水上漂浮物垃圾處理設備關鍵技術研究

摘 ?要：通過相關的水上漂浮物垃圾處理設備對水上漂浮物垃圾進行更加高質、高效的處理，從而使得水環境得以保持，不管是對于城市環境還是市民生活都意義重大。因此，本文主要對水上漂浮物垃圾處理設備關鍵技術進行了相關研究。

關鍵詞：水上漂浮物;垃圾處理設備;收集筐;結構方案;PLC控制系統

中圖分類號：TV697.3;TP273 ???文獻標識碼：A?文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

水是城市發展建設中不可或缺的資源，但是隨著我國工業化的發展，我國城市水上漂浮物垃圾大范圍增加，給城市的進一步發展以及居民的生活帶來了極大的危害。對此，國家環境部門給予了極大的重視，積極組織相關人員對水上漂浮物垃圾進行處理，并利用相關的水上漂浮物垃圾處理設備對水上垃圾進行打撈處理，從而確保水環境的質量。

1 水上漂浮物垃圾處理設備設計要求

設計水上漂浮物垃圾處理設備一般要遵守以下要求：

（1）由于水上漂浮的垃圾有較多種類，如枯樹枝、爛葉、水草等一些生活小垃圾，所以在設計垃圾處理設備時必須考慮到水上漂浮垃圾的種類，從而進行針對性的設計。

（2）由于不同的水體對于垃圾處理設備的要求不同，所以在設計時需考慮到不同水體對設備的腐蝕程度，在設備中必須設置防銹、防腐蝕和防水裝置，從而確保垃圾處理設備的安全性，降低垃圾處理設備發生故障的幾率，延長設備的使用周期。

（3）由于需要依靠水上漂浮物垃圾處理設備的收集裝置來收集水上漂浮垃圾，為了提高垃圾收集的效率，就必須對收集裝置的連續性進行設計，使得收集裝置可以連續自動化作業。

2 水上漂浮物垃圾處理設備結構方案

2.1 收集筐的設計

在設計收集筐時，一般從以下兩個方面進行：

（1）收集筐的結構（如圖1）。在對收集筐設計時，首先要考慮到水上漂浮垃圾處理所在的水域與面積，本文所涉及到的水上漂浮物垃圾處理設備主要涉及到的是小型的水域與面積，而在處理水上漂浮垃圾的過程中最為重要的部分就是收集裝置，收集裝置主要是由收集筐組成，并對水上打撈的漂浮垃圾進行處理和打撈。所以，收集筐的設計是整個水上漂浮垃圾打撈作業的重中之重，它直接影響到垃圾處理的質量和效率。收集筐主要是由主體、推移板和無桿氣缸組成。其中，收集筐主體主要是負責收集水上漂浮垃圾，從而為漂浮垃圾的打撈提供儲存空間，在設計時要給收集筐的各個面都保留足夠的細縫，這樣可以將漂浮垃圾中的水分進行過濾，也不會因為縫隙過大而擔心垃圾逸出。推移板的結構相對簡單，只要在推移板的薄鋼板上留出足夠數量的細縫就行，它的主要作用是將收集到的垃圾倒到垃圾收集設備中。無桿氣缸箱則主要是為安裝無桿氣缸提供平臺，同時能夠保護無桿氣缸，將其進行模塊化設計將更加有利于對裝置的拆裝。

（2）尺寸設計。因為水上漂浮物垃圾處理設備處理的垃圾是漂浮在水面上的，所以水上漂浮物垃圾處理設備需要在水上作業，從以往的設備來看，處理設備沒入水中的深度不得超過100毫米。對此，不管是設備空載還是滿載，收集筐在反轉的過程中，設備底端沒入水中的深度應該超過150毫米，這樣才能夠有效地對水上漂浮垃圾進行處理打撈。此外，收集筐也不能夠太深，其深度最好控制在490毫米，收集筐的長度為1400毫米，寬為700毫米，高為490毫米。

2.2 工作原理

通過分析水上漂浮物垃圾處理設備收集裝置工作原理可知，收集裝置主要依靠收集筐來實現對水上漂浮垃圾的打撈收集，所以收集筐是整個收集裝置功能的體現。收集筐的驅動部分主要有活塞和無桿氣缸兩種。其中，活塞氣缸主要是控制收集筐的翻轉方向，如果收集筐進行正向翻轉，收集筐在過濾完多余的水體后可對水上垃圾進行收集;如果收集筐進行反向翻轉，收集筐在設備前進的過程中可利用水體的流動性對水面垃圾進行打撈。無桿氣缸則主要負責推移板的運行，當打撈的垃圾中的水土被過濾后，推移板則負責將垃圾推送至垃圾處理設備中。

2.3 工作流程

在水上漂浮物垃圾處理設備運行過程中最重要的就是收集筐，其最主要的作用就是對水面漂浮垃圾進行打撈，并將其收集到垃圾處理設備中。收集筐的工作流程如下：（1）在起始位置時，收集筐的活塞氣缸未伸出活塞桿進行水平收集，當收集筐的工作時間達到預定時間時，活塞氣缸伸出活塞桿并通過正向翻轉將其升至最頂端，此時的推移板處于垂直狀態。（2）當無桿氣缸工作時，氣缸的滑臺利用正向移動將推移板帶出，從而將打撈到的水上漂浮垃圾傾倒在水上漂浮垃圾處理設備中。（3）當推移板被推導最頂端后，無桿氣缸的活塞桿發生調換，氣缸的滑臺反向移動，將推移板推送至收集筐最低端位置。（4）如果需要再次打撈水上漂浮垃圾，活塞氣缸開始縮回，直至收集筐處于水平狀態，如此反復進行。

2.4 氣缸輸出力計算

在對水上漂浮物垃圾處理設備的氣缸輸出進行計算時，主要從以下幾個方面出發：

（1）水上漂浮物密度。水上漂浮物垃圾處理設備主要處理的是水上的漂浮物以及生活垃圾等，通過處理這些垃圾實現凈化水質的作用。在水上漂浮垃圾中，因為水生植物的吸水性將強，切割水草的質量通常大于其余漂浮垃圾，所以在對水上漂浮物密度進行計算時通常將水草作為參照物。通過實驗發現，在計算水葫蘆以及苦草的密度時，苦草的密度低于水葫蘆，所以水草的密度以計算水葫蘆的密度為主，將水葫蘆放置于盆中進行稱重，盆的半徑（r）為0.1m，高（h）為0.3m。其體積計算公式為：

V =πr²h（1）

計算出盆的體積為0.0094m³，也是水葫蘆的重量，根據密度公式可計算出水草密度為204.26kg/m³。

（2）活塞氣缸安裝位置。在計算的過程中根據氣缸的特點可知，當兩倍活塞桿伸出時氣缸的長度要長于活塞桿完全伸出時的氣缸長度，以設備的最上端為X 軸方向，以活塞氣缸和支撐板鉸接點即點 A所在位置的豎直方向為Y 軸，建立坐標系。通過相關計算分析可知，當a的值越大，坐標軸上的矢量距離會縮短，也就是說在擁有同樣矢量力的情況下，力矩越大，選擇的活塞氣缸的缸徑越小。可是，如果a的值過大，就會導致氣缸的安裝位置較低，使得氣缸沒入水中的深度加大，提高了活塞氣缸受腐蝕的幾率，因此a需要取中間值，也就是a的取值為130，最終計算出B的取值為310，進而得出氣缸的行程距離范圍在196至203毫米之間。

（3）氣缸受力計算。在對活塞氣缸的收集進行分析時首先要分析收集筐的承重，而收集筐的體積公式為

V=c*b*a （2）

c、b、a表示收集筐的高、寬和長。收集筐的質量公式為：

m=ρ*V（3）

根據相關的數據得出，收集筐的體積為0.374m³，收集筐中水草的質量為34kg，從而知道收集筐的質量為12kg。通過對翻轉方向時的受力分析可知，當收集筐位于頂端位置時，收集筐的受力為G₀，收集水草的重力為G₁，氣缸輸出力為F，其中重力計算公式為：

G=mg （4）=

氣缸輸出力公式為：

F=（G₀L₀+?G₁L₁）/L（5）=

通過對氣缸的負載力、負載臂力以及輸出力臂計算后可知氣缸的輸出力為2677N。

3 PLC控制系統設計

將PLC控制系統應用于水上漂浮物垃圾處理設備中對于水上漂浮物垃圾處理具有重要的意義和作用，因此，對PLC控制系統的設計可以從以下幾方面出發：

（1）PLC控制模塊。PLC控制模塊具有獨立的控制系統，它需要具備35個I/O接口點，其中包括了14個輸出點和21個輸入點。在選擇PLC控制模塊時最常使用的是西門子CPU226CN，之所以會選擇這一類型的控制器，是因為它有16個輸出點和24個輸入點，I/O接口更多，更加利于信號的傳輸，同時它的脈沖輸出遠高于其它的設備，能夠更加快速地驅動電機運行，從而有效地提高水上漂浮物垃圾處理設備的運行效率和質量。

（2）變頻器模塊。對于該變頻器模塊通常選擇西門子Micromaster?420變頻器，之所選擇它是因為相較于其它的變頻器，它更加節能且可調整變頻速度。在垃圾處理設備機構入口設有光電傳感器，當傳感器檢測到有垃圾需要處理時，會及時地將垃圾信息反饋給變頻器模塊，然后通過PLC啟動變頻器，變頻器可根據不同的垃圾設置不同的變頻速度和參數，從而更加高效地驅動變頻器工作，提高垃圾處理的效率和質量。

（3）步進驅動模塊。該驅動模塊主要包含了步進電動機和步進驅動器，通過PLC來控制脈沖個數，從而實現精準定位的目的，它主要用于控制垃圾處理設備運行時的旋轉速度和角度。一般使用的設備是森創公司的三相混合式步進電機，其型號為57BYG 350CL，它的步距角非常小，只有1度左右;它的旋轉方向是由PLC的輸出點控制的，而垃圾處理設備運行中的旋轉速度和角度是由輸出的脈沖信號控制的，這樣通過PLC來控制垃圾設備運行時的旋轉速度和角度可有效提高水上垃圾處理的效率，給水環境治理帶來極大的便利。

4 實際應用與結論

這些年來，隨著我國各個地區水上漂浮物垃圾數量的增多，水上漂浮物垃圾處理設備常用于對水上漂浮物垃的打撈處理，設備利用PLC控制系統集中對各機構進行科學自動化控制操縱，并且在設備中安裝了相關的航行信號標志。而通過對該設備的應用，對于我國的水上漂浮物垃圾處理的效率和質量都有所提高，給我國水環境的保護帶來了極大好處。

參考文獻

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收稿日期：2019-07-25

^*課題資助基金：浙江省教育廳科研項目（Y201329634）

作者簡介：蔡丹云（1975—），女，浙江諸暨人，碩士，講師，研究方向：機械設計。