基于流體渦旋向心吸力的改進型水面垃圾回收裝置*

鄭爍桐，顏健鋒，李偉杰，謝洪鯨，張淑瑤，黎亦文，馬 穎*

（1.廣州大學 物理與材料科學學院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學 電子與通信工程學院，廣東 廣州 510006）

我國有許多大型水電站和水庫，在很多旅游景點和娛樂場所也都建造了人工湖。由于一次性包裝食品的大量生產和消費等原因，致使江、河、湖泊、水庫上漂浮大量垃圾，引發嚴重的生態問題，尤其是航運河道、發電站前池，若不及時清理，將會影響航道運行、發電機組正常運轉。因此，不少水面垃圾清理機器船應運而生。國內外清理水面漂浮垃圾的設備及方法大致可分為：懸臂式安裝和機械格柵，但都存在結構復雜、成本較高、安裝難度大、清理能力有限等缺點。人工清理垃圾的方式效率低下，安全性能不高。在一些景點的河道常會有小型漂浮垃圾，為了維持景點水面的清潔，清潔工人需要花費大量時間在河道內清潔垃圾，不但浪費大量人力、物力和財力，也影響景點的美觀。

為克服水面清理機器船結構復雜、清理難度大和效率低等一系列問題，秉承“綠色環保、節能便捷”的理念，以流體力學、機械結構設計、遠程控制等作為理論基礎，并結合軟硬件技術，本團隊設計了一款渦旋式改進型水面垃圾回收裝置。該裝置能高效安全地實現全天候的打撈水面漂浮垃圾工作，能節約并有效利用資源，具有結構簡單、活動靈活的特點。

1 設計思路

針對現有的水面垃圾回收裝置存在的缺點或不足，本裝置通過設計對稱分布的穩定浮艙使設備穩定地漂浮在水面上，浮艙的四點分布以及將各浮艙與設備主體的銜接設計在水面以下，使承擔回收工作的設備主體與工作水域有更為廣闊的水面接觸范圍，使其可以吸納更多方位的水面垃圾，提高工作效率。在設備主體與水面接觸的位置設計導流片，使流入設備的水流更快地形成水面渦旋，增大其在吸收范圍內產生向心吸力。在裝置工作中，本裝置通過單片機結合紅外線感應裝置的設計，由紅外線感應裝置對工作水面有無垃圾作出判斷，從而決定裝置所處于工作或待機狀態，以減少過多運行能源的浪費。同時，本設計以繼電器作為單片機控制各個動作的媒介，使得裝置整體的感知部分、控制部分、動力部分以及供電系統單元化、模塊化，這使得裝置在投入使用后的后期維護更加方便[1-5]。此外，浮艙作為保留的拓展平臺，為裝置保留了一定的可拓展創新的空間，這使該裝置對適應多種環境保留了更多的改造可能，使其更具有實用價值。

裝置設計概念圖如圖1 所示。

圖1 裝置設計概念圖

2 設計原理

在流體力學中，渦旋尚沒有明確的嚴格定義，但渦量有嚴格的數學定義，即定義為速度的旋度ω→=▽×v→。流體的渦旋運動被定義為：在流場的某一區域中，如ω≠0，稱在這個區域中流體是有旋的，也稱為渦旋運動[6]。自然界中渦旋的產生主要是因為地轉偏向力的存在，物體在地球表面垂直于地球緯線運動時，由于地球自轉線速度隨緯度變化而變化，由于慣性，物體會有保持原來相對地面的速度的運動方向趨勢，這就叫地轉偏向力。地轉偏向力使水流速度的旋度不為零，即產生了渦量，形成渦旋。本裝置以水流產生渦量為理論依據，利用導流片、底部漏斗及水泵給予裝置周圍水面一個“人工偏向力”，巧妙地實現了渦旋的人工產生和渦旋可視，進而利用渦旋產生的向心吸力實現垃圾回收的目的。

本裝置利用安裝在圓柱環壁表面的導流片使裝置四周水流流入裝置時獲得切向速度，同時底部漏斗下的水泵啟動，給水流一個向下的吸力，水流渦量不為零，形成渦旋，水面垃圾被渦旋產生的向心吸力吸引，隨水流流入裝置，被裝置內的濾網攔截，水泵不斷將水抽出裝置外，使渦旋可持續。

在本裝置完成設計的垃圾回收動作時，需要通過單片機對潛水泵和齒輪電機的啟動和停止時間進行精準控制，而單片機是一個弱電器件，一般情況下其工作電壓為5V 甚至更低，驅動電流在mA 級以下。在面對本裝置選用硬件中工作電壓為12V 且功率為數十瓦的電動機時，單片機的IO 口驅動能力不足以驅動潛水泵中電動機和設計所用的齒輪電機，因此，可通過直接驅動繼電器或利用ULN2003A 驅動芯片來驅動繼電器。

光耦繼電器是用光耦來控制開光狀態的固態繼電器。一般繼電器都是機械觸點，靠通電流過線圈變成有磁性的磁鐵吸合觸點，從而控制開關狀態。而光耦繼電器工作原理類似于光電耦合器。此類繼電器廣泛應用在電子設備、儀器儀表及自動化設備中。在各種自動控制設備中，都要求用一個低壓電路控制一個高壓電路，如常作為單片機外圍設備的繼電器可完成5V 對12V/24V 的電動機電路的控制，故本裝置通過單片機控制繼電器進而控制電源與電動機之間的通斷，以達到對電動機進行控制的目的。

3 設計方案

3.1 裝置的結構設計

裝置由主體艙、圓柱環壁、穩定浮艙及硬件系統四部分組成，全長700mm，寬700mm，高350mm。裝置各主要組件結構如圖2 所示。

圖2 各主要組件結構圖

（1）主體艙

主體艙本身作為吸納水面垃圾的工作主體，采用ABS 樹脂材料制成，長206mm，寬206mm，高150mm，如圖2 所示。主體艙內部分為收集艙、密封艙兩個部分。收集艙上沿外側有與圓柱環壁內側相咬合的凹螺旋卡槽。收集艙對稱圓柱體的結構使整個裝置在水中所受壓力對稱，也更有利于艙內渦旋的產生和保持，如圖3 所示。收集艙底部為漏斗型，包含螺旋槳的渦旋產生結構，如圖4所示。螺旋槳下方漏斗底部與止回閥相接，止回閥作用是使艙內的水量可由止回閥下方潛水泵的抽水量控制。

圖3 收集艙

圖4 底部漏斗結構

漏斗型垃圾濾網位于收集艙上端艙口，其底部中央有一漏口，水面垃圾一旦被渦旋經該漏口吸入收集艙便不會再漂出水面，避免反復收集同一垃圾而浪費資源。底部潛水泵的作用是將裝置內的水從底部抽至裝置外，是使水面產生渦旋的同時使渦旋可持續的關鍵。

位于收集艙漏斗型底部以下的密封艙內設有12V鋰電池組為裝置提供主要動力，以及操控裝置完成工作的單片機及其電路系統。

（2）圓柱環壁

圓柱環壁長213mm，寬213mm，高120mm，如圖5 所示。圓柱環內壁的凸螺旋卡槽設計與主體艙外壁的凹卡槽準確咬合，構成螺旋卡扣；外壁帶有由履帶構成的鋸齒條紋與對稱安裝在主體艙上的三個齒輪電機緊密咬合。這樣的設計使得圓柱環壁可在電機的帶動下緊貼著主體艙上下螺旋轉動，使裝置可以在高于水平面和低于水平面兩個狀態來回切換，機械效率高。當環壁螺旋下降至低于水平面時，水流流入裝置，產生渦旋、吸引垃圾；當環壁螺旋上升至高于水面時，隔離水面，使被吸納在過濾網以下的垃圾不再漂出。

圖5 圓柱環壁

圓柱環壁上端帶有對稱均勻分布的導流片，作用是給水流一個切向速度、配合在底部水泵產生抽水吸力的同時產生渦旋現象，吸引水面垃圾流入裝置內的濾網中。

（3）穩定浮艙

穩定浮艙以主體艙為中心，呈水平正矩形四點分布，每個浮艙均用PVC 硬管與主體艙的中下部在水面以下牢固銜接，為裝置的整體提供浮力。在保證主體艙在水中保持豎直的工作狀態的同時，浮艙與主體艙在水面保持一定距離，使主體艙艙口四周360°均被水面環繞。這一設計的目的在于使水面各方位流入主體艙的水流流量相同，在水面渦旋產生的同時，最大程度地讓渦旋產生地水面吸力能夠吸納更多方位的水面垃圾，使產生的渦旋吸力工作效率達到最大化。四個浮艙的分布設計，讓裝置在水中保持著一個較為穩定的位置狀態，使其更好地在不同的天氣、不同的水域環境中工作。除了在浮艙上方安裝判斷水面無垃圾的紅外線傳感器之外，浮艙內的閑置空間為后續裝置的改造保留了拓展的空間，例如可拓展更多的蓄電池，也可結合應用環境搭載太陽能電池板或海浪發電機使設備實現能源自給自足，這使裝置存在面對不同環境可針對性作出優化方案的可能，從提升環境適應能力的角度提升了其實用性。

裝置實物圖如圖6 所示。

圖6 裝置實物圖

3.2 裝置的硬件設計

齒輪電機：設計選用3 臺做過防水處理的22W 直流齒輪電機，額定電壓為12V，空轉轉速為300r/min。

單片機：設計選用STC89C51 單片機，是STC 公司生產的一種低功耗、高性能的8 位微機，內有4K 字節的用戶應用程序空間，2 個16 位定時器/計數器及2 路外部中斷，借此我們通過編寫片內程序使單片機控制各組件完成裝置工作中的各個動作。

直流潛水泵：設計選用80W 的直流潛水泵，額定電壓為12V，最大抽水流量達5000L 每小時（即約1.39L/s）。

紅外線傳感器：設計選用帶有LM393 比較器的紅外線測距傳感器，通過設置比較器調整測距距離，在所設距離內存在障礙物（水面垃圾）時，向單片機發送信號。

繼電器：設計選用帶光耦隔離的常閉繼電器，工作電壓為直流5V。選用不同組的繼電器的常閉負載端分別將12V 直流電源模塊和齒輪電機以及直流潛水泵相接，在接收到單片機向其輸出的高電平期間，負載端之間通路，使對應用電器通電運行。

藍牙模塊：設計藍牙模塊選用HC-05，可通過手機APP 的藍牙功能實現與單片機直連，通過藍牙無線控制單片機以控制裝置的正常工作和強制待機狀態，實現在投放使用和回收維護時對裝置整體的開關機。

電源模塊：設計選用四組均為8400mAh 的12V 鋰電池組組成電源電池組，向潛水泵、電機提供直流12V 電源以外，通過降壓電阻電路向單片機、藍牙模塊、紅外傳感器等組件提供5V 電源。

各硬件所連接情況如圖7 所示。

圖7 硬件接線圖

4 工作過程

將通電后被強制待機的裝置放置在指定水域，裝置漂浮于水面上，通過藍牙無線控制喚醒裝置，使裝置處于待機狀態，當安裝在浮艙上的紅外線感應裝置感應到裝置四周在一定工作范圍內的水域有水面垃圾時，裝置進入回收工作狀態，齒輪電機帶動圓柱環壁螺旋下降，使裝置圓柱環壁上沿低于水平面，主體艙口邊緣的水流入主體艙，同時主體艙底部直流潛水泵將過濾后的水抽出主體艙，保證艙內外水位差的可持續性。此時，流入主體艙的水流經過艙口導流片后產生液面渦旋，渦旋產生液面向心引力，吸引水面垃圾，與水流一起流入主體艙的垃圾流入艙中漏斗型垃圾濾網以下，并在濾網防止其再次漂浮的情況下存儲在濾網以下的主體艙中的收集艙部分。一次作業結束后，電機反轉帶動圓柱環壁螺旋上升，使主體艙內部與水面隔離，水泵抽出主體艙內一部分的水使裝置吃水線下降至回收工作前的大致位置。此時，裝置重新回到待機狀態繼續漂浮在水面上，等待紅外線感應裝置發來下一次回收工作的信號，或者等待維護人員通過藍牙無線控制來強制待機后進行清理維護。

實物工作效果圖如圖8 所示。

圖8 實物工作效果圖

5 結束語

本文介紹了一款自行設計制作的基于流體渦旋向心吸力的改進型水面垃圾回收裝置及其基本工作原理、設計制作過程與工作過程。已完成制作的裝置設計思路巧妙，實現了全自動產生可視的渦旋，并將渦旋應用于水面垃圾收集這一環保領域，創新性強，改善了現有水面垃圾回收裝置存在的工作效率低、適應場景單一、高耗能的不足。裝置以低廉的制作成本實現全自動環衛功能，性價比較高。