漂浮落叶收集设备的设计与分析

谢冠武

漂浮落叶收集设备的设计与分析

谢冠武

（广东慧航物联科技有限公司，广东 东莞 523000）

针对现有的水面漂浮落叶设备存在容易产生大幅度的波纹使得落叶远离设备、落叶收集装置过于简陋导致落叶存在二次漂出的问题，提出改进设备的流线型、收纳装置的U形分流等设计方案。机理表明，改良的设备不易产生大幅度的波纹以及能有效避免收纳室的落叶发生二次漂出现象，其具有更好的收集效果。

落叶；船；阻力；流体学

城市化进程不可避免地会给环境带来一定的污染，常见的污染包括河道污染和空气污染，因此环境保护是一项重要工作[1]。水域环保最常见的工作是打捞水面漂浮垃圾，包括落叶、塑料袋等。由于城市建设中，河道两旁常设置绿荫大道供居民休闲使用，围栏外是河道，围栏内是一排排的大树，因此，不可避免地每天都会有大量的落叶漂浮于水面。目前的水面漂浮落叶清理方式以人工网捞为主，该方式工人的劳动强度大，受天气影响因素大（烈日、寒冬），并且存在着一定的危险性。船模在水面移动具有较高的灵活性[2]，使用船模代替人工收集漂浮落叶的效率会更高。以下将对现有技术分析以及进行相应的设备改良。

1 船体结构设计

1.1 原理分析

船体的机构设计直接影响着行进的灵活性、波纹的大小以及船体的稳定性，当然还有浮力、载重性等，本文主要探讨船体机构设计对前三者的影响，以更好地应用在代替工人打捞漂浮落叶方面。船体行进的灵活性与船体所受阻力相关，根据流体学研究，在流体这个参考系中，物体相对于这个参考系产生相对运动时，物体会受到与运动方向相反、速度大小相关的阻力[3]。在相对速率较小时，阻力与具有线性关系[4]：

=（1）

式（1）中：为阻力系数。

在相对速率较大以致于在物体的后方出现流体漩涡时，阻力的大小与2成正比：

=2/2 （2）

式（2）中：为阻力系数；为流体的密度；为物体的有效横截面积。

根据式（2）可知，如果快速移动的船体在移动正方向上作用于水的有效横截面积越大，其阻力越大。以下将基于以上原理进行设备设计。

1.2 设计方法

船体在水面行使时由于力的相互作用以及流体本身的固有属性会产生波纹，作用力越大，波纹也会越大，并且波纹还跟作用于流体的有效面积有关。现有的水面漂浮落叶设备大多数类似于图1（a）所示的样式，船头位置作用于流体的面积大，即受到较大的阻力导致耗电多，还容易产生幅度大的波纹。本文为减小船体受到的流体阻力，设计流线型的船体如图1（b）所示。

（a）现有的水面漂浮落叶设备-船体部分

（b）本文的水面漂浮落叶设备-船体部分

图1 两种船体结构对比

对比现有的水面漂浮落叶设备，本文所设计的设备作用于水的有效横截面积比现有设备小。根据式（2），两种设备以相同速度在同一水域作业时，本文设计的设备受到的阻力更小。因此，本文所设计的设备作用于流体时产生的波纹会更小，这样能有效避免产生大量波纹，使得落叶远离设备、出现收集效果不佳的问题。

2 收集装置设计

船体通常只作为水面移动的载体，收集漂浮垃圾需要一些辅助装置。现有的水面漂浮落叶设备直接使用网兜捕捞落叶，虽然有一定的效果，但收集到的漂浮落叶容易发生二次漂出的问题。因此，本文针对该问题进行收集装置的改进，如图2所示，设计了U形分流器，目的是起到分流[5]与转向作用。

1—船体；2—连杆；3—收纳口；4—收纳网兜；5—U形分流器。

船体在行进过程中，与流体产生相对运动，即在船体的中间流体产生一定的流量。在没有U形分流器的情况（该情况是指现有的水面漂浮落叶设备很简单性地直接使用网兜设置于船体后方进行捕捞落叶），船体中间水的瞬时流速基本等于船体的瞬时行进速度。本文设置了U形分流器之后，流出口的面积变小了，计算公式如下：

=/（3）

式（3）中：为流速；为流量；为流出口面积。

这样使得流体通过流出口的速度（即流速）加快，从而有效地把漂浮落叶收集入收纳网兜里面。流出口流速加快，加上转向作用，能有效防止收纳网兜里的落叶发生二次漂出的情况。

3 结束语

漂浮垃圾例如落叶、塑料袋等影响着河道的整洁，利用机器设备协助人力打捞漂浮垃圾是科技发展的趋势，机器受工人控制，直接在水面运行，进行打捞工作，工人的劳动强度降低，机器在水面移动比工人驾驶船更灵活，打捞工作的效率提高。

本文主要探究了船体流线型设计如何降低船体阻力，以达到减少波纹的效果，还探究了U形分流器的作用，期望为环保行业提供一定的技术参考。

［1］陈军伟，李丽华.河道治理工程对饮用水水源保护区影响分析及环保措施［J］.治淮，2018（12）：61-63.

［2］沈鑫宇，耿丽，陈瑛，等.基于无线充电的遥控船模［J］.南方农机，2018，49（12）：1.

［3］孙晓飞.物体在流体中运动时所受的阻力例析［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2014（8）：61-63.

［4］胡生青.浅谈阻力与流体的阻力［J］.物理教师，2008（7）：21-22，24.

［5］肖亚娟，曹春华，张卫东，等.水分流式冷却套管在AOD炉除尘系统中的应用［J］.冶金动力，2017（1）：35-37.

TM921.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.017

2095－6835（2019）15－0049－02

谢冠武（1986—），男，广东茂名人，学士，研究方向为机械设计、机电控制。

〔编辑：张思楠〕