唐德莲　吴柯依　郑远航　吴昕怡　王琰隆

摘要：针对沙滩和草坪的垃圾污染、清理不及时等问题，设计了一种小型沙滩一草坪清理车，可填补小型环卫机械的空白，提高工作效率，降低劳动强度。该清理车具有人工操作和自动清理两种工作模式，可适应不同地形，满足多种清理需求;通过清扫模块、振筛模块和收集模块实现流程化清理，操作简单;能应用于沙滩和草坪等休闲场地，减少垃圾对海洋和土壤的污染，是保护自然资源、发展城市经济的必然选择，具有良好的节能减排效益和社会效益。

关键词：清理车;小型机械;节能减排;模块设计

中图分类号：U469.6+91

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.022

1 作品背景及意义

沙滩是沿海城市的名片，保护好城市景观沙滩，是保护自然资源、发展城市经济的内在要求和必然选择;同样，草坪作为城市绿化的基本要素，标志着城市的文明与发达程度，对市容市貌和微气候调节起到至关重要的作用。但人类活动给沙滩和草坪带来的垃圾污染问题也日益严重，大量的垃圾导致沙滩生态系统更加脆弱，加剧了沙滩的侵蚀和退化。在公园、操场等场地的草坪上存在着大量垃圾与落叶，人类活动遗留下的垃圾会危害草坪健康，影响市民游玩和城市美观。

党的十九大强调，要全面推进生态文明建设，增加绿化面积，明确要求沙滩不得减少，把改善沙滩生态环境质量作为重点。为减缓沙滩退化、保护草坪生态环境，我国采用了多种机械和技术清理日常垃圾，加强对沙滩和草坪的清洁和管理。

现有管理中，沙滩和草坪的日常清洁维护工作以人工为主，少数沙滩采用大型沙滩垃圾清洁车进行定期维护，草坪在打草季和落叶时节会采用机械辅助清理。人工维护具有耗时长、效率低、劳动强度大的缺点，而机械清洁设备的研制在中国起步较晚，是我国环卫机械产业的薄弱点。大型沙滩垃圾清洁车价格昂贵，使用频率低;打草机通常不带有草渣清理功能，需额外清理;鼓风机清理草坪垃圾耗时耗能，清洁效果不佳。现有机械装置作业时扬尘严重、噪声大、消耗非清洁能源，使用时需封闭或半开放场地，在一定程度上影响了游客的舒适性。

基于以上背景，本项目设计一种小型沙滩一草坪清理车作为沙滩和草坪等休闲场地清洁人员的辅助装置，用于日常清理工作，提高人工清洁效率，降低劳动强度，延长深度维护的工作周期。在不影响沙滩和草坪正常使用的条件下，满足其日常清理要求，可减缓沙滩退化，维持草坪良好状态，最大限度地保护沙滩和草坪的生态系统。

2 机械部分设计

该作品主要研究内容是设计并加工一种小型沙滩一草坪清理车作为沙滩和草坪清洁人员的辅助装置，拟解决现有沙滩和草坪清理工作强度大、效率低等问题。小型沙滩一草坪清理车主要由清扫模块、振筛模块和垃圾收集模块组成，整体如图1所示。

清扫模块利用盘刷扩大清理范围，通过滚刷将收集物扫至铲板;振筛模块利用振筛网往复运动分离垃圾与沙粒，并将垃圾输送至收集箱;垃圾收集模块位于箱体下部，采用可拆式设计，实现垃圾的存储与转运。

为使装置更好地适应不同地形、满足多种清理需求，本作品设计了人工操作和自动清理两种工作模式。装置使用清洁能源，G5N-20K直流电机为清理车提供动力，采用后轮驱动前轮转向的工作方式，结构紧凑。人工模式下通过扶手处按键控制车体行进、转向及振筛网的启停;自动模式下通过BFS算法按照预定路径行进、GPS模块进行定位和测距、陀螺仪进行方向校正与转向，便于操作人员使用，降低劳动强度。

2.1 清扫模块设计

清扫模块由可调节铲板、滚筒毛刷及可拆卸盘刷组成。清理沙滩垃圾时，装置向前行进，铲板底部以适当的角度铲人沙地中，随着装置的行进将沙粒和垃圾收集传递到后方的振筛部分，便于對垃圾的筛分处理。清理草地垃圾时，调整铲板角度至距地面有一定距离以避免伤害草坪，安装可拆卸盘刷，盘刷与滚刷协同工作，将草地垃圾扫入后方铲板进而实现对草地垃圾的收集。

根据铲板铲沙量与铲沙深度，查阅资料与计算，得出铲板调整角度范围为23° - 34°，保证铲板磨损最小、工作效率最高。由于草坪和沙滩均存在凹坑，为减小清理盲区，滚筒毛刷高度设计为可调节，范围为0 - 65 mm。

2.2 振筛模块结构设计

振筛模块通过振动过滤筛除沙粒，使沙粒与垃圾分离。振筛模块主要由曲柄摆杆机构、振筛网组成，通过电机转动带动曲柄摆杆机构，使振筛板沿着导轨做反复直线运动。曲柄的旋转运动可转换成导杆的往复摆动，装置利用曲柄摆杆机构的急回性质实现振筛板的振动效果。

2.2.1 网眼式振筛网

振筛网设计为阶梯式斜面网，配合曲柄摆杆运动将垃圾向上传送，且过滤沙粒。根据清洁需求，将振筛网设计成可拆卸结构，一方面便于清洁残留垃圾，另一方面在振筛网过滤不同规格的沙滩垃圾时能做到更加方便和人性化。

2.2.2 曲柄摆杆机构

振筛网两端安装有滑轨用以引导其运动，滑块在滑轨中沿固定轨道做直线运动，与曲柄摆杆机构相配合，最终实现电机的转动，带动振筛板沿着设计的轨迹反复直线振动。当振筛网做往复运动时，曲柄摆杆的急回性质加速振筛网向上运动，对其上的垃圾产生一个向后上方的力，随后筛板运动到原位置，垃圾落到上方的一级阶梯上，以此完成对垃圾向上的传送功能。

2.3 垃圾收集模块设计

本装置的垃圾箱位于振筛模块的后方，用于收集筛分后的垃圾。垃圾箱固定于车架上，箱底采用推拉式设计。当垃圾箱装满时，将箱底抽出，使垃圾掉落，实现垃圾的收集和打包。

2.4 驱动模块

本作品后轮使用双电机进行驱动，差速转向所需力矩较大，综合考虑实际因素，采用前轮舵机引导结合后轮电机差速进行转向。前轮使用扭矩为180 kg.cm的舵机，联轴器将舵机输出轴与前轮方向机连接，舵机左右转动带动前轮左右转动引导装置前进，改变装置前进方向。

2.5 工作模式

装置有两种工作模式供操作人员选择，分别为人工操作模式和自动清理模式，可通过模式切换开关进行切换。装置有2个开关，电源开关和模式切换开关。按下电源开关后，装置接通电源。模式切换开关有三个挡位，分别为停止挡、人工模式挡、自动模式挡，可实现装置工作状态的切换。

2.5.1 人工操作模式

在场地地形复杂、游客较多的情况下，采取人工操作模式。人工操作模式的工作流程为：根据工作环境，调整合适的铲板角度，按下电源开关开启装置，按下模式切换开关，装置在工作人员的操作下进行垃圾清理。该模式下，工作人员可根据场地实际情况控制装置转向，行进至工作地点。该工作模式适用范围广、灵活性高，可降低人工劳动强度，提高工作效率。

2.5.2 自动清理模式

在工作场地地形平坦、游客较少的情况下，可使用自动清理模式。装置自动行走过程中使用GPS模块进行定位和测距，使用陀螺仪进行方向校正与转向，通过两者的结合，使装置行走预设的距离后180°转向。行走距离以及清理范围可由操作人员事先设定，装置的初始定位及初始角度由装置切换为自动清理工作模式时测量得到。

3 收集效果实验

用自动清理模式和人工清理模式进行实验，测量试验前后的实验草地和沙地中的垃圾情况以及装置垃圾箱内存储的垃圾的重量。数据显示，本装置能够实现垃圾清理功能，且清理效果良好。

4 总结

本作品具有体积小、操作简便、低成本等优点，可用于沙滩和草坪日常清理，能够高效清理日常垃圾，提高游客舒适度，具有良好的社会效益。同时，可以弥补大型清理机器存在的弊端，延长使用周期，减小因大型机器使用时封闭场地而引起的经济损失。因此，本装置可广泛地应用于沙滩和各种草坪场地进行清理工作。装置的盘刷部分可根据使用场地的不同拆卸替换，因此，装置也可应用于运动场、高尔夫球场、道路等场地的清理工作。综上所述，本作品具有广泛的应用前景。