小型自動化履帶式沙灘垃圾清潔車設計

符瓊俊，曹航浦，潘 旭，鄧志遠，張開心，林 權＊

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300）

近年來，沙灘污染已經成為國內外重要討論的議題，海岸沙灘垃圾越來越多，沙灘污染日益嚴重[1-4]。沙灘垃圾的來源主要有兩個，一個是海洋垃圾經過潮漲潮落飄到沙灘上，另一個是游客將垃圾遺落在沙灘上。目前國內外對于沙灘垃圾處理的方式主要分為人工垃圾清理和機械清理，人工清理勞動量大，且效率較低，現有的沙灘清理設備大多存在結構復雜、價格昂貴、噪音大等問題[5-8]，因此研發一種小型自動化履帶式沙灘垃圾清潔車，用于解決人工垃圾清理效率低的問題。

1 清潔車結構設計

1.1 總體結構設計

清潔車總體結構見圖1，主要分為3 部分：履帶裝置、鏟沙裝置、篩網振動裝置。其中履帶裝置能夠適應沙灘坑坑洼洼的地形，具有良好的抓地力；升降式鏟沙裝置可控制沙灘車的清潔深度；篩網振動裝置實現垃圾與沙礫的分離，最后使用收集箱收集篩分出來的垃圾，完成沙灘垃圾的收集工作。

圖1 作品總體結構

1.2 關鍵部分結構設計

1.2.1 履帶裝置結構設計

圖2 為履帶裝置截面結構，主要由導向輪5、承重輪4、驅動輪2、履帶3 以及履帶支撐板1 組成，清潔車有兩組履帶裝置。履帶3 選擇鋁合金材質以滿足履帶總裝的強度和剛度及耐磨度要求；履帶3 與地面接觸長度約占車身總長的，使之與地面有良好的附著性能；使用直流減速電機作為驅動輪2 的動力來源，控制減速電機帶動驅動輪2 轉動，驅動輪2 與履帶3通過鏈傳動傳遞動力，帶動履帶3 轉動；導向輪5 能夠保證履帶的正確位置，防止履帶裝置脫鏈的情況發生；承重輪4 用來承受清潔車的整體重力，并且能夠保證履帶3 的正確運動軌跡，最終實現清潔車的直線前進與后退。最后通過控制使得兩組履帶裝置轉速不一致，產生差速，實現清潔車的轉向。

圖2 履帶裝置截面結構

1.2.2 鏟沙裝置結構設計

鏟沙裝置見圖3，主要由沙鏟4、鉸鏈板2、電動推桿1 和連接板3 所組成。電動推桿1 上端采用鉸鏈連接，連接板3 與沙鏟4 固定，在電動推桿1 的帶動下，沙鏟4 可繞該旋轉副轉動一定角度，從而控制沙鏟4插入沙面的深度，實現清潔車對沙灘清理深度的調整。在清潔車工作時，電動推桿1 帶動沙鏟4 向下轉動，使得沙鏟4 能夠插入沙面。伴隨著清潔車向前行駛，沙鏟4 不斷地進行著垃圾的鏟取，而沙灘上的垃圾會伴隨著沙子順著沙鏟4 向上滑動，完成垃圾的鏟取工作。

圖3 鏟沙裝置

1.2.3 篩網振動裝置結構設計

篩網振動裝置見圖4，主要由篩網1、電機固定板2、雙軸減速電機3、凸輪4、連桿5、搖桿6、光軸7 組成。該裝置是清潔車能夠實現沙灘上垃圾與沙粒篩分并且收集垃圾的核心裝置，篩網振動裝置的動力源是雙軸減速電機3，驅動由篩網1、凸輪4、連桿5、搖桿6和光軸7 組成的兩組平行布置的五連桿機構。其中凸輪4 為該五連桿機構的主動件，帶動篩網1 進行振動，使得篩網1 能夠實現垃圾與沙粒的篩分。兩組五連桿機構帶動篩網1 進行振動，在振動過程中，細小的沙粒穿過篩網1 的縫隙，回到了沙灘上，而體積較大的垃圾，如瓜子殼、煙頭、碎貝殼則無法穿過篩網1的縫隙，被留在了篩網1 上。并且伴隨著篩網1 不斷的振動，這些垃圾會順著篩網1 往后跳動和移動，完成沙灘垃圾和沙粒的篩分，最后離開篩網1，落入清潔車的收集箱。

圖4 篩網振動裝置

2 清潔車主要幾何參數設計

2.1 總體尺寸設計

參考意大利PFG 公司的自行進履帶式巴拉酷達型沙灘清潔車，該沙灘清潔車屬于較小型的一種，車身長×寬×高=1 700×900×900 mm，本課題組依據巴拉酷達型沙灘清潔車的60%～70%尺寸比例進行總體尺寸設計，確定整機寬度為550 mm，機架總長為1 100 mm，整機總高為600 mm。整機寬度為550 mm，其中進沙口的寬度450 mm，近似正常成年男性肩寬，即該清潔車運行可覆蓋的區域是正常人行走的距離。依據成年人膝關節到腳底板距離大致為身高的，即一位1.75 m 身高成年人其膝關節離地大約為437.5 mm，手落下到膝蓋的距離約為100 mm，即雙手離地的距離為537.5 mm，作為整機高度為600 mm 的設計依據，使成年人可以不用彎腰，雙手即可觸碰到設備，符合人體工程學。

2.2 履帶結構尺寸設計

圖5 為履帶裝置三維結構，橡膠履帶寬度為50 mm，厚度為5 mm，履帶總長300 mm，驅動輪的履帶輪半徑R=400 mm；履帶寬度為500 mm，高度為150 mm，履帶支撐板與履帶固定板分別選用厚度8 mm和6 mm 鋁合金1020 可滿足剛度要求。

圖5 履帶裝置三維結構

2.3 沙鏟尺寸確定

圖3 中沙鏟寬度為400 mm，長度為330 mm，嵌入沙子的深度可調節，范圍為0～20 mm，當沙鏟嵌接觸沙地表面時，沙鏟與地面的斜度為15°，當嵌入到20 mm 深時，沙鏟與地面的斜度大約為22°，一般情況下，沙鏟的斜度小于30°，都可以將沙子推送到鏟沙裝置中后端。

2.4 凸輪連桿機構尺寸確定

該凸輪連桿機構的運動軌跡模擬了在農村中常用的簸箕顛去稻米中的雜質和空殼的方法，連桿凸輪具體尺寸見圖6。凸輪連桿機構運動軌跡規律遵循如下規律：（1） 連桿上的點越趨近于凸輪中心，軌跡越趨近于圓；（2） 連桿上的點越遠離凸輪中心，軌跡越趨近于一條弧線。

圖6 連桿與凸輪零件

3 履帶式沙灘清潔車創新點

首先，該清潔車的沙鏟可以升降，易于調節沙灘清潔深度；其次，該清潔車可遠程控制，從而降低工人勞動強度；最后，該清潔車的篩網振動裝置使用凸輪連桿機構，運動穩定可靠，簡化了機械結構。

4 結論

本課題組研發設計的小型自動化履帶式沙灘垃圾清潔車，通過參考農村簸箕顛除稻米中雜質和空殼的原理，采用凸輪與平面四桿機構帶動篩網振動實現垃圾分離與收集，結合履帶裝置、鏟沙裝置，以及車架基礎單元、垃圾收集單元、動力單元，實現了沙灘垃圾自動化清理，通過實物樣機制作和調試，驗證了在沙灘上收集垃圾的可行性，該裝置與市場上已有的其他產品相比，具有體型小巧，能源清潔，結構新穎，使用便捷等優點。