水上漂浮物垃圾处理设备关键技术研究

摘  要：通过相关的水上漂浮物垃圾处理设备对水上漂浮物垃圾进行更加高质、高效的处理，从而使得水环境得以保持，不管是对于城市环境还是市民生活都意义重大。因此，本文主要对水上漂浮物垃圾处理设备关键技术进行了相关研究。

关键词：水上漂浮物;垃圾处理设备;收集筐;结构方案;PLC控制系统

中图分类号：TV697.3;TP273    文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

水是城市发展建设中不可或缺的资源，但是随着我国工业化的发展，我国城市水上漂浮物垃圾大范围增加，给城市的进一步发展以及居民的生活带来了极大的危害。对此，国家环境部门给予了极大的重视，积极组织相关人员对水上漂浮物垃圾进行处理，并利用相关的水上漂浮物垃圾处理设备对水上垃圾进行打捞处理，从而确保水环境的质量。

1 水上漂浮物垃圾处理设备设计要求

设计水上漂浮物垃圾处理设备一般要遵守以下要求：

（1）由于水上漂浮的垃圾有较多种类，如枯树枝、烂叶、水草等一些生活小垃圾，所以在设计垃圾处理设备时必须考虑到水上漂浮垃圾的种类，从而进行针对性的设计。

（2）由于不同的水体对于垃圾处理设备的要求不同，所以在设计时需考虑到不同水体对设备的腐蚀程度，在设备中必须设置防锈、防腐蚀和防水装置，从而确保垃圾处理设备的安全性，降低垃圾处理设备发生故障的几率，延长设备的使用周期。

（3）由于需要依靠水上漂浮物垃圾处理设备的收集装置来收集水上漂浮垃圾，为了提高垃圾收集的效率，就必须对收集装置的连续性进行设计，使得收集装置可以连续自动化作业。

2 水上漂浮物垃圾处理设备结构方案

2.1 收集筐的设计

在设计收集筐时，一般从以下两个方面进行：

（1）收集筐的结构（如图1）。在对收集筐设计时，首先要考虑到水上漂浮垃圾处理所在的水域与面积，本文所涉及到的水上漂浮物垃圾处理设备主要涉及到的是小型的水域与面积，而在处理水上漂浮垃圾的过程中最为重要的部分就是收集装置，收集装置主要是由收集筐组成，并对水上打捞的漂浮垃圾进行处理和打捞。所以，收集筐的设计是整个水上漂浮垃圾打捞作业的重中之重，它直接影响到垃圾处理的质量和效率。收集筐主要是由主体、推移板和无杆气缸组成。其中，收集筐主体主要是负责收集水上漂浮垃圾，从而为漂浮垃圾的打捞提供储存空间，在设计时要给收集筐的各个面都保留足够的细缝，这样可以将漂浮垃圾中的水分进行过滤，也不会因为缝隙过大而担心垃圾逸出。推移板的结构相对简单，只要在推移板的薄钢板上留出足够数量的细缝就行，它的主要作用是将收集到的垃圾倒到垃圾收集设备中。无杆气缸箱则主要是为安装无杆气缸提供平台，同时能够保护无杆气缸，将其进行模块化设计将更加有利于对装置的拆装。

（2）尺寸设计。因为水上漂浮物垃圾处理设备处理的垃圾是漂浮在水面上的，所以水上漂浮物垃圾处理设备需要在水上作业，从以往的设备来看，处理设备没入水中的深度不得超过100毫米。对此，不管是设备空载还是满载，收集筐在反转的过程中，设备底端没入水中的深度应该超过150毫米，这样才能够有效地对水上漂浮垃圾进行处理打捞。此外，收集筐也不能够太深，其深度最好控制在490毫米，收集筐的长度为1400毫米，宽为700毫米，高为490毫米。

2.2 工作原理

通过分析水上漂浮物垃圾处理设备收集装置工作原理可知，收集装置主要依靠收集筐来实现对水上漂浮垃圾的打捞收集，所以收集筐是整个收集装置功能的体现。收集筐的驱动部分主要有活塞和无杆气缸两种。其中，活塞气缸主要是控制收集筐的翻转方向，如果收集筐进行正向翻转，收集筐在过滤完多余的水体后可对水上垃圾进行收集;如果收集筐进行反向翻转，收集筐在设备前进的过程中可利用水体的流动性对水面垃圾進行打捞。无杆气缸则主要负责推移板的运行，当打捞的垃圾中的水土被过滤后，推移板则负责将垃圾推送至垃圾处理设备中。

2.3 工作流程

在水上漂浮物垃圾处理设备运行过程中最重要的就是收集筐，其最主要的作用就是对水面漂浮垃圾进行打捞，并将其收集到垃圾处理设备中。收集筐的工作流程如下：（1）在起始位置时，收集筐的活塞气缸未伸出活塞杆进行水平收集，当收集筐的工作时间达到预定时间时，活塞气缸伸出活塞杆并通过正向翻转将其升至最顶端，此时的推移板处于垂直状态。（2）当无杆气缸工作时，气缸的滑台利用正向移动将推移板带出，从而将打捞到的水上漂浮垃圾倾倒在水上漂浮垃圾处理设备中。（3）当推移板被推导最顶端后，无杆气缸的活塞杆发生调换，气缸的滑台反向移动，将推移板推送至收集筐最低端位置。（4）如果需要再次打捞水上漂浮垃圾，活塞气缸开始缩回，直至收集筐处于水平状态，如此反复进行。

2.4 气缸输出力计算

在对水上漂浮物垃圾处理设备的气缸输出进行计算时，主要从以下几个方面出发：

（1）水上漂浮物密度。水上漂浮物垃圾处理设备主要处理的是水上的漂浮物以及生活垃圾等，通过处理这些垃圾实现净化水质的作用。在水上漂浮垃圾中，因为水生植物的吸水性将强，切割水草的质量通常大于其余漂浮垃圾，所以在对水上漂浮物密度进行计算时通常将水草作为参照物。通过实验发现，在计算水葫芦以及苦草的密度时，苦草的密度低于水葫芦，所以水草的密度以计算水葫芦的密度为主，将水葫芦放置于盆中进行称重，盆的半径（r）为0.1m，高（h）为0.3m。其体积计算公式为：

V =πr²h（1）

计算出盆的体积为0.0094m³，也是水葫芦的重量，根据密度公式可计算出水草密度为204.26kg/m³。

（2）活塞气缸安装位置。在计算的过程中根据气缸的特点可知，当两倍活塞杆伸出时气缸的长度要长于活塞桿完全伸出时的气缸长度，以设备的最上端为X 轴方向，以活塞气缸和支撑板铰接点即点 A所在位置的竖直方向为Y 轴，建立坐标系。通过相关计算分析可知，当a的值越大，坐标轴上的矢量距离会缩短，也就是说在拥有同样矢量力的情况下，力矩越大，选择的活塞气缸的缸径越小。可是，如果a的值过大，就会导致气缸的安装位置较低，使得气缸没入水中的深度加大，提高了活塞气缸受腐蚀的几率，因此a需要取中间值，也就是a的取值为130，最终计算出B的取值为310，进而得出气缸的行程距离范围在196至203毫米之间。

（3）气缸受力计算。在对活塞气缸的收集进行分析时首先要分析收集筐的承重，而收集筐的体积公式为

V=c*b*a （2）

c、b、a表示收集筐的高、宽和长。收集筐的质量公式为：

m=ρ*V（3）

根据相关的数据得出，收集筐的体积为0.374m³，收集筐中水草的质量为34kg，从而知道收集筐的质量为12kg。通过对翻转方向时的受力分析可知，当收集筐位于顶端位置时，收集筐的受力为G₀，收集水草的重力为G₁，气缸输出力为F，其中重力计算公式为：

G=mg （4）=

气缸输出力公式为：

F=（G₀L₀+ G₁L₁）/L（5）=

通过对气缸的负载力、负载臂力以及输出力臂计算后可知气缸的输出力为2677N。

3 PLC控制系统设计

将PLC控制系统应用于水上漂浮物垃圾处理设备中对于水上漂浮物垃圾处理具有重要的意义和作用，因此，对PLC控制系统的设计可以从以下几方面出发：

（1）PLC控制模块。PLC控制模块具有独立的控制系统，它需要具备35个I/O接口点，其中包括了14个输出点和21个输入点。在选择PLC控制模块时最常使用的是西门子CPU226CN，之所以会选择这一类型的控制器，是因为它有16个输出点和24个输入点，I/O接口更多，更加利于信号的传输，同时它的脉冲输出远高于其它的设备，能够更加快速地驱动电机运行，从而有效地提高水上漂浮物垃圾处理设备的运行效率和质量。

（2）变频器模块。对于该变频器模块通常选择西门子Micromaster 420变频器，之所选择它是因为相较于其它的变频器，它更加节能且可调整变频速度。在垃圾处理设备机构入口设有光电传感器，当传感器检测到有垃圾需要处理时，会及时地将垃圾信息反馈给变频器模块，然后通过PLC启动变频器，变频器可根据不同的垃圾设置不同的变频速度和参数，从而更加高效地驱动变频器工作，提高垃圾处理的效率和质量。

（3）步进驱动模块。该驱动模块主要包含了步进电动机和步进驱动器，通过PLC来控制脉冲个数，从而实现精准定位的目的，它主要用于控制垃圾处理设备运行时的旋转速度和角度。一般使用的设备是森创公司的三相混合式步进电机，其型号为57BYG 350CL，它的步距角非常小，只有1度左右;它的旋转方向是由PLC的输出点控制的，而垃圾处理设备运行中的旋转速度和角度是由输出的脉冲信号控制的，这样通过PLC来控制垃圾设备运行时的旋转速度和角度可有效提高水上垃圾处理的效率，给水环境治理带来极大的便利。

4 实际应用与结论

这些年来，随着我国各个地区水上漂浮物垃圾数量的增多，水上漂浮物垃圾处理设备常用于对水上漂浮物垃的打捞处理，设备利用PLC控制系统集中对各机构进行科学自动化控制操纵，并且在设备中安装了相关的航行信号标志。而通过对该设备的应用，对于我国的水上漂浮物垃圾处理的效率和质量都有所提高，给我国水环境的保护带来了极大好处。

参考文献

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收稿日期：2019-07-25

^*课题资助基金：浙江省教育厅科研项目（Y201329634）

作者简介：蔡丹云（1975—），女，浙江诸暨人，硕士，讲师，研究方向：机械设计。