关于沿海沙滩清理车的设计研究

2018-04-19吴东军张玉峰周睿杰刘泓良字天成

吉林化工学院学报 2018年3期

吴东军，张玉峰，周睿杰，刘泓良，字天成

(北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021)

近几年随着国内经济的发展，人民生活水平不断提高，旅游逐渐成为大多数人钟爱的娱乐方式.而沿海沙滩优美的环境和恬静的气息受到广大旅客的推崇.但由于旅客整体环保意识薄弱，沿海沙滩垃圾数量日益增加，对我国沿海地区环境和海洋环境造成严重污染[1].据美国的一项报告表明：全球每日产生海滩垃圾3 700 t，香烟和塑料袋成为全球海洋环境的头号“杀手”.经调查，国内沙滩常见的垃圾主要有塑料瓶，易拉罐，包装袋等，这类垃圾很难分解回收，对环境造成严重污染[2-4].沙滩垃圾污染已经给海岸带及近岸海洋生态系统造成巨大的压力，严重影响了人类的生存与发展[5].

基于上述沿海沙滩垃圾问题，目前国内对沙滩清理车的结构设计有多方面的研究，相关技术都具有一定基础，对沙滩垃圾的清理有重要意义[6].但是每个国家的沙滩环境状况各不相同，并且我国的海岸线较长，沿海面积较大，而我们设计的这款清理车是符合大面积沙滩垃圾的清理，是以机械代替人工，实现高效清理与有效分类，并且成本低，安全性能高，有较高的使用价值.

1　整机结构设计与工作原理

1.1　整机结构设计

该机的结构主要有机架、铲沙机构、筛分机构、链条齿轮传送机构以及收集装置等组成.其核心为铲沙机构和筛分机构，三维如图1所示.

图1　沙滩清理车整体三维模型

1.2　工作原理

该机器主要由小型牵引车通过悬挂式牵引进行工作，以电动机为动力元件，电源采用车载蓄电方式.根据工作区域的情况，在行进过程中通过牵引车液压系统控制铲沙刀两侧的液压油缸来调节铲沙刀入沙深度，进行铲沙.沙子和海滩垃圾一起进入筛分机构后，筛分机构由电机驱动链条机构传动，齿轮带动两层筛分板中间的曲杆转动使筛分板抖动.抖动过程中沙子与沙滩垃圾分离，垃圾进入收集装置，至此沙滩垃圾收集完成[7,8].

2　主要部件的结构设计

2.1　机架的设计

机架的设计主要考虑自身的稳定性，强度，材料选择，尺寸大小等问题.在机架上主要安装有铲沙刀，筛分板，调节杆，链条齿轮传动机构，电动机，收集箱等装置.在保证各个部件安装位置准确的前提下，还要减轻整机质量，提高工作强度.因此我们设计的整机机架的尺寸2 100 mm×1 120 mm×855 mm，整机质量约250 kg.它主要由牵引架，横梁，左右两侧板等组成.如图2所示.

图2　机架三维效果图

2.2　铲沙机构的设计

铲沙机构主要由铲沙刀和伸缩杆组成，如图3所示.根据工作地点的沙地松软程度调节铲沙机构的高度，防止铲沙刀铲入沙土深度太深损毁机构.当在适宜的铲沙深度工作时，铲沙机构上的铲刀会分离大多数的沙土，少部分体积较大的沙土和垃圾会进入筛分机构.

图3　铲沙机构

(1)铲沙刀的材质和性能的选择：根据国内资源及使用要求，研制了31Si2CrMoB、40SiMnTi钢、65Mn，并且对这三种材料的耐磨性能进行了试验.对三种材料的耐磨性、塑性、冲击性、以及适用机型进行了统计.如表1所示.

通过查阅相关资料和一些基础实验研究，最终确定了选用了65Mn作为铲沙刀的主要材料.65Mn具有较好的耐磨性，较强的塑性以及抗冲击性.

(2)伸缩杆的设计：它是将牵引车配置的液压系统改装，然后通过手动加压控制沙滩清理车铲沙刀.目的是根据铲沙刀所受阻力使用液压装置对铲沙刀的倾斜角度和铲入深度进行调节，调节铲沙器的一端与清理车的侧板固定，另一部分与前车架通过丝杠连接，达到调节并维持铲沙刀倾斜角度的目的，以保证铲沙刀在更适宜的铲入深度下工作，不会因为铲沙阻力太大而损毁[9].

2.3　筛分机构的设计

图4为筛分机构的整体结构，主要由电机、齿轮、链条等机构组成.当沙滩清理车工作开始时，电机开始工作带动链条传动，链条带动齿轮机构中的曲杆转动使筛分机构抖动，沙块发生受迫震动至破碎，从筛分机构的孔中落下，包裹在垃圾中的沙子被抖出并从筛分机构的孔中落下，从而达到将沙子与垃圾分离的目的.分离后的垃圾通过传送机构进入收集装置.

图4　筛分机构

2.4　传送机构的设计

由以上公式可知，链条的振动频率f与z1、n1、t有关，它们之间既互相联系又相互制约.

2.5　收集装置的设计

沙滩清理车还安装了简易的垃圾回收装置，将垃圾箱分为可回收区和不可回收区，经过垃圾的分离机构，收集来的垃圾分别进入不同的箱中.垃圾分类回收装置是通过螺旋输送杆机构设计[11].由两个螺旋输送杆组成，并采用两端螺旋反向的设计使可回收垃圾输送到可回收垃圾箱中，不可回收的垃圾在输送过程中由于形状和尺寸的不同进行分离[12,13].结构如图5所示.