近海漂浮垃圾收集器的設計與實現(xiàn)

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號： 1000-5013（2025）04-0386-07

Design and Implementation of Offshore Floating Garbage Collector

ZHU Laifa ^1，2 ，TAN Zhongcheng1，JIN Huaxue ¹ ， YANG Zhongying1，HE Longrong1，F(xiàn)AN Wei1

（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361o21，China; 2.The Enginering Research Center for CAD/CAMof Fujian Universities （Putian University），Putian 3511oo，China）

Abstract：Based on the operational conditions of existing floating garbage collection devices，a design method for an offshore floating garbage collector was proposed by adopting a structure combining self-priming and reverse pushing.The self-priming function was applied to guide the floating debris into the colector，while the reverse pushing function was used to achieve high mobilityand motor multiplexing through diferential control， without compromising the self-priming function. A prototype was subsequently developed to verify the feasibilityof the proposed design. The results demonstrated that the colaborative operation of self-priming and reverse pushing could improve the collector's ability to handle floating garbage that is widely distributed and closely attached to the shore，thereby greatly improving collection efficiency. During the prototype testing，on the still water surface with a floating garbage density of approximately O.3 pieces per square meter，the average collection rate was 8 pieces per minute.

Keywords： offshore floating garbage;collector; self-priming function；reverse push function

近年來，海洋垃圾污染已成為國際廣泛討論的重大經濟、政治、環(huán)境議題。目前，海洋中約有7 500萬t至1.99億t塑料垃圾，占海洋垃圾總質量的 85% 左右[1]。福建省廈門市已率先成立海上環(huán)境衛(wèi)生管理站，每天對責任海域進行巡回垃圾清理，實現(xiàn)海上打撈收集[2]。

現(xiàn)有兩種海洋漂浮垃圾處理方式，一是傳統(tǒng)的人工打撈，其優(yōu)勢在于高度的靈活性和對漂浮物的精確判斷，當面對一些復雜地形（如海岸邊、礁石、橋墩、橋洞等地）時，能夠精準、快速地進行打撈，但人工打撈存在安全隱患，且需耗費大量精力；二是機械全自動或半自動收集漂浮垃圾，較典型的海洋垃圾收集裝置有海上垃圾桶、水上垃圾攔截浮體和專業(yè)垃圾清理船等[3]。目前，李文婧等[4]提出一種智能海洋垃圾桶的設計方法，通過垃圾桶內部的升降裝置實現(xiàn)對垃圾的自動收集，通過安置超聲波傳感器感應垃圾桶的剩余存儲空間，實現(xiàn)垃圾溢滿提醒。陳俊均等[5]設計一種采用棘輪傳動機構原理的海洋漂浮物收集器，利用波浪能帶動裝置旋轉產生負壓，吸引裝置附近的漂浮物，將漂浮物收集至垃圾網袋中。占金鋒[采用雙體船型，選用排鏈式打撈裝置，設計一種新型 40m 雙體全自動水上垃圾清掃船，該船具有功能全、性能強、適用廣、效率高等特點。宋怡等設計一款專門優(yōu)化海洋環(huán)境的高效垃圾收集裝置，采用改進的卷積神經網絡（CNN）圖像處理技術，實現(xiàn)目標檢測和位置定位。孟泓宇等[8設計一種既可清理固體垃圾，又可清理液體垃圾的回收船。張志高等[9提出一種基于循環(huán)梯級的結構，實現(xiàn)水面漂浮垃圾的采集、傳輸和儲存。張智遠等[10]從機械結構和控制模塊兩個方面進行改進，設計一款太陽能智能海洋漂浮垃圾收集船。林思源等[1研制出一種以波浪能和太陽能為動力，由V字型浮圍欄和垃圾收集系統(tǒng)組成的近海漂浮垃圾自驅動收集裝備。朱永強等[12]設計一種海洋垃圾回收船，實現(xiàn)垃圾的收攏、導流、傳輸和分流。

海上垃圾桶在風浪較小的封閉水域具有較好的收集效果，但面對風浪大且垃圾分布廣的近海沿岸等開闊水域，則收集效果不佳;海上垃圾收集船因過于龐大而無法對沿岸淺水水域的漂浮垃圾進行收集，此外，當面對封閉水域時，存在設備搬運困難、運行成本高等問題。基于此，本文提出一種近海漂浮垃圾收集器的設計方法。

近海漂浮垃圾收集器的設計

1. 1 設計方案

近海漂浮垃圾收集器設計框圖，如圖1所示。設計內容包括電路連接、電器元件選擇和系統(tǒng)結構設計。整個裝置可遙控，有效范圍約為 800m ，能夠輕松應對近海海面等工作環(huán)境。

近海漂浮垃圾收集器工作示意圖，如圖2所示。收集器兩側及后側封閉，由水下無刷電機驅動螺旋槳，在裝置內制造負壓并形成一定的液面差，收集器前方一定范圍內形成流向裝置中間的單向水流，將漂浮垃圾引導到收集器的收集裝置中。憑借“吸引”能力能更好地處理貼岸的漂浮垃圾。收集器在前方形成的負水壓的強弱可由無刷電機控制，在反推裝置的配合下，負水壓的強弱不會影響收集器的運動。

反推系統(tǒng)能夠線性調節(jié)反推比例的大小，與無刷電機配合，在提供吸力的同時，實現(xiàn)多種運動模式。自吸作用與反推作用協(xié)同工作，可提高收集效率，在處理貼岸漂浮垃圾時，還可依靠吸引力讓船靠岸即可收集垃圾，極大地降低了擱淺的風險，填補了傳統(tǒng)漂浮垃圾收集裝置難以對貼岸漂浮垃圾收集的空缺。為了盡量線性控制反推比例，在反推尾噴中設計開合結構，引導水流分流。反向水流形成的向后推力與向后水流形成的向前推力的合力即整個收集裝置單側的推力。通過改變左、右兩側的推力，可實現(xiàn)差動轉向、原地掉頭等功能。部分反推時尾噴口的水流流向，如圖3所示。

由于驅動和形成自吸的水泵復用，要求水流通道具備較高的過濾能力，防止細小垃圾被吸人尾噴口，從而影響設備的行動能力。設計一種雙層錯位格柵式過濾網，可有效提高過濾能力。同時，勾爪的旋轉運動，將過濾網上的垃圾轉運到后方的儲存箱中。過濾網和勾爪兩個部件組成了過濾裝置。過濾系統(tǒng)，如圖4所示。

由于海水具有腐蝕性，與海水直接接觸的部件需選擇具有較強抗腐蝕能力的材料。結合材料加工性能，選擇聚乙烯為基礎材料[13]。考慮到裝置只在工作時間需要浸入水中，故其他部件不做特殊處理。

1.2 電控設計

電器元件選裝，如表1所示。

電器元件有以下6種連接方式。

1）兩個 12V 電源分別直接連接2個無刷電調。無刷電調可通過免電池電路（BEC）為接收機提供5V 電壓。為避免兩個無刷電調的供電沖突，將其中一個電調的BEC供電線挑出分離。

2）無刷電調為接收機供電的同時，能夠控制接收機的調速，對水下三相無刷電機進行調速。

3）艙機額定電壓為 5V ，可由接收機直接供電，同時控制舵機搖桿位置，再通過搖桿、連桿、齒輪齒條等裝置，對反推量進行線性控制。

4）1個 12V 電源另外連接有刷電調。有刷電調與接收機通過有線連接，需去掉一個供電BEC供電線。有刷電機直接連接有刷電調。共有兩個有刷減速電機，且只需要單向運轉，因此，選用有刷雙路單向電調。

5）接收機連接方式[14]。一通道連左邊舵機，二通道連右邊電機，三通道連左邊無刷電調，四通道空缺，五通道連右邊無刷電調，六通道空缺，七通道空缺，八通道連有刷電調。

6）混控設置。二通道信號值 一通道信號值 ×100% ；一通道信號值 二通道信號值 ×（-50%）五通道信號值 三通道信號值 ×100% 。

1.3整體結構及工作原理

海洋垃圾收集器整體結構設計緊湊，多處使用卡扣、榫卯等結構，組裝簡單。船體下方使用浮塊進行填充，提高船體的浮力并減小船體運動阻力；水下無刷電機及電池設計在靠下位置，保證裝置有良好的穩(wěn)定性。近海漂浮垃圾收集器的整體結構，如圖5所示。

主動吸引模塊，如圖6所示。水下無刷電機通過同步帶與螺旋槳相連，可有效減少噪音和抖動，降低裝配要求，在保證扭矩傳輸?shù)耐瑫r，能防止螺旋槳卡死而導致的電機過載。通過螺旋槳產生向后的高速水流，在進水口及前板位置形成較大的負壓。兩側電機功率相同，產生等大的推力，最終產生的單側推力大小由后方反推尾噴控制。

由螺旋槳產生的高速水流將穿過反推尾噴。舵機為反推尾噴裝置的動力裝置，連桿及齒輪、齒條機構組合而成的傳動結構將舵機旋轉運動轉化為反推尾噴上齒條的直線運動。通過調節(jié)舵機角度，可較為線性地控制反推尾噴內分流板的開合度，以此控制水流所占比例的大小。通過對兩側推力的協(xié)同控制，可以產生向前或向后的推力。控制控制兩側推力差，形成橫擺力矩，可獲得以任意轉向半徑進行轉向的能力。尾噴反推模塊，如圖7所示。

當螺旋槳工作時，水流將從常壓區(qū)流向負壓區(qū)。工作狀態(tài)下水流情況示意圖，如圖8所示。圖8中：箭頭表示反推比例為 0% 時的水流路徑。漂浮垃圾將隨水流進入收集裝置，并由過濾網進行分離。

因減速電機不能防水，為提高設備穩(wěn)定性，將其設置于水面之上，減速電機通過同步帶驅動三角轉子旋轉。三角轉子裝配圖，如圖9所示。轉子帶動勾爪旋轉，將過濾網上的漂浮垃圾轉運到后方的垃圾儲存箱中，結合等邊曲線（勒洛三角形）的特殊運動軌跡，可以使勾爪達到水平時處在更低的位置，盡可能地減小將漂浮垃圾往前推的趨勢。

樣機前板材料密度略大于水，兩側圓柱為中空結構，前板可上下浮動，自動調整吃水深度。前板上移示意圖，如圖10所示。圖10中：箭頭表示水流路徑，在快速前進時，水流將抬起前板，更多水流直接從前板下方流人，降低整體的阻力，并保證足夠的進水量，有效提升最大速度。由于材料密度略大于水，因此，當速度減慢時，前板后端會自動下沉，使進水通道依舊保持在前板上方。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 基本尺寸設計

調查結果顯示，中塊和小塊垃圾占漂浮垃圾的 98% 以上[15]，且垃圾分布范圍廣而遠。這要求裝置具有良好的行動力，盡可能地發(fā)揮遠程遙控操作的優(yōu)勢。近海漂浮垃圾收集器的尺寸，如圖11所示。

近海漂浮垃圾收集器的最高水位線為 252.50mm .最低水位線為 192.50mm 。超過最高水位線，可能會導致進水；低于最低水位線，可能因進水不足引起水泵空轉。通過配重使水位接近最高水位線，從而充分保證進水量，有利于垃圾隨著水流進入收集器中。

2.2 部分構件的有限元分析

2.2.1方向桿有限元分析MG996R型舵機的額定扭矩為 13kg?cm ，舵機搖桿臂長為 20mm ，力傳動比約為0.92，經計算可得方向桿最大負載約為 58.6N ，將其作為方向桿載荷。

方向桿有限元分析，如圖12所示。由圖12可知：圓桿與主板接觸位置變形最大；方向桿的最小屈服應力為 2.938MPa ，最大屈服應力為 140.8MPa ，最大位移為 1.979mm ，最小安全系數(shù)為3.6。方向桿的材料為7075鋁合金，無熱處理，屈服強度為 503MPa ，材料強度滿足要求。

2.2.2反推尾噴拉桿有限元分析電機最大推力為 19.6N ，當反推比例為 100% 時受力最大。結合尾噴口的幾何參數(shù)，受力點等效于分流板中心位置，經計算可得反推尾噴拉桿的最大壓力為 2.5N 。由于該結構為二力桿件，壓力沿桿軸向。

將2.5N作為桿件載荷進行有限元仿真。反推尾噴拉桿有限元分析，如圖13所示。由圖13可知：變形最大處為軸孔位置；反推尾噴拉桿的最小屈服應力為 113.3Pa ，最大屈服應力為 0.428MPa ，最大位移為 5.81μm ，最小安全系數(shù)為70.0。反推尾噴拉桿的材料選用光敏樹脂，屈服強度約為 30MPa ，材料強度滿足要求。

綜上可知，主要受力連接件安全系數(shù)均大于3，滿足強度要求;變形量均在允許范圍內，不存在因過度變形而產生的失效。

2.3樣機實物數(shù)據(jù)測算

樣機靜態(tài)實拍圖，如圖14所示。

無風環(huán)境下，樣機實測數(shù)據(jù)，如表2所示。

樣機電池容量為 9000mA?h^-1 ，電壓為 12V 。整機最大總功率為410.8W，經計算可得續(xù)航時間為 0.263h ，根據(jù)實測航速，經計算可得續(xù)航里程。

在漂浮垃圾分布約為0.3個·m^-2 的靜水面上，平均收集速率為8個·?min^-1 ，收集速率較高，但在垃圾靠岸情況下，收集速率會降低。

3結束語

設計一種近海漂浮垃圾收集器，通過自吸功能，有效提高了貼岸漂浮垃圾的收集能力;通過反推控制，實現(xiàn)了收集器的機動性，以及吸力與動力的電機復用。樣機試制證明了文中方法的可行性，并驗證了收集器對處于復雜地形、貼岸的漂浮垃圾的出眾收集能力。通過參數(shù)設計，使近海漂浮垃圾收集器能適應國內大部分的工作環(huán)境，對垃圾少、范圍廣、難收集的水域效果更加顯著。在樣機測試中，樣機的最大航速為 0.7m?s^-1 ，續(xù)航里程為 0.67km ，形成的吸引半徑為 0.4m ，在漂浮垃圾分布為0.3個·m^-2 的靜水水面上，平均收集速率為 8個·min^-1 。在未來的工作中，將進行與其他輔助裝置協(xié)作的研究，如聲吶、AI等。此外，也可結合5G 通訊及高空探查，進一步降低工作強度，擴大收集范圍。

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（責任編輯：錢筠 英文審校：吳躍勤）