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太阳能小型水面除污装置的结构设计

摘要：本文提出了一种针对城市内小型水域的自动水面除污装置,主要包括太阳能动力模块、控制模块和除污模块.工作时船体在水上行进作业,前端的簸箕形机构进行垃圾收集工作,其入水的深浅由一个包含弹簧、浮筒在内的四杆机构调节.由于船体向前推动,簸箕遇到树叶或水瓶等垃圾时,垃圾自动进入“簸箕”中,由收集装置上方的滚筒将垃圾“扫”到输送带上,由输送带运送到储存仓中.可以有效地对各种水面污染物进行清理和收集,且结构简单,控制简便,具有很好的推广价值.

关键词：小型水域；垃圾回收；自动船；太阳能

中图分类号：X52文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.01.075

水是生命之源,城市中大大小小的河流、湖泊在提供人生活所需用水的同时也让人类的生活更加美丽.保持城市水体的洁净是每个市民应尽的责任.但现实情况并不乐观,校园、城市中的大小河流均受到一定程度的污染,水面漂浮着树叶、废纸、生活垃圾,既影响了校园、城市的仪容仪表,又影响了周围居民的生活质量.对于小型水面除污,目前很多地区还主要采用人工打捞水面垃圾的作业方式,不仅劳动强度大、工作环境恶劣,且效率也十分低下[1-2].因此,设计研发一款适应市内、景点、校园内小型湖泊、溪流、小河的自动除污设备对于保护环境、美化城市具有非常重要的意义.

1功能分析

笔者设计的水面除污装置主要针对市区、景点、校园内的小型人工湖泊,其覆盖面积大多在6.67~2000km2之间,水深2~5m,水面风浪不大,基本可看做静止水面[3-4].水面覆盖的垃圾主要包括落叶、塑料袋、饮料瓶、易拉罐等,它们体积小、质量轻,且主要分布在湖边区域[5].本装置主要通过延着湖岸水域巡航,收集航道附近水面漂浮的各种污染物,然后带回岸边进行回收.本文设计的小型水面除污装置需要实现以下功能.

1）驱动功能：驱动水面除污装置前进并收集水面漂浮的污染物,需要有稳定的电源来保证伺服电机或电动机的运转.目前国内外常用的电源装置主要包括一次性电源装置,如锌锰电池、铅酸电池及充电电池如锂电池、镍氢电池与镍铬电池[6-7],其中一次性电池使用成本较高,且在生产、使用和报废的过程中均会对环境造成一定的污染.而充电电池也因为其充电原理的不同存在各种问题,如锂电池的生产成本较高,镍氢电池对充放电要求较高,镍铬电池的储电量较小等,均不能适应本研发的小型水面除污装置的使用要求,故需要寻找一种环保、高效、成本低、寿命长的清洁能源,来作为除污装置的动力来源.

2）控制功能：本研究主要针对小型人工湖泊,即湖面覆盖面积不大,且轮廓不规则,水面上的污染物又主要沿湖岸分布情况,这对水面除污装置的行进系统提出了较高的要求[8],除了可以进行简单的直行、转弯、掉头之外,本水面除污装置还需能自动捕捉湖岸的轮廓并进行分析,且能选择合理的行进轨迹循迹行驶.

3）收集、处理、储存污染物的功能：本研究针对的污染物主要为水面漂浮的落叶、塑料袋、饮料瓶、易拉罐等,具有质量较轻、会在风浪的影响下无序运动、密度较小等特点,由于其在水里长期浸泡且具有表面摩擦系数较小的特点[9-10],要完成对此类污染物的回收,除污装置必须能够有效地捕捉污染物,回收污染物,对其进行有效储存,并在除污结束后带回岸边进行分类处理.

2模块设计

1）动力模块设计：太阳能发电技术是一种新兴可再生能源,主要组件包括太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电组等.主要工作原理为在阳光照射下,太阳能电池板将太阳能转换成电能,经充电控制器流入蓄电组,在没有光照的情况下再由蓄电组将电能经逆变器传入其他需供电设备.考虑到本研究的水面除污装置不需要在夜间、阴雨天等其他光照不足的气候条件下进行工作,故只需要选择功率适当的太阳能电池板,使其与电动机直接串联.一般太阳能电池板的发电功率约为14W/m2,每片电压0.5V,估算本水面除污装置的行进和除污大致需要6V,9W的发电功率,故需要选用大约0.8m2的太阳能电板,并将其拆分成相等尺寸的12片小电池片,串联后连接传动、执行模块.

2）执行模块设计：执行模块需要完成对水面垃圾的收集、运输和储存工作,收集工作可通过一个铲型簸箕实现.通过除污船的运动,运用惯性使水面漂浮的各种污染物进入簸箕中；运输功能通过安装在簸箕后方的传送带实现.为保证各种污染物均能顺利从簸箕后方进入输送带,可选用一个表面粗糙的橡胶滚筒,安装于输送带末端的上方,并与输送带按相反方向转动,方便将簸箕内的垃圾扫到输送带上,储存功能主要依靠输送带后方的垃圾储藏箱,由于水面污染物在收集时会沾水,可将垃圾储藏箱底部打通,内部设可拆卸网兜,垃圾从输送带末端落入网兜中临时存放,待除污船回到岸边后更换网兜即可.

3结构设计

1）船体结构设计：根据前文所述功能和结构特点,笔者设计的水面除污装置船体结构见图1.

图1所示的船体结构主要由双体船船体、亭台配重块、玻璃电池罩、太阳能电池板、垃圾收集箱、输送带、滚筒、簸箕、遥控天线等部件组成.双体船两侧船舱中装有控制电路、电动机等零件,两侧船舱后部各装有一个螺旋桨,用来驱动除污船的运动.双体船中部为垃圾收集运输储存装置,从前到后由簸箕、滚筒、输送带、垃圾收集箱等零件组成.除污船使用过程中必须保证后方螺旋桨始终在水面以下,故在垃圾收集箱上方设计有亭台状配重块,并可根据不同城市、校园、景区的文化环境进行,使在实现除污功能的同时起到宣扬文明的作用.

2）除污装置结构设计：设计的除污装置结构,由簸箕、滚筒、齿轮、齿轮罩、主动轮、从动轮、支架、张紧轮、弹簧、浮筒等零件组成.簸箕前端较宽,最宽处与两侧单船体中心线相交；其后端较窄,与支架长度相同,方便将除污船行径轨迹上的污染物汇集到支架处.簸箕后端较深,簸箕底部距输送带约5cm,簸箕可绕支架转动一定角度,根据除污船运行状态及水面风浪变化,簸箕底面与支架间夹角在150°~160°之间转动,便于输送带收集簸箕中的垃圾.齿轮、轴、滚筒组成卷垃圾装置,主动轮通过输送带带动从动轮和动齿轮1,通过齿轮2带动滚筒,主动轮与从动轮转向相同,组成带传动运输垃圾,从动轮与滚筒转向相反,配合将垃圾扫上输送带.由于除污船需要保证后部入水,需要有特制的控制机构以保证除污装置前段的簸箕始终处于水面以下5cm左右的位置,本设计使用支架、浮筒、弹簧组成的控制机构,支架可绕主动轮轴转动,随着工作过程中重力和其他外界条件的变化,浮筒带动弹簧变形,同时带动支架转动,调整簸箕的位置,使其始终在水面下方运动.

4总结

本水面除污装置由动力模块、控制模块、除污模块组成,工作时,船体在水面行进作业,前端的簸箕形机构进行垃圾收集工作,其入水的深浅由一个包含弹簧、浮筒在内的四杆机构调节.由于船体向前推动,簸箕遇到树叶或水瓶等垃圾时,垃圾自动进入簸箕中,由收集装置上方的滚筒将垃圾“扫”到输送带上,由输送带运送到储存仓中.本设计结构简单,功能多样,市场广阔.

参考文献：

[1]张蕾蕾.湖面清扫智能机器人的控制[D].沈阳:沈阳理工

大学,2008.

[2]王莉烨.多传感器信息融合技术在智能机器人上的应

用[D].沈阳:沈阳理工大学,2009.

[3]谢家兴,邱冠武,陈武瑞,等.基于景区湖泊污染的多功能水

域清理船设计[J].环境工程学报,2014(6):2371-2375.

[4]马超.人工景观水体生态型护岸设计研究[D].哈尔滨:东

北林业大学,2013.

[5]马剑.湖面漂浮垃圾收集装置[J].发明与革新,2001(7):30.

[6]王鹏,朱龙英,崔振萍,等.轮履组合式环保机器人的设计与

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