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

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》顯示，中國水域污染嚴重，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，在此項研究上除了采用傳統(tǒng)的機械打撈方法和化學(xué)除草劑、抑制劑等方法防治外，還實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，提出了一種新型水域浮游植物清理機械的設(shè)計方法。

2 整機結(jié)構(gòu)

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

圖1 浮游植物清理機械整體結(jié)構(gòu)圖

采集機構(gòu)由皮帶和主從動輥筒構(gòu)成，采集機構(gòu)角度可調(diào)，適應(yīng)不同水面操作。輥切及擠壓收集機構(gòu)傳動采用齒輪機構(gòu)，保證傳動比確定，運動傳遞穩(wěn)定。

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

該機械采用船體作為承載體，其上安裝有螺旋推進器，通過控制器、4G 網(wǎng)絡(luò)信號、手機APP 可以實現(xiàn)較廣闊水域遙控作業(yè)。前端皮帶傳動采集水面浮游植物，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機構(gòu)。

螺旋推進機構(gòu)由單獨電機提供動力，將分切、擠壓后的植物傳輸給下方的平面滑塊機構(gòu)，最后由平面滑塊機構(gòu)完成采集植物的收集。

3 主要部件及結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 采集機構(gòu)設(shè)計

采集機構(gòu)采用帶傳動方式，選取調(diào)速直流減速電機作為動力元件，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順利將余水排出。在輥筒支撐位安裝軸承，電機軸通過聯(lián)軸器與皮帶主動輥筒連接，驅(qū)動帶傳動完成前段采集工作，有效將采集植物輸送至切段輥壓機構(gòu)。

3.2 輥切擠壓機構(gòu)設(shè)計

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行第一次擠壓并輸送給切段輥筒，實現(xiàn)滾切的順利進行，在兩導(dǎo)輪之間設(shè)計有2 mm 間距，避免滾切時植物過多導(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)動主、從動導(dǎo)輪運轉(zhuǎn)實現(xiàn)功能。

圖2 輥切及擠壓機構(gòu)圖

輥切機構(gòu)由一個附帶刀片的切段輥筒、一組直徑76 mm 的主從動擠壓輥筒組成。其中一根擠壓輥筒采用壓花工藝，在輥筒上方通過機架固定安裝有導(dǎo)板，防止纏繞。切段輥筒由直流電機驅(qū)動，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，主從動擠壓輥筒由一個直流電機驅(qū)動，通過齒輪傳動，將分段切割的植物輥壓輸送至傳輸收集機構(gòu)。

3.3 傳輸收集機構(gòu)

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

圖3 推進螺桿

3.4 船式浮動載體選用

水面浮動載體采用全新聚苯乙烯EPS 顆粒泡沫材料，單體承重達到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、傳輸收集機構(gòu)通過支座安裝于浮動載體上。在水面浮動載體尾端，安裝兩個船用推進器，實現(xiàn)載體在水面的正常行駛。

3.5 電路搭建及遠程控制

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

船式浮動載體控制電路，采用藍牙通信模塊，控制兩個推進器電機旋轉(zhuǎn)，分別實現(xiàn)直線、轉(zhuǎn)彎、掉頭行駛。采集、輥切擠壓、傳輸收集機構(gòu)由多組直流減速電機驅(qū)動，其控制電路采用速度調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)電機轉(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，將電機控制與模塊連接，實現(xiàn)遠程控制。同時應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)手機APP 遠程操作控制。

4 機構(gòu)運動部件設(shè)計及分析

4.1 傳輸收集平面滑塊機構(gòu)運動分析

4.1.1 自由度計算

傳輸收集平面滑塊機構(gòu)簡圖見圖4，其自由度計算如下：

圖4 平面滑塊機構(gòu)自由度

式中：n=3，PL=4，PH=0。

故得到

4.1.2 平面滑塊機構(gòu)壓力角與自鎖分析

平面滑塊機構(gòu)以曲柄為主動件時，最大傳動角為90°。平面滑塊機構(gòu)的運動特性中，以曲柄為主動件時，沒有急回特性，極位夾角為0°。機構(gòu)不會自鎖。如圖5 所示。

圖5 平面滑塊機構(gòu)極限位置

4.2 齒輪傳動機構(gòu)

整個設(shè)備齒輪傳動部分主要集中于輥切擠壓機構(gòu)，電機將輸出軸的運動通過齒輪傳遞到切段輥筒、主從動擠壓輥筒，在切段輥筒軸另一端安裝齒輪同步將運動傳遞給導(dǎo)輪。

電機主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，通過三個齒數(shù)45、模數(shù)2 的齒輪和一個齒數(shù)17、模數(shù)2 的惰輪傳遞運動，實現(xiàn)切段輥筒、主動擠壓輥輪轉(zhuǎn)速一致，方向一致。其傳動圖如圖6 所示。

圖6 齒輪機構(gòu)傳動示意圖

5 試驗驗證

機架材料采用Q235 型材，其承載采集機構(gòu)、輥切擠壓機構(gòu)、傳輸收集機構(gòu)，并將之連接起來。在實驗環(huán)節(jié)通過靜載荷受力分析，機架主要要保證連接件安裝穩(wěn)定。故對機架利用三維設(shè)計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，機架應(yīng)力如圖7 所示，機架變形在要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。在實際驗證過程中，機架以及其他機構(gòu)安裝在船式浮動載體上，浮動載體承重能力達到100 kg，能夠滿足承載要求。

圖7 機架應(yīng)力分析圖

6 結(jié)論

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

（2）浮游植物清理機械采用電機驅(qū)動方式，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信模塊控制船式浮動載體運動，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。同時在船體上可設(shè)計加裝水質(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，實時遠程監(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)計方案，通過試驗有效證明了該設(shè)計的可行性，為今后進一步研究提供了基礎(chǔ)。