基于重勢的小型水體水面漂浮物收集裝置

韓沛松，趙天昊，徐艷樺

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢430070）

現如今，由于水資源的短缺，人類對水資源的保護尤為重視，水資源污染成為全世界共同關注的話題。水污染的種類很多，從污染的性質劃分，可分為物理性污染、化學性污染和生物性污染。對于城鎮湖泊河流，污染種類多為物理漂浮物污染。現有清理水體漂浮垃圾的方式多為清潔船打撈，但是此種方式成本較高，且無法適用于中小型湖泊。人工打撈方式效率不高。

現有清理方式的對比如表1所示。

表1 現有清理方式對比表

市面上現有的清理裝置的機械式打撈無法達到較好的效果，且成本高昂。基于以上背景，設計了一種機械與重勢同時使用的收集方式，此種方式既可以達到較高的效率，也節約了能量，使得垃圾的收集清理效率提高。具體優勢為：利用機械和重勢方式收集垃圾，節約能耗的同時保證了清理效率和清理效果；該裝置將收集與儲存垃圾同時實現，提高了工作效率；裝置較小，在水中可實現穩定運作。

這款裝置解決了水面漂浮垃圾不能及時清理的問題，實現了垃圾收集和儲存，適用于各種小型湖泊。

1 整體方案

該裝置主要由運動模塊、收集模塊、分離模塊、儲存模塊和控制模塊組成，如圖1所示。

圖1 裝置整體示意圖

裝置整體潛在水下，由水輪作為動力來源進行水面漂浮工作。為了實現裝置的懸浮，在裝置內部設置有空氣夾層，可避免裝置下沉，同時在平衡模塊、平衡浮球液位計和漂浮外殼的作用下保證裝置的平穩。運作時，平臺下降，垃圾會跟隨水流運動到裝置中心處的平臺，并且在底部水泵的作用下，由水流帶動垃圾進入裝置內部的垃圾儲存倉，并掉落到收集倉中的濾網上。由于收集過程中吸入了大量的水，多余的水隨后在水泵的作用下將裝置內部的水抽出，實現裝置的動態平衡。

在運動過程中，由于較難了解水下情況，所以在裝置內部添加了紅外感應裝置，對裝置附近的環境進行探測。收集工作結束后，操作人員對裝置內部儲存的垃圾進行清理。具體工作流程如圖2所示。

2 研究方法和技術路線

2.1 運動模塊和控制模塊

運動模塊由單片機、電機、水輪構成。為使裝置在水中靈活運動，設計了雙水輪結構，便于裝置的轉向和變速。控制部分以AT89S52單片機作為控制核心，附件為小型電機、按鍵、遙控等模塊，可實現遠程操作。

2.2 收集模塊

收集工作主要由升降平臺來完成，平臺的動力由底座的液壓部分和電機部分提供。在固定軸座上安裝有用于固定的偏心輪，偏心輪另一側由皮帶輪連接，由低功率電機提供動力。開始工作時，裝置移動至水面漂浮垃圾附近，之后在電機的帶動下，液壓桿繞在偏心輪上開始轉動，由于液壓桿的作用，偏心輪轉動時將拉動杠桿，由杠桿原理可知，杠桿的一端將會與另一端形成較大的位移差，平臺抬升和下降，此時水流開始向中心流動，由于平臺和外殼間存在較大的間距，水流將會攜帶水面漂浮物進入裝置內部。

圖2 裝置實際工作示意

2.3 分離模塊

實現收集后，裝置平臺將會上升至原先的位置，以防止多余的水進入裝置。此后裝置進入密閉狀態，但是此時內部仍然有大量的水。為了排出水，在管道中設置了抽水泵，將裝置內部多余的水抽出，以保證裝置的平衡。

2.4 儲存模塊

在實現垃圾收集后，由于升降平臺與外殼間存在較大的間距，所以垃圾會暫時儲存在外殼中，外殼作為臨時儲存模塊。儲存模塊固定在平臺下方，水面貼合平臺上方，底面積較大。內部由防水材料覆蓋，且內部底板具有一定的傾斜角度，內部存在內擋板，可防止垃圾掉落。為了實現垃圾的清理，在儲存外殼內部鋪上垃圾袋，當垃圾儲存到一定量時，人工打開外殼取出垃圾袋，完成垃圾的進一步處理。

3 項目的研究基礎和可行性分析

3.1 研究基礎

基于目前對收集漂浮垃圾的研究，經實地調研可知，水面漂浮垃圾的種類主要為塑料制品，也存在一些水生植物，比如藻類。該裝置以相關論文的數據為基礎，針對不同的模塊選取合適的材料進行制作，以保證裝置的穩定性。

3.2 可行性分析

針對運動模塊，由論文數據可知，現有小型馬達可達到的最大功率為5kW，2個小型馬達提供的動力可以實現裝置的整體運行。

為了保證裝置能夠懸浮于水面，浮力計算公式為：

式（1）中：ρ為液體密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；V為浸入液體的體積，m3。

當受力平衡時，裝置將完成懸浮，根據裝置的工作狀態，采用密度較低的金屬和塑料材質進行加工，以保證裝置在強度合格的情況下質量最小，多利用亞克力材料進行實物制作。根據實際設計，實物重量在25kg左右，以g=9.8m/s2計算，重力G=mg=245N。

根據設計體積可知浸入水體體積為0.827m3，理論水可提供浮力F=ρgV=10.02N。

設計裝置可裝垃圾10kg，則主浮體至少提供330N的浮力。多個水面浮標與浮球的配合實現裝置的懸浮，同時，頂部外殼選擇粘貼輕型材料，以保證裝置漂浮。

4 收集實驗研究

水面漂浮物的清理最大指標就是清理效率，其決定了研究的必要性和有效性。實驗后發現，裝置可達到較好的清理效果，滿足設計要求。實驗時發現，清理效果與裝置的運動速度存在一定的關聯，由于裝置在水體中運動會產生水波紋，干擾漂浮物的收集，所以，在多次實驗后確定了最佳的運動速度，達到了最佳的清理效果。

5 總結

本設計主要針對城鎮小型水體的漂浮物清理，比如公園池塘等小型水體。經過實際校核，該裝置可達到較高的收集效率，同時，其改變了以往多機械合作清理的方式，使清理方便化，其控制部分的設計實現了24h清理模式，且具有避障性能，同時，材料和加工無特殊要求，具有很大的應用推廣價值。