關于沿海沙灘清理車的設計研究

吳東軍，張玉峰，周睿杰，劉泓良，字天成

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

近幾年隨著國內經濟的發展，人民生活水平不斷提高，旅游逐漸成為大多數人鐘愛的娛樂方式.而沿海沙灘優美的環境和恬靜的氣息受到廣大旅客的推崇.但由于旅客整體環保意識薄弱，沿海沙灘垃圾數量日益增加，對我國沿海地區環境和海洋環境造成嚴重污染[1].據美國的一項報告表明：全球每日產生海灘垃圾3 700 t，香煙和塑料袋成為全球海洋環境的頭號“殺手”.經調查，國內沙灘常見的垃圾主要有塑料瓶，易拉罐，包裝袋等，這類垃圾很難分解回收，對環境造成嚴重污染[2-4].沙灘垃圾污染已經給海岸帶及近岸海洋生態系統造成巨大的壓力，嚴重影響了人類的生存與發展[5].

基于上述沿海沙灘垃圾問題，目前國內對沙灘清理車的結構設計有多方面的研究，相關技術都具有一定基礎，對沙灘垃圾的清理有重要意義[6].但是每個國家的沙灘環境狀況各不相同，并且我國的海岸線較長，沿海面積較大，而我們設計的這款清理車是符合大面積沙灘垃圾的清理，是以機械代替人工，實現高效清理與有效分類，并且成本低，安全性能高，有較高的使用價值.

1　整機結構設計與工作原理

1.1　整機結構設計

該機的結構主要有機架、鏟沙機構、篩分機構、鏈條齒輪傳送機構以及收集裝置等組成.其核心為鏟沙機構和篩分機構，三維如圖1所示.

圖1　沙灘清理車整體三維模型

1.2　工作原理

該機器主要由小型牽引車通過懸掛式牽引進行工作，以電動機為動力元件，電源采用車載蓄電方式.根據工作區域的情況，在行進過程中通過牽引車液壓系統控制鏟沙刀兩側的液壓油缸來調節鏟沙刀入沙深度，進行鏟沙.沙子和海灘垃圾一起進入篩分機構后，篩分機構由電機驅動鏈條機構傳動，齒輪帶動兩層篩分板中間的曲桿轉動使篩分板抖動.抖動過程中沙子與沙灘垃圾分離，垃圾進入收集裝置，至此沙灘垃圾收集完成[7,8].

2　主要部件的結構設計

2.1　機架的設計

機架的設計主要考慮自身的穩定性，強度，材料選擇，尺寸大小等問題.在機架上主要安裝有鏟沙刀，篩分板，調節桿，鏈條齒輪傳動機構，電動機，收集箱等裝置.在保證各個部件安裝位置準確的前提下，還要減輕整機質量，提高工作強度.因此我們設計的整機機架的尺寸2 100 mm×1 120 mm×855 mm，整機質量約250 kg.它主要由牽引架，橫梁，左右兩側板等組成.如圖2所示.

圖2　機架三維效果圖

2.2　鏟沙機構的設計

鏟沙機構主要由鏟沙刀和伸縮桿組成，如圖3所示.根據工作地點的沙地松軟程度調節鏟沙機構的高度，防止鏟沙刀鏟入沙土深度太深損毀機構.當在適宜的鏟沙深度工作時，鏟沙機構上的鏟刀會分離大多數的沙土，少部分體積較大的沙土和垃圾會進入篩分機構.

圖3　鏟沙機構

(1)鏟沙刀的材質和性能的選擇：根據國內資源及使用要求，研制了31Si2CrMoB、40SiMnTi鋼、65Mn，并且對這三種材料的耐磨性能進行了試驗.對三種材料的耐磨性、塑性、沖擊性、以及適用機型進行了統計.如表1所示.

通過查閱相關資料和一些基礎實驗研究，最終確定了選用了65Mn作為鏟沙刀的主要材料.65Mn具有較好的耐磨性，較強的塑性以及抗沖擊性.

(2)伸縮桿的設計：它是將牽引車配置的液壓系統改裝，然后通過手動加壓控制沙灘清理車鏟沙刀.目的是根據鏟沙刀所受阻力使用液壓裝置對鏟沙刀的傾斜角度和鏟入深度進行調節，調節鏟沙器的一端與清理車的側板固定，另一部分與前車架通過絲杠連接，達到調節并維持鏟沙刀傾斜角度的目的，以保證鏟沙刀在更適宜的鏟入深度下工作，不會因為鏟沙阻力太大而損毀[9].

2.3　篩分機構的設計

圖4為篩分機構的整體結構，主要由電機、齒輪、鏈條等機構組成.當沙灘清理車工作開始時，電機開始工作帶動鏈條傳動，鏈條帶動齒輪機構中的曲桿轉動使篩分機構抖動，沙塊發生受迫震動至破碎，從篩分機構的孔中落下，包裹在垃圾中的沙子被抖出并從篩分機構的孔中落下，從而達到將沙子與垃圾分離的目的.分離后的垃圾通過傳送機構進入收集裝置.

圖4　篩分機構

2.4　傳送機構的設計

由以上公式可知，鏈條的振動頻率f與z1、n1、t有關，它們之間既互相聯系又相互制約.

2.5　收集裝置的設計

沙灘清理車還安裝了簡易的垃圾回收裝置，將垃圾箱分為可回收區和不可回收區，經過垃圾的分離機構，收集來的垃圾分別進入不同的箱中.垃圾分類回收裝置是通過螺旋輸送桿機構設計[11].由兩個螺旋輸送桿組成，并采用兩端螺旋反向的設計使可回收垃圾輸送到可回收垃圾箱中，不可回收的垃圾在輸送過程中由于形狀和尺寸的不同進行分離[12,13].結構如圖5所示.

圖5　垃圾收集裝置

在此研究基礎上，完成了基本模型樣機的加工制作，實物如圖6所示.

圖6　沙灘清理車模型樣機

3　結　　論

(1)本次研究通過Solidworks等軟件進行建模與分析，完成了沙灘清理車的結構設計與優化.清理車可完成沙灘垃圾的收集、篩除和分類三項工作，并可以根據實際情況調整鏟沙裝置的鏟入深度，確保垃圾清理工作順利進行.

(2)根據研究結果和設計圖紙制作了模型樣機，但由于實驗條件限制，暫時在清理功能的實際驗證方面尚存在一些欠缺.

參考文獻：

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[3]趙肖,綦世斌,廖巖,等.我國海灘垃圾污染現狀及控制對策[J].環境科學研究，2016(10).

[4]李瑞,黃慧玲.我國濱海旅游發展現狀特征與趨勢分析[J].寧波大學學報：人文科學版，2011(6).

[5]王紅衛.三亞集中清理整治沙灘環境[Z].海南日報,2009-07-19(A02).

[6]古今王可軍.海濱浴場沙灘垃圾自動清掃車中國：ZL97245222.2，1999-02-24.

[7]黃文順.沙灘清潔車沙地通過性試驗研究[D].廈門：廈門大學,2011.

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[10] 王集思,劉興德,盧偉宏.特種鏈條抽油機結構設計[J].吉林化工學院學報,2016,33(11)：55-57.

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[12] 漢維梓，董軍.機載沙灘清潔裝置[P]：中國ZL200420053058.4，2005-10-15.

[13] 孫曉杰,王洪濤,陸文靜.我國城市生活垃圾收集和分類方式探討[J].環境科學與技術，2009，(10).