一種沙灘垃圾清理裝置的設(shè)計研究*

王 雪，楊 婕，趙曉棟，樊祜頻，牛玉寧，陳俊龍

(煙臺大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺 264005)

0 引言

海濱城市已成為人們旅游的重要目的地，但由于海濱旅游產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，游客數(shù)量不斷攀升，沙灘垃圾污染問題也逐漸顯現(xiàn)，沙灘垃圾的清理問題已經(jīng)迫在眉睫[1]。

目前，世界各國對于沙灘垃圾處理的方式主要有三種[2]：人工垃圾清理、動力機械與清理裝置配合清理以及采用自行走式沙灘垃圾清理車。國內(nèi)眾多海濱旅游景區(qū)仍然采用人工撿拾垃圾與垃圾清理車交替工作的垃圾清理方式，垃圾清理過于依賴時間、氣候、環(huán)境，并存在清理深度淺、垃圾含沙量大、能源消耗過多等缺點；對于沙灘垃圾清理裝置的研究還處于初步發(fā)展階段，一般都是參考國外現(xiàn)有的裝置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，缺少原創(chuàng)性設(shè)計[3-6]。本文設(shè)計的環(huán)保型沙灘垃圾清理裝置，解決了國內(nèi)人工清理的低效問題，自動化程度高，縮小了與國外相關(guān)產(chǎn)品的差距。

1 全自動沙灘垃圾清理裝置整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

全自動沙灘垃圾清理裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下壓裝置1、篩沙裝置2、排沙裝置3、車體4、履帶行走機構(gòu)5、起沙機構(gòu)6、液壓懸臂7、噴氣裝置8、傳送機構(gòu)9、儲存機構(gòu)10等組成。其主要設(shè)計功能包括：通過不同深度的起沙裝置6實現(xiàn)分層次、大深度、低局限地清理海灘垃圾；通過內(nèi)部噴氣裝置8降低垃圾的含水和含沙率；采用離心分離技術(shù)，將垃圾依據(jù)密度進行自動簡單分類；通過紅外線感應(yīng)系統(tǒng)使裝置能夠自動規(guī)避障礙物；下壓裝置1頂部的太陽能板可儲存太陽能，提高能量利用效率；遠程控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線實時監(jiān)控，無需人工駕駛和現(xiàn)場監(jiān)工；此外，獨特的外觀設(shè)計適合沙灘旅游景區(qū)需求。

1.2 工作原理

本裝置通過遠程操控系統(tǒng)，線上制定清理方案以及工作路程，通過履帶行走機構(gòu)5向前行進，使起沙機構(gòu)6與沙灘沙層接觸，通過起沙機構(gòu)對沙灘的淺沙層和深沙層分別進行起沙操作；然后啟動傳送機構(gòu)9，把起沙機構(gòu)掀起的沙子通過傳送機構(gòu)輸送到篩沙裝置2中的篩沙框內(nèi)；隨后啟動下壓裝置1、篩沙裝置2和噴氣裝置8，篩網(wǎng)對篩沙框內(nèi)沙子進行篩分，同時通過噴氣裝置吹風，且下壓裝置中液壓缸收縮，使下壓板與沙子接觸；篩分后，沙子通過排沙裝置3排出，篩沙框篩出的垃圾通過儲存機構(gòu)10中的離心裝置進行分類后，利用機械手臂撿拾到垃圾存放箱內(nèi)。而且，深層起沙機構(gòu)的起沙間隙可以調(diào)整，從而可以排除石頭等硬物對起沙機構(gòu)行進過程的影響，并對團聚的泥沙具有破壞分散效果，從而提高裝置經(jīng)過區(qū)域沙層的間隙度和垃圾清理質(zhì)量。本裝置還取消了傳統(tǒng)的多層篩網(wǎng)，采用向篩沙框內(nèi)震蕩的沙子吹出溫熱氣體和下壓機構(gòu)摩擦的方式，可以加速沙子中的水分流失，提高沙子的流動性，降低清理垃圾的表面含水含沙率。因此，本裝置可提高垃圾清理的深度與維度，極大減少垃圾表面的含沙量，同時雙動力系統(tǒng)提高了能量利用率，減少了污染氣體的排放。

2 全自動沙灘垃圾清理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該沙灘垃圾清理裝置根據(jù)功能不同分為動力模塊和清理模塊。動力模塊為沙灘垃圾清理裝置的前后移動和清理動作的完成提供動力；清理模塊的各機構(gòu)之間協(xié)同配合完成垃圾清理的全部工作。兩個模塊又分別由不同機構(gòu)組成，如圖2所示。

1-下壓裝置；2-篩沙裝置；3-排沙裝置；4-車體；5-履帶行走機構(gòu)；6-起沙機構(gòu)；7-液壓懸臂；8-噴氣裝置；9-傳送機構(gòu)；10-儲存機構(gòu)

圖2 沙灘垃圾清理裝置結(jié)構(gòu)組成框圖

2.1 清理模塊

清理模塊由完成沙灘垃圾清理工作的所有部件組成，包含起沙機構(gòu)、傳送機構(gòu)、分離機構(gòu)、儲存機構(gòu)。起沙機構(gòu)將沙灘表層及深層的垃圾挖取出來轉(zhuǎn)移到傳送機構(gòu)上，傳送機構(gòu)將含沙垃圾傳送到分離機構(gòu)，分離機構(gòu)各部件把沙子和垃圾分離，沙子被過濾到沙灘上，而垃圾最終被儲存機構(gòu)收集儲存。

起沙機構(gòu)如圖3所示，它通過液壓懸臂與車體連接，包括掀沙齒1、U型框2、固定板3、彈簧4和深層起沙機構(gòu)5。U型框2的后端面與液壓懸臂采用鍵連接，前端固定連接有多個均勻分布的掀沙齒1；后端面還固定連接有固定板3，固定板3通過彈簧與深層起沙機構(gòu)5連接。深層起沙機構(gòu)5位于固定板3下方，通過轉(zhuǎn)軸與固定板3轉(zhuǎn)動連接，包括鐵絲網(wǎng)、頂板、螺紋桿、滑塊、限位桿、滑槽和旋鈕。鐵絲網(wǎng)通過轉(zhuǎn)軸與U型框2下表面的直角折彎處轉(zhuǎn)動連接，上端面固定連接頂板，頂板的前端面開設(shè)滑槽，滑槽內(nèi)滑動連接滑塊，滑槽內(nèi)轉(zhuǎn)動連接螺紋桿，螺紋桿一端貫穿頂板固定連接旋鈕，貫穿滑塊并與滑塊螺紋連接。滑塊的一端延伸到滑槽的外部并固定連接另一處鐵絲網(wǎng)。

傳送機構(gòu)如圖4所示，包括主動輪、從動輪、上料板1、傳送帶和多個隔板4，傳送帶繞制在主動輪與從動輪之間，多個隔板4安裝于傳送帶的外側(cè)。上料板1一端延伸至起沙機構(gòu)的U型框內(nèi)，通過轉(zhuǎn)軸2與液壓懸臂3轉(zhuǎn)動連接，轉(zhuǎn)軸由液壓懸臂內(nèi)小型液壓馬達驅(qū)動，進而帶動傳送帶轉(zhuǎn)動；另一端位于篩沙框的上方。

分離機構(gòu)由篩沙裝置、噴氣裝置、下壓裝置和排沙裝置組成，各裝置如圖5～圖7所示，四個部分相互配合工作，共同完成垃圾與其表面所攜帶沙子的分離工作。篩沙裝置中的篩沙框1內(nèi)部固定連接篩網(wǎng)2，并通過彈簧連接多個用于和垃圾以及沙子碰撞的擺球3，其內(nèi)表面連接電動機4，電動機4的輸出端連接圓盤5的一側(cè)轉(zhuǎn)動中心，圓盤5另一側(cè)連接凸塊，且連接在運動框中心位置開設(shè)的通槽內(nèi)。通過電動機帶動圓盤5轉(zhuǎn)動，在凸塊作用下，使運動框往復(fù)運動，在連接桿和連接板的作用下，篩沙框1通過震蕩加快物體之間的抖動促使其表面的沙子與物體快速分離，擺球3擺動并與垃圾接觸發(fā)生碰撞，更有利于沙子與垃圾分離，同時在篩沙裝置運作過程中噴氣裝置(如圖6所示)的噴嘴2噴出溫熱氣體，吹向震蕩沙子，加速沙子中的水分流失并提高沙子的流動性，減小垃圾的表面含沙率從而對垃圾進行篩選分離。同時下壓機構(gòu)(如圖7所示)中的液壓缸1收縮，使得下壓板2與沙子接觸；篩分下的沙子通過排沙板3排出，且篩沙框篩出的垃圾，通過雜物儲存機構(gòu)中的機械手臂1撿拾到的垃圾存放箱2內(nèi)。

1-掀沙齒；2-U型框；3-固定板； 1-上料板；2-轉(zhuǎn)軸； 4-彈簧；5-深層起沙機構(gòu) 3-液壓懸臂；4-隔板

1-篩沙框；2-篩網(wǎng)；3-擺球； 1-篩沙框；2-噴嘴 4-電動機；5-圓盤

1-液壓缸；2-下壓板；3-排沙板

儲存機構(gòu)如圖8所示，包括機械手臂1、儲存箱2、移動桿3。儲存箱2和篩沙框上端面設(shè)有滾輪的移動軌道，移動桿3下端面設(shè)有機械手臂1的移動軌道，儲存機構(gòu)與車體和排沙框固定連接。機械手臂通過電力驅(qū)動對垃圾進行撿拾并放入到儲存箱內(nèi)。

2.2 動力模塊

動力模塊為整個裝置提供動力，由車體和履帶行走機構(gòu)兩部分組成，如圖9所示。本裝置采用雙動力系統(tǒng)，借助蓄電池及太陽能來滿足裝置的動力需要。車體上端面與排沙框連接，前端面與液壓懸臂連接，左端面與垃圾存放裝置連接，下端面固定在履帶行走裝置上；車體內(nèi)部設(shè)有液壓泵1、微型控制器2、兩組蓄電池3、電動機4，液壓泵1為液壓懸臂提供動力，電動機則為履帶5行走裝置提供動力，且液壓泵1、電動機4均由兩組蓄電池3作為電源。履帶行走機構(gòu)由履帶5、車架6、車輪7等部分組成，由電力驅(qū)動實現(xiàn)整個裝置的前后移動，采用履帶行走機構(gòu)，能應(yīng)對不同地形的沙灘清理。太陽能收集裝置為自動規(guī)避裝置、微型處理器提供能量，自動規(guī)避裝置上設(shè)置有紅外探測器，可實現(xiàn)對裝置前方及其四周的事物的分析，實現(xiàn)自動規(guī)避障礙物功能，同時微型控制器上設(shè)置有WIFI裝置，WIFI裝置作為遙控信號的接收和發(fā)送中心，將手機發(fā)出的動作指令發(fā)送到微型控制器，可以實現(xiàn)手機與微型控制器的串行通信，清潔人員可以通過手機進行遠程遙控操作，對垃圾清理裝置進行調(diào)速、轉(zhuǎn)向以及各種清潔命令的控制。

1-機械手臂；2-垃圾儲存箱； 1-液壓泵；2-微型控制器； 3-移動桿 3-蓄電池；4-電動機；5-履帶； 6-車架；7-車輪

3 結(jié)論

本研究從海濱城市沙灘垃圾清理所面臨的問題出發(fā)，從行業(yè)背景、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理入手，分析現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的局限，借鑒相關(guān)裝置的設(shè)計思路，制定合理的解決方案，通過SolidWorks軟件進行本裝置的建模與設(shè)計，從而實現(xiàn)沙灘垃圾清理高效化、自動化和智能化，并利用現(xiàn)有的成熟的技術(shù)理論具體說明和驗證了沙灘垃圾清理裝置設(shè)計的合理性與可行性。本裝置的設(shè)計研究具有一定的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值，不但可為沙灘垃圾清理工作節(jié)省大量的人力物力，同時也為維護人類與海洋生態(tài)環(huán)境之間的和諧關(guān)系貢獻了一份力量。