卢思雨， 张建伟， 王稳

（浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山316022）

关键字：垃圾清理；水体增氧；环保设备

0 引 言

近年来，人们环保意识逐渐提高，由于湖面为露天公共环境，居民生活用水排放使水体含磷量增加，造成水中浮萍、绿藻等大量繁殖，长此以往不仅会影响水质，造成水环境污染，也会使水体内的水生物缺氧死亡。垃圾丢弃问题同时也会造成湖水的污染，湖边绿植落叶或者人为丢弃的塑料瓶、塑料袋等会使湖面有漂浮垃圾，这不仅影响美观，同时湖面清理起来也较为麻烦。

目前针对于湖面垃圾的清理，通常是环保部门人员用网沿着岸边打捞，或者划船用网兜清理，其人工成本过于高昂，并且打捞频率不高，效率更是不尽人意。此外，现有的水面垃圾清理装置往往功能单一，普适性较高、针对性不强，不能针对人工湖或养殖鱼塘等水域的情况进行特定高效的垃圾清理[1-6]。

针对以上问题，本文提出了一种水车式湖面垃圾清理及水体增氧双体船结构设计，通过水车式垃圾收集机构、输送机构及驱动机构，实现湖面垃圾的收集、传送和储存，减少了环保部门在湖面清理方面的人工投入，有效地提高了水面垃圾打捞的工作效率。同时，此设计还可增加水体含氧量，解决水体氧气不足造成的鱼类死亡问题，提高养殖鱼类的存活率。清理船以单片机作为控制中心，通过自动控制算法实现路径规划，使清理船在一定区域自主巡航。

1 一种水车式湖面垃圾清理双体船

目前的湖面垃圾清理大多为人工定点式网兜打捞，不仅费时费力，而且对于工作人员的安全保障不到位。此外，对于人工湖或养殖鱼塘等不流动的水体，普遍于水面上设置增氧机，以增加水体含氧量，降低水生物死亡率[7-8]。针对上述问题，本文主要从湖面垃圾的自动清理及水体增氧等两方面进行探究，将垃圾清理和水体增氧有机结合，提出了一种水车式湖面垃圾清理及水体增氧双体船结构设计，装置如图1、图2所示。

图1 水车式湖面垃圾清理双体船主视图

图2 水车式湖面垃圾清理双体船简图

装置的两个船体结构之间设有连接梁，水车式垃圾清理机构通过第一转轴架放在两船体之间，水车上的弧形弯板入水、出水即可将垃圾收集；船体两侧设有转叶板，由驱动电动机作为动力源，驱动双体船在湖面上移动；垃圾清理机构后设有毛刷、高压喷头及传送带，构成垃圾输送机构，毛刷和高压喷头通过第二转轴设于船体之间；垃圾收集框位于两船体后方；单片机控制系统主要实现清理船在工作区域内的自主巡航。清理船工作时，垃圾由弧形弯板收集，再经毛刷、高压喷头，冲落于传送带上，最后输送进入垃圾收集框内，实现水体垃圾的打捞。在此过程中，弧形弯板入水、出水，可将湖水暴露于空气中，在重力作用下，湖水再经弧形弯板上的流水孔进入水体，提高了水体含氧量；高压喷头的水源来自于工作水体，在将弧形弯板内的垃圾冲至传送带的过程中，也可实现水体的增氧。

2 主要系统及结构设计

2.1 水车式垃圾收集机构设计

由于现有垃圾打捞方法和打捞装置的效率较低，且普通的打捞装置对于湖面垃圾清理的针对性不强，不具备多功能性。因此，本文设计了一种水车式湖面垃圾清理双体船，尤其设计了一种水车式垃圾收集机构，以实现湖面垃圾的清理及水体的增氧,如图3、图4所示。水车式垃圾收集机构主要由圆环形车架和弧形弯板构成，圆环形车架通过第一转轴设于两船体之间，车架上设有若干个固定杆，弧形弯板通过套管设于固定杆上，可绕着固定杆转动；弧形弯板通过隔板与套管连接，板上均设有流水孔；弧形弯板靠近船体的左侧边上设有第一永磁铁，船体内侧靠近圆环形车架左下角的位置设有与第一永磁铁磁极相反的第二永磁铁。双体船行进过程中，水流逆船行方向流动，从而带动水车式垃圾收集机构逆时针转动，弧形弯板入水、出水，即可实现水面垃圾的收集，湖水经流出孔流回湖内。在此过程中，由于弧形弯板入水时方向无法确定，从而导致入水阻力增大，为减少能量损耗，弧形弯板及船体侧面加设了磁性相反的永磁铁。当弧形弯板移动至接近水面时，弯板左侧的第一永磁铁与船体侧面的第二永磁铁产生吸引力，使得弧形弯板绕固定杆顺时针转动一定角度，从而实现了弧形弯板入水时与水平面存在一定夹角，降低了入水阻力，第一、第二永磁铁距离加大后，弧形弯板恢复水平。同时，部分湖水不断地通过流水孔下落至水面，可实现水体的增氧，以提高水体内鱼类存活率。水车式垃圾收集机构的最大特点在于同时实现了垃圾收集及水体增氧，同时动力由行进过程中的水体流动提供。

图3 水车式垃圾收集机构俯视图

图4 水车式垃圾收集机构主视图

2.2 垃圾输送机构设计

船体行进中，水车式垃圾收集机构持续逆时针转动，在弧形弯板收集到垃圾后，就需将垃圾转移至垃圾储存框内，因此，本文同时进行了垃圾输送机构的设计，如图5、图6所示。垃圾输送机构主要由毛刷、高压喷头、导向杆和传送带组成。毛刷、导向杆和喷水管直接设于第二转轴上；转动杆末端设有导向轮；集水腔设于第二转轴内，喷水管与集水腔和高压喷头连接；传送带斜向设于毛刷下方。清理船开始工作，第一电动机及电动机水泵启动，转动杆带动毛刷和导向杆转动，当弧形弯板运动至接近毛刷的位置时，导向杆通过导向轮将弧形弯板绕着固定杆顺时针转动，毛刷同时动作，将弧形弯板内的垃圾扫落至传送带上，高压喷头将水喷射到弧形弯板上，使得垃圾冲刷更为彻底。此过程中，高压喷头与毛刷实现了弧形弯板上垃圾的彻底清扫，同时，喷出的水经空气进入水体，可进一步提高湖水含氧量。

图5 垃圾输送机构主视图

图6 毛刷、喷水管局部放大图

2.3 清理船驱动机结构设计

如图7所示，本设计使用转叶板作为驱动机构。当装置工作清理水面垃圾时，水流冲击水车式垃圾收集机构进行垃圾打捞工作。在此过程中，转叶板在水体中进行转动，可使水体活动，起到了水体增氧的作用，提高了湖内生物存活率。此外，双体船结构使得船体运动更加平稳，打捞后得到的垃圾不易向周围掉落，使得打捞工作更加彻底、方便，有效提高了垃圾打捞的效率。

图7 驱动机构俯视图

3 系统工作流程

如图 8 所示，清理船以单片机作为控制中心，使船体能够在一定的工作水域内巡航，工作开始时，双体船在水面航行，电动机驱动转叶板转动，在水流冲击作用下，水车式垃圾收集机构通过第一转轴逆时针转动；弧形弯板逐渐靠近水面，在永磁铁的作用下，弧形弯板绕固定轴转动，形成与水平方向呈一定角度入水，继而磁力减弱，弯板水平浸入水中，出水后实现湖面垃圾的收集；打捞过程中存于弧形弯板上的湖水通过流水孔回落到湖中，实现水体的增氧；垃圾清理工作开始时，船体空腔内的第一电动机启动，带动第二转轴顺时针转动，从而带动毛刷及导向杆转动；当弧形弯板运动至靠近毛刷时，导向杆通过导向轮使弧形弯板绕固定轴顺时针转动一定角度，以利于垃圾倾倒至传送带上；毛刷作用于弧形弯板内凹面，将垃圾扫落至传送带上；电动水泵同第一电动机一起启动，将湖水抽至集水腔内，再通过高压喷头将湖水喷出，对弧形弯板进行冲刷，实现垃圾的完全扫落，同时增加湖水含氧量；垃圾落至传送带，继而通过传送带将垃圾运送至垃圾收集框内，实现水面垃圾的清理工作。

4 结 语

图8 清理船俯视图

随着人们环保意识的增强和国家环保力度的加大，针对水面垃圾清理装置的研究也逐渐增多，各种垃圾打捞设备层出不穷，但也存在着作用对象不明确及功能单一等问题。根据上述问题，又基于针对性强、功能多样的水面垃圾清理设备的设计理念，本文提出了一种水车式湖面垃圾清理及水体增氧双体船结构设计，在船体行进过程中，水车式垃圾收集机构可实现水面垃圾的收集及水体的增氧，垃圾输送机构中的毛刷及高压喷头可将收集机构打捞到的垃圾扫落至传送带上，继而运输至垃圾收集框内，同时高压喷头、喷水管、集水腔和电动机水泵可实现水体的增氧；清理船以转叶板作为驱动机构，也可增加湖水流动，增加水体含氧量；当收集框内的垃圾储存到一定数量以后，工作人员便可以直接处理收集框内收集滤水后的垃圾，操作简单，方便快捷。

本文所设计的垃圾清理双体船主要应用于公园湖泊、水产养殖塘等需要垃圾清理及水体增氧的水域，清理船通过特定的机构设计，在垃圾清理的同时，对水体进行增氧，有效降低了水体增氧的成本投入，同时也可实现对环境的保护并节省人力成本。