張智源 常明堂 宋佳運(yùn) 張文亮 張澤林

摘 ? 要：在現(xiàn)代化社會(huì)進(jìn)程的發(fā)展下，人們的生活水平得到很大程度的改善，與此同時(shí)，生活中產(chǎn)生的垃圾量逐年增加，水上漂浮的垃圾逐漸引起社會(huì)大眾的重視。而當(dāng)前人工清理垃圾的方式一方面效率較低，另一方面也存在很大的安全隱患?；诖?，本文主要研究水上垃圾清理船的設(shè)計(jì)，分析其功能結(jié)構(gòu)，并對(duì)當(dāng)前水上垃圾清潔器發(fā)展水平和現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)水上漂浮垃圾的高效處理，保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：生態(tài)設(shè)計(jì) ?水上垃圾 ?清理船

中圖分類號(hào)：TM61 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（b）-0108-02

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，垃圾產(chǎn)量大量增加，水上漂浮垃圾的數(shù)量也日益增多。城市生態(tài)環(huán)境在很大程度上受到水域環(huán)境的影響，保障水域環(huán)境的環(huán)保無污染是建設(shè)生態(tài)城市的重要基礎(chǔ)。在這種形勢(shì)下，小型便捷的城市水上垃圾清潔器設(shè)計(jì)的訴求應(yīng)運(yùn)而生。這類設(shè)計(jì)要求在功能上體現(xiàn)出當(dāng)前時(shí)代最新科技水平，滿足水域環(huán)保清理的要求。

1 ?水上垃圾清潔船的功能與機(jī)構(gòu)

水上垃圾清潔船可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能化的清理作用，在無人操作的情況下對(duì)垃圾進(jìn)行處理。從結(jié)構(gòu)上來說，水上垃圾清理船主要由四個(gè)模塊組成。第一個(gè)是船體主控模塊，采用微控制器，借助GPS進(jìn)行定位，由雙螺旋漿對(duì)船體的前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船體的自主巡航;第二個(gè)是動(dòng)力模塊，這一模塊的供電模式為蓄電池供電，通過H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)航行速度進(jìn)行控制;第三個(gè)是垃圾識(shí)別模塊，也就是通過攝像頭對(duì)垃圾進(jìn)行識(shí)別，并在超聲波傳感器的測(cè)量作用下判定船體與垃圾之間的航行距離;第四個(gè)是垃圾收集模塊，主要在葉輪的帶動(dòng)下，傳送帶進(jìn)行響應(yīng)運(yùn)用，將垃圾收集到船體后方的垃圾收集器，這一垃圾收集的過程將保持循環(huán)狀態(tài)。

2 ?水上垃圾清潔器發(fā)展水平和現(xiàn)狀

目前我國已經(jīng)用于實(shí)踐的水上垃圾清理設(shè)備包括清理機(jī)器人、清理船和環(huán)保型垃圾清理收集船等。其中水上垃圾清理機(jī)器人在水域面積較小的景區(qū)或者小型水庫中更為適用。能打撈大部分水面上正在漂浮的垃圾，比如樹葉和包裝物等。由于無線電遙控技術(shù)的操作流程較為簡單，且具備較好的機(jī)動(dòng)性，在公園或景區(qū)水域面積小的環(huán)境中能達(dá)到良好的垃圾清理效果。在使用過程中，只需要將其運(yùn)送到工作地點(diǎn)，吊放入水，由操作人員在岸上進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，完成垃圾清理后再利用吊放裝置回收即可，流動(dòng)使用，方便快捷。也可以將清理器放置在固定水域，定期進(jìn)行垃圾清理，從而簡化運(yùn)輸環(huán)節(jié)。水上垃圾清理船更適用于在江河湖泊中對(duì)水面垃圾進(jìn)行清潔，能收割打撈水生植物，操作過程靈活性強(qiáng)，能有效清理死角，高效收集水面垃圾，且垃圾的聚攏和打撈都保持自動(dòng)化。環(huán)保型水面垃圾清理收集船主要適用于小型河流和湖泊，或者在水上游樂場(chǎng)所進(jìn)行水面垃圾的機(jī)械化清理。在雙船體的設(shè)計(jì)下，船體在收集垃圾作業(yè)中的行走阻力得到分散，同時(shí)增強(qiáng)了工作過程中的穩(wěn)定性。環(huán)保型水面垃圾清理收集船主要設(shè)置太陽能電池完成蓄電池的持續(xù)充電，在工作過程中能保持無聲狀態(tài)，且不會(huì)產(chǎn)生廢氣，真正做到環(huán)保，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。系列化環(huán)保型水面垃圾清理收集船的推廣能實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理的機(jī)械化和自動(dòng)化，在很大程度上提高垃圾清掃效率和作業(yè)質(zhì)量，同時(shí)又起到對(duì)水面環(huán)境的維護(hù)保障功能[1]。

3 ?水上垃圾清潔船設(shè)計(jì)概述

3.1 使用功能定位

水上垃圾清潔船采用人工遙控，取代了智能搜索識(shí)別垃圾的功能。由于水面垃圾的分布通常較為分散，位置變化較大，如果在水域面積廣的情況下，自動(dòng)搜索垃圾將會(huì)消耗大量能源，搜索垃圾的效率較低。而采用人工遙控則可以人為選擇需要清潔的區(qū)域，一方面避免了環(huán)衛(wèi)工人下水操作的危險(xiǎn)性，另一方面也使操作過程更為高效。此外，在電動(dòng)工具設(shè)計(jì)中，首先需要保障工具使用的安全性，尤其是在水中作業(yè)的設(shè)備更容易由于進(jìn)水產(chǎn)生安全故障。因此，本設(shè)計(jì)中采用水電分離的結(jié)構(gòu)模式，使控制區(qū)域與工作區(qū)相互隔絕，從而有效防止設(shè)備進(jìn)水。

3.2 工作原理

本次設(shè)計(jì)的水上垃圾清理船由微控制器、攝像頭、超聲波傳感器、蓄電池、機(jī)械傳動(dòng)裝置和葉輪傳送帶等共同組成。在工作過程中，將水上清潔衛(wèi)士放入水中，打開位于船尾的工作開關(guān)，當(dāng)紅色指示燈亮?xí)r，則代表電路系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)入工作狀態(tài)。船體的攝像頭在識(shí)別到目標(biāo)時(shí)，會(huì)將拍到的圖片進(jìn)行分析處理，超聲波傳感器對(duì)目標(biāo)與船體之間的距離進(jìn)行測(cè)量，然后調(diào)整船體航向，使船體與目標(biāo)保持在同一直線上。H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制航速，雙螺旋漿對(duì)船體的航行方向進(jìn)行調(diào)整，逐漸駛向清理目標(biāo)。當(dāng)超聲波傳感器測(cè)量到船體與清理目標(biāo)之間的距離為0時(shí)，船速減慢，傳送帶在浮葉輪的帶動(dòng)下將垃圾收集到后方的垃圾收集器中，這一收集過程保持循環(huán)狀態(tài)。同時(shí)，該垃圾清理器還可以通過GPS定位功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)船體的監(jiān)測(cè)[2]。

3.3 設(shè)計(jì)特征

本設(shè)計(jì)的水上垃圾清理船包括船體、船體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、收集輸送裝置、太陽能板組及控制系統(tǒng)，在船體前端開有相應(yīng)缺口，缺口后側(cè)設(shè)有收集箱。船體后下方設(shè)置船體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括三個(gè)部分，即螺旋槳、減速機(jī)和第一電機(jī)。螺旋槳位于船體外部，通過減速機(jī)與第一電機(jī)連接。收集輸送裝置在船體前側(cè)缺口處安裝，包括安裝直接輸送帶以及第二電機(jī)。安裝支架在船體前側(cè)固定，輸送帶通過主動(dòng)輥和從動(dòng)輥設(shè)在安裝支架上，第二電機(jī)輸出端與主動(dòng)輥一端相連。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，且不需要較高的資金投入，取代人工下水打撈的垃圾清理模式，節(jié)省了人力成本和時(shí)間成本;安全性較高，操作過程便捷，能有效打撈死角，具有較高的自動(dòng)化，垃圾清理效率高[3]。

4 ?結(jié)語

與傳統(tǒng)的垃圾打撈船相比，本設(shè)計(jì)的水上垃圾清潔船具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其與人們的生活和生態(tài)環(huán)境建設(shè)息息相關(guān)，是城市水域環(huán)境改善的有效輔助工具，對(duì)于水文質(zhì)量的提高具有重要的作用[4]。本設(shè)計(jì)遵循“以人為本”的原則，結(jié)合當(dāng)前水上垃圾清潔的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出能解決當(dāng)前社會(huì)水生態(tài)污染問題的水上垃圾清潔船，符合新時(shí)代科技發(fā)展進(jìn)步趨勢(shì)，更為社會(huì)發(fā)展和城市的美化注入一份力量。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊云，張林，劉镕瑋，等.小型水面垃圾清理機(jī)器人[J].兵工自動(dòng)化，2018，37（3）：44-47，59.

[2] 牛永華.淺談水面垃圾清理裝置[J].山西水利科技，2018（4）：77-79.

[3] 孫強(qiáng)，王莎莎，荊世翔，等.基于光伏發(fā)電技術(shù)的水上清理機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2018（14）：122-123.

[4] 占金鋒.40m雙體全自動(dòng)水上垃圾清掃船的研制[J].江蘇船舶，2018，35（3）：1-3，12，5.