基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理裝置

鄒海蓉　代雨嫻　于悅

摘? 要：水景觀與人工湖泊水面的漂浮垃圾不僅影響美觀，還會威脅水生生物的生存繁衍。而這些水域往往水深較淺，清污船舶難以抵達，清理漂浮垃圾成為困擾環(huán)衛(wèi)工人的難題。針對上述問題該文設(shè)計制作了一種收集淺水區(qū)水面漂浮垃圾的裝置—— 基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理裝置。該裝置通過保持進入與排出裝置的水流流量，使裝置內(nèi)外形成穩(wěn)定的水位差，可將水面上的漂浮垃圾引流入裝置內(nèi)。此外，該裝置還配備了遙控芯片和動力螺旋槳，可實現(xiàn)遠程遙控操作，具有安全可靠、機動靈活、操控簡單，且成本低廉等優(yōu)點，擁有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：淺水水域? 水面漂浮垃圾? 垃圾清理? 遠程遙控

中圖分類號：P742? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）01（c）-0083-04

Abstract： Floating garbage on water landscape and artificial lake surface not only affects aesthetic impact， but also threatens the survival and reproduction of aquatic organisms. However， the clean-up ships are difficult to reach the shallow water area to clean the floating garbage， that has become a problem for sanitation workers. In this paper， a self-floating garbage cleaning device based on flow balance was designed to collect floating garbage in shallow water. The floating garbage can be inhaled into the device by a water level difference between the inside and outside of the device. In addition， the device is also equipped with remote control chip and propeller to realize easy remote control. It has the advantages of safety， reliability， mobility， simple operation， low cost， and it has a broad market prospect.

Key Words： Shallow water; Floating garbage; Garbage collection; Remote control

為了滿足廣大人民日益增長的美好生活需要，加快打造現(xiàn)代化有特色、美麗的宜居城市，政府大力投資修建了許多人工湖、濕地公園、水景觀等親水區(qū)域，這些水域不僅能美化環(huán)境，還能凈化空氣和改善城市微環(huán)境。但是這些干凈的水域由于自然和人為因素常常存在大量的漂浮物，如食品袋、飲料瓶、落葉、浮藻等，如若不及時清理不僅嚴重影響水域美觀，還會對水生生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，引起水體富營養(yǎng)化，出現(xiàn)水華等水污染問題。水面漂浮物的傳統(tǒng)清理方式主要是依靠環(huán)衛(wèi)工人利用長桿網(wǎng)兜打撈，而長桿本身長度有限，對于稍微大一點的人工湖只有等風將垃圾吹至岸邊時才能清理，圍繞湖泊岸線清理一圈往往需要花費數(shù)小時，且效果不佳。因此，高效且經(jīng)濟地清理淺水區(qū)域的水上漂浮垃圾一直是環(huán)衛(wèi)部門亟需解決的問題。

目前市場上針對大型湖泊水面垃圾清理設(shè)備大都為大型綜合清污船，這類水面固體垃圾收集機械功能強大，但體積龐大，價格昂貴，維護成本較高，并不適用于小型人工湖等淺水區(qū)域的漂浮物清理[1-4]。而淺水區(qū)域的漂浮物清理裝置通常有固定式和移動式兩大類，固定式通常需要插電使用，且必須固定于水邊某一位置不可移動，其清理漂浮物的范圍十分有限，只適合用于小型魚塘落葉和浮渣的收集[5-6]。而移動式的大都具有智能化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但價格昂貴，后期維護使用成本極高[7-11]。

綜上所述，為了解決淺水區(qū)域水面漂浮物打撈困難的問題，設(shè)計了一種自浮式水面漂浮物清理裝置，其采用自動水位控制器配合抽水泵平衡進入與排出裝置的水流流量，使裝置內(nèi)外形成穩(wěn)定的水位差，讓漂浮物自動流入收集艙內(nèi)且裝置能浮于水面之上。此外，為了能夠清理任何位置的漂浮垃圾，該裝置還配備了遙控芯片和動力螺旋槳，可實現(xiàn)遠程遙控操作。該裝置不僅具有固定式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作簡單的優(yōu)點，還具有移動式裝置操作靈活的特點，對提高環(huán)衛(wèi)工人工作效率，改善水體生態(tài)環(huán)境具有實際意義。

1? 設(shè)計原理

1.1 設(shè)計思路

如圖1所示，裝置利用自動水位控制器配合抽水泵平衡進入與排出裝置的水流流量，即隨垃圾一起進入裝置的水流流量Q1等于抽水器排出的流量Q2，故裝置內(nèi)外一直能形成穩(wěn)定的水位差，可讓漂浮物自動流入收集艙內(nèi)。同時裝置兩側(cè)裝有浮板，能夠給收集裝置提供最大浮力。待收集艙中漂浮垃圾儲存滿后，可將裝置遙控至岸邊，取出收集艙中的垃圾。

此裝置外形為圓柱體，在移動時可較好地減小水流阻力。裝置自浮于水面的關(guān)鍵在于進入艙內(nèi)的流量和吸出流量是否平衡，可通過自動控制底部抽水泵啟閉來調(diào)節(jié)裝置的吃水深度。其中，水位控制器是控制抽水泵工作的主要部件，當水流進入收集艙內(nèi)，裝置整體下沉，內(nèi)部水位升高到設(shè)計水位后觸發(fā)側(cè)壁的水位傳感器，水泵自動開始工作;當排水量大于進水量時，裝置逐漸上浮，艙內(nèi)水位降低到設(shè)計水位以下，傳感器感應(yīng)不到水體，水泵自動關(guān)閉，循環(huán)往復(fù)。由此可實現(xiàn)該裝置始終自浮于水面，且艙內(nèi)一直能形成穩(wěn)定水位差，使水面漂浮垃圾隨時自流進入搜集艙內(nèi)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 整體設(shè)計

裝置在兩側(cè)采用對稱浮板，兩浮板間用塑料或 PVC材料制成圓柱型，浮板固定于圓筒上部兩側(cè)，裝置底部密封并安裝抽水泵。如圖2所示，在裝置中間位置留出空間安裝垃圾收集艙，在保證裝置浮力的條件下可擴大漂浮垃圾進口，使大體積垃圾可進入收集艙。此外，可在塑料圓筒外側(cè)根據(jù)裝置本身重量增加浮力材料，用以承擔裝置本身的重量，減小浮板體積。

1.2.2 垃圾收集艙計

垃圾收集艙放置于塑料圓筒內(nèi)部，如圖3所示，采用雙層上開口圓柱濾網(wǎng)，內(nèi)層為大孔濾網(wǎng)，外層為纏有密織鐵絲的大孔濾網(wǎng)，采用疏密雙層設(shè)計阻止垃圾漏出堵塞抽水機，在工作時，垃圾從裝置頂部由開口順水流入并保存于收集艙中，同時在收集艙頂部布置若干橫桿（見圖2），以便于提出內(nèi)層濾網(wǎng)和防止高水位垃圾溢出。

1.2.3 動力裝置及遙控裝置設(shè)計

該裝置采用動力螺旋槳進行驅(qū)動（見圖2），螺旋槳位于裝置兩側(cè)的浮板下方，使其整體淹沒于水下，槳葉連接防水電機，可進行快速推進。此外，采用遠程遙控芯片連接動力螺旋槳，以實現(xiàn)遠程操控，整個裝置的能量來源為鋰電池（也可采用太陽能電池板），電池組和控制芯片布置于浮板上方。

1.2.4 浮力設(shè)計

浮力控制系統(tǒng)主要由抽水泵、水位控制器和電池組3部分組成，裝置底部嵌入一臺抽水泵，抽水泵連接全自動水位控制器，控制器上再連接電池，整套系統(tǒng)可自動控制搜集艙內(nèi)的水位。如圖4所示，全自動水位控制器采用單片機控制，探頭電壓采用直流8 V，可以傳輸300 m信號，控制器分為控制箱和探頭兩部分，控制箱上接出的5根線從左至右依次為A、B、C、D、E，C、D、E連接探頭，E為下水池上限水位控制點，水位上升達到E點水位，水與探頭接觸，水位控制器自動開泵，水池排水。D為下水池下限水位控制點，水位下降到D點水位以下，水與探頭脫離接觸，水位控制器自動關(guān)泵，水池停止排水，C為水池地線，放在比B點低的位置，其接線方式如圖5所示。

2? 結(jié)語

該文設(shè)計了一種基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理裝置，通過平衡進出裝置的水流流量實現(xiàn)自浮，同時利用裝置內(nèi)外形成的水位差，使水面漂浮垃圾自動流入收集艙。該裝置還配備遙控芯片和動力螺旋槳，可實現(xiàn)遠程遙控操作，能夠清理水面任意位置的漂浮垃圾。該裝置可用于大型人工湖面漂浮垃圾收集，也可對水深較淺水域的漂浮垃圾開展清理，如池塘、水景觀等。此外，該裝置還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、造價低、后期維護保養(yǎng)成本低等優(yōu)點，具有較大的市場應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 張智源，常明堂，宋佳運，等.基于生態(tài)設(shè)計的城市水上垃圾清理船設(shè)計研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（32）：108-110.

[2] 張倩.一種清理智能船的設(shè)計及應(yīng)用前景[J].技術(shù)與市場，2019，26（10）：114，116.

[3] 劉英.基于MSP430F149的水上漂浮垃圾打撈船模[J].化學工程與裝備，2019，274（11）：270-272.

[4] 王法鑫，倪云林，駱文彬.節(jié)能環(huán)保型水面垃圾清理船的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械工程師，2019（9）：25-27.

[5] 原建洋，竇巖，王少文，等.市面上典型水面垃圾清理船對比研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（7）：67-68.

[6] 李君華，李銳.基于生態(tài)設(shè)計的城市水上垃圾清潔器設(shè)計研究[J].美術(shù)大觀，2017（5）：128-129.

[7] 華洵，曹雪花.基于arm的水上垃圾清理機器人設(shè)計方法[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（1）：237-239.

[8] 蔡丹云.水上漂浮物生態(tài)打撈處理設(shè)備設(shè)計[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（25）：200-201.

[9] 孫佳興，李新.太陽能為動力源的海洋垃圾收集裝置研究[J].綠色環(huán)保建材，2019（12）：46，48.

[10] 張海軍，曹建波，方建軍，等.多功能水上垃圾清潔裝置設(shè)計[J].科技視界，2015（30）：81.

[11] 陳華勇，方鼎，洪錕，等.水上垃圾清理機器人[J].兵工自動化，2018，37（11）：94-97，101.