一種小型水面清漂船的機構設計應用*

鄧 聰

(中國船舶重工集團有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

水環境問題越來越受到大家的重視，近年來國內大小湖泊、城市河道等水面的垃圾污染情況愈發嚴重，人類賴以生存的水資源受到的威脅越來越大。另外，公園等游樂場所的湖泊、池塘的水面上經常有塑料袋等水面垃圾，影響景觀、污染環境[1]。隨著垃圾的聚集對水環境也造成了嚴重的污染，保護水環境應從盡快驅除“零星”垃圾做起。采用傳統的人工打撈的新式，勞動強度大，工作效率低,周期長，不安全[1]。隨著機械化技術的成熟和人們對高品質生活環境的不斷追求，研究一種簡單高效、安全平穩、經濟環保的水面垃圾清潔船成為一大熱點[2]。筆者設計了一種能集自動打撈、收集、轉運水面零星漂浮物的小型雙體船。能具備清掃河面、風景區湖面、大壩船閘處等水面零星漂浮垃圾(如白色污染物、塑料袋、空瓶、樹葉等)的功能，將這些零星垃圾收集在一起，便于集中處理，對水環境起到保護作用。

1 船體設計方案

船體設計首先涉及船體外形的選擇，本文綜合文獻[3]、[4]，選擇采用雙船體結構。雙船體相比于單船體與平底船能更好的利用兩邊的配重，使之不僅能滿足船上工作操作時平穩要求，而且還能滿足船上各機構的安裝要求，駕駛性能也比較好。

船體外形尺寸設計是對船體載重設計核算，確定好船體排水量、船體自重、有效載重，同時確定好船體的吃水深度滿足安全性要求。

此處不贅述關于船體的詳細設計計算和船體重要參數的確定。需要指出的是,由于需要在船體安裝各功能裝置及船只需要打撈收集轉運垃圾，須對船體進行平穩性設計分析，船的平穩性主要體現在船的長度方向與寬度方向上的配重。長度方向的配重會影響船在行駛起停、垃圾打撈、裝載垃圾時的平衡；寬度方向上的配重則會影響船在轉向、垃圾轉運時的平衡，另外還須針對船體在水中的受壓分布進行分析，確定加強筋的設置。

2 打撈收集裝置設計

2.1 打撈裝置

打撈裝置如圖1所示，采用曲柄滑塊與齒輪齒條機構組合實現打撈功能。

圖1 打撈裝置結構簡圖1.電機 2.曲柄 3.連桿 4.齒條(滑塊) 5.螺釘 6.主軸 7.打撈網 8.軸套 9.連接螺栓 10.齒輪

按下打撈按扭，曲柄2作圓周運動，通過連桿3帶動齒條4(齒條與滑塊為同一機構)作左右來回運動，齒條4的左右來回運動可帶動齒輪10的正反轉動，主軸6用鍵與齒輪10連接，從而主軸6會同步實現正反轉動。而打撈網7固定在軸套8通過螺釘5固定在主軸6上，從而實現打撈動作。

打撈主軸運動特性曲線如圖2所示。

圖2 打撈主軸運動特性曲線

2.2 收集裝置

收集裝置如圖3所示，采用凸輪與雙搖桿機構及回位彈簧實現推擠功能。

圖3 收集裝置機構簡圖1.垃圾箱側面板(基架) 2.凸輪 3.軸承 4. 搖桿1 5.連桿 6.主軸 7.搖桿2 8.回位彈簧 9.推擠擋板

凸輪2與主軸6固結，由于主軸6在打撈時正反轉，即此處凸輪2可視為原動件。在打撈網放下即凸輪2逆時針旋轉時，凸輪2開始有一段遠休止進入推程推動搖桿4順時針旋轉，從而推動搖桿7順時針旋轉，又由于垃圾箱上的推擠擋板與搖桿7的鉸鏈處固結，所以推擠擋板9會順時針旋轉從而把垃圾箱中的垃圾向右推動起到收集垃圾的作用。在凸輪2順時針回位即打撈垃圾時，凸輪機構開始進入回程并且在打撈網放平之前進入遠休止，從而在回位彈簧8的作用下使得推擠擋板在垃圾還未能進入垃圾箱之前已回到底面位置。

2.3 打撈收集裝置總體設計

打撈收集裝置機構運動簡圖如圖4所示。此處采用的齒輪齒條機構組合，凸輪與雙搖桿機構及彈簧組合，實現了打撈、收集功能的連貫統一。

圖4 打撈推擠裝置機構運動簡圖1.曲柄 2.連桿 3.齒條 4.齒輪 5.凸輪 6.搖桿 7.連桿 8.搖桿 9.機架 10.彈簧

3 垃圾轉運裝置設計

垃圾箱翻轉機構如圖5所示。

圖5 垃圾轉運裝置機構運動簡圖1.絲桿 2.螺母 3.連桿 4.搖桿 5.連桿(與垃圾箱側面板為同一構件)搖桿 6.搖桿 7.搖桿 8.連桿 9.機架

由圖5可得，2、3、4、9組成曲柄滑塊機構，滑塊2為原動件(其為螺旋傳動，屬絲杠轉動，螺母移動)，它的移動通過連桿3帶動曲柄4擺動。4、5、6、9四個構件組成雙搖桿機構，此時構件4作為搖桿(原動件)，它的擺動通過連桿5傳遞到搖桿6上。然而我們這里最終的執行構件為連桿5，通過對其形狀的改進，垃圾箱固接在連桿5上，利用連桿5的特殊運動軌跡最終實現垃圾箱的翻轉。7、8、5、4四個構件組成雙搖桿機構，其中機架4是活動的，原動件為搖桿5的反向延伸部分，連桿8為執行構件，其實物為垃圾箱滑板，它可以隨著垃圾箱的翻轉而向船外(岸上)平移，并且始終承接著垃圾箱，從而在避免垃圾倒到右船體的同時又為垃圾倒上岸提供更大的方便。

它采用了螺旋機構、曲柄滑塊機構與兩個雙搖桿機構完成了垃圾箱的翻轉動作及轉運垃圾上岸的功能。

4 轉向及密封裝置設計

4.1 轉向裝置

經過綜合考慮與分析，本文清漂船的轉向機構采用擺動導桿機構。因為擺動導桿機構結構簡單，加工成本低，且最重要的是所占用的安裝空間較小，很適合船體的安裝。其機構運動簡如圖6(a)所示。

圖6 擺桿導桿機構

在此機構中，擺桿與方向盤固連在一起，形成一個構件。導桿與電機夾及電機都是固連在一起，同為同一構件。轉動方向盤，擺桿就會跟隨轉動，通過滑塊驅動導桿擺動，進而帶動電機的轉動，最終實現實現船體的轉向。

由三維實體圖6(b)可以看出，擺動導桿機構結構非常簡單，所需零件加工也非常簡單。且重要的是空間z軸方向的尺寸很小，在整個船體有限的空間下，這個尺寸是非常適合整個擺桿機構在船體上的安裝。同時，在功能上它也能基本滿足船體的轉向要求。經測算，其最大轉向角度范圍可達 。轉向也是非常輕松、靈活的。所以，擺動導桿機構完全可以滿足船體的轉向要求，它在節約成本的前提下，輕松、便捷的實現了清漂船的轉向功能要求。

轉向裝置的機構簡圖如圖7所示。

圖7 轉向裝置機構簡圖1.方向盤 2.擺桿 3.導桿 4.銷 5.轉向組合件

轉動方向盤1(擺桿2通過螺釘與方向盤1緊固在一起，構成同一構件)，使擺桿2做左右擺動，擺桿2通過銷4在導桿3的槽內滑動從而實現(導桿演化)凸輪的左右擺動。導桿3與轉向組合件5通過銷釘聯接在一起，因此導桿3的左右擺動就可實現船體轉向。

4.2 密封裝置

在整個船體結構中，密封性能要求最高的便是電機與轉向機構連接的部位。在此部位，為了能將轉向機構中的轉向運動傳遞到電機上，而電機是在水下工作，就必須設計一套裝置，它既能傳遞運動又具備良好的防水性能。

此文設計了一套密封組合裝置，它既能靈活的將擺動導桿機構中導桿的運動傳遞到電機上，又具備非常好的防水性能。其結構圖與三維實體圖分別如圖8、9所示。

圖8 轉向組合件結構圖1.銷釘 2.軸承 3.密封基座 4.定位軸套 5.U 型套筒 6.密封圈 7.導桿 8.推進器夾具 9.螺旋槳推進電機 10.船體連接艙 11.螺母

轉向組合件設計為推進器夾具8伸進固定在連接艙上的密封基座3，而密封基座3通過螺母11和墊片保持固定及密封圈6保證密封性，推進器夾具上段通過銷釘1與U型套筒5固結為一體，導桿7通過螺紋連接、螺母固定在U型套筒5上。中間由軸承2外圈與在U型套筒內圈壁接觸，軸承2內圈與密封基座外圈壁接觸，同時由軸套4對軸承2進行限位。

整個裝置的密封功能主要是通過密封座3與O型密封圈6來實現的。如圖9，水會沿著密封基座3與推進器夾具8的配合間隙涌上來，但水只會停留在密封基座3的內腔里(密封基座3與推進器夾具8的配合間隙)，不會溢出到船體內。因為在密封基座3與船體底板固連的地方我們安裝有一個O型密封圈6，它能防止水從密封基座3的內腔里流入船艙內。這里需要強調的是，船在水中行駛時，水的壓力方向主要集中在往上的方向上，且進入密封基座3內腔的水由于量很少，并且內腔上面還有空隙，所以里面的水壓很小，這樣它水平方向的水壓就會更小了，有了O型密封圈6的阻擋，水是不會流入船艙里的。當然水更加不會從密封基座3的上端(密封支座上端有開口)溢出，因為通過設計，船體的吃水深度遠小于密封基支座的高度，所以水是不會從上端溢出的。

圖9 轉向組合件三維圖

通過以上分析可以看出，這套密封裝置的設計既便捷的傳遞了擺動導桿機構的轉向運動，準確的實現了船體的轉向，又達到了船體的嚴格密封要求。

5 清漂船原理樣機及試驗

清漂船原理樣機制作中，還涉及主要電機的選擇和簡單電路及行程開關的設計、連接、安裝，電源可以根據計算確定選擇直流電源。在確定運動機構的主要部件、零件尺寸時，還需進行打撈機構運動分析和力分析，對齒輪及打撈主軸等關鍵零件須進行必要的強度校核。打撈網可設計成喇叭形，同時底邊擠壓成弧形線條，能增大打撈面積，打撈時即使超過船舷的垃圾也不會漏網。

清漂船樣機試驗結果表明，清漂船較好地實現了上述工作原理，機械系統設計合理， 適應能力好，各機構滿足使用要求。

6 結 語

此次清漂船主要創新點主要有以下幾點，機構創新：采用曲柄滑塊機構和齒條齒輪機構組合，凸輪機構與雙搖桿機構組合，配置行程開關連貫準確的實現打撈、收集功能；采用螺旋傳動、曲柄滑塊機構、雙搖桿機構的組合，在占用很小的空間內使垃圾箱翻轉較大角度和行程，配置行程開關實現垃圾箱的翻轉轉運垃圾功能；采用低副高代的演化導桿機構，實現轉向功能。結構創新：采用套筒與O形密封圈組合簡化密封結構，實現船體轉向功能同時解決密封問題。

樣機試驗表明，該清漂船具有功能齊全，結構簡單，操作方便快捷，連續打撈收集工作穩定、安全、高效，成本低，各機構裝置適裝性也較強，可以安裝在雙座式或多座環保型游船上，還可以在船上安裝太陽能充電板給蓄電池充電，產品、機構和結構的設計都具有較好的推廣和應用價值。