漂浮落葉收集設備的設計與分析

謝冠武

漂浮落葉收集設備的設計與分析

謝冠武

（廣東慧航物聯科技有限公司，廣東 東莞 523000）

針對現有的水面漂浮落葉設備存在容易產生大幅度的波紋使得落葉遠離設備、落葉收集裝置過于簡陋導致落葉存在二次漂出的問題，提出改進設備的流線型、收納裝置的U形分流等設計方案。機理表明，改良的設備不易產生大幅度的波紋以及能有效避免收納室的落葉發生二次漂出現象，其具有更好的收集效果。

落葉；船；阻力；流體學

城市化進程不可避免地會給環境帶來一定的污染，常見的污染包括河道污染和空氣污染，因此環境保護是一項重要工作[1]。水域環保最常見的工作是打撈水面漂浮垃圾，包括落葉、塑料袋等。由于城市建設中，河道兩旁常設置綠蔭大道供居民休閑使用，圍欄外是河道，圍欄內是一排排的大樹，因此，不可避免地每天都會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撈為主，該方式工人的勞動強度大，受天氣影響因素大（烈日、寒冬），并且存在著一定的危險性。船模在水面移動具有較高的靈活性[2]，使用船模代替人工收集漂浮落葉的效率會更高。以下將對現有技術分析以及進行相應的設備改良。

1 船體結構設計

1.1 原理分析

船體的機構設計直接影響著行進的靈活性、波紋的大小以及船體的穩定性，當然還有浮力、載重性等，本文主要探討船體機構設計對前三者的影響，以更好地應用在代替工人打撈漂浮落葉方面。船體行進的靈活性與船體所受阻力相關，根據流體學研究，在流體這個參考系中，物體相對于這個參考系產生相對運動時，物體會受到與運動方向相反、速度大小相關的阻力[3]。在相對速率較小時，阻力與具有線性關系[4]：

=（1）

式（1）中：為阻力系數。

在相對速率較大以致于在物體的后方出現流體漩渦時，阻力的大小與2成正比：

=2/2 （2）

式（2）中：為阻力系數；為流體的密度；為物體的有效橫截面積。

根據式（2）可知，如果快速移動的船體在移動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行設備設計。

1.2 設計方法

船體在水面行使時由于力的相互作用以及流體本身的固有屬性會產生波紋，作用力越大，波紋也會越大，并且波紋還跟作用于流體的有效面積有關。現有的水面漂浮落葉設備大多數類似于圖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致耗電多，還容易產生幅度大的波紋。本文為減小船體受到的流體阻力，設計流線型的船體如圖1（b）所示。

（a）現有的水面漂浮落葉設備-船體部分

（b）本文的水面漂浮落葉設備-船體部分

圖1 兩種船體結構對比

對比現有的水面漂浮落葉設備，本文所設計的設備作用于水的有效橫截面積比現有設備小。根據式（2），兩種設備以相同速度在同一水域作業時，本文設計的設備受到的阻力更小。因此，本文所設計的設備作用于流體時產生的波紋會更小，這樣能有效避免產生大量波紋，使得落葉遠離設備、出現收集效果不佳的問題。

2 收集裝置設計

船體通常只作為水面移動的載體，收集漂浮垃圾需要一些輔助裝置。現有的水面漂浮落葉設備直接使用網兜捕撈落葉，雖然有一定的效果，但收集到的漂浮落葉容易發生二次漂出的問題。因此，本文針對該問題進行收集裝置的改進，如圖2所示，設計了U形分流器，目的是起到分流[5]與轉向作用。

1—船體；2—連桿；3—收納口；4—收納網兜；5—U形分流器。

船體在行進過程中，與流體產生相對運動，即在船體的中間流體產生一定的流量。在沒有U形分流器的情況（該情況是指現有的水面漂浮落葉設備很簡單性地直接使用網兜設置于船體后方進行捕撈落葉），船體中間水的瞬時流速基本等于船體的瞬時行進速度。本文設置了U形分流器之后，流出口的面積變小了，計算公式如下：

=/（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兜里面。流出口流速加快，加上轉向作用，能有效防止收納網兜里的落葉發生二次漂出的情況。

3 結束語

漂浮垃圾例如落葉、塑料袋等影響著河道的整潔，利用機器設備協助人力打撈漂浮垃圾是科技發展的趨勢，機器受工人控制，直接在水面運行，進行打撈工作，工人的勞動強度降低，機器在水面移動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計如何降低船體阻力，以達到減少波紋的效果，還探究了U形分流器的作用，期望為環保行業提供一定的技術參考。

［1］陳軍偉，李麗華.河道治理工程對飲用水水源保護區影響分析及環保措施［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］.南方農機，2018，49（12）：1.

［3］孫曉飛.物體在流體中運動時所受的阻力例析［J］.教學月刊·中學版（教學參考），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，張衛東，等.水分流式冷卻套管在AOD爐除塵系統中的應用［J］.冶金動力，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，學士，研究方向為機械設計、機電控制。

〔編輯：張思楠〕