一種新型海面垃圾回收裝置設(shè)計(jì)

彭澤霖，顧世明，王帥軍，朱發(fā)新，馮世豪，徐京濤，劉奕澤，何龍玉

（浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

海面垃圾是指漂浮在大海中的人造廢棄物，主要有塑料、軟包裝、泡沫和廢棄漁網(wǎng)等。海面垃圾影響了海面景觀和船舶的航行安全，不僅會(huì)對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響，而且會(huì)危害海洋生物的生存條件，破壞海洋的生態(tài)環(huán)境。相較于湖泊河流，因?yàn)楹Ｃ娌ɡ说脑?，垃圾一旦進(jìn)入海洋便會(huì)具備持續(xù)性強(qiáng)和分布范圍廣兩個(gè)特點(diǎn)，這兩個(gè)特點(diǎn)加大了海面垃圾收集的難度。傳統(tǒng)的人工捕撈式不僅消耗大量的人力、物力、財(cái)力且效率極其低下，尋找高效的海面垃圾回收方法和對(duì)海面垃圾回收裝置的研究則有著重要意義。

目前對(duì)海面垃圾回收裝置的研究主要集中在以下幾方面：1）提高靈活可控性。主要從結(jié)構(gòu)方面來(lái)分析如何提高裝置的靈活性，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改造、相關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)作分析[1-4]，但這些裝置操作復(fù)雜、對(duì)技術(shù)的要求比較高。2）提高自動(dòng)化程度。文獻(xiàn)[5]、[6]介紹了一種通過(guò)水泵改變壓力差來(lái)吸入垃圾的“海上垃圾桶”，通過(guò)更換垃圾袋便可以持續(xù)工作，自動(dòng)化程度高，但該裝置設(shè)計(jì)只能固定在船塢或碼頭上，通過(guò)岸上水泵來(lái)提供動(dòng)能，靈活性低且受環(huán)境影響大。3）對(duì)環(huán)境友好。文獻(xiàn)[7]介紹了一種利用洋流捕獲海面垃圾的浮動(dòng)式柵欄裝置，該裝置綠色環(huán)保，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的清理，但該裝置不易控制、垃圾回收周期長(zhǎng)、回收效率較低。

針對(duì)上述傳統(tǒng)海面垃圾回收裝置存在的不足，本文進(jìn)行了相關(guān)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型海面垃圾回收裝置，提出了對(duì)海面垃圾進(jìn)行匯攏、傳輸、海水分離、壓縮儲(chǔ)存和上岸的回收過(guò)程，以達(dá)到靈活、易控、高效、快速、環(huán)保的海面垃圾回收效果。

1 新型海面垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)要求分析

針對(duì)海面垃圾持續(xù)性強(qiáng)和分布范圍廣的特點(diǎn)及上述傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置體積龐大、操作方法復(fù)雜、回收效率低且受環(huán)境影響較大等問(wèn)題，參考現(xiàn)有的噴水推進(jìn)裝置和傳送裝置等資料[8-12]，提出修改意見(jiàn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)海面垃圾回收裝置存在的不足，確立了該新型海面垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)要求[13-17]，設(shè)計(jì)要求如下：1）要求裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，部件防護(hù)達(dá)到對(duì)鹽咸水體防腐要求的最低限度，且便于安裝；2）技術(shù)要求低，操作方便，靈活易控，避免因撞擊海面礁石而造成裝置損壞（利用噴水推進(jìn)裝置來(lái)達(dá)到目的）；3）要求系統(tǒng)技術(shù)成熟、適應(yīng)性好，能針對(duì)海面垃圾分布范圍廣的特性實(shí)現(xiàn)大范圍、靈活高效的清理；4）系統(tǒng)穩(wěn)定高效，回收周期短效率高，且受海面的環(huán)境影響?。友b空氣懸浮裝置達(dá)到要求），綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)成本低，便于維護(hù)保養(yǎng)。

2 新型海面垃圾回收裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置整體結(jié)構(gòu)布局

通過(guò)AutoCAD繪圖工具軟件，基于該新型海面垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)要求分析，設(shè)計(jì)出一種新型海面垃圾回收裝置，該裝置主要由船體、空氣懸浮裝置、連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴水推進(jìn)裝置、傳送裝置、箱體等部件組成。其結(jié)構(gòu)布局如圖1和圖2所示。

圖1 海面垃圾回收裝置側(cè)視圖

圖2 海面垃圾回收裝置俯視圖

2.2 裝置工作原理介紹

本裝置的工作原理主要包含海面垃圾回收裝置的動(dòng)力、垃圾的聚集匯攏、垃圾與海水分離、垃圾壓縮及垃圾回收上岸。

在垃圾回收裝置外部左右兩邊安裝空氣懸浮裝置，既為裝置提供浮力，又得以確保裝置在惡劣的海面工況下仍能穩(wěn)定工作。

1）裝置的動(dòng)力。這種新型海上垃圾回收裝置配有外置的太陽(yáng)能板，不需要任何外接動(dòng)力，以提高其便捷度，適應(yīng)高效海上垃圾回收要求。太陽(yáng)能板由電池板、蓄電池、逆變器、連接板及其附件等組成。

2）垃圾的聚集匯攏。當(dāng)利用噴水推進(jìn)裝置，使整個(gè)垃圾回收裝置在海面運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)左右集料浮桿形成的八字形匯集裝置，引導(dǎo)垃圾從匯入口流入，在匯出口聚集匯攏。

3）垃圾與海水的分離。隨著海洋垃圾回收裝置的運(yùn)動(dòng)，垃圾會(huì)靠攏到傳送帶前，在傳送帶的摩擦力和擋板結(jié)構(gòu)的作用下，垃圾和一部分海水會(huì)隨著傳送帶向上運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，海水從傳送帶上的間隙泄掉，而垃圾隨傳送帶一起運(yùn)動(dòng)，形成垃圾與海水的初次分離，最后垃圾掉落到傳送裝置尾端的箱體結(jié)構(gòu)中；同時(shí)設(shè)計(jì)箱體底部帶有細(xì)小的孔洞結(jié)構(gòu)，將收集進(jìn)箱體的垃圾表面仍然附著的少量海水從孔洞排出，減輕箱體的承重量，使垃圾與海水形成二次分離。

4）垃圾的壓縮。通過(guò)紅外感應(yīng)裝置感知箱體中的垃圾是否收滿，并發(fā)送信號(hào)給PLC控制模塊，根據(jù)發(fā)送的信號(hào)，PLC控制模塊控制伸縮桿的上升或下降動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)垃圾的壓縮過(guò)程。利用與伸縮桿相連接的壓縮板壓縮垃圾，重復(fù)操作，分段壓縮，增加箱體的存儲(chǔ)量。

5）垃圾回收上岸。當(dāng)垃圾回收工作完成時(shí)，再通過(guò)遙控噴水推進(jìn)裝置，進(jìn)而控制整個(gè)海面垃圾回收裝置返回陸地，實(shí)現(xiàn)海面垃圾回收的目的。

遙控操縱噴水推進(jìn)裝置使整個(gè)垃圾回收裝置不斷運(yùn)動(dòng)，就會(huì)將由連桿機(jī)構(gòu)匯攏的垃圾經(jīng)由傳送裝置，送入傳送裝置尾部的箱體中進(jìn)行壓縮儲(chǔ)存。匯攏連桿機(jī)構(gòu)、噴水推進(jìn)裝置、運(yùn)輸傳送裝置、儲(chǔ)存箱體自壓縮裝置，這幾種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、相互協(xié)同配合，大大提高了海面垃圾的匯攏、傳輸、海水分離、壓縮儲(chǔ)存和回收上岸的工作效率。

2.3 裝置的主要組成零部件介紹

該裝置主要由連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴水推進(jìn)裝置、傳送裝置、箱體等零部件組成。同時(shí)為防止鹽咸水體對(duì)裝置的腐蝕，延長(zhǎng)裝置的使用壽命，在裝置金屬表面加涂ZS-711型耐海水無(wú)機(jī)防腐涂料，該型涂料具有價(jià)格低、效果好等優(yōu)點(diǎn)。

1）連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了更高效地收攏漂浮的海面垃圾，以提高回收的工作效率，設(shè)計(jì)在船體前部安裝連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括集料浮桿、壓載艙、連桿、滑桿、十字鉸。集料浮桿通過(guò)十字鉸與船體相連接。工作時(shí)為適應(yīng)不同的水面情況，通過(guò)遙控滑桿前后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，連桿推動(dòng)引導(dǎo)集料浮桿可以在60°～120°之間自由運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)集料浮桿張開(kāi)的角度。同時(shí)，集料浮桿內(nèi)還設(shè)有壓載艙，壓載艙通過(guò)管路與壓載泵相連接，管路設(shè)有電磁閥門(mén)，通過(guò)電磁閥門(mén)的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)壓載艙的進(jìn)水與排水，通過(guò)調(diào)節(jié)壓載艙內(nèi)的水位來(lái)控制集料浮桿的吃水深度，從而使集料浮桿處于一個(gè)合適的工作狀態(tài)。通過(guò)電遙控裝置遙控滑桿通過(guò)連桿使兩條集料浮桿形成具有匯入口和匯出口的梯形匯集裝置。從而得以引導(dǎo)垃圾從匯入口進(jìn)入，在匯出口聚集匯攏。相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置，可以更高效地收攏垃圾。

2）噴水推進(jìn)裝置。噴水推進(jìn)裝置是控制整個(gè)垃圾回收裝置運(yùn)動(dòng)方向，擴(kuò)大海面垃圾收集范圍的裝置。噴水推進(jìn)裝置安裝在船體尾部，包括進(jìn)水管、噴水泵、操舵噴嘴、倒車(chē)擋板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴水推進(jìn)裝置工作時(shí)，通過(guò)進(jìn)水管吸入海水，再通過(guò)噴水泵向船尾噴水，噴水泵中心線高為960 mm，以此實(shí)現(xiàn)船體的推進(jìn)過(guò)程并且減小裝置的體積。進(jìn)水管設(shè)計(jì)成流面形狀，進(jìn)水管斜角為25°，以避免吸水過(guò)程中在噴水泵中產(chǎn)生激流。操舵噴嘴通過(guò)改變噴口噴射水流的方向以達(dá)到操舵的目的。倒車(chē)推力則由倒車(chē)擋板將噴射的水流反折以達(dá)到倒車(chē)的目的。在岸工作人員通過(guò)遙控噴水推進(jìn)器噴射水流的方向來(lái)控制整個(gè)垃圾回收裝置的運(yùn)動(dòng)方向, 避免裝置因撞擊海面礁石而造成損壞。針對(duì)海面垃圾分布范圍廣的特性，通過(guò)噴水推進(jìn)裝置來(lái)擴(kuò)大垃圾回收范圍。相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置，提升了靈活性和控制性。

圖3 噴水推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3）傳送裝置。傳送裝置是將收攏的垃圾運(yùn)輸進(jìn)內(nèi)部箱體并儲(chǔ)存的裝置。傳送裝置主要由橫擋板、傳送帶、縱擋板、電動(dòng)機(jī)、支座構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。傳送裝置通過(guò)支座和船體相連；傳送帶由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用型號(hào)為Y80M2-2的防水電動(dòng)機(jī)，該型號(hào)防水電動(dòng)機(jī)額定功率為1.1 kW，轉(zhuǎn)速為2830 r/min，具有耗功小、轉(zhuǎn)速快等優(yōu)點(diǎn)，由此確保電動(dòng)機(jī)在海面過(guò)度潮濕的工況下仍能穩(wěn)定高效地工作。在傳送帶上間隔固定的距離設(shè)計(jì)與傳送帶相連接的90 mm高的橫擋板，防止因傳送帶摩擦力太小而導(dǎo)致垃圾在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中滑落，同時(shí)為防止垃圾在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中從側(cè)面掉落，在傳送帶兩側(cè)設(shè)計(jì)有平行的70 mm高的縱擋板。為了在傳輸過(guò)程中分離垃圾與海水，減輕裝置的負(fù)擔(dān)，傳送帶上帶有密布的孔隙結(jié)構(gòu)以分流海水，從而降低垃圾回收裝置的載荷。

圖4 傳送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4）箱體。箱體結(jié)構(gòu)是用來(lái)儲(chǔ)存并壓縮回收垃圾的裝置。箱體結(jié)構(gòu)包括聲控開(kāi)關(guān)、伸縮桿、電動(dòng)機(jī)、紅外感應(yīng)裝置、阻力傳感器、壓縮板，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。箱體的側(cè)面壁厚為50 mm，箱體前端斜角為45°，有利于垃圾從箱體前端開(kāi)口處滑落進(jìn)箱體內(nèi)部并進(jìn)行壓縮儲(chǔ)存。紅外感應(yīng)自壓縮裝置采用可編程邏輯控制器PLC控制。

圖5 箱體結(jié)構(gòu)示意圖

紅外感應(yīng)裝置工作原理為由：發(fā)射端的紅外發(fā)光二極管發(fā)射出多束平行的紅外光線，接收端負(fù)責(zé)接收發(fā)射端發(fā)射的紅外線，當(dāng)有物體擋住任意兩束紅外線時(shí)，接收端經(jīng)由光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸給控制器。

PLC控制模塊選用西門(mén)子S7-200型PLC，其處理速度為0.8～1.2 ms，存儲(chǔ)器2K，數(shù)字量248點(diǎn)，模擬量35路，具有體積小、速度快、通信功能好的優(yōu)點(diǎn)。

表1 I/O地址分配

程序開(kāi)始時(shí)先復(fù)位所有狀態(tài)。當(dāng)箱體中垃圾收滿時(shí)，箱體中的垃圾阻擋紅外感應(yīng)裝置，系統(tǒng)將按照以下順序動(dòng)作：1）紅外傳感器（X10）接通，當(dāng)紅外感應(yīng)裝置中間阻擋消失時(shí)停止；2）伸縮桿下降（Y11）被置為ON開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)伸縮桿在紅外感應(yīng)裝置的水平線上，而在阻力傳感器（X12）達(dá)到臨界值被接通時(shí)停止；3）當(dāng)壓縮完成后，阻力傳感器（X12）探測(cè)阻力達(dá)到設(shè)定的臨界值被接通時(shí)，伸縮桿上升(Y12)被置為ON開(kāi)始動(dòng)作，而在紅外傳感器之間的阻擋消失時(shí)停止；3）紅外感受裝置中間阻擋消失，紅外傳感器（X10）停止動(dòng)作，壓縮垃圾完成。

利用與伸縮桿相連接的壓縮板壓縮垃圾，重復(fù)操作，分段壓縮，增加箱體的存儲(chǔ)量。同時(shí)通過(guò)箱體底部的細(xì)小孔洞使垃圾表面附著的少量殘留海水得以排出，形成垃圾與海水形成二次分離，達(dá)到增加箱體存儲(chǔ)量的目的。相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置，大大提高了自動(dòng)化程度和回收效率。

相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置，該新型海面垃圾回收裝置操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、技術(shù)要求低、靈活易控、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、受海面環(huán)境影響小、回收周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海面垃圾的高效清理。

3 船體的海面垃圾回收裝置的可行性分析

3.1 技術(shù)可行性分析

該新型海面垃圾回收裝置通過(guò)底部的空氣懸浮裝置提供浮力，受海面環(huán)境影響小，穩(wěn)定高效；通過(guò)電遙控裝置使得連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和噴水推進(jìn)裝置得以運(yùn)作，提高海面垃圾回收裝置的靈活性和可控性；通過(guò)電動(dòng)機(jī)為傳送裝置的運(yùn)作提供動(dòng)力，提高了海面垃圾回收裝置的自動(dòng)化；通過(guò)箱體內(nèi)部的紅外感應(yīng)自壓縮機(jī)構(gòu)壓縮收集滿的垃圾，提高了海面垃圾回收裝置的自動(dòng)化和回收效率；通過(guò)外置的太陽(yáng)能板為裝置的運(yùn)作提供動(dòng)力，綠色環(huán)保。

從裝置的運(yùn)用技術(shù)分析，該裝置受環(huán)境影響小，相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置，提升了裝置的靈活性、控制性且具有高度的自動(dòng)化程度。這些技術(shù)效果較好、運(yùn)用已久、發(fā)展成熟，因此該裝置技術(shù)具有可行性。

3.2 結(jié)構(gòu)可行性分析

該裝置主要由連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴水推進(jìn)裝置、傳送裝置和箱體等幾大主要部件組成，主要零部件少，可根據(jù)所需的型號(hào)規(guī)格直接選用市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)件。

從裝置的結(jié)構(gòu)分析，該裝置組成部件少，相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置，更便于安裝，體積小巧。該裝置的強(qiáng)度、剛度、硬度等參數(shù)也符合理論力學(xué)的要求。該裝置的具體部件選型可根據(jù)海面工作物體的穩(wěn)定性要求及裝置部件對(duì)鹽咸水體防腐要求的最低限度來(lái)決定。因此該裝置的結(jié)構(gòu)具有可行性。

3.3 操作可行性性分析

該裝置的工作步驟為：1）利用連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形成的八字形匯集裝置聚集匯攏海面垃圾；2）利用傳送裝置將聚集的垃圾運(yùn)輸進(jìn)內(nèi)部的箱體中；3）利用箱體儲(chǔ)存垃圾并通過(guò)內(nèi)部的紅外感應(yīng)自壓縮機(jī)構(gòu)壓縮垃圾；4）利用傳送帶的孔隙結(jié)構(gòu)和箱體底部的孔洞結(jié)構(gòu)分離垃圾表面附著的海水;5）通過(guò)裝置尾部的噴水推進(jìn)裝置控制整個(gè)垃圾回收裝置的運(yùn)動(dòng)回收上岸。

從裝置的工作步驟分析，該裝置高度自動(dòng)化，相較于傳統(tǒng)的海面垃圾回收裝置回收效率高、對(duì)環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)單。因此該裝置的操作具有可行性。

3.4 垃圾回收效率分析

本海面垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)，采用空氣懸浮裝置提供浮力，增加了作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)采用外置太陽(yáng)能板為裝置提供動(dòng)力。在此基礎(chǔ)上，還通過(guò)海面垃圾匯攏連桿機(jī)構(gòu)、傳輸傳送裝置、分流孔洞、運(yùn)動(dòng)控制的噴水推進(jìn)裝置和PLC控制的自壓縮式箱體，進(jìn)一步形成垃圾聚集匯攏、傳輸、海水分離、壓縮儲(chǔ)存和上岸的回收過(guò)程，加快了海面垃圾的回收，降低了垃圾儲(chǔ)存箱體的含水量，大大提高了海面垃圾的回收效率，非常適合用于單人操作回收海面垃圾。

4 結(jié)論

1）本文查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，參考了現(xiàn)有的成熟技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)海面垃圾回收裝置存在的問(wèn)題和不足，從技術(shù)、結(jié)構(gòu)、操作方面總結(jié)了該新型海面垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)AutoCAD繪圖工具軟件設(shè)計(jì)出一種新型海面垃圾回收裝置，介紹了該裝置的工作原理和重要零部件的功能參數(shù)，從技術(shù)、結(jié)構(gòu)、操作和回收效率方面對(duì)該裝置進(jìn)行了可行性分析。

2）本文的研究屬于前期的理論研究，例如，在箱體中利用PLC自動(dòng)控制的紅外感應(yīng)裝置只是一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，還有許多需要完善的地方。在今后的項(xiàng)目探索中，該紅外感應(yīng)自壓縮裝置可與其他可編程邏輯控制器或其它自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，以確保裝置在復(fù)雜的海面工況下得以高效穩(wěn)定地運(yùn)行。其他零部件也可以分別從模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真和可靠性分析等方面做進(jìn)一步的研究。