沙灘垃圾收集清理機器的建模與分析

易健彬，譚先琳，邵 帥，廖健科

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著工業化的快速發展以及沙灘旅游的發展，我國的水面環境和沙灘環境情況不容樂觀，目前我國海灘垃圾清理主要采用純人工清理的方式[1]。國內還沒有相關企業具有海洋沙灘廢棄物處置裝備方面的自主研發、創新性改進和產業化推廣能力。且目前國內主要集中在大型沙灘清潔機械的研制生產，小型沙灘清潔機械研制較少。為了貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念，本文設計一款采用離心率篩分垃圾的沙灘垃圾清理機器，能夠提高沙灘垃圾篩分效果，以及垃圾清理的靈活性[2]。

1 機器的結構和工作原理

整體結構如圖1 所示，由前端松土機構、機械臂、履帶輪組地盤、太陽能電池板、垃圾收集過濾裝置構成。主要設計功能和工作原理如下：采用懸掛彈簧的履帶輪組地盤，使機器能夠在沙灘上平穩運行，同時增加上下行程減少零件材料所受應力。前端松土機構用于破碎復雜沙土和垃圾沙子預分離。同時，前端松土機構在機械臂的帶動下可控制鏟沙的深度，以此實現不同深度的垃圾沙子預分離。通過垃圾收集過濾裝置實現垃圾的收集，用可旋轉多孔弧板制成圓柱形多孔過濾外殼，利用離心率將鏟沙器鏟起的垃圾和沙子倒入滾筒內進行篩分，沙子從內輪表面的孔洞漏出，而垃圾則留在滾筒內，從而實現垃圾篩分功能和存儲功能。機器動力由太陽能提供，可采用追光太陽能板[3]，充足保證機器運行所需要的動力，延長工作時間，并且在工作的過程中減少能耗對環境的污染。

圖1 整體機構

2 機器各結構建模及分析

2.1 垃圾收集過濾裝置工作原理

沙子過濾器如圖2 所示，主要由外鏟和網狀內膽兩部分組成，兩部分分別由兩個獨立電機控制轉動，內膽有一個依靠舵機控制開合的內膽蓋子。工作時，內膽蓋子在舵機的帶動下打開，外鏟在電機帶動下轉動，控制內膽的電機固定，沙子和垃圾隨著外鏟的不斷滾動落入內膽中，外鏟停止轉動，內膽蓋子在舵機帶動下合上，內膽在電機的帶動下翻滾，細小的沙子隨著滾動從網狀內膽中濾除，較大的垃圾則會保留在內膽中。內膽裝滿垃圾后，舵機控制內膽蓋子打開，將垃圾傾倒在指定位置。

圖2 沙子過濾器

2.2 垃圾收集過濾裝置設計參數和分析

外鏟的角加速度模擬如圖3，由圖可見外鏟的角加速度呈現等幅振蕩曲線最高為280.6（deg/sec2），最低為280.0（deg/sec2），是由于外鏟在觸碰沙子和垃圾時受到的阻力作用，導致加速度下降，但總體呈等幅振蕩，且具有周期性，函數圖像最高點和最低點僅僅相差0.6（deg/sec2），如圖4 所示，角位移等幅振蕩，因此，大致視為外鏟可做等加速度運動。在垃圾收集的過程中，機器能夠平穩的加速運行，不會因為受到沙子阻力的影響而破壞原來的運動狀態，外鏟的旋轉在一個平穩可控的范圍內。

圖3 鏟沙器外鏟角加速度

圖4 鏟沙器外鏟角位移

如圖5 所示為外鏟接觸沙子時的形變分析，可以看到主要的形變部分集中在外鏟的最外緣與沙子接觸的部分，如圖中的紅色區域形變量達到了5.36e-2mm，最小的形變在電機連接處，為1.000e-30mm，因此材質的選擇上可以在外鏟邊緣處選擇韌性更大的材料制作，如制作挖掘機斗齒所用材料[4]，克服塑性形變對構件的結構造成破壞，電機連接處的構件則可以選擇強度較高的材料，或者在聯軸器和外鏟中間疊加復合型材料，增強螺栓連接的強度。

圖5 外鏟形變分析

應力分析如圖6，在電機和法蘭盤處的連接螺紋所受應力約為（2.282-4.518）e-4之間，為使受力均勻可以在連接處多設置幾個螺紋孔，可以有效消除應力集中，防止構件變形破環。

圖6 外鏟應力分析

圖7 所示內膽的設計尺寸，可得內膽容積約為1.87 L，每臺機器可裝3 個收集過濾裝置，總容積約為5.1 L。通過多孔篩輪的滾動過濾沙子，類似與工業上的旋流分離器，相比往復振動的方式更能節省空間，減小機器設計尺寸的同時，利用離心力提高沙粒篩出的效率。因此，小型且智能化的垃圾清理機器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同時小型化的垃圾清理機器靈活性更好，適用面更廣，可用于各種干燥和潮濕沿海沙灘，以及公園或特色住宅內的小型沙地等，機器使用率更高。

圖7 鏟沙器內膽尺寸

2.3 松土機構轉子的應力分析

如圖8 所示為轉子的應力分析圖，在外圍尖角位置和中間連軸處所受應力最大，外圍尖角可將其結構改為圓角和倒角形式，可以有效減少應力集中，避免零件損壞，但是圓角倒角又會降低松土效率，增加電機的負載，易使電機過熱，因此，結構的最終選擇要以實際情況為準。

圖8 松土機構轉子應力分析

圖9 所示受力形變主要集中在尖角處，最大形變量達到了2.265e+11mm，在連軸處的變形最小，因此夾角處可以選擇65 錳薄鋼板鍛造。

圖9 松土機構轉子形變分析

3 結語

本文所設計的沙灘垃圾清理機器，在篩分方式上明顯區別于現有的沙灘清理機器，具有更好的垃圾篩分效果。此外，小型且智能化的垃圾清理機器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同時小型化的垃圾清理機器靈活性更好，適用面更廣，可用于各種干燥和潮濕沿海沙灘，以及公園或特色住宅內的小型沙地等，機器使用率更高。并利用現有的成熟的技術理論具體說明和驗證了沙灘垃圾清理裝置設計的合理性與可行性。本裝置能夠實現自動收集垃圾和沙子過濾的功能，實現沙灘垃圾清理高效化、自動化和智能化，該機器具有較好的應用前景和商業價值。