符瓊俊，曹航浦，潘 旭，鄧志遠(yuǎn)，張開心，林 權(quán)＊

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

近年來，沙灘污染已經(jīng)成為國內(nèi)外重要討論的議題，海岸沙灘垃圾越來越多，沙灘污染日益嚴(yán)重[1-4]。沙灘垃圾的來源主要有兩個，一個是海洋垃圾經(jīng)過潮漲潮落飄到沙灘上，另一個是游客將垃圾遺落在沙灘上。目前國內(nèi)外對于沙灘垃圾處理的方式主要分為人工垃圾清理和機(jī)械清理，人工清理勞動量大，且效率較低，現(xiàn)有的沙灘清理設(shè)備大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、噪音大等問題[5-8]，因此研發(fā)一種小型自動化履帶式沙灘垃圾清潔車，用于解決人工垃圾清理效率低的問題。

1 清潔車結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

清潔車總體結(jié)構(gòu)見圖1，主要分為3 部分：履帶裝置、鏟沙裝置、篩網(wǎng)振動裝置。其中履帶裝置能夠適應(yīng)沙灘坑坑洼洼的地形，具有良好的抓地力；升降式鏟沙裝置可控制沙灘車的清潔深度；篩網(wǎng)振動裝置實現(xiàn)垃圾與沙礫的分離，最后使用收集箱收集篩分出來的垃圾，完成沙灘垃圾的收集工作。

圖1 作品總體結(jié)構(gòu)

1.2 關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 履帶裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 為履帶裝置截面結(jié)構(gòu)，主要由導(dǎo)向輪5、承重輪4、驅(qū)動輪2、履帶3 以及履帶支撐板1 組成，清潔車有兩組履帶裝置。履帶3 選擇鋁合金材質(zhì)以滿足履帶總裝的強度和剛度及耐磨度要求；履帶3 與地面接觸長度約占車身總長的，使之與地面有良好的附著性能；使用直流減速電機(jī)作為驅(qū)動輪2 的動力來源，控制減速電機(jī)帶動驅(qū)動輪2 轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪2 與履帶3通過鏈傳動傳遞動力，帶動履帶3 轉(zhuǎn)動；導(dǎo)向輪5 能夠保證履帶的正確位置，防止履帶裝置脫鏈的情況發(fā)生；承重輪4 用來承受清潔車的整體重力，并且能夠保證履帶3 的正確運動軌跡，最終實現(xiàn)清潔車的直線前進(jìn)與后退。最后通過控制使得兩組履帶裝置轉(zhuǎn)速不一致，產(chǎn)生差速，實現(xiàn)清潔車的轉(zhuǎn)向。

圖2 履帶裝置截面結(jié)構(gòu)

1.2.2 鏟沙裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏟沙裝置見圖3，主要由沙鏟4、鉸鏈板2、電動推桿1 和連接板3 所組成。電動推桿1 上端采用鉸鏈連接，連接板3 與沙鏟4 固定，在電動推桿1 的帶動下，沙鏟4 可繞該旋轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動一定角度，從而控制沙鏟4插入沙面的深度，實現(xiàn)清潔車對沙灘清理深度的調(diào)整。在清潔車工作時，電動推桿1 帶動沙鏟4 向下轉(zhuǎn)動，使得沙鏟4 能夠插入沙面。伴隨著清潔車向前行駛，沙鏟4 不斷地進(jìn)行著垃圾的鏟取，而沙灘上的垃圾會伴隨著沙子順著沙鏟4 向上滑動，完成垃圾的鏟取工作。

圖3 鏟沙裝置

1.2.3 篩網(wǎng)振動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

篩網(wǎng)振動裝置見圖4，主要由篩網(wǎng)1、電機(jī)固定板2、雙軸減速電機(jī)3、凸輪4、連桿5、搖桿6、光軸7 組成。該裝置是清潔車能夠?qū)崿F(xiàn)沙灘上垃圾與沙粒篩分并且收集垃圾的核心裝置，篩網(wǎng)振動裝置的動力源是雙軸減速電機(jī)3，驅(qū)動由篩網(wǎng)1、凸輪4、連桿5、搖桿6和光軸7 組成的兩組平行布置的五連桿機(jī)構(gòu)。其中凸輪4 為該五連桿機(jī)構(gòu)的主動件，帶動篩網(wǎng)1 進(jìn)行振動，使得篩網(wǎng)1 能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾與沙粒的篩分。兩組五連桿機(jī)構(gòu)帶動篩網(wǎng)1 進(jìn)行振動，在振動過程中，細(xì)小的沙粒穿過篩網(wǎng)1 的縫隙，回到了沙灘上，而體積較大的垃圾，如瓜子殼、煙頭、碎貝殼則無法穿過篩網(wǎng)1的縫隙，被留在了篩網(wǎng)1 上。并且伴隨著篩網(wǎng)1 不斷的振動，這些垃圾會順著篩網(wǎng)1 往后跳動和移動，完成沙灘垃圾和沙粒的篩分，最后離開篩網(wǎng)1，落入清潔車的收集箱。

圖4 篩網(wǎng)振動裝置

2 清潔車主要幾何參數(shù)設(shè)計

2.1 總體尺寸設(shè)計

參考意大利PFG 公司的自行進(jìn)履帶式巴拉酷達(dá)型沙灘清潔車，該沙灘清潔車屬于較小型的一種，車身長×寬×高=1 700×900×900 mm，本課題組依據(jù)巴拉酷達(dá)型沙灘清潔車的60%～70%尺寸比例進(jìn)行總體尺寸設(shè)計，確定整機(jī)寬度為550 mm，機(jī)架總長為1 100 mm，整機(jī)總高為600 mm。整機(jī)寬度為550 mm，其中進(jìn)沙口的寬度450 mm，近似正常成年男性肩寬，即該清潔車運行可覆蓋的區(qū)域是正常人行走的距離。依據(jù)成年人膝關(guān)節(jié)到腳底板距離大致為身高的，即一位1.75 m 身高成年人其膝關(guān)節(jié)離地大約為437.5 mm，手落下到膝蓋的距離約為100 mm，即雙手離地的距離為537.5 mm，作為整機(jī)高度為600 mm 的設(shè)計依據(jù)，使成年人可以不用彎腰，雙手即可觸碰到設(shè)備，符合人體工程學(xué)。

2.2 履帶結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

圖5 為履帶裝置三維結(jié)構(gòu)，橡膠履帶寬度為50 mm，厚度為5 mm，履帶總長300 mm，驅(qū)動輪的履帶輪半徑R=400 mm；履帶寬度為500 mm，高度為150 mm，履帶支撐板與履帶固定板分別選用厚度8 mm和6 mm 鋁合金1020 可滿足剛度要求。

圖5 履帶裝置三維結(jié)構(gòu)

2.3 沙鏟尺寸確定

圖3 中沙鏟寬度為400 mm，長度為330 mm，嵌入沙子的深度可調(diào)節(jié)，范圍為0～20 mm，當(dāng)沙鏟嵌接觸沙地表面時，沙鏟與地面的斜度為15°，當(dāng)嵌入到20 mm 深時，沙鏟與地面的斜度大約為22°，一般情況下，沙鏟的斜度小于30°，都可以將沙子推送到鏟沙裝置中后端。

2.4 凸輪連桿機(jī)構(gòu)尺寸確定

該凸輪連桿機(jī)構(gòu)的運動軌跡模擬了在農(nóng)村中常用的簸箕顛去稻米中的雜質(zhì)和空殼的方法，連桿凸輪具體尺寸見圖6。凸輪連桿機(jī)構(gòu)運動軌跡規(guī)律遵循如下規(guī)律：（1） 連桿上的點越趨近于凸輪中心，軌跡越趨近于圓；（2） 連桿上的點越遠(yuǎn)離凸輪中心，軌跡越趨近于一條弧線。

圖6 連桿與凸輪零件

3 履帶式沙灘清潔車創(chuàng)新點

首先，該清潔車的沙鏟可以升降，易于調(diào)節(jié)沙灘清潔深度；其次，該清潔車可遠(yuǎn)程控制，從而降低工人勞動強度；最后，該清潔車的篩網(wǎng)振動裝置使用凸輪連桿機(jī)構(gòu)，運動穩(wěn)定可靠，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本課題組研發(fā)設(shè)計的小型自動化履帶式沙灘垃圾清潔車，通過參考農(nóng)村簸箕顛除稻米中雜質(zhì)和空殼的原理，采用凸輪與平面四桿機(jī)構(gòu)帶動篩網(wǎng)振動實現(xiàn)垃圾分離與收集，結(jié)合履帶裝置、鏟沙裝置，以及車架基礎(chǔ)單元、垃圾收集單元、動力單元，實現(xiàn)了沙灘垃圾自動化清理，通過實物樣機(jī)制作和調(diào)試，驗證了在沙灘上收集垃圾的可行性，該裝置與市場上已有的其他產(chǎn)品相比，具有體型小巧，能源清潔，結(jié)構(gòu)新穎，使用便捷等優(yōu)點。