水面垃圾清理设备的研究现状及发展趋势

2022-10-30高增亮钱明星白文强唐保成

机电产品开发与创新 2022年5期

刘瑾，高增亮，钱明星，白文强，唐保成

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南 250101； 2.山东浩顺机械有限公司，山东昌乐 262415；3.山东德润能源控股集团有限公司，山东昌乐 262408； 4.青岛润勃水产有限公司，山东黄岛 266500）

0 引言

水面垃圾不仅影响环境美观，还易造成河道堵塞、湖水异味等问题。目前常见的水面垃圾主要有4 种：地表植物覆盖层，人类废弃物，意外事故漂浮物以及环境变化滋生的植物等[1]。对于水面垃圾的清理，目前大多数仍采用人工打捞的方式，这种方式清理的范围有限，耗时长且效率低。针对水面垃圾的自动清理清理，目前出现了诸多的新型设备，本文从设备结构形式、垃圾收集方式、动力驱动装置、设备控制系统及能源供给等方面进行了分析研究。

1 设备的结构形式

1.1 双船体

双船体的设计分为左、右两个独立的船体，可以更好地利用两边的配重，不仅能满足船上工作操作时的平稳要求，还能满足船上各机构的安装要求[2]；每个独立体上宽下窄，可以使船体更加的瘦长，减小阻力与行驶时产生的波浪[3]；同时下尖型的船底设计会使船体的重心上移，使双船体的设计比普通船体的稳定性更强，在大风浪来袭时可以稳定工作，不易左右晃动；双船体的设计也使得船中部形成一条贯通整条船的天然流道[4]，更易于收集垃圾。如蔡孟凯等[5]设计的城市小型湖泊水面智能清洁装置采用的是双船体结构，船体尺寸为700×800mm，当达到最大入水深度100mm 时，最大载荷为40N；邱智等[6]设计的遥控型水面垃圾收集装置其双船体尺寸为1200×950mm，吃水深度为400mm，见图1。

图1 双船体结构图Fig.1 Structure of double hull

1.2 单船体

单船体自身体型相差较大，小型的单船体结构更加灵活，但是单次收集作业的最大容量较小，且小型单船体结构不适合一些机械装置的安装，因此其一般适用于小型水域人工清理[7]。但单船体解决了双体结构船不能收集岸边垃圾的缺点，安全，高效，可以广泛用于水面清理[8]。如陈嘉伟等[9]设计的水面垃圾保洁船使用的是单船体，船体尺寸为4300mm×1400mm，最大吃水深度为350mm；邱成果[10]设计的水面垃圾清理船使用的单船体尺寸为14000mm×4000mm，最大吃水深度为800mm，见图2。

图2 单船体结构图Fig.2 Single hull structure diagram

1.3 仿生机器人

仿生来源于自然界，主要以科学技术创新在工程和设计领域提供创新性思维，从而进行学习和模仿，解决目前存在的诸多问题[11]。水面垃圾清理机器人通过模仿鱼类的外形和游动，可以显著降低流体阻力，提高推进效率，更容易在水中保持平衡。如刘国苹等[12]设计的水面清污器和郭李雯等[13]设计的水面清洁机器鱼都运用了仿生设计，见图3。

图3 仿生机器人Fig.3 Bionic robot

2 垃圾收集方式

2.1 带传动式

带传动式收集装置设置在船艏，外形如履带[14]，以防止垃圾回水；带倾斜，一端浸入水中，另一端固定在船上。当传送带转动时水面上的垃圾会随着传送带传动被打捞上来。这种收集装置能够实现长时间连续作业。但需连续运转，能量消耗大。如何晓凤[15]设计的一种优化航迹规划的水面垃圾清理船；占金锋[16]设计的水上垃圾清扫船，其收集速度达60m/min，输送带有效宽度1m，伸缩有效行程10m，见图4。

图4 带传动式垃圾清理船Fig.4 Belt drive garbage removal vessel

2.2 叶轮造流式

叶轮造流式收集装置是将船舶前方的垃圾吸入垃圾翻斗中，由集圾叶轮与导流板组成。该装置主要通过转动的叶轮使船艏方形成向叶轮的水流，将漂浮在水上的垃圾导入到垃圾翻斗中，其中叶轮的形式、叶片数、叶轮的浸深和直径都会对垃圾的收集效果产生影响。这种垃圾收集方式适用于环境复杂的水域，但其结构形式较为复杂，影响垃圾收集效果的因素多。如温洁[17]设计的珠江水面垃圾清扫船中，收集装置采用的是叶轮造流式，见图5。

图5 叶轮造流式垃圾清理船Fig.5 Impeller flow garbage cleaning vessel

2.3 翻斗式

翻斗式收集装置是一种类似于装载机执行机构的垃圾清理作业装置，该装置由铲斗打捞垃圾，铲斗入水深度可以随河流深度调整，在船体的运动过程中铲斗可以进行连续作业，翻斗翻转使垃圾进入垃圾收集箱内。翻斗式收集装置体积大，能耗低，对于一些较光滑的水面漂浮物收集效果比较好，是一种专门清理湖泊及城市河道等场所垃圾的装置。市面上一种机械翻斗式清洁船的装载体积可达7.4m3[18]，如张玉新等[19]设计的水面垃圾清理船的执行机构采用的是翻斗式收集装置，见图6。

图6 翻斗式收集装置Fig.6 Tip bucket collecting device

2.4 流体涡旋式

流体涡旋式收集装置主要由垃圾收集桶、潜水泵、垃圾储存仓等组成。在垃圾桶底部安装潜水泵，抽水泵将收集进垃圾桶的水排出桶外，由过滤网实现对垃圾和水的分离，潜水泵实现水的不断循环，并提供涡旋向心吸力。该装置可以实现船体附近360°无死角连续打捞。如曹金梅[20]等设计的水面垃圾收集机器人使用的是流体涡旋式打捞装置；王加浩等[3]设计的基于流体涡旋向心吸力的水面清洁机器人，使用的型号为ZQB6X8-12 的水泵，额定功率：120W，额定流量：2m3/h，额定扬程：4m，见图7。

图7 基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人模拟图Fig.7 Simulation of surface garbage collection robot based on fluid vortex centripetal suction

3 动力装置

3.1 螺旋桨

使用螺旋桨驱动是指用桨叶在水下旋转，将发动机转动功率转化为推进力，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器[21]，见图8。桨叶的数目、桨叶角和直径都对螺旋桨的性能产生重要影响，使用螺旋桨驱动时驱动力较强；但使用螺旋桨驱动的转向不易控制[14]，这就容易造成危险。如市面上一种垃圾打捞运输船装载体积为8m3，GJ-H-A 型清洁船装载体积为3m3，二者使用的是艉轴螺旋桨驱动[18]；李彧雯等[22]设计的小型水域水面垃圾清理系统使用的是双螺旋桨推动。

图8 螺旋桨Fig.8 Propeller

3.2 叶轮

叶轮在船体两侧成对称布置，在水面驱动，转动过程中起到了水体增氧的作用，且叶轮在转动时不容易卷入水生植物，易控制转向，但是动力比较弱，驱动效率较低，叶轮照片见图9。如杨云等[14]设计的小型水面垃圾清理机器人中，选用4 个直径为10cm 的叶轮，对称分布在船体外侧；卢思雨等[23]设计的一种水车式湖面垃圾清理船采用的是叶轮驱动。

图9 叶轮Fig.9 Impeller

3.3 明轮

明轮的直径非常大，入水深度一般不超过半径的一半，因此可以避免垃圾缠绕，而且可以直接看到明轮的运行状态，便于维护，但是明轮的结构笨重、运行效率低，在遇到风浪时不易保持航向且容易损坏。朱永强等[24]设计的海洋垃圾回收船使用的是明轮推进，该明轮的最大直径为1080mm，工作面大小为300×680 的叶片，工作面的入水深度为150mm 左右，见图10。

图10 明轮推进的船体结构图Fig.10 Hull structure of paddle wheel propulsion

4 硬件系统

4.1 控制系统

（1）基于ARM 内核的控制系统，具有高速、程序高容量的特点，功耗低，便于实现与上位机的通信；如朱林等[25]设计的一种无人清理船；ARM 驱动各传感器进行数据采集并实现遥控调速[6]，完成规定区域内自动打捞工作；携带的GPS 模块随时监测船体位置，无线WiFi 模块可实现无人船的远程遥控，如农建成[26]的无人驾驶水面清污装置中采用的WiFi 无线通讯和手机监控终端。

（2）基于STC15 等单片机的控制核心，具有超强的抗干扰能力以及运行速度快、成本低，特别是开发快捷，稳定性高等特点，如吴海都等[4]设计的水面清洁小卫士使用STC15 作为控制模块，是这方面的典型应用。

4.2 能源供给

水面垃圾清理设备的电源大多使用蓄电池，随着近几年硅材料的不断发展，太阳能电池板的应用也逐渐增多，但由于制作成本高，推广它的普遍使用还有一定的时间。

（1）以太阳能板+蓄电池为能源供给。太阳能发电板为铝合金框架，强度高，抗冲击能力强，抗腐蚀性能好，光电转换效率高，在白天光照充足的情况下可以收集光照将光能转化为电能，储存到蓄电池中，为水面垃圾清理设备直接供给能量，且供能稳定，可以有效节约能源。如朱盛颖等[27]设计的一种涡旋式水面清洁机器人采用12V 的太阳能电池板，38Ah 蓄电池太阳能电瓶充电作为主要供能系统；陈宏强等[28]设计的水上漂浮发电装置使用了太阳能发电板与蓄电池，其连接原理见图11。