基于创新创业背景下水上环卫机设计思路探究

李政 高泰 孙康圣

摘  要：水上环卫机在水面污染治理和整治预防水生植物泛滥上发挥着越来越重要的作用，为使水上环卫机能够更智能化、更自动化、更适应创新创业的市场环境，水上环卫机需要一款新型的结构控制体系，文章针对在创新创业市场环境需要下对水上环卫机高效益的结构要求，在结构的收纳桶、主副驱动系统、PLC的选型、线路布置和程序等方面做出产品设计，更加符合市场需求和时代趋势，具备广阔的市场前景。

关键词：创新;垃圾清洁;机械结构;水体污染

中图分类号：X705          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）15-0026-03

Abstract： Water sanitation machines are playing anincreasingly important role in water pollution control and prevention of flooding of aquatic plants. In order to make water sanitation machines more intelligent， automatic， and adapted to the innovative and entrepreneurial market environment， water sanitation machines need a new type of structural control system. This paper aims at the structural requirements for high efficiency of water sanitation machines under the need of innovative and entrepreneurial market environment. Product design is made in the aspects of structural storage bucket， main and auxiliary drive system， selection of PLC， line layout and program， which is in line with the market demand and the trend of the times， and has a broad market prospect.

Keywords： innovation; garbage cleaning; mechanical structure; water pollution

当前是大数据的时代，是挑战与机遇共行的时代，是“大众创业，万众创新”的时代。同时，自进入二十一世纪以来，水污染问题已成为全球化问题。而在中国，随着城市建设的发展，近年来，水污染也已成为我国城市面临的严重环境问题。它不仅危害到市民的公共健康，抑制我国经济的发展，还严重破坏了生态平衡。面对如此严重的水污染问题，目前我国政府和各级地方政府及有关部门提高了对污水处理事业的重视[1]。在这样的社会背景和时代条件下，针对河道漂浮的生活垃圾以及水生漂浮植物进行专项设计处理的新机器——水上环卫机出现了，它用以避免人工打捞出现的诸多弊端，快速而持续的清理河道漂浮的生活垃圾，以及水生漂浮植物，管控、解决现存凸显的污染问题，及时有效处理城市水面环境污染及预防整治部分水生植物泛滥。

1 水上环卫机的结构设计及工作原理

1.1 总体结构设计（见图1）

1.2 收纳桶设计

图1中标注1展示的是水上环卫机的主体部分——塑料制收纳桶，样机初步设计尺寸为：上直径500mm，下直径130-150mm，桶深550mm，后期根据实际测算进行调整和修改。管道设计成插口式连接，方便水泵安装、维护及更换。

其内容积相当于一个倒圆台加一个圆柱，圆台体积为大圆锥体积与小圆锥体积之差，即得出容积约为121.4dm3，若全部蓄满水（假设水的密度为1g/cm3）计算流量：Q=uA（2P/p）/2

u=80 A=2.5πdm2

P=pgh Q≈15dm3/s

蓄满水需要约12秒的时间。结论：流量过大，需用大功率水泵。

市场上约在500元价位的水泵，抽水最大工作效率一般90m3/h，合为0.025m3/s，可以正常使用，可选用最高流量在60-70m3/s之间的水泵。

根据图1中标注6所示，在收纳桶底部放置活性炭过滤网，可以有效的去除水中的杂质。在清除可见污染垃圾的基础上，再从根本上提高水的清洁度和无毒性，改善水质，更好地维护了生态的平衡。

管道采用UPVC DN80-φ89mm（无Cl残留，较PVC管更环保、耐用）[2]。

桶內的滤网采用普通鱼线网材质，成本低，实用性强，耐腐蚀和浸泡，为了使滤网在自动提起翻倒清理垃圾时方便，需对滤网进行定型，固定其总体形状，防止发生变形，创新使用十字定型法。十字形为不锈钢制质硬钢丝固定，在节约成本的同时也可以防止滤网在倾倒垃圾时出现变形，塌陷或堵塞。

勾柄：勾柄左端与滤网内的钢条相接，右端固定在驱动滤网上升和下降的驱动构件上，驱动构件上下运动将滤网提起或放入收纳桶中。

1.3 主驱动系统设计

其安装于机器下端左侧收纳桶外壁与主驱动系统相连，因在设计过程中，考虑到其在驱动力作用下，容积较大且入水前所受浮力相对较强，为确保其可靠性和牢固性，故整个驱动结构和收纳筒外壳选用3mm厚不锈钢外壳。主驱动系统控制收纳桶的上下位置，副驱动系统控制滤网的吊起及复位。

主驱动系统的动力源-电机箱，采用螺旋机构上升和下降，中间一根为丝杆，两边两根为光杆，由主电机提供动力，位于顶部挡板处为其上线位极限位置，当托板上升到顶处时则停止。下部有浮球，当收纳桶下降至水位以下5cm处，浮球便会触及下限位开关，则电机停止。根据前文所述收纳箱容积为121.4dm3，当收纳桶浸入水中，受到向上的最大浮力约为其装满水的容积，即：

F浮=pgv=1189.72N

设备自重控制在65kg左右：

G=mg=637N   F浮-G=552.72N

出于保守考虑，实际存在摩擦损耗，阻力损耗和内能流失损耗，机械效率测算为75%，而电机也受到的是全部浮力和设备自重，也就是1189.72N。

由此可见，主驱动对动力要求较大，而采用螺旋结构，可以降低对电机的要求，有效的提高动力输出。（而相反的是，机械效率也会降低）[3]。

1.4 副驱动系统设计

副驱动系统的主要负载对象是滤网，滤网内的垃圾以及一些轻型构件和自重，和主驱动相同，都是螺旋机构，其主要运动是：带动滤网沿着螺杆上升并翻扣，将垃圾倒出到回收垃圾桶后并返回到收纳桶内（有限位），其运动轨迹由螺杆控制，并有两根光杆同时约束，使其翻倒垃圾时的位置能够精确，滤网较轻，所以对电机动力要求不高。

1.5 工作原理

环卫机的垃圾处理由1-收纳桶中7-水泵接口连接水泵的制造水流落差产生涡流，将垃圾聚集并吸进4-内层收纳桶漏斗，并进行周期性过滤。通过监控水流速度和船速来调整漏斗下潜深度，以保证漩涡吸力。完成垃圾打捞后，环卫机2-主驱动系统的电机箱提供电力，螺旋机构沿导轨中央的丝杆及两端光纤做上升下降，到达顶部挡板处，上限位停止，上沿处皮带带动收纳桶运动，将垃圾倾倒入船身，以上是环卫机垃圾收集原理[4]。

2 电路控制系统PLC的选型

2.1 PLC的选型

FX2N-24MR-001是三菱公司的可編程控制器（PLC），继电器输出及输入24点，输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，其有功能很强的数学指令集。可通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接[5-6]。

2.2 线路布置与程序设计

2.2.1 I/O分配表及外围接线图

2.2.2 程序设计（见图4）

3 市场前景分析

在生态环境保护越发得到重视的，在机械自动化取代人工的如今，机械自动化环境治理市场无疑有了朝阳产业的特点。在经过对苏州一带的市场调研结果分析和营销预期后，可以对产品销量和销售收入做如下预测：第一年目标市场在苏州市周庄和同里到所有景区，预测销量1200台，随着产品知名度和市场接纳度的提高，将市场扩大到全国各大景区，预计之后每年销售量会增加，每年增长率为50%、28%、39%、88%[7]。

我们团队在充分市场调研的基础上，对水上环卫机项目的目标市场进行了详细的分析。考虑到其盈利能力和经营能力，以及其风险评估，确信其发展前景十分广阔。

参考文献：

[1]姚震寰.长春市环境污染治理难点及对策[J].合作经济与科技，2019（19）：22-23.

[2]李君华，李锐.基于生态设计的城市水上垃圾清洁器设计研究[J].美术大观，2017（05）：128-129.

[3]邱江.机械化清扫船设计中几个关键问题的探讨[J].环境卫生工程，2000（02）：52-55.

[4]刘星，杨文武，丁金美.水上流动排污案件的特点及对策措施研究[J].中国水利，2014（22）：60+72.

[5]王希虎.电气控制中的PLC自动化应用研究[J].建材与装饰，2020（03）：233-234.

[6]孙兆华.机电自动化控制中PLC技术的应用[J].科技风，2019（36）：73.

[7]中国垃圾分类大背景下的行业竞争格局展望[J].资源再生，2019（10）：32-33.