5 Impeller flow garbage cleaning vessel

2.3 翻斗式

翻斗式收集裝置是一種類(lèi)似于裝載機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的垃圾清理作業(yè)裝置， 該裝置由鏟斗打撈垃圾，鏟斗入水深度可以隨河流深度調(diào)整，在船體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鏟斗可以進(jìn)行連續(xù)作業(yè)， 翻斗翻轉(zhuǎn)使垃圾進(jìn)入垃圾收集箱內(nèi)。翻斗式收集裝置體積大，能耗低，對(duì)于一些較光滑的水面漂浮物收集效果比較好， 是一種專(zhuān)門(mén)清理湖泊及城市河道等場(chǎng)所垃圾的裝置。 市面上一種機(jī)械翻斗式清潔船的裝載體積可達(dá)7.4m3[18]，如張玉新等[19]設(shè)計(jì)的水面垃圾清理船的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是翻斗式收集裝置，見(jiàn)圖6。

圖6 翻斗式收集裝置Fig.6 Tip bucket collecting device

2.4 流體渦旋式

流體渦旋式收集裝置主要由垃圾收集桶、潛水泵、垃圾儲(chǔ)存?zhèn)}等組成。 在垃圾桶底部安裝潛水泵，抽水泵將收集進(jìn)垃圾桶的水排出桶外，由過(guò)濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾和水的分離，潛水泵實(shí)現(xiàn)水的不斷循環(huán)，并提供渦旋向心吸力。 該裝置可以實(shí)現(xiàn)船體附近360°無(wú)死角連續(xù)打撈。 如曹金梅[20]等設(shè)計(jì)的水面垃圾收集機(jī)器人使用的是流體渦旋式打撈裝置；王加浩等[3]設(shè)計(jì)的基于流體渦旋向心吸力的水面清潔機(jī)器人，使用的型號(hào)為ZQB6X8-12 的水泵，額定功率：120W， 額定流量：2m3/h， 額 定 揚(yáng) 程：4m，見(jiàn)圖7。

圖7 基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人模擬圖Fig.7 Simulation of surface garbage collection robot based on fluid vortex centripetal suction

3 動(dòng)力裝置

3.1 螺旋槳

使用螺旋槳驅(qū)動(dòng)是指用槳葉在水下旋轉(zhuǎn)， 將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，可有兩個(gè)或較多的葉與轂相連，葉的向后一面為螺旋面或近似于螺旋面的一種推進(jìn)器[21]，見(jiàn)圖8。 槳葉的數(shù)目、槳葉角和直徑都對(duì)螺旋槳的性能產(chǎn)生重要影響，使用螺旋槳驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力較強(qiáng)； 但使用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向不易控制[14]，這就容易造成危險(xiǎn)。 如市面上一種垃圾打撈運(yùn)輸船裝載體積為8m3，GJ-H-A 型清潔船裝載體積為3m3，二者使用的是艉軸螺旋槳驅(qū)動(dòng)[18]；李彧雯等[22]設(shè)計(jì)的小型水域水面垃圾清理系統(tǒng)使用的是雙螺旋槳推動(dòng)。

圖8 螺旋槳Fig.8 Propeller

3.2 葉輪

葉輪在船體兩側(cè)成對(duì)稱(chēng)布置，在水面驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中起到了水體增氧的作用， 且葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不容易卷入水生植物，易控制轉(zhuǎn)向，但是動(dòng)力比較弱，驅(qū)動(dòng)效率較低，葉輪照片見(jiàn)圖9。如楊云等[14]設(shè)計(jì)的小型水面垃圾清理機(jī)器人中，選用4 個(gè)直徑為10cm 的葉輪，對(duì)稱(chēng)分布在船體外側(cè)；盧思雨等[23]設(shè)計(jì)的一種水車(chē)式湖面垃圾清理船采用的是葉輪驅(qū)動(dòng)。

圖9 葉輪Fig.9 Impeller

3.3 明輪

明輪的直徑非常大， 入水深度一般不超過(guò)半徑的一半， 因此可以避免垃圾纏繞， 而且可以直接看到明輪的運(yùn)行狀態(tài)， 便于維護(hù)，但是明輪的結(jié)構(gòu)笨重、運(yùn)行效率低， 在遇到風(fēng)浪時(shí)不易保持航向且容易損壞。 朱永強(qiáng)等[24]設(shè)計(jì)的海洋垃圾回收船使用的是明輪推進(jìn)， 該明輪的最大直徑為1080mm，工作面大小為300×680 的葉片，工作面的入水深度為150mm 左右，見(jiàn)圖10。

圖10 明輪推進(jìn)的船體結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Hull structure of paddle wheel propulsion

4 硬件系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)

（1）基于ARM 內(nèi)核的控制系統(tǒng)，具有高速、程序高容量的特點(diǎn)，功耗低，便于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；如朱林等[25]設(shè)計(jì)的一種無(wú)人清理船；ARM 驅(qū)動(dòng)各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實(shí)現(xiàn)遙控調(diào)速[6]，完成規(guī)定區(qū)域內(nèi)自動(dòng)打撈工作；攜帶的GPS 模塊隨時(shí)監(jiān)測(cè)船體位置，無(wú)線WiFi 模塊可實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的遠(yuǎn)程遙控，如農(nóng)建成[26]的無(wú)人駕駛水面清污裝置中采用的WiFi 無(wú)線通訊和手機(jī)監(jiān)控終端。

（2）基于STC15 等單片機(jī)的控制核心，具有超強(qiáng)的抗干擾能力以及運(yùn)行速度快、成本低，特別是開(kāi)發(fā)快捷，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，如吳海都等[4]設(shè)計(jì)的水面清潔小衛(wèi)士使用STC15 作為控制模塊，是這方面的典型應(yīng)用。

4.2 能源供給

水面垃圾清理設(shè)備的電源大多使用蓄電池，隨著近幾年硅材料的不斷發(fā)展， 太陽(yáng)能電池板的應(yīng)用也逐漸增多，但由于制作成本高，推廣它的普遍使用還有一定的時(shí)間。

（1）以太陽(yáng)能板+蓄電池為能源供給。 太陽(yáng)能發(fā)電板為鋁合金框架，強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)，抗腐蝕性能好，光電轉(zhuǎn)換效率高， 在白天光照充足的情況下可以收集光照將光能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存到蓄電池中，為水面垃圾清理設(shè)備直接供給能量，且供能穩(wěn)定，可以有效節(jié)約能源。 如朱盛穎等[27]設(shè)計(jì)的一種渦旋式水面清潔機(jī)器人采用12V 的太陽(yáng)能電池板，38Ah 蓄電池太陽(yáng)能電瓶充電作為主要供能系統(tǒng)；陳宏強(qiáng)等[28]設(shè)計(jì)的水上漂浮發(fā)電裝置使用了太陽(yáng)能發(fā)電板與蓄電池，其連接原理見(jiàn)圖11。

圖11 太陽(yáng)能發(fā)電裝置電路原理圖Fig.11 Schematic diagram of solar power plant circuit

（2）以蓄電池為能源供給。常用的蓄電池一般是鉛酸蓄電池，它的電壓穩(wěn)定，價(jià)格便宜，但使用壽命比較低，需要日常維護(hù)， 將其放置在遠(yuǎn)離人員的地方， 避免發(fā)生危險(xiǎn)。 如徐啟明等[29]設(shè)計(jì)的微型水面垃圾清理機(jī)器人采用的是蓄電池供電，電壓為12V，最高輸出電流5A。

5 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有的水面垃圾清理設(shè)備主要存在以下問(wèn)題： 自動(dòng)化水平低；可清理的范圍小，效率不高；能耗大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重；垃圾收集裝置容量小，垃圾占用空間大。 未來(lái)在水面垃圾清理設(shè)備的設(shè)計(jì)上，有如下發(fā)展趨勢(shì)：

集成化：垃圾收集裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)合理設(shè)計(jì)尺寸，水面垃圾收集到設(shè)備后及時(shí)進(jìn)行壓縮處理，使其占用更少的空間從而可以一次清理更多的垃圾，做到在打撈的同時(shí)對(duì)垃圾進(jìn)行壓縮，可摒棄多種結(jié)構(gòu)形式的簡(jiǎn)單疊加，節(jié)約時(shí)間并提高效率。

綠色化： 水面垃圾清理設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是綠色、環(huán)保，應(yīng)合理的利用能源和材料，在減少水面垃圾的同時(shí)，降低污染；在回收的過(guò)程中，盡量做到分類(lèi)收集和垃圾的循環(huán)利用，提高資源的利用效率[30]。

智能化：實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理設(shè)備的自動(dòng)探測(cè)、尋找和識(shí)別水面垃圾，無(wú)人操作是水面垃圾清理設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)之一，實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清理效率。