近海漂浮垃圾收集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 1000-5013（2025）04-0386-07

Design and Implementation of Offshore Floating Garbage Collector

ZHU Laifa ^1，2 ，TAN Zhongcheng1，JIN Huaxue ¹ ， YANG Zhongying1，HE Longrong1，F(xiàn)AN Wei1

（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361o21，China; 2.The Enginering Research Center for CAD/CAMof Fujian Universities （Putian University），Putian 3511oo，China）

Abstract：Based on the operational conditions of existing floating garbage collection devices，a design method for an offshore floating garbage collector was proposed by adopting a structure combining self-priming and reverse pushing.The self-priming function was applied to guide the floating debris into the colector，while the reverse pushing function was used to achieve high mobilityand motor multiplexing through diferential control， without compromising the self-priming function. A prototype was subsequently developed to verify the feasibilityof the proposed design. The results demonstrated that the colaborative operation of self-priming and reverse pushing could improve the collector's ability to handle floating garbage that is widely distributed and closely attached to the shore，thereby greatly improving collection efficiency. During the prototype testing，on the still water surface with a floating garbage density of approximately O.3 pieces per square meter，the average collection rate was 8 pieces per minute.

Keywords： offshore floating garbage;collector; self-priming function；reverse push function

近年來(lái)，海洋垃圾污染已成為國(guó)際廣泛討論的重大經(jīng)濟(jì)、政治、環(huán)境議題。目前，海洋中約有7 500萬(wàn)t至1.99億t塑料垃圾，占海洋垃圾總質(zhì)量的 85% 左右[1]。福建省廈門(mén)市已率先成立海上環(huán)境衛(wèi)生管理站，每天對(duì)責(zé)任海域進(jìn)行巡回垃圾清理，實(shí)現(xiàn)海上打撈收集[2]。

現(xiàn)有兩種海洋漂浮垃圾處理方式，一是傳統(tǒng)的人工打撈，其優(yōu)勢(shì)在于高度的靈活性和對(duì)漂浮物的精確判斷，當(dāng)面對(duì)一些復(fù)雜地形（如海岸邊、礁石、橋墩、橋洞等地）時(shí)，能夠精準(zhǔn)、快速地進(jìn)行打撈，但人工打撈存在安全隱患，且需耗費(fèi)大量精力；二是機(jī)械全自動(dòng)或半自動(dòng)收集漂浮垃圾，較典型的海洋垃圾收集裝置有海上垃圾桶、水上垃圾攔截浮體和專(zhuān)業(yè)垃圾清理船等[3]。目前，李文婧等[4]提出一種智能海洋垃圾桶的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)垃圾桶內(nèi)部的升降裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的自動(dòng)收集，通過(guò)安置超聲波傳感器感應(yīng)垃圾桶的剩余存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)垃圾溢滿(mǎn)提醒。陳俊均等[5]設(shè)計(jì)一種采用棘輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理的海洋漂浮物收集器，利用波浪能帶動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，吸引裝置附近的漂浮物，將漂浮物收集至垃圾網(wǎng)袋中。占金鋒[采用雙體船型，選用排鏈?zhǔn)酱驌蒲b置，設(shè)計(jì)一種新型 40m 雙體全自動(dòng)水上垃圾清掃船，該船具有功能全、性能強(qiáng)、適用廣、效率高等特點(diǎn)。宋怡等設(shè)計(jì)一款專(zhuān)門(mén)優(yōu)化海洋環(huán)境的高效垃圾收集裝置，采用改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)和位置定位。孟泓宇等[8設(shè)計(jì)一種既可清理固體垃圾，又可清理液體垃圾的回收船。張志高等[9提出一種基于循環(huán)梯級(jí)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水面漂浮垃圾的采集、傳輸和儲(chǔ)存。張智遠(yuǎn)等[10]從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制模塊兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一款太陽(yáng)能智能海洋漂浮垃圾收集船。林思源等[1研制出一種以波浪能和太陽(yáng)能為動(dòng)力，由V字型浮圍欄和垃圾收集系統(tǒng)組成的近海漂浮垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備。朱永強(qiáng)等[12]設(shè)計(jì)一種海洋垃圾回收船，實(shí)現(xiàn)垃圾的收攏、導(dǎo)流、傳輸和分流。

海上垃圾桶在風(fēng)浪較小的封閉水域具有較好的收集效果，但面對(duì)風(fēng)浪大且垃圾分布廣的近海沿岸等開(kāi)闊水域，則收集效果不佳;海上垃圾收集船因過(guò)于龐大而無(wú)法對(duì)沿岸淺水水域的漂浮垃圾進(jìn)行收集，此外，當(dāng)面對(duì)封閉水域時(shí)，存在設(shè)備搬運(yùn)困難、運(yùn)行成本高等問(wèn)題。基于此，本文提出一種近海漂浮垃圾收集器的設(shè)計(jì)方法。

近海漂浮垃圾收集器的設(shè)計(jì)

1. 1 設(shè)計(jì)方案

近海漂浮垃圾收集器設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電路連接、電器元件選擇和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)裝置可遙控，有效范圍約為 800m ，能夠輕松應(yīng)對(duì)近海海面等工作環(huán)境。

近海漂浮垃圾收集器工作示意圖，如圖2所示。收集器兩側(cè)及后側(cè)封閉，由水下無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，在裝置內(nèi)制造負(fù)壓并形成一定的液面差，收集器前方一定范圍內(nèi)形成流向裝置中間的單向水流，將漂浮垃圾引導(dǎo)到收集器的收集裝置中。憑借“吸引”能力能更好地處理貼岸的漂浮垃圾。收集器在前方形成的負(fù)水壓的強(qiáng)弱可由無(wú)刷電機(jī)控制，在反推裝置的配合下，負(fù)水壓的強(qiáng)弱不會(huì)影響收集器的運(yùn)動(dòng)。

反推系統(tǒng)能夠線(xiàn)性調(diào)節(jié)反推比例的大小，與無(wú)刷電機(jī)配合，在提供吸力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式。自吸作用與反推作用協(xié)同工作，可提高收集效率，在處理貼岸漂浮垃圾時(shí)，還可依靠吸引力讓船靠岸即可收集垃圾，極大地降低了擱淺的風(fēng)險(xiǎn)，填補(bǔ)了傳統(tǒng)漂浮垃圾收集裝置難以對(duì)貼岸漂浮垃圾收集的空缺。為了盡量線(xiàn)性控制反推比例，在反推尾噴中設(shè)計(jì)開(kāi)合結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)水流分流。反向水流形成的向后推力與向后水流形成的向前推力的合力即整個(gè)收集裝置單側(cè)的推力。通過(guò)改變左、右兩側(cè)的推力，可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)轉(zhuǎn)向、原地掉頭等功能。部分反推時(shí)尾噴口的水流流向，如圖3所示。

由于驅(qū)動(dòng)和形成自吸的水泵復(fù)用，要求水流通道具備較高的過(guò)濾能力，防止細(xì)小垃圾被吸人尾噴口，從而影響設(shè)備的行動(dòng)能力。設(shè)計(jì)一種雙層錯(cuò)位格柵式過(guò)濾網(wǎng)，可有效提高過(guò)濾能力。同時(shí)，勾爪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將過(guò)濾網(wǎng)上的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)到后方的儲(chǔ)存箱中。過(guò)濾網(wǎng)和勾爪兩個(gè)部件組成了過(guò)濾裝置。過(guò)濾系統(tǒng)，如圖4所示。

由于海水具有腐蝕性，與海水直接接觸的部件需選擇具有較強(qiáng)抗腐蝕能力的材料。結(jié)合材料加工性能，選擇聚乙烯為基礎(chǔ)材料[13]?？紤]到裝置只在工作時(shí)間需要浸入水中，故其他部件不做特殊處理。

1.2 電控設(shè)計(jì)

電器元件選裝，如表1所示。

電器元件有以下6種連接方式。

1）兩個(gè) 12V 電源分別直接連接2個(gè)無(wú)刷電調(diào)。無(wú)刷電調(diào)可通過(guò)免電池電路（BEC）為接收機(jī)提供5V 電壓。為避免兩個(gè)無(wú)刷電調(diào)的供電沖突，將其中一個(gè)電調(diào)的BEC供電線(xiàn)挑出分離。

2）無(wú)刷電調(diào)為接收機(jī)供電的同時(shí)，能夠控制接收機(jī)的調(diào)速，對(duì)水下三相無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

3）艙機(jī)額定電壓為 5V ，可由接收機(jī)直接供電，同時(shí)控制舵機(jī)搖桿位置，再通過(guò)搖桿、連桿、齒輪齒條等裝置，對(duì)反推量進(jìn)行線(xiàn)性控制。

4）1個(gè) 12V 電源另外連接有刷電調(diào)。有刷電調(diào)與接收機(jī)通過(guò)有線(xiàn)連接，需去掉一個(gè)供電BEC供電線(xiàn)。有刷電機(jī)直接連接有刷電調(diào)。共有兩個(gè)有刷減速電機(jī)，且只需要單向運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，選用有刷雙路單向電調(diào)。

5）接收機(jī)連接方式[14]。一通道連左邊舵機(jī)，二通道連右邊電機(jī)，三通道連左邊無(wú)刷電調(diào)，四通道空缺，五通道連右邊無(wú)刷電調(diào)，六通道空缺，七通道空缺，八通道連有刷電調(diào)。

6）混控設(shè)置。二通道信號(hào)值 一通道信號(hào)值 ×100% ；一通道信號(hào)值 二通道信號(hào)值 ×（-50%）五通道信號(hào)值 三通道信號(hào)值 ×100% 。

1.3整體結(jié)構(gòu)及工作原理

海洋垃圾收集器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，多處使用卡扣、榫卯等結(jié)構(gòu)，組裝簡(jiǎn)單。船體下方使用浮塊進(jìn)行填充，提高船體的浮力并減小船體運(yùn)動(dòng)阻力；水下無(wú)刷電機(jī)及電池設(shè)計(jì)在靠下位置，保證裝置有良好的穩(wěn)定性。近海漂浮垃圾收集器的整體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

主動(dòng)吸引模塊，如圖6所示。水下無(wú)刷電機(jī)通過(guò)同步帶與螺旋槳相連，可有效減少噪音和抖動(dòng)，降低裝配要求，在保證扭矩傳輸?shù)耐瑫r(shí)，能防止螺旋槳卡死而導(dǎo)致的電機(jī)過(guò)載。通過(guò)螺旋槳產(chǎn)生向后的高速水流，在進(jìn)水口及前板位置形成較大的負(fù)壓。兩側(cè)電機(jī)功率相同，產(chǎn)生等大的推力，最終產(chǎn)生的單側(cè)推力大小由后方反推尾噴控制。

由螺旋槳產(chǎn)生的高速水流將穿過(guò)反推尾噴。舵機(jī)為反推尾噴裝置的動(dòng)力裝置，連桿及齒輪、齒條機(jī)構(gòu)組合而成的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為反推尾噴上齒條的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)舵機(jī)角度，可較為線(xiàn)性地控制反推尾噴內(nèi)分流板的開(kāi)合度，以此控制水流所占比例的大小。通過(guò)對(duì)兩側(cè)推力的協(xié)同控制，可以產(chǎn)生向前或向后的推力?？刂瓶刂苾蓚?cè)推力差，形成橫擺力矩，可獲得以任意轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向的能力。尾噴反推模塊，如圖7所示。

當(dāng)螺旋槳工作時(shí)，水流將從常壓區(qū)流向負(fù)壓區(qū)。工作狀態(tài)下水流情況示意圖，如圖8所示。圖8中：箭頭表示反推比例為 0% 時(shí)的水流路徑。漂浮垃圾將隨水流進(jìn)入收集裝置，并由過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行分離。

因減速電機(jī)不能防水，為提高設(shè)備穩(wěn)定性，將其設(shè)置于水面之上，減速電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三角轉(zhuǎn)子裝配圖，如圖9所示。轉(zhuǎn)子帶動(dòng)勾爪旋轉(zhuǎn)，將過(guò)濾網(wǎng)上的漂浮垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)到后方的垃圾儲(chǔ)存箱中，結(jié)合等邊曲線(xiàn)（勒洛三角形）的特殊運(yùn)動(dòng)軌跡，可以使勾爪達(dá)到水平時(shí)處在更低的位置，盡可能地減小將漂浮垃圾往前推的趨勢(shì)。

樣機(jī)前板材料密度略大于水，兩側(cè)圓柱為中空結(jié)構(gòu)，前板可上下浮動(dòng)，自動(dòng)調(diào)整吃水深度。前板上移示意圖，如圖10所示。圖10中：箭頭表示水流路徑，在快速前進(jìn)時(shí)，水流將抬起前板，更多水流直接從前板下方流人，降低整體的阻力，并保證足夠的進(jìn)水量，有效提升最大速度。由于材料密度略大于水，因此，當(dāng)速度減慢時(shí)，前板后端會(huì)自動(dòng)下沉，使進(jìn)水通道依舊保持在前板上方。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 基本尺寸設(shè)計(jì)

調(diào)查結(jié)果顯示，中塊和小塊垃圾占漂浮垃圾的 98% 以上[15]，且垃圾分布范圍廣而遠(yuǎn)。這要求裝置具有良好的行動(dòng)力，盡可能地發(fā)揮遠(yuǎn)程遙控操作的優(yōu)勢(shì)。近海漂浮垃圾收集器的尺寸，如圖11所示。

近海漂浮垃圾收集器的最高水位線(xiàn)為 252.50mm .最低水位線(xiàn)為 192.50mm 。超過(guò)最高水位線(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水；低于最低水位線(xiàn)，可能因進(jìn)水不足引起水泵空轉(zhuǎn)。通過(guò)配重使水位接近最高水位線(xiàn)，從而充分保證進(jìn)水量，有利于垃圾隨著水流進(jìn)入收集器中。

2.2 部分構(gòu)件的有限元分析

2.2.1方向桿有限元分析MG996R型舵機(jī)的額定扭矩為 13kg?cm ，舵機(jī)搖桿臂長(zhǎng)為 20mm ，力傳動(dòng)比約為0.92，經(jīng)計(jì)算可得方向桿最大負(fù)載約為 58.6N ，將其作為方向桿載荷。

方向桿有限元分析，如圖12所示。由圖12可知：圓桿與主板接觸位置變形最大；方向桿的最小屈服應(yīng)力為 2.938MPa ，最大屈服應(yīng)力為 140.8MPa ，最大位移為 1.979mm ，最小安全系數(shù)為3.6。方向桿的材料為7075鋁合金，無(wú)熱處理，屈服強(qiáng)度為 503MPa ，材料強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.2.2反推尾噴拉桿有限元分析電機(jī)最大推力為 19.6N ，當(dāng)反推比例為 100% 時(shí)受力最大。結(jié)合尾噴口的幾何參數(shù)，受力點(diǎn)等效于分流板中心位置，經(jīng)計(jì)算可得反推尾噴拉桿的最大壓力為 2.5N 。由于該結(jié)構(gòu)為二力桿件，壓力沿桿軸向。

將2.5N作為桿件載荷進(jìn)行有限元仿真。反推尾噴拉桿有限元分析，如圖13所示。由圖13可知：變形最大處為軸孔位置；反推尾噴拉桿的最小屈服應(yīng)力為 113.3Pa ，最大屈服應(yīng)力為 0.428MPa ，最大位移為 5.81μm ，最小安全系數(shù)為70.0。反推尾噴拉桿的材料選用光敏樹(shù)脂，屈服強(qiáng)度約為 30MPa ，材料強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

綜上可知，主要受力連接件安全系數(shù)均大于3，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求;變形量均在允許范圍內(nèi)，不存在因過(guò)度變形而產(chǎn)生的失效。

2.3樣機(jī)實(shí)物數(shù)據(jù)測(cè)算

樣機(jī)靜態(tài)實(shí)拍圖，如圖14所示。

無(wú)風(fēng)環(huán)境下，樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。

樣機(jī)電池容量為 9000mA?h^-1 ，電壓為 12V 。整機(jī)最大總功率為410.8W，經(jīng)計(jì)算可得續(xù)航時(shí)間為 0.263h ，根據(jù)實(shí)測(cè)航速，經(jīng)計(jì)算可得續(xù)航里程。

在漂浮垃圾分布約為0.3個(gè)·m^-2 的靜水面上，平均收集速率為8個(gè)·?min^-1 ，收集速率較高，但在垃圾靠岸情況下，收集速率會(huì)降低。

3結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)一種近海漂浮垃圾收集器，通過(guò)自吸功能，有效提高了貼岸漂浮垃圾的收集能力;通過(guò)反推控制，實(shí)現(xiàn)了收集器的機(jī)動(dòng)性，以及吸力與動(dòng)力的電機(jī)復(fù)用。樣機(jī)試制證明了文中方法的可行性，并驗(yàn)證了收集器對(duì)處于復(fù)雜地形、貼岸的漂浮垃圾的出眾收集能力。通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)，使近海漂浮垃圾收集器能適應(yīng)國(guó)內(nèi)大部分的工作環(huán)境，對(duì)垃圾少、范圍廣、難收集的水域效果更加顯著。在樣機(jī)測(cè)試中，樣機(jī)的最大航速為 0.7m?s^-1 ，續(xù)航里程為 0.67km ，形成的吸引半徑為 0.4m ，在漂浮垃圾分布為0.3個(gè)·m^-2 的靜水水面上，平均收集速率為 8個(gè)·min^-1 。在未來(lái)的工作中，將進(jìn)行與其他輔助裝置協(xié)作的研究，如聲吶、AI等。此外，也可結(jié)合5G 通訊及高空探查，進(jìn)一步降低工作強(qiáng)度，擴(kuò)大收集范圍。

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（責(zé)任編輯：錢(qián)筠 英文審校：吳躍勤）