《水上清潔運動車模擬設備》設計與制作研究思路淺談

李顥如

湖北省武漢市第三中學

《水上清潔運動車模擬設備》設計與制作研究思路淺談

李顥如

湖北省武漢市第三中學

武漢漢陽蓮花湖，因天然生長蓮花而得名，是周圍居民健身，休閑的好去處。可是近一年來，蓮花湖湖水呈青黑色。基于此，設計制作一款水上清潔運動車，為湖泊河道清理垃圾，給水充氧，同時融健身、娛樂、水資源保護、科普宣傳為一體。水上清潔運動車利用液體浮力原理，使水上運動車可以浮在水面上，同時可以保持平衡；利用摩擦力原理，使水上漂浮垃圾被留在水上運動車前方網格內，實現水上運動車收集水上漂浮垃圾的功能。主要有三個方面設備構成：第一，水上運動車設備；第二，湖面垃圾打撈設備；第三，水生植物裝飾外觀設備。讓現代人的生活回歸自然、回歸清新。

水上清潔運動車；模擬設備；設計；制作

一、設計與制作實驗或研制方法

1.水上清潔運動車結構設計

漂浮在水上的垃圾通過浮動垃圾桶，可以最大化的節省打撈所需要的人力。然而浮動垃圾桶由于固定在岸邊，無法移動，對于隨水流、風向改變運動軌跡的漂浮垃圾，打撈的作用范圍有限，大大限制了漂浮垃圾桶打撈的打撈效率。

2.水上清潔車運動系統的研究與設計

（1）漂浮系統：漂浮系統主體為可充氣的扁平氣囊，為漂浮自行車提供良好的穩定性，下方額外安置兩個柱狀氣囊，頭部為錐形結構，如此設計可以為漂浮自行車提供額外的浮力，同時改良整體的流體運動性能，降低阻力系數，使水上自行車使用起來更加省力。

（2）水上清潔車方向控制系統：采用梯形舵面，截面為三角形，同樣可以提高舵面在水中的流體力學性能，使得舵面更加容易操縱。同時將舵體與自行車手扶龍頭相連接，通過手扶龍頭的轉向來實現舵的轉向。

（3）驅動系統

鏈條傳動系統改進自自行車鏈條的傳動機構，改進點在于在外部制作一層防水外殼，防止水對鏈條、齒輪的腐蝕作用，提高水上自行車的使用壽命。同時使其稍微傾斜，下方位置沒入水中，為明輪提供動力。

（4）傳動軸系統：在使用的時候，在水上車傳動裝置的從動齒輪處安置左右對稱的傳動軸，將從動齒輪的動力傳遞到明輪上，從而帶動水上車運動。

二、設計與制作結果與討論

1.研究結果。水上清潔運動車主要有三個方面構成：第一，休閑健身水上運動車；第二，自動清理湖面垃圾；第三，外觀由水生植物裝飾，休閑健身同時參與科普教育，適合青少年和社區居民等群體。

2.討論問題。研究水面垃圾收集的吸附范圍和效果：觀察滾筒帶動齒輪轉動，齒輪帶動傳送帶轉動，收集垃圾效果；

3.前期方案研究垃圾收集范圍和效果實驗探究。此方案固定在某一處打撈水面垃圾效果較好，若移動靠健身動力帶動來吸附垃圾有一定難度。

打撈垃圾的設備還有待改進，遇到大的垃圾吸附力還不夠

（1）水上運動車垃圾收集前期研究方案的研究

水上垃圾清理車的構成：第1.動力部分-水上自行車，通過對舊自行車的改造，龍頭部分安裝舵頁來控制水上自行車的方向，鏈條齒輪提供動力加裝葉輪在水面形成推力驅動自行車的運動。第2.平臺結構-利用輕型的鋁型材來搭建平臺以及支架部分。第3.浮力部分-利用充氣模來為水上自行車來提供浮力。第4垃圾收集裝置-在水上自行車的尾部加裝濾網裝置對水面垃圾進行收集。

（2）水上運動車整體設計

在水上自行車前端安裝有支架，支架上鋪設有細密的網，使水上自行車前進方向上的垃圾自動落入網中。由于網格具有一定張力，而水上漂浮垃圾又具有浮力。故而水上漂浮垃圾在被收集到網格中后，浮于網格上方，與網格糾纏在一起，從而產生一定的摩擦力避免漂浮垃圾繼續落入水中。

研究結果：綜上所述，水上自行車利用了杠桿原理設計方向舵，實現了方向的轉換。利用了杠桿及扭矩的原理，通過踏板-主動齒輪-從動齒輪-傳動軸-葉輪的傳遞方式，將力傳遞在葉輪上。然后又利用了力的相互作用原理，使葉輪轉動的同時，推動水上自行車向前移動。利用了液體浮力的原理，使得水上自行車可以浮在水面上，同時可以保持平衡。又利用了摩擦力的原理，使得水上漂浮垃圾被留在水上自行車前方的網格內，從而實現了水上自行車收集水上漂浮垃圾的功能。

三、應用實踐及展望

該項目制作與實施要經歷三個階段，第一，簡易模型制作，這一階段已經完成；第二，水上自行車模擬設備設計與制作，這一階段正在實施，還有待做進一步實驗；第三，實體制作，待我們模型成功完成實驗后，在蓮花湖按本項目的設計方案及模型的原理和方法，在蓮花湖制作一款“水上清潔車”，為蓮花湖做湖面清理工作，更重要的是一種環保宣傳。

進一步完善該項目的設想：第一，水上車在運行時對水體生物影響的研究；第二，水上車運行時垃圾桶自動清理，裝滿垃圾時的更先進處理辦法；第三，安全保障的研究。

[1]高效割草船河道垃圾清理船清漂船藍藻打撈船https：// www.1688.com/chanpin/-BAD3B5C0C0ACBBF8B4F2C0CCBBFA.ht?ml

[2]http：//d.wanfangdata.com.cn/Periodical/cyykjlt201517042

指導老師：張愛華，武漢市漢陽區二十三中學。