基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理装置

邹海蓉　代雨娴　于悦

摘  要：水景观与人工湖泊水面的漂浮垃圾不仅影响美观，还会威胁水生生物的生存繁衍。而这些水域往往水深较浅，清污船舶难以抵达，清理漂浮垃圾成為困扰环卫工人的难题。针对上述问题该文设计制作了一种收集浅水区水面漂浮垃圾的装置—— 基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理装置。该装置通过保持进入与排出装置的水流流量，使装置内外形成稳定的水位差，可将水面上的漂浮垃圾引流入装置内。此外，该装置还配备了遥控芯片和动力螺旋桨，可实现远程遥控操作，具有安全可靠、机动灵活、操控简单，且成本低廉等优点，拥有广阔的市场前景。

关键词：浅水水域  水面漂浮垃圾  垃圾清理  远程遥控

中图分类号：P742                             文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）01（c）-0083-04

Abstract： Floating garbage on water landscape and artificial lake surface not only affects aesthetic impact， but also threatens the survival and reproduction of aquatic organisms. However， the clean-up ships are difficult to reach the shallow water area to clean the floating garbage， that has become a problem for sanitation workers. In this paper， a self-floating garbage cleaning device based on flow balance was designed to collect floating garbage in shallow water. The floating garbage can be inhaled into the device by a water level difference between the inside and outside of the device. In addition， the device is also equipped with remote control chip and propeller to realize easy remote control. It has the advantages of safety， reliability， mobility， simple operation， low cost， and it has a broad market prospect.

Key Words： Shallow water; Floating garbage; Garbage collection; Remote control

为了满足广大人民日益增长的美好生活需要，加快打造现代化有特色、美丽的宜居城市，政府大力投资修建了许多人工湖、湿地公园、水景观等亲水区域，这些水域不仅能美化环境，还能净化空气和改善城市微环境。但是这些干净的水域由于自然和人为因素常常存在大量的漂浮物，如食品袋、饮料瓶、落叶、浮藻等，如若不及时清理不仅严重影响水域美观，还会对水生生态系统造成破坏，引起水体富营养化，出现水华等水污染问题。水面漂浮物的传统清理方式主要是依靠环卫工人利用长杆网兜打捞，而长杆本身长度有限，对于稍微大一点的人工湖只有等风将垃圾吹至岸边时才能清理，围绕湖泊岸线清理一圈往往需要花费数小时，且效果不佳。因此，高效且经济地清理浅水区域的水上漂浮垃圾一直是环卫部门亟需解决的问题。

目前市场上针对大型湖泊水面垃圾清理设备大都为大型综合清污船，这类水面固体垃圾收集机械功能强大，但体积庞大，价格昂贵，维护成本较高，并不适用于小型人工湖等浅水区域的漂浮物清理[1-4]。而浅水区域的漂浮物清理装置通常有固定式和移动式两大类，固定式通常需要插电使用，且必须固定于水边某一位置不可移动，其清理漂浮物的范围十分有限，只适合用于小型鱼塘落叶和浮渣的收集[5-6]。而移动式的大都具有智能化程度高，结构复杂，但价格昂贵，后期维护使用成本极高[7-11]。

综上所述，为了解决浅水区域水面漂浮物打捞困难的问题，设计了一种自浮式水面漂浮物清理装置，其采用自动水位控制器配合抽水泵平衡进入与排出装置的水流流量，使装置内外形成稳定的水位差，让漂浮物自动流入收集舱内且装置能浮于水面之上。此外，为了能够清理任何位置的漂浮垃圾，该装置还配备了遥控芯片和动力螺旋桨，可实现远程遥控操作。该装置不仅具有固定式设备结构简单、成本低、操作简单的优点，还具有移动式装置操作灵活的特点，对提高环卫工人工作效率，改善水体生态环境具有实际意义。

1  设计原理

1.1 设计思路

如图1所示，装置利用自动水位控制器配合抽水泵平衡进入与排出装置的水流流量，即随垃圾一起进入装置的水流流量Q1等于抽水器排出的流量Q2，故装置内外一直能形成稳定的水位差，可让漂浮物自动流入收集舱内。同时装置两侧装有浮板，能够给收集装置提供最大浮力。待收集舱中漂浮垃圾储存满后，可将装置遥控至岸边，取出收集舱中的垃圾。

此装置外形为圆柱体，在移动时可较好地减小水流阻力。装置自浮于水面的关键在于进入舱内的流量和吸出流量是否平衡，可通过自动控制底部抽水泵启闭来调节装置的吃水深度。其中，水位控制器是控制抽水泵工作的主要部件，当水流进入收集舱内，装置整体下沉，内部水位升高到设计水位后触发侧壁的水位传感器，水泵自动开始工作;当排水量大于进水量时，装置逐渐上浮，舱内水位降低到设计水位以下，传感器感应不到水体，水泵自动关闭，循环往复。由此可实现该装置始终自浮于水面，且舱内一直能形成稳定水位差，使水面漂浮垃圾随时自流进入搜集舱内。

1.2 结构设计

1.2.1 整体设计

装置在两侧采用对称浮板，两浮板间用塑料或 PVC材料制成圆柱型，浮板固定于圆筒上部两侧，装置底部密封并安装抽水泵。如图2所示，在装置中间位置留出空间安装垃圾收集舱，在保证装置浮力的条件下可扩大漂浮垃圾进口，使大体积垃圾可进入收集舱。此外，可在塑料圆筒外侧根据装置本身重量增加浮力材料，用以承担装置本身的重量，减小浮板体积。

1.2.2 垃圾收集舱计

垃圾收集舱放置于塑料圆筒内部，如图3所示，采用双层上开口圆柱滤网，内层为大孔滤网，外层为缠有密织铁丝的大孔滤网，采用疏密双层设计阻止垃圾漏出堵塞抽水机，在工作时，垃圾从装置顶部由开口顺水流入并保存于收集舱中，同时在收集舱顶部布置若干横杆（见图2），以便于提出内层滤网和防止高水位垃圾溢出。

1.2.3 动力装置及遥控装置设计

该装置采用动力螺旋桨进行驱动（见图2），螺旋桨位于装置两侧的浮板下方，使其整体淹没于水下，桨叶连接防水电机，可进行快速推进。此外，采用远程遥控芯片连接动力螺旋桨，以实现远程操控，整个装置的能量来源为锂电池（也可采用太阳能电池板），电池组和控制芯片布置于浮板上方。

1.2.4 浮力设计

浮力控制系统主要由抽水泵、水位控制器和电池组3部分组成，装置底部嵌入一台抽水泵，抽水泵连接全自动水位控制器，控制器上再连接电池，整套系统可自动控制搜集舱内的水位。如图4所示，全自动水位控制器采用单片机控制，探头电压采用直流8 V，可以传输300 m信号，控制器分为控制箱和探头两部分，控制箱上接出的5根线从左至右依次为A、B、C、D、E，C、D、E连接探头，E为下水池上限水位控制点，水位上升达到E点水位，水与探头接触，水位控制器自动开泵，水池排水。D为下水池下限水位控制点，水位下降到D点水位以下，水与探头脱离接触，水位控制器自动关泵，水池停止排水，C为水池地线，放在比B点低的位置，其接线方式如图5所示。

2  结语

该文设计了一种基于流量平衡的自浮式水面漂浮垃圾清理装置，通过平衡进出装置的水流流量实现自浮，同时利用装置内外形成的水位差，使水面漂浮垃圾自动流入收集舱。该装置还配备遥控芯片和动力螺旋桨，可实现远程遥控操作，能够清理水面任意位置的漂浮垃圾。该装置可用于大型人工湖面漂浮垃圾收集，也可对水深较浅水域的漂浮垃圾开展清理，如池塘、水景观等。此外，该装置还具有结构简单、体积小、造价低、后期维护保养成本低等优点，具有较大的市场应用价值。

参考文献

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