一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結構設計

盧思雨， 張建偉， 王穩

（浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山316022）

關鍵字：垃圾清理；水體增氧；環保設備

0 引 言

近年來，人們環保意識逐漸提高，由于湖面為露天公共環境，居民生活用水排放使水體含磷量增加，造成水中浮萍、綠藻等大量繁殖，長此以往不僅會影響水質，造成水環境污染，也會使水體內的水生物缺氧死亡。垃圾丟棄問題同時也會造成湖水的污染，湖邊綠植落葉或者人為丟棄的塑料瓶、塑料袋等會使湖面有漂浮垃圾，這不僅影響美觀，同時湖面清理起來也較為麻煩。

目前針對于湖面垃圾的清理，通常是環保部門人員用網沿著岸邊打撈，或者劃船用網兜清理，其人工成本過于高昂，并且打撈頻率不高，效率更是不盡人意。此外，現有的水面垃圾清理裝置往往功能單一，普適性較高、針對性不強，不能針對人工湖或養殖魚塘等水域的情況進行特定高效的垃圾清理[1-6]。

針對以上問題，本文提出了一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結構設計，通過水車式垃圾收集機構、輸送機構及驅動機構，實現湖面垃圾的收集、傳送和儲存，減少了環保部門在湖面清理方面的人工投入，有效地提高了水面垃圾打撈的工作效率。同時，此設計還可增加水體含氧量，解決水體氧氣不足造成的魚類死亡問題，提高養殖魚類的存活率。清理船以單片機作為控制中心，通過自動控制算法實現路徑規劃，使清理船在一定區域自主巡航。

1 一種水車式湖面垃圾清理雙體船

目前的湖面垃圾清理大多為人工定點式網兜打撈，不僅費時費力，而且對于工作人員的安全保障不到位。此外，對于人工湖或養殖魚塘等不流動的水體，普遍于水面上設置增氧機，以增加水體含氧量，降低水生物死亡率[7-8]。針對上述問題，本文主要從湖面垃圾的自動清理及水體增氧等兩方面進行探究，將垃圾清理和水體增氧有機結合，提出了一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結構設計，裝置如圖1、圖2所示。

圖1 水車式湖面垃圾清理雙體船主視圖

圖2 水車式湖面垃圾清理雙體船簡圖

裝置的兩個船體結構之間設有連接梁，水車式垃圾清理機構通過第一轉軸架放在兩船體之間，水車上的弧形彎板入水、出水即可將垃圾收集；船體兩側設有轉葉板，由驅動電動機作為動力源，驅動雙體船在湖面上移動；垃圾清理機構后設有毛刷、高壓噴頭及傳送帶，構成垃圾輸送機構，毛刷和高壓噴頭通過第二轉軸設于船體之間；垃圾收集框位于兩船體后方；單片機控制系統主要實現清理船在工作區域內的自主巡航。清理船工作時，垃圾由弧形彎板收集，再經毛刷、高壓噴頭，沖落于傳送帶上，最后輸送進入垃圾收集框內，實現水體垃圾的打撈。在此過程中，弧形彎板入水、出水，可將湖水暴露于空氣中，在重力作用下，湖水再經弧形彎板上的流水孔進入水體，提高了水體含氧量；高壓噴頭的水源來自于工作水體，在將弧形彎板內的垃圾沖至傳送帶的過程中，也可實現水體的增氧。

2 主要系統及結構設計

2.1 水車式垃圾收集機構設計

由于現有垃圾打撈方法和打撈裝置的效率較低，且普通的打撈裝置對于湖面垃圾清理的針對性不強，不具備多功能性。因此，本文設計了一種水車式湖面垃圾清理雙體船，尤其設計了一種水車式垃圾收集機構，以實現湖面垃圾的清理及水體的增氧,如圖3、圖4所示。水車式垃圾收集機構主要由圓環形車架和弧形彎板構成，圓環形車架通過第一轉軸設于兩船體之間，車架上設有若干個固定桿，弧形彎板通過套管設于固定桿上，可繞著固定桿轉動；弧形彎板通過隔板與套管連接，板上均設有流水孔；弧形彎板靠近船體的左側邊上設有第一永磁鐵，船體內側靠近圓環形車架左下角的位置設有與第一永磁鐵磁極相反的第二永磁鐵。雙體船行進過程中，水流逆船行方向流動，從而帶動水車式垃圾收集機構逆時針轉動，弧形彎板入水、出水，即可實現水面垃圾的收集，湖水經流出孔流回湖內。在此過程中，由于弧形彎板入水時方向無法確定，從而導致入水阻力增大，為減少能量損耗，弧形彎板及船體側面加設了磁性相反的永磁鐵。當弧形彎板移動至接近水面時，彎板左側的第一永磁鐵與船體側面的第二永磁鐵產生吸引力，使得弧形彎板繞固定桿順時針轉動一定角度，從而實現了弧形彎板入水時與水平面存在一定夾角，降低了入水阻力，第一、第二永磁鐵距離加大后，弧形彎板恢復水平。同時，部分湖水不斷地通過流水孔下落至水面，可實現水體的增氧，以提高水體內魚類存活率。水車式垃圾收集機構的最大特點在于同時實現了垃圾收集及水體增氧，同時動力由行進過程中的水體流動提供。

圖3 水車式垃圾收集機構俯視圖

圖4 水車式垃圾收集機構主視圖

2.2 垃圾輸送機構設計

船體行進中，水車式垃圾收集機構持續逆時針轉動，在弧形彎板收集到垃圾后，就需將垃圾轉移至垃圾儲存框內，因此，本文同時進行了垃圾輸送機構的設計，如圖5、圖6所示。垃圾輸送機構主要由毛刷、高壓噴頭、導向桿和傳送帶組成。毛刷、導向桿和噴水管直接設于第二轉軸上；轉動桿末端設有導向輪；集水腔設于第二轉軸內，噴水管與集水腔和高壓噴頭連接；傳送帶斜向設于毛刷下方。清理船開始工作，第一電動機及電動機水泵啟動，轉動桿帶動毛刷和導向桿轉動，當弧形彎板運動至接近毛刷的位置時，導向桿通過導向輪將弧形彎板繞著固定桿順時針轉動，毛刷同時動作，將弧形彎板內的垃圾掃落至傳送帶上，高壓噴頭將水噴射到弧形彎板上，使得垃圾沖刷更為徹底。此過程中，高壓噴頭與毛刷實現了弧形彎板上垃圾的徹底清掃，同時，噴出的水經空氣進入水體，可進一步提高湖水含氧量。

圖5 垃圾輸送機構主視圖

圖6 毛刷、噴水管局部放大圖

2.3 清理船驅動機結構設計

如圖7所示，本設計使用轉葉板作為驅動機構。當裝置工作清理水面垃圾時，水流沖擊水車式垃圾收集機構進行垃圾打撈工作。在此過程中，轉葉板在水體中進行轉動，可使水體活動，起到了水體增氧的作用，提高了湖內生物存活率。此外，雙體船結構使得船體運動更加平穩，打撈后得到的垃圾不易向周圍掉落，使得打撈工作更加徹底、方便，有效提高了垃圾打撈的效率。

圖7 驅動機構俯視圖

3 系統工作流程

如圖 8 所示，清理船以單片機作為控制中心，使船體能夠在一定的工作水域內巡航，工作開始時，雙體船在水面航行，電動機驅動轉葉板轉動，在水流沖擊作用下，水車式垃圾收集機構通過第一轉軸逆時針轉動；弧形彎板逐漸靠近水面，在永磁鐵的作用下，弧形彎板繞固定軸轉動，形成與水平方向呈一定角度入水，繼而磁力減弱，彎板水平浸入水中，出水后實現湖面垃圾的收集；打撈過程中存于弧形彎板上的湖水通過流水孔回落到湖中，實現水體的增氧；垃圾清理工作開始時，船體空腔內的第一電動機啟動，帶動第二轉軸順時針轉動，從而帶動毛刷及導向桿轉動；當弧形彎板運動至靠近毛刷時，導向桿通過導向輪使弧形彎板繞固定軸順時針轉動一定角度，以利于垃圾傾倒至傳送帶上；毛刷作用于弧形彎板內凹面，將垃圾掃落至傳送帶上；電動水泵同第一電動機一起啟動，將湖水抽至集水腔內，再通過高壓噴頭將湖水噴出，對弧形彎板進行沖刷，實現垃圾的完全掃落，同時增加湖水含氧量；垃圾落至傳送帶，繼而通過傳送帶將垃圾運送至垃圾收集框內，實現水面垃圾的清理工作。

4 結 語

圖8 清理船俯視圖

隨著人們環保意識的增強和國家環保力度的加大，針對水面垃圾清理裝置的研究也逐漸增多，各種垃圾打撈設備層出不窮，但也存在著作用對象不明確及功能單一等問題。根據上述問題，又基于針對性強、功能多樣的水面垃圾清理設備的設計理念，本文提出了一種水車式湖面垃圾清理及水體增氧雙體船結構設計，在船體行進過程中，水車式垃圾收集機構可實現水面垃圾的收集及水體的增氧，垃圾輸送機構中的毛刷及高壓噴頭可將收集機構打撈到的垃圾掃落至傳送帶上，繼而運輸至垃圾收集框內，同時高壓噴頭、噴水管、集水腔和電動機水泵可實現水體的增氧；清理船以轉葉板作為驅動機構，也可增加湖水流動，增加水體含氧量；當收集框內的垃圾儲存到一定數量以后，工作人員便可以直接處理收集框內收集濾水后的垃圾，操作簡單，方便快捷。

本文所設計的垃圾清理雙體船主要應用于公園湖泊、水產養殖塘等需要垃圾清理及水體增氧的水域，清理船通過特定的機構設計，在垃圾清理的同時，對水體進行增氧，有效降低了水體增氧的成本投入，同時也可實現對環境的保護并節省人力成本。