基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的浮游植物清理機(jī)械設(shè)計(jì)研究

王 欣

（荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，434020，湖北荊州）

1 引言

淡水是人類賴以生存的重要資源，然而全球可被有效利用的淡水總量并不充足，生態(tài)環(huán)境不斷受到破壞，《2019 中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，中國水域污染嚴(yán)重，水域環(huán)境治理仍是重中之重，其中水生植物是主要污染源之一[1]。國內(nèi)常見的水葫蘆等水生植物即是入侵物種，在20 世紀(jì)30 年代被引入中國，此物種繁殖速度極快且易使水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體出現(xiàn)赤潮等災(zāi)難，被世界范圍列為害草之一[2]。采用何種效率高、成本低且無害的方式解決這一問題成為關(guān)鍵。

最常用的方法包括人工或工程機(jī)械打撈、生物防治、化學(xué)防治等。已有水域垃圾清理船尤其是水生植物清理船常用于清理大江大河，難以清理小型水域[3-4]。國外，在此項(xiàng)研究上除了采用傳統(tǒng)的機(jī)械打撈方法和化學(xué)除草劑、抑制劑等方法防治外，還實(shí)施了有針對性的天敵昆蟲（如水葫蘆象甲等）防治技術(shù)，但外來引種如果沒有其“天敵”抑制，也會帶來禍害[5]。還有研究人員采用病原體微生物以降低浮游植物繁殖力的方式進(jìn)行控制，但這種真菌防治方式需要大規(guī)模篩選、馴化及培養(yǎng)當(dāng)?shù)厮w中的菌種才能進(jìn)行。

本研究針對小型河流、湖泊、公園等狹窄水域作業(yè)環(huán)境及水域浮游植物復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，提出了一種新型水域浮游植物清理機(jī)械的設(shè)計(jì)方法。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該浮游植物清理機(jī)械的主體結(jié)構(gòu)由采集機(jī)構(gòu)、輥切擠壓機(jī)構(gòu)、傳輸收集機(jī)構(gòu)、機(jī)架、控制器、電機(jī)、船式浮動(dòng)載體等構(gòu)成，主要工作部件裝于船體中，如圖1 所示。

圖1 浮游植物清理機(jī)械整體結(jié)構(gòu)圖

采集機(jī)構(gòu)由皮帶和主從動(dòng)輥筒構(gòu)成，采集機(jī)構(gòu)角度可調(diào)，適應(yīng)不同水面操作。輥切及擠壓收集機(jī)構(gòu)傳動(dòng)采用齒輪機(jī)構(gòu)，保證傳動(dòng)比確定，運(yùn)動(dòng)傳遞穩(wěn)定。

整體控制采用藍(lán)牙通信模塊、4G 網(wǎng)絡(luò)無線模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，利用網(wǎng)絡(luò)可用手機(jī)APP 控制，操控方便，極大程度減少人力投入。

該機(jī)械采用船體作為承載體，其上安裝有螺旋推進(jìn)器，通過控制器、4G 網(wǎng)絡(luò)信號、手機(jī)APP 可以實(shí)現(xiàn)較廣闊水域遙控作業(yè)。前端皮帶傳動(dòng)采集水面浮游植物，通過帶孔皮帶將浮游植物傳輸至擠壓導(dǎo)輪，同時(shí)有效過濾植物積水。通過導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)將采集的植物遞送至切段滾輪及擠壓滾輪，完成分切、擠壓，然后輸送至螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

螺旋推進(jìn)機(jī)構(gòu)由單獨(dú)電機(jī)提供動(dòng)力，將分切、擠壓后的植物傳輸給下方的平面滑塊機(jī)構(gòu)，最后由平面滑塊機(jī)構(gòu)完成采集植物的收集。

3 主要部件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 采集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采集機(jī)構(gòu)采用帶傳動(dòng)方式，選取調(diào)速直流減速電機(jī)作為動(dòng)力元件，選用50 mm 直徑的空心輥筒，皮帶采用聚酯材料制作，表面做有若干凸棱和孔，利于水生植物收集的同時(shí)順利將余水排出。在輥筒支撐位安裝軸承，電機(jī)軸通過聯(lián)軸器與皮帶主動(dòng)輥筒連接，驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)完成前段采集工作，有效將采集植物輸送至切段輥壓機(jī)構(gòu)。

3.2 輥切擠壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，擠壓導(dǎo)輪主要功能為將采集裝置采集的浮游植物進(jìn)行第一次擠壓并輸送給切段輥筒，實(shí)現(xiàn)滾切的順利進(jìn)行，在兩導(dǎo)輪之間設(shè)計(jì)有2 mm 間距，避免滾切時(shí)植物過多導(dǎo)致堆積或纏繞。其結(jié)構(gòu)由兩根光軸輥輪組成，在軸徑上安裝有外嚙合齒輪，通過齒輪驅(qū)動(dòng)主、從動(dòng)導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)功能。

圖2 輥切及擠壓機(jī)構(gòu)圖

輥切機(jī)構(gòu)由一個(gè)附帶刀片的切段輥筒、一組直徑76 mm 的主從動(dòng)擠壓輥筒組成。其中一根擠壓輥筒采用壓花工藝，在輥筒上方通過機(jī)架固定安裝有導(dǎo)板，防止纏繞。切段輥筒由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用碳鋼材料制作，刀片采用304 不銹鋼材料，通過螺栓連接于切段輥輪上。此部分結(jié)構(gòu)完成植物分段切割工作，主從動(dòng)擠壓輥筒由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)，將分段切割的植物輥壓輸送至傳輸收集機(jī)構(gòu)。

3.3 傳輸收集機(jī)構(gòu)

傳輸收集機(jī)構(gòu)處于整個(gè)機(jī)構(gòu)下方，由推進(jìn)螺桿（如圖3 所示）和平面滑塊機(jī)構(gòu)組成。推進(jìn)螺桿由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成切段后植物的二次擠壓、推進(jìn)，于推進(jìn)螺桿下方安裝布置平面滑塊機(jī)構(gòu)，將完成切段、擠壓后的植物進(jìn)行收集，便于后期處理或二次利用。

圖3 推進(jìn)螺桿

3.4 船式浮動(dòng)載體選用

水面浮動(dòng)載體采用全新聚苯乙烯EPS 顆粒泡沫材料，單體承重達(dá)到100 kg，本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采取雙體形式。總體安裝布置上將采集、輥切擠壓、傳輸收集機(jī)構(gòu)通過支座安裝于浮動(dòng)載體上。在水面浮動(dòng)載體尾端，安裝兩個(gè)船用推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)載體在水面的正常行駛。

3.5 電路搭建及遠(yuǎn)程控制

整體設(shè)備電源采用12 V 直流蓄電池，設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間為6 h。電路搭建及遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)部分主要由以下幾塊組成。

船式浮動(dòng)載體控制電路，采用藍(lán)牙通信模塊，控制兩個(gè)推進(jìn)器電機(jī)旋轉(zhuǎn)，分別實(shí)現(xiàn)直線、轉(zhuǎn)彎、掉頭行駛。采集、輥切擠壓、傳輸收集機(jī)構(gòu)由多組直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制電路采用速度調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。此控制部分通過搭建4G 網(wǎng)絡(luò)無線通信模塊，將電機(jī)控制與模塊連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時(shí)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程操作控制。

4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)及分析

4.1 傳輸收集平面滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

4.1.1 自由度計(jì)算

傳輸收集平面滑塊機(jī)構(gòu)簡圖見圖4，其自由度計(jì)算如下：

圖4 平面滑塊機(jī)構(gòu)自由度

式中：n=3，PL=4，PH=0。

故得到

4.1.2 平面滑塊機(jī)構(gòu)壓力角與自鎖分析

平面滑塊機(jī)構(gòu)以曲柄為主動(dòng)件時(shí)，最大傳動(dòng)角為90°。平面滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性中，以曲柄為主動(dòng)件時(shí)，沒有急回特性，極位夾角為0°。機(jī)構(gòu)不會自鎖。如圖5 所示。

圖5 平面滑塊機(jī)構(gòu)極限位置

4.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

整個(gè)設(shè)備齒輪傳動(dòng)部分主要集中于輥切擠壓機(jī)構(gòu)，電機(jī)將輸出軸的運(yùn)動(dòng)通過齒輪傳遞到切段輥筒、主從動(dòng)擠壓輥筒，在切段輥筒軸另一端安裝齒輪同步將運(yùn)動(dòng)傳遞給導(dǎo)輪。

電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，通過三個(gè)齒數(shù)45、模數(shù)2 的齒輪和一個(gè)齒數(shù)17、模數(shù)2 的惰輪傳遞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切段輥筒、主動(dòng)擠壓輥輪轉(zhuǎn)速一致，方向一致。其傳動(dòng)圖如圖6 所示。

圖6 齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)架材料采用Q235 型材，其承載采集機(jī)構(gòu)、輥切擠壓機(jī)構(gòu)、傳輸收集機(jī)構(gòu)，并將之連接起來。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通過靜載荷受力分析，機(jī)架主要要保證連接件安裝穩(wěn)定。故對機(jī)架利用三維設(shè)計(jì)軟件建立模型并作必要受力分析。通過軟件模擬施加載荷3 000 N 力，機(jī)架應(yīng)力如圖7 所示，機(jī)架變形在要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際驗(yàn)證過程中，機(jī)架以及其他機(jī)構(gòu)安裝在船式浮動(dòng)載體上，浮動(dòng)載體承重能力達(dá)到100 kg，能夠滿足承載要求。

圖7 機(jī)架應(yīng)力分析圖

6 結(jié)論

（1）基于UG 軟件設(shè)計(jì)并構(gòu)建了浮游植物清理機(jī)械主要結(jié)構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)部件模型，對各部分進(jìn)行了虛擬裝配，并對運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，對承載結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，證明了該設(shè)計(jì)符合相應(yīng)技術(shù)要求，提高了工作穩(wěn)定性。

（2）浮游植物清理機(jī)械采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信模塊控制船式浮動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)，可以適應(yīng)池塘、水庫、湖泊和流速緩慢的小河等不同水域，開展水生浮游植物收集。同時(shí)在船體上可設(shè)計(jì)加裝水質(zhì)檢測裝置，用于水體水質(zhì)采樣檢測，也可以拓展安裝4G 視頻檢測裝置，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測、巡航作業(yè)。

（3）結(jié)合浮游植物的生長特性，對采集、擠壓、切割等部分結(jié)構(gòu)提供了有效設(shè)計(jì)方案，通過試驗(yàn)有效證明了該設(shè)計(jì)的可行性，為今后進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)。