一種新型海面垃圾回收裝置設計

彭澤霖，顧世明，王帥軍，朱發新，馮世豪，徐京濤，劉奕澤，何龍玉

（浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022）

0 引言

海面垃圾是指漂浮在大海中的人造廢棄物，主要有塑料、軟包裝、泡沫和廢棄漁網等。海面垃圾影響了海面景觀和船舶的航行安全，不僅會對海洋經濟產生負面影響，而且會危害海洋生物的生存條件，破壞海洋的生態環境。相較于湖泊河流，因為海面波浪的原因，垃圾一旦進入海洋便會具備持續性強和分布范圍廣兩個特點，這兩個特點加大了海面垃圾收集的難度。傳統的人工捕撈式不僅消耗大量的人力、物力、財力且效率極其低下，尋找高效的海面垃圾回收方法和對海面垃圾回收裝置的研究則有著重要意義。

目前對海面垃圾回收裝置的研究主要集中在以下幾方面：1）提高靈活可控性。主要從結構方面來分析如何提高裝置的靈活性，進行了結構的設計改造、相關部件的運動軌跡和運作分析[1-4]，但這些裝置操作復雜、對技術的要求比較高。2）提高自動化程度。文獻[5]、[6]介紹了一種通過水泵改變壓力差來吸入垃圾的“海上垃圾桶”，通過更換垃圾袋便可以持續工作，自動化程度高，但該裝置設計只能固定在船塢或碼頭上，通過岸上水泵來提供動能，靈活性低且受環境影響大。3）對環境友好。文獻[7]介紹了一種利用洋流捕獲海面垃圾的浮動式柵欄裝置，該裝置綠色環保，能夠實現大面積的清理，但該裝置不易控制、垃圾回收周期長、回收效率較低。

針對上述傳統海面垃圾回收裝置存在的不足，本文進行了相關結構改進，設計了一種新型海面垃圾回收裝置，提出了對海面垃圾進行匯攏、傳輸、海水分離、壓縮儲存和上岸的回收過程，以達到靈活、易控、高效、快速、環保的海面垃圾回收效果。

1 新型海面垃圾回收裝置的設計要求分析

針對海面垃圾持續性強和分布范圍廣的特點及上述傳統的海面垃圾回收裝置體積龐大、操作方法復雜、回收效率低且受環境影響較大等問題，參考現有的噴水推進裝置和傳送裝置等資料[8-12]，提出修改意見，彌補傳統海面垃圾回收裝置存在的不足，確立了該新型海面垃圾回收裝置的設計要求[13-17]，設計要求如下：1）要求裝置整體結構簡單，零部件少，部件防護達到對鹽咸水體防腐要求的最低限度，且便于安裝；2）技術要求低，操作方便，靈活易控，避免因撞擊海面礁石而造成裝置損壞（利用噴水推進裝置來達到目的）；3）要求系統技術成熟、適應性好，能針對海面垃圾分布范圍廣的特性實現大范圍、靈活高效的清理；4）系統穩定高效，回收周期短效率高，且受海面的環境影響小（加裝空氣懸浮裝置達到要求），綠色環保，經濟成本低，便于維護保養。

2 新型海面垃圾回收裝置設計

2.1 裝置整體結構布局

通過AutoCAD繪圖工具軟件，基于該新型海面垃圾回收裝置的設計要求分析，設計出一種新型海面垃圾回收裝置，該裝置主要由船體、空氣懸浮裝置、連桿傳動機構、噴水推進裝置、傳送裝置、箱體等部件組成。其結構布局如圖1和圖2所示。

圖1 海面垃圾回收裝置側視圖

圖2 海面垃圾回收裝置俯視圖

2.2 裝置工作原理介紹

本裝置的工作原理主要包含海面垃圾回收裝置的動力、垃圾的聚集匯攏、垃圾與海水分離、垃圾壓縮及垃圾回收上岸。

在垃圾回收裝置外部左右兩邊安裝空氣懸浮裝置，既為裝置提供浮力，又得以確保裝置在惡劣的海面工況下仍能穩定工作。

1）裝置的動力。這種新型海上垃圾回收裝置配有外置的太陽能板，不需要任何外接動力，以提高其便捷度，適應高效海上垃圾回收要求。太陽能板由電池板、蓄電池、逆變器、連接板及其附件等組成。

2）垃圾的聚集匯攏。當利用噴水推進裝置，使整個垃圾回收裝置在海面運動時，通過左右集料浮桿形成的八字形匯集裝置，引導垃圾從匯入口流入，在匯出口聚集匯攏。

3）垃圾與海水的分離。隨著海洋垃圾回收裝置的運動，垃圾會靠攏到傳送帶前，在傳送帶的摩擦力和擋板結構的作用下，垃圾和一部分海水會隨著傳送帶向上運動。在運動過程中，海水從傳送帶上的間隙泄掉，而垃圾隨傳送帶一起運動，形成垃圾與海水的初次分離，最后垃圾掉落到傳送裝置尾端的箱體結構中；同時設計箱體底部帶有細小的孔洞結構，將收集進箱體的垃圾表面仍然附著的少量海水從孔洞排出，減輕箱體的承重量，使垃圾與海水形成二次分離。

4）垃圾的壓縮。通過紅外感應裝置感知箱體中的垃圾是否收滿，并發送信號給PLC控制模塊，根據發送的信號，PLC控制模塊控制伸縮桿的上升或下降動作，實現垃圾的壓縮過程。利用與伸縮桿相連接的壓縮板壓縮垃圾，重復操作，分段壓縮，增加箱體的存儲量。

5）垃圾回收上岸。當垃圾回收工作完成時，再通過遙控噴水推進裝置，進而控制整個海面垃圾回收裝置返回陸地，實現海面垃圾回收的目的。

遙控操縱噴水推進裝置使整個垃圾回收裝置不斷運動，就會將由連桿機構匯攏的垃圾經由傳送裝置，送入傳送裝置尾部的箱體中進行壓縮儲存。匯攏連桿機構、噴水推進裝置、運輸傳送裝置、儲存箱體自壓縮裝置，這幾種裝置結構簡單、操作方便、相互協同配合，大大提高了海面垃圾的匯攏、傳輸、海水分離、壓縮儲存和回收上岸的工作效率。

2.3 裝置的主要組成零部件介紹

該裝置主要由連桿傳動機構、噴水推進裝置、傳送裝置、箱體等零部件組成。同時為防止鹽咸水體對裝置的腐蝕，延長裝置的使用壽命，在裝置金屬表面加涂ZS-711型耐海水無機防腐涂料，該型涂料具有價格低、效果好等優點。

1）連桿傳動機構。為了更高效地收攏漂浮的海面垃圾，以提高回收的工作效率，設計在船體前部安裝連桿傳動機構。連桿傳動機構包括集料浮桿、壓載艙、連桿、滑桿、十字鉸。集料浮桿通過十字鉸與船體相連接。工作時為適應不同的水面情況，通過遙控滑桿前后運動，帶動連桿運動，連桿推動引導集料浮桿可以在60°～120°之間自由運動，進而調節集料浮桿張開的角度。同時，集料浮桿內還設有壓載艙，壓載艙通過管路與壓載泵相連接，管路設有電磁閥門，通過電磁閥門的開關調節壓載艙的進水與排水，通過調節壓載艙內的水位來控制集料浮桿的吃水深度，從而使集料浮桿處于一個合適的工作狀態。通過電遙控裝置遙控滑桿通過連桿使兩條集料浮桿形成具有匯入口和匯出口的梯形匯集裝置。從而得以引導垃圾從匯入口進入，在匯出口聚集匯攏。相較于傳統的海面垃圾回收裝置，可以更高效地收攏垃圾。

2）噴水推進裝置。噴水推進裝置是控制整個垃圾回收裝置運動方向，擴大海面垃圾收集范圍的裝置。噴水推進裝置安裝在船體尾部，包括進水管、噴水泵、操舵噴嘴、倒車擋板，其結構如圖3所示。噴水推進裝置工作時，通過進水管吸入海水，再通過噴水泵向船尾噴水，噴水泵中心線高為960 mm，以此實現船體的推進過程并且減小裝置的體積。進水管設計成流面形狀，進水管斜角為25°，以避免吸水過程中在噴水泵中產生激流。操舵噴嘴通過改變噴口噴射水流的方向以達到操舵的目的。倒車推力則由倒車擋板將噴射的水流反折以達到倒車的目的。在岸工作人員通過遙控噴水推進器噴射水流的方向來控制整個垃圾回收裝置的運動方向, 避免裝置因撞擊海面礁石而造成損壞。針對海面垃圾分布范圍廣的特性，通過噴水推進裝置來擴大垃圾回收范圍。相較于傳統的海面垃圾回收裝置，提升了靈活性和控制性。

圖3 噴水推進裝置結構示意圖

3）傳送裝置。傳送裝置是將收攏的垃圾運輸進內部箱體并儲存的裝置。傳送裝置主要由橫擋板、傳送帶、縱擋板、電動機、支座構成，其結構示意圖如圖4所示。傳送裝置通過支座和船體相連；傳送帶由電動機驅動，選用型號為Y80M2-2的防水電動機，該型號防水電動機額定功率為1.1 kW，轉速為2830 r/min，具有耗功小、轉速快等優點，由此確保電動機在海面過度潮濕的工況下仍能穩定高效地工作。在傳送帶上間隔固定的距離設計與傳送帶相連接的90 mm高的橫擋板，防止因傳送帶摩擦力太小而導致垃圾在向上運動的過程中滑落，同時為防止垃圾在運動的過程中從側面掉落，在傳送帶兩側設計有平行的70 mm高的縱擋板。為了在傳輸過程中分離垃圾與海水，減輕裝置的負擔，傳送帶上帶有密布的孔隙結構以分流海水，從而降低垃圾回收裝置的載荷。

圖4 傳送裝置結構示意圖

4）箱體。箱體結構是用來儲存并壓縮回收垃圾的裝置。箱體結構包括聲控開關、伸縮桿、電動機、紅外感應裝置、阻力傳感器、壓縮板，其結構如圖5所示。箱體的側面壁厚為50 mm，箱體前端斜角為45°，有利于垃圾從箱體前端開口處滑落進箱體內部并進行壓縮儲存。紅外感應自壓縮裝置采用可編程邏輯控制器PLC控制。

圖5 箱體結構示意圖

紅外感應裝置工作原理為由：發射端的紅外發光二極管發射出多束平行的紅外光線，接收端負責接收發射端發射的紅外線，當有物體擋住任意兩束紅外線時，接收端經由光電傳感器將光信號轉換成電信號并傳輸給控制器。

PLC控制模塊選用西門子S7-200型PLC，其處理速度為0.8～1.2 ms，存儲器2K，數字量248點，模擬量35路，具有體積小、速度快、通信功能好的優點。

表1 I/O地址分配

程序開始時先復位所有狀態。當箱體中垃圾收滿時，箱體中的垃圾阻擋紅外感應裝置，系統將按照以下順序動作：1）紅外傳感器（X10）接通，當紅外感應裝置中間阻擋消失時停止；2）伸縮桿下降（Y11）被置為ON開始運動，設計伸縮桿在紅外感應裝置的水平線上，而在阻力傳感器（X12）達到臨界值被接通時停止；3）當壓縮完成后，阻力傳感器（X12）探測阻力達到設定的臨界值被接通時，伸縮桿上升(Y12)被置為ON開始動作，而在紅外傳感器之間的阻擋消失時停止；3）紅外感受裝置中間阻擋消失，紅外傳感器（X10）停止動作，壓縮垃圾完成。

利用與伸縮桿相連接的壓縮板壓縮垃圾，重復操作，分段壓縮，增加箱體的存儲量。同時通過箱體底部的細小孔洞使垃圾表面附著的少量殘留海水得以排出，形成垃圾與海水形成二次分離，達到增加箱體存儲量的目的。相較于傳統的海面垃圾回收裝置，大大提高了自動化程度和回收效率。

相較于傳統的海面垃圾回收裝置，該新型海面垃圾回收裝置操作簡單、穩定性好、技術要求低、靈活易控、綠色環保、經濟性強、受海面環境影響小、回收周期短，能夠實現對海面垃圾的高效清理。

3 船體的海面垃圾回收裝置的可行性分析

3.1 技術可行性分析

該新型海面垃圾回收裝置通過底部的空氣懸浮裝置提供浮力，受海面環境影響小，穩定高效；通過電遙控裝置使得連桿傳動機構和噴水推進裝置得以運作，提高海面垃圾回收裝置的靈活性和可控性；通過電動機為傳送裝置的運作提供動力，提高了海面垃圾回收裝置的自動化；通過箱體內部的紅外感應自壓縮機構壓縮收集滿的垃圾，提高了海面垃圾回收裝置的自動化和回收效率；通過外置的太陽能板為裝置的運作提供動力，綠色環保。

從裝置的運用技術分析，該裝置受環境影響小，相較于傳統的海面垃圾回收裝置，提升了裝置的靈活性、控制性且具有高度的自動化程度。這些技術效果較好、運用已久、發展成熟，因此該裝置技術具有可行性。

3.2 結構可行性分析

該裝置主要由連桿傳動機構、噴水推進裝置、傳送裝置和箱體等幾大主要部件組成，主要零部件少，可根據所需的型號規格直接選用市場上的標準件。

從裝置的結構分析，該裝置組成部件少，相較于傳統的海面垃圾回收裝置，更便于安裝，體積小巧。該裝置的強度、剛度、硬度等參數也符合理論力學的要求。該裝置的具體部件選型可根據海面工作物體的穩定性要求及裝置部件對鹽咸水體防腐要求的最低限度來決定。因此該裝置的結構具有可行性。

3.3 操作可行性性分析

該裝置的工作步驟為：1）利用連桿傳動機構形成的八字形匯集裝置聚集匯攏海面垃圾；2）利用傳送裝置將聚集的垃圾運輸進內部的箱體中；3）利用箱體儲存垃圾并通過內部的紅外感應自壓縮機構壓縮垃圾；4）利用傳送帶的孔隙結構和箱體底部的孔洞結構分離垃圾表面附著的海水;5）通過裝置尾部的噴水推進裝置控制整個垃圾回收裝置的運動回收上岸。

從裝置的工作步驟分析，該裝置高度自動化，相較于傳統的海面垃圾回收裝置回收效率高、對環境友好、操作簡單。因此該裝置的操作具有可行性。

3.4 垃圾回收效率分析

本海面垃圾回收裝置的設計，采用空氣懸浮裝置提供浮力，增加了作業時的穩定性，同時采用外置太陽能板為裝置提供動力。在此基礎上，還通過海面垃圾匯攏連桿機構、傳輸傳送裝置、分流孔洞、運動控制的噴水推進裝置和PLC控制的自壓縮式箱體，進一步形成垃圾聚集匯攏、傳輸、海水分離、壓縮儲存和上岸的回收過程，加快了海面垃圾的回收，降低了垃圾儲存箱體的含水量，大大提高了海面垃圾的回收效率，非常適合用于單人操作回收海面垃圾。

4 結論

1）本文查閱了相關文獻，參考了現有的成熟技術，針對傳統海面垃圾回收裝置存在的問題和不足，從技術、結構、操作方面總結了該新型海面垃圾回收裝置的設計要求，通過AutoCAD繪圖工具軟件設計出一種新型海面垃圾回收裝置，介紹了該裝置的工作原理和重要零部件的功能參數，從技術、結構、操作和回收效率方面對該裝置進行了可行性分析。

2）本文的研究屬于前期的理論研究，例如，在箱體中利用PLC自動控制的紅外感應裝置只是一個簡單的應用，還有許多需要完善的地方。在今后的項目探索中，該紅外感應自壓縮裝置可與其他可編程邏輯控制器或其它自動控制系統結合，以確保裝置在復雜的海面工況下得以高效穩定地運行。其他零部件也可以分別從模型實驗、數值仿真和可靠性分析等方面做進一步的研究。