謝冠武

漂浮落葉收集設(shè)備的設(shè)計(jì)與分析

謝冠武

（廣東慧航物聯(lián)科技有限公司，廣東 東莞 523000）

針對(duì)現(xiàn)有的水面漂浮落葉設(shè)備存在容易產(chǎn)生大幅度的波紋使得落葉遠(yuǎn)離設(shè)備、落葉收集裝置過于簡(jiǎn)陋導(dǎo)致落葉存在二次漂出的問題，提出改進(jìn)設(shè)備的流線型、收納裝置的U形分流等設(shè)計(jì)方案。機(jī)理表明，改良的設(shè)備不易產(chǎn)生大幅度的波紋以及能有效避免收納室的落葉發(fā)生二次漂出現(xiàn)象，其具有更好的收集效果。

落葉；船；阻力；流體學(xué)

城市化進(jìn)程不可避免地會(huì)給環(huán)境帶來一定的污染，常見的污染包括河道污染和空氣污染，因此環(huán)境保護(hù)是一項(xiàng)重要工作[1]。水域環(huán)保最常見的工作是打撈水面漂浮垃圾，包括落葉、塑料袋等。由于城市建設(shè)中，河道兩旁常設(shè)置綠蔭大道供居民休閑使用，圍欄外是河道，圍欄內(nèi)是一排排的大樹，因此，不可避免地每天都會(huì)有大量的落葉漂浮于水面。目前的水面漂浮落葉清理方式以人工網(wǎng)撈為主，該方式工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，受天氣影響因素大（烈日、寒冬），并且存在著一定的危險(xiǎn)性。船模在水面移動(dòng)具有較高的靈活性[2]，使用船模代替人工收集漂浮落葉的效率會(huì)更高。以下將對(duì)現(xiàn)有技術(shù)分析以及進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備改良。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 原理分析

船體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響著行進(jìn)的靈活性、波紋的大小以及船體的穩(wěn)定性，當(dāng)然還有浮力、載重性等，本文主要探討船體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)前三者的影響，以更好地應(yīng)用在代替工人打撈漂浮落葉方面。船體行進(jìn)的靈活性與船體所受阻力相關(guān)，根據(jù)流體學(xué)研究，在流體這個(gè)參考系中，物體相對(duì)于這個(gè)參考系產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體會(huì)受到與運(yùn)動(dòng)方向相反、速度大小相關(guān)的阻力[3]。在相對(duì)速率較小時(shí)，阻力與具有線性關(guān)系[4]：

=（1）

式（1）中：為阻力系數(shù)。

在相對(duì)速率較大以致于在物體的后方出現(xiàn)流體漩渦時(shí)，阻力的大小與2成正比：

=2/2 （2）

式（2）中：為阻力系數(shù)；為流體的密度；為物體的有效橫截面積。

根據(jù)式（2）可知，如果快速移動(dòng)的船體在移動(dòng)正方向上作用于水的有效橫截面積越大，其阻力越大。以下將基于以上原理進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)方法

船體在水面行使時(shí)由于力的相互作用以及流體本身的固有屬性會(huì)產(chǎn)生波紋，作用力越大，波紋也會(huì)越大，并且波紋還跟作用于流體的有效面積有關(guān)。現(xiàn)有的水面漂浮落葉設(shè)備大多數(shù)類似于圖1（a）所示的樣式，船頭位置作用于流體的面積大，即受到較大的阻力導(dǎo)致耗電多，還容易產(chǎn)生幅度大的波紋。本文為減小船體受到的流體阻力，設(shè)計(jì)流線型的船體如圖1（b）所示。

（a）現(xiàn)有的水面漂浮落葉設(shè)備-船體部分

（b）本文的水面漂浮落葉設(shè)備-船體部分

圖1 兩種船體結(jié)構(gòu)對(duì)比

對(duì)比現(xiàn)有的水面漂浮落葉設(shè)備，本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備作用于水的有效橫截面積比現(xiàn)有設(shè)備小。根據(jù)式（2），兩種設(shè)備以相同速度在同一水域作業(yè)時(shí)，本文設(shè)計(jì)的設(shè)備受到的阻力更小。因此，本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備作用于流體時(shí)產(chǎn)生的波紋會(huì)更小，這樣能有效避免產(chǎn)生大量波紋，使得落葉遠(yuǎn)離設(shè)備、出現(xiàn)收集效果不佳的問題。

2 收集裝置設(shè)計(jì)

船體通常只作為水面移動(dòng)的載體，收集漂浮垃圾需要一些輔助裝置?，F(xiàn)有的水面漂浮落葉設(shè)備直接使用網(wǎng)兜捕撈落葉，雖然有一定的效果，但收集到的漂浮落葉容易發(fā)生二次漂出的問題。因此，本文針對(duì)該問題進(jìn)行收集裝置的改進(jìn)，如圖2所示，設(shè)計(jì)了U形分流器，目的是起到分流[5]與轉(zhuǎn)向作用。

1—船體；2—連桿；3—收納口；4—收納網(wǎng)兜；5—U形分流器。

船體在行進(jìn)過程中，與流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即在船體的中間流體產(chǎn)生一定的流量。在沒有U形分流器的情況（該情況是指現(xiàn)有的水面漂浮落葉設(shè)備很簡(jiǎn)單性地直接使用網(wǎng)兜設(shè)置于船體后方進(jìn)行捕撈落葉），船體中間水的瞬時(shí)流速基本等于船體的瞬時(shí)行進(jìn)速度。本文設(shè)置了U形分流器之后，流出口的面積變小了，計(jì)算公式如下：

=/（3）

式（3）中：為流速；為流量；為流出口面積。

這樣使得流體通過流出口的速度（即流速）加快，從而有效地把漂浮落葉收集入收納網(wǎng)兜里面。流出口流速加快，加上轉(zhuǎn)向作用，能有效防止收納網(wǎng)兜里的落葉發(fā)生二次漂出的情況。

3 結(jié)束語

漂浮垃圾例如落葉、塑料袋等影響著河道的整潔，利用機(jī)器設(shè)備協(xié)助人力打撈漂浮垃圾是科技發(fā)展的趨勢(shì)，機(jī)器受工人控制，直接在水面運(yùn)行，進(jìn)行打撈工作，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，機(jī)器在水面移動(dòng)比工人駕駛船更靈活，打撈工作的效率提高。

本文主要探究了船體流線型設(shè)計(jì)如何降低船體阻力，以達(dá)到減少波紋的效果，還探究了U形分流器的作用，期望為環(huán)保行業(yè)提供一定的技術(shù)參考。

［1］陳軍偉，李麗華.河道治理工程對(duì)飲用水水源保護(hù)區(qū)影響分析及環(huán)保措施［J］.治淮，2018（12）：61-63.

［2］沈鑫宇，耿麗，陳瑛，等.基于無線充電的遙控船模［J］.南方農(nóng)機(jī)，2018，49（12）：1.

［3］孫曉飛.物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力例析［J］.教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2014（8）：61-63.

［4］胡生青.淺談阻力與流體的阻力［J］.物理教師，2008（7）：21-22，24.

［5］肖亞娟，曹春華，張衛(wèi)東，等.水分流式冷卻套管在AOD爐除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.冶金動(dòng)力，2017（1）：35-37.

TM921.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.017

2095－6835（2019）15－0049－02

謝冠武（1986—），男，廣東茂名人，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制。

〔編輯：張思楠〕