CHJ新型水體懸浮垃圾清理船設計

于翠玉，馬海洋，虞國強，楊俊燕，姜韶華，王琦（濰坊職業(yè)學院機電工程學院，山東濰坊 261031）

0 引言

現(xiàn)階段，無論是自然湖泊、河流還是小型景觀水域中均受到不同程度水體懸浮垃圾的污染，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴重的影響，目前許多地區(qū)仍然采用人工駕駛船只打撈的方式進行水體懸浮垃圾的清理，這種清理方式成效低、工作量大、危險性和成本較高[1]，而當今市面上所使用的垃圾清理船大多通過挖沙船改造而成，該類船只體積龐大，很難在面積較小、水系復雜的河道、景觀水域等地使用，且該類船只通過履帶將垃圾帶出水面，在收集過程中，履帶極易掛拉及粘附垃圾和水草，并卷入驅動機構中造成故障。

為此，本文利用曲柄滑滑塊機構的運動原理，創(chuàng)新設計了一種主要針對于中小型水體漂浮、懸浮垃圾的特種清理設備——CHJ新型水體懸浮垃圾清理船，該船垃圾收集機構不同于目前市面上流行的履帶式垃圾收集機構，將曲柄滑塊機構中各個桿的運動軌跡和特征，融入到水面垃圾清理過程中，利用搖桿的自下而上、自后向前的運動軌跡來模擬人手從水中抄起物體的動作以實現(xiàn)水體中垃圾清理過程，實現(xiàn)了漂浮垃圾的出水、傳遞和收集過程。

1 整機結構

CHJ新型水體懸浮垃圾清理船傳動機構圖如圖1所示，該機構是由清理篩、傳動鏈、傳遞篩、拉桿、拉索、柴油機、船艙、垃圾收集區(qū)、定滑輪、傳動軸、擋塊、滑桿、滑道、支撐臂、鏈輪、驅動臂等主要部件組成。船艙前端兩側設計有伸出的2個剛性支撐臂，支撐臂的前端與驅動臂相連，驅動臂的另一端與清理篩兩側的連接桿相連，支撐臂中間位置與傳遞篩旋轉中心連接，下方設計的滑道用于安裝清理篩末端的滑桿。傳遞篩正常情況下處于水平狀態(tài)，在篩體兩側各焊接上一段拉桿，拉桿上方連接在拉桿上，另一端通過繩索和定滑輪安裝在支撐臂下方，其中一段繩索與滑道發(fā)生交叉，方便清理篩末端的滑桿在到達規(guī)定位置時推動繩索并拉動傳遞篩末端的拉桿。

圖1 CHJ 新型水體懸浮垃圾清理船傳動機構圖

圖2所示為CHJ新型水體懸浮垃圾清理船俯視圖，傳遞篩和清理篩為平行桿狀結構，以清理篩為例，它是通過在滑桿14上焊接多根清理桿制造而成，清理篩和傳遞篩安裝在兩支撐臂之間，從圖2中可以看出，清理篩和傳遞篩的清理桿是相互交叉設計安裝的。傳遞篩的后側是垃圾收集區(qū)，從水體中清理出的垃圾經(jīng)清理篩和傳遞篩的共同作用被儲存在這個區(qū)域，并通過其上設計的漏水孔將垃圾瀝干水分。

圖2 CHJ 新型水體懸浮垃圾清理船俯視圖

清理船通過小型柴油機提供動力，經(jīng)減速器變速后動力直接傳遞給傳動軸，傳動軸再通過鏈輪將動力分別傳遞給安裝在兩個支撐臂上的驅動臂，從而帶動清理篩完成一系列協(xié)調(diào)可靠的垃圾清理動作。

2 工作原理

清理船船體在水面航行過程中，船體中的動力裝置將驅動力通過鏈條鏈輪傳遞給船體最前端的驅動臂，驅動臂在鏈盤的驅動下做旋轉運動，如圖2所示，驅動臂的末端與清理篩最外側的2根篩桿相連，同時清理篩末端的滑桿安裝在船體支撐臂兩側的滑道內(nèi)，隨著驅動臂做圓周運動，驅動臂、清理篩、滑桿、滑道組成了典型的曲柄滑塊機構。

2.1 垃圾翻轉過程

如圖3所示，共有2套滑輪組分別安裝在支撐臂的內(nèi)側，均采用定滑輪結構，繩索一端安裝在傳遞篩兩側的拉桿上，另一端固定在支撐臂內(nèi)側滑槽下方位置，繩索分別繞過3個定滑輪，由于清理篩、驅動臂和滑桿共同組成了一套曲柄滑塊機構，當動力帶動驅動臂按順時針方向旋轉時，由于清理篩兩側的篩桿與驅動臂末端旋轉副連接，驅動臂推動整個清理篩向后移動，此時清理篩被傳遞篩穿過并進行垃圾傳遞，也帶動清理篩末端安裝在滑槽內(nèi)的滑桿向后滑動，當滑桿在滑槽內(nèi)向后滑動到一定位置時與兩支撐臂內(nèi)側安裝的繩索相遇并推動繩索拉長進而拉動傳動篩翻轉，將傳遞到傳遞篩上的垃圾倒扣到垃圾收集區(qū)。傳遞篩兩側篩桿上安裝有彈簧，彈簧另一端固定在支撐臂內(nèi)側，當滑桿在驅動臂帶動下向前移動并松開繩索時，傳遞篩在彈簧的拉力作用下復位，等待清理篩再次出水并與傳遞篩交叉將垃圾轉接。

2.2 清理船工作流程

如圖1所示，隨著驅動臂順時針旋轉及滑桿在滑道內(nèi)的前后滑動，清理篩首先進行向前向下的入水運動，將水面下方水體中的懸浮物進行收集，如圖4（a）所示；驅動臂旋轉至船體最前方時，清理篩進行向前向上的抄起動作，將水面垃圾及漂浮物進行收集，此時被清理出水的垃圾被清理篩上各個相鄰焊接的篩桿所承載且清理篩的篩桿和傳遞篩的篩桿已經(jīng)發(fā)生交叉，即傳遞篩篩桿已經(jīng)插入到清理篩篩桿下方位置，同時清理篩末端的滑桿也開始接觸繩索，準備拉動傳遞篩旋轉，如圖4（b）所示；驅動臂從最上方向后向下旋轉時，清理篩帶動清理出水的垃圾向后向下移動，由于清理篩的篩桿與傳遞篩的篩桿交錯安裝，此前由于傳遞篩的篩桿已經(jīng)插入到清理篩下方，清理篩末端的滑桿已經(jīng)與安裝在支撐臂兩側的繩索發(fā)生接觸，傳遞篩開始將垃圾挑起并與清理篩脫離，如圖4（c）所示；當驅動臂到達右側死點位置時（如圖3），驅動臂與清理篩的篩桿成一條直線，清理篩的末端滑桿將繩索推至極限位置，傳遞篩在繩索的拉動下將打撈出水的垃圾及漂浮物扣入垃圾收集區(qū)完成一次垃圾清理過程，隨著清理過程繼續(xù)，滑桿隨隨即向前移動不再推動繩索，傳遞篩復位，如圖4（d）所示。

圖3 傳遞篩翻轉圖

圖4 清理船工作原理圖

2.3 清理船使用及控制方式

CHJ新型水體懸浮垃圾清理船控制方式既可選用人工操縱方式進行垃圾清理，也可采用遠程駕駛技術來進行操控[2]，清理船的核心部分為船體前方支撐臂所支撐的清理機構，該套清理機構可以作為一套單獨裝備來進行組裝，在不發(fā)達地區(qū)進行水域懸浮垃圾清理時，即將該套設備安裝在用于清理各種水域的普通人工打撈船前端，動力來源方面可直接采用普通打撈船的馬達作為動力輸入源，這種方式既可以較大幅度降低工人工作量，又可以有效降低投入成本[3]。

如果采用自動駕駛技術遠程遙控船只進行水體懸浮垃圾清理，可以將動力輸入源更換為變頻電動機或伺服電動機，采用蓄電池供電或太陽能供電的方式[4]，從而有效降低船只質(zhì)量，提升操控性能，船體的推進方式既可以通過普通螺旋槳推進，也可以采用高效噴水泵推動，控制系統(tǒng)選用基于2.4G無線傳輸?shù)氖殖诌b控系統(tǒng)，操控者手持遙控器可在岸上通過按鍵遠程發(fā)送控制指令，從而控制水域中清理船只的螺旋槳或噴水泵的開關、功率大小等關鍵參數(shù)，實現(xiàn)船只的前進、后退、拐彎、加減速及清理篩清理速度調(diào)節(jié)等功能，此類技術目前較為成熟，在本文中不再贅述[5]。

3 設備規(guī)格與主要技術參數(shù)（如表1）

表1 CHJ新型水體懸浮垃圾清理船技術參數(shù)

4 結語

1）CHJ新型水體懸浮垃圾清理船巧妙利用了曲柄滑塊機構中搖桿的運動軌跡，實現(xiàn)了水體漂浮、懸浮垃圾清理方式的獨創(chuàng)設計，即模仿人手的抄起動作，使清理篩自下而上，自后向前抄起漂浮垃圾，清理效率高，有效避免了垃圾的卡擠和粘連。

2）船體清理篩在將水體中的垃圾清理出水面后，巧妙利用搖桿末端向后滑動的特點，推動牽引繩索將清理篩中的垃圾有效向后傳遞并及時后翻，實現(xiàn)垃圾的快速收集，清理過程連續(xù)緊湊，清理篩和傳遞篩的篩桿交叉設計，垃圾轉接平順，有效提高清理效率。