易健彬，譚先琳，邵 帥，廖健科

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展以及沙灘旅游的發(fā)展，我國(guó)的水面環(huán)境和沙灘環(huán)境情況不容樂觀，目前我國(guó)海灘垃圾清理主要采用純?nèi)斯で謇淼姆绞絒1]。國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)企業(yè)具有海洋沙灘廢棄物處置裝備方面的自主研發(fā)、創(chuàng)新性改進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化推廣能力。且目前國(guó)內(nèi)主要集中在大型沙灘清潔機(jī)械的研制生產(chǎn)，小型沙灘清潔機(jī)械研制較少。為了貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念，本文設(shè)計(jì)一款采用離心率篩分垃圾的沙灘垃圾清理機(jī)器，能夠提高沙灘垃圾篩分效果，以及垃圾清理的靈活性[2]。

1 機(jī)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由前端松土機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、履帶輪組地盤、太陽(yáng)能電池板、垃圾收集過濾裝置構(gòu)成。主要設(shè)計(jì)功能和工作原理如下：采用懸掛彈簧的履帶輪組地盤，使機(jī)器能夠在沙灘上平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)增加上下行程減少零件材料所受應(yīng)力。前端松土機(jī)構(gòu)用于破碎復(fù)雜沙土和垃圾沙子預(yù)分離。同時(shí)，前端松土機(jī)構(gòu)在機(jī)械臂的帶動(dòng)下可控制鏟沙的深度，以此實(shí)現(xiàn)不同深度的垃圾沙子預(yù)分離。通過垃圾收集過濾裝置實(shí)現(xiàn)垃圾的收集，用可旋轉(zhuǎn)多孔弧板制成圓柱形多孔過濾外殼，利用離心率將鏟沙器鏟起的垃圾和沙子倒入滾筒內(nèi)進(jìn)行篩分，沙子從內(nèi)輪表面的孔洞漏出，而垃圾則留在滾筒內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)垃圾篩分功能和存儲(chǔ)功能。機(jī)器動(dòng)力由太陽(yáng)能提供，可采用追光太陽(yáng)能板[3]，充足保證機(jī)器運(yùn)行所需要的動(dòng)力，延長(zhǎng)工作時(shí)間，并且在工作的過程中減少能耗對(duì)環(huán)境的污染。

圖1 整體機(jī)構(gòu)

2 機(jī)器各結(jié)構(gòu)建模及分析

2.1 垃圾收集過濾裝置工作原理

沙子過濾器如圖2 所示，主要由外鏟和網(wǎng)狀內(nèi)膽兩部分組成，兩部分分別由兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)膽有一個(gè)依靠舵機(jī)控制開合的內(nèi)膽蓋子。工作時(shí)，內(nèi)膽蓋子在舵機(jī)的帶動(dòng)下打開，外鏟在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，控制內(nèi)膽的電機(jī)固定，沙子和垃圾隨著外鏟的不斷滾動(dòng)落入內(nèi)膽中，外鏟停止轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)膽蓋子在舵機(jī)帶動(dòng)下合上，內(nèi)膽在電機(jī)的帶動(dòng)下翻滾，細(xì)小的沙子隨著滾動(dòng)從網(wǎng)狀內(nèi)膽中濾除，較大的垃圾則會(huì)保留在內(nèi)膽中。內(nèi)膽裝滿垃圾后，舵機(jī)控制內(nèi)膽蓋子打開，將垃圾傾倒在指定位置。

圖2 沙子過濾器

2.2 垃圾收集過濾裝置設(shè)計(jì)參數(shù)和分析

外鏟的角加速度模擬如圖3，由圖可見外鏟的角加速度呈現(xiàn)等幅振蕩曲線最高為280.6（deg/sec2），最低為280.0（deg/sec2），是由于外鏟在觸碰沙子和垃圾時(shí)受到的阻力作用，導(dǎo)致加速度下降，但總體呈等幅振蕩，且具有周期性，函數(shù)圖像最高點(diǎn)和最低點(diǎn)僅僅相差0.6（deg/sec2），如圖4 所示，角位移等幅振蕩，因此，大致視為外鏟可做等加速度運(yùn)動(dòng)。在垃圾收集的過程中，機(jī)器能夠平穩(wěn)的加速運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)槭艿缴匙幼枇Φ挠绊懚茐脑瓉淼倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，外鏟的旋轉(zhuǎn)在一個(gè)平穩(wěn)可控的范圍內(nèi)。

圖3 鏟沙器外鏟角加速度

圖4 鏟沙器外鏟角位移

如圖5 所示為外鏟接觸沙子時(shí)的形變分析，可以看到主要的形變部分集中在外鏟的最外緣與沙子接觸的部分，如圖中的紅色區(qū)域形變量達(dá)到了5.36e-2mm，最小的形變?cè)陔姍C(jī)連接處，為1.000e-30mm，因此材質(zhì)的選擇上可以在外鏟邊緣處選擇韌性更大的材料制作，如制作挖掘機(jī)斗齒所用材料[4]，克服塑性形變對(duì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)造成破壞，電機(jī)連接處的構(gòu)件則可以選擇強(qiáng)度較高的材料，或者在聯(lián)軸器和外鏟中間疊加復(fù)合型材料，增強(qiáng)螺栓連接的強(qiáng)度。

圖5 外鏟形變分析

應(yīng)力分析如圖6，在電機(jī)和法蘭盤處的連接螺紋所受應(yīng)力約為（2.282-4.518）e-4之間，為使受力均勻可以在連接處多設(shè)置幾個(gè)螺紋孔，可以有效消除應(yīng)力集中，防止構(gòu)件變形破環(huán)。

圖6 外鏟應(yīng)力分析

圖7 所示內(nèi)膽的設(shè)計(jì)尺寸，可得內(nèi)膽容積約為1.87 L，每臺(tái)機(jī)器可裝3 個(gè)收集過濾裝置，總?cè)莘e約為5.1 L。通過多孔篩輪的滾動(dòng)過濾沙子，類似與工業(yè)上的旋流分離器，相比往復(fù)振動(dòng)的方式更能節(jié)省空間，減小機(jī)器設(shè)計(jì)尺寸的同時(shí)，利用離心力提高沙粒篩出的效率。因此，小型且智能化的垃圾清理機(jī)器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同時(shí)小型化的垃圾清理機(jī)器靈活性更好，適用面更廣，可用于各種干燥和潮濕沿海沙灘，以及公園或特色住宅內(nèi)的小型沙地等，機(jī)器使用率更高。

圖7 鏟沙器內(nèi)膽尺寸

2.3 松土機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分析

如圖8 所示為轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分析圖，在外圍尖角位置和中間連軸處所受應(yīng)力最大，外圍尖角可將其結(jié)構(gòu)改為圓角和倒角形式，可以有效減少應(yīng)力集中，避免零件損壞，但是圓角倒角又會(huì)降低松土效率，增加電機(jī)的負(fù)載，易使電機(jī)過熱，因此，結(jié)構(gòu)的最終選擇要以實(shí)際情況為準(zhǔn)。

圖8 松土機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析

圖9 所示受力形變主要集中在尖角處，最大形變量達(dá)到了2.265e+11mm，在連軸處的變形最小，因此夾角處可以選擇65 錳薄鋼板鍛造。

圖9 松土機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子形變分析

3 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的沙灘垃圾清理機(jī)器，在篩分方式上明顯區(qū)別于現(xiàn)有的沙灘清理機(jī)器，具有更好的垃圾篩分效果。此外，小型且智能化的垃圾清理機(jī)器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同時(shí)小型化的垃圾清理機(jī)器靈活性更好，適用面更廣，可用于各種干燥和潮濕沿海沙灘，以及公園或特色住宅內(nèi)的小型沙地等，機(jī)器使用率更高。并利用現(xiàn)有的成熟的技術(shù)理論具體說明和驗(yàn)證了沙灘垃圾清理裝置設(shè)計(jì)的合理性與可行性。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)收集垃圾和沙子過濾的功能，實(shí)現(xiàn)沙灘垃圾清理高效化、自動(dòng)化和智能化，該機(jī)器具有較好的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。