一种新型海面垃圾回收装置设计

彭泽霖，顾世明，王帅军，朱发新，冯世豪，徐京涛，刘奕泽，何龙玉

（浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022）

0 引言

海面垃圾是指漂浮在大海中的人造废弃物，主要有塑料、软包装、泡沫和废弃渔网等。海面垃圾影响了海面景观和船舶的航行安全，不仅会对海洋经济产生负面影响，而且会危害海洋生物的生存条件，破坏海洋的生态环境。相较于湖泊河流，因为海面波浪的原因，垃圾一旦进入海洋便会具备持续性强和分布范围广两个特点，这两个特点加大了海面垃圾收集的难度。传统的人工捕捞式不仅消耗大量的人力、物力、财力且效率极其低下，寻找高效的海面垃圾回收方法和对海面垃圾回收装置的研究则有着重要意义。

目前对海面垃圾回收装置的研究主要集中在以下几方面：1）提高灵活可控性。主要从结构方面来分析如何提高装置的灵活性，进行了结构的设计改造、相关部件的运动轨迹和运作分析[1-4]，但这些装置操作复杂、对技术的要求比较高。2）提高自动化程度。文献[5]、[6]介绍了一种通过水泵改变压力差来吸入垃圾的“海上垃圾桶”，通过更换垃圾袋便可以持续工作，自动化程度高，但该装置设计只能固定在船坞或码头上，通过岸上水泵来提供动能，灵活性低且受环境影响大。3）对环境友好。文献[7]介绍了一种利用洋流捕获海面垃圾的浮动式栅栏装置，该装置绿色环保，能够实现大面积的清理，但该装置不易控制、垃圾回收周期长、回收效率较低。

针对上述传统海面垃圾回收装置存在的不足，本文进行了相关结构改进，设计了一种新型海面垃圾回收装置，提出了对海面垃圾进行汇拢、传输、海水分离、压缩储存和上岸的回收过程，以达到灵活、易控、高效、快速、环保的海面垃圾回收效果。

1 新型海面垃圾回收装置的设计要求分析

针对海面垃圾持续性强和分布范围广的特点及上述传统的海面垃圾回收装置体积庞大、操作方法复杂、回收效率低且受环境影响较大等问题，参考现有的喷水推进装置和传送装置等资料[8-12]，提出修改意见，弥补传统海面垃圾回收装置存在的不足，确立了该新型海面垃圾回收装置的设计要求[13-17]，设计要求如下：1）要求装置整体结构简单，零部件少，部件防护达到对盐咸水体防腐要求的最低限度，且便于安装；2）技术要求低，操作方便，灵活易控，避免因撞击海面礁石而造成装置损坏（利用喷水推进装置来达到目的）；3）要求系统技术成熟、适应性好，能针对海面垃圾分布范围广的特性实现大范围、灵活高效的清理；4）系统稳定高效，回收周期短效率高，且受海面的环境影响小（加装空气悬浮装置达到要求），绿色环保，经济成本低，便于维护保养。

2 新型海面垃圾回收装置设计

2.1 装置整体结构布局

通过AutoCAD绘图工具软件，基于该新型海面垃圾回收装置的设计要求分析，设计出一种新型海面垃圾回收装置，该装置主要由船体、空气悬浮装置、连杆传动机构、喷水推进装置、传送装置、箱体等部件组成。其结构布局如图1和图2所示。

图1 海面垃圾回收装置侧视图

图2 海面垃圾回收装置俯视图

2.2 装置工作原理介绍

本装置的工作原理主要包含海面垃圾回收装置的动力、垃圾的聚集汇拢、垃圾与海水分离、垃圾压缩及垃圾回收上岸。

在垃圾回收装置外部左右两边安装空气悬浮装置，既为装置提供浮力，又得以确保装置在恶劣的海面工况下仍能稳定工作。

1）装置的动力。这种新型海上垃圾回收装置配有外置的太阳能板，不需要任何外接动力，以提高其便捷度，适应高效海上垃圾回收要求。太阳能板由电池板、蓄电池、逆变器、连接板及其附件等组成。

2）垃圾的聚集汇拢。当利用喷水推进装置，使整个垃圾回收装置在海面运动时，通过左右集料浮杆形成的八字形汇集装置，引导垃圾从汇入口流入，在汇出口聚集汇拢。

3）垃圾与海水的分离。随着海洋垃圾回收装置的运动，垃圾会靠拢到传送带前，在传送带的摩擦力和挡板结构的作用下，垃圾和一部分海水会随着传送带向上运动。在运动过程中，海水从传送带上的间隙泄掉，而垃圾随传送带一起运动，形成垃圾与海水的初次分离，最后垃圾掉落到传送装置尾端的箱体结构中；同时设计箱体底部带有细小的孔洞结构，将收集进箱体的垃圾表面仍然附着的少量海水从孔洞排出，减轻箱体的承重量，使垃圾与海水形成二次分离。

4）垃圾的压缩。通过红外感应装置感知箱体中的垃圾是否收满，并发送信号给PLC控制模块，根据发送的信号，PLC控制模块控制伸缩杆的上升或下降动作，实现垃圾的压缩过程。利用与伸缩杆相连接的压缩板压缩垃圾，重复操作，分段压缩，增加箱体的存储量。

5）垃圾回收上岸。当垃圾回收工作完成时，再通过遥控喷水推进装置，进而控制整个海面垃圾回收装置返回陆地，实现海面垃圾回收的目的。

遥控操纵喷水推进装置使整个垃圾回收装置不断运动，就会将由连杆机构汇拢的垃圾经由传送装置，送入传送装置尾部的箱体中进行压缩储存。汇拢连杆机构、喷水推进装置、运输传送装置、储存箱体自压缩装置，这几种装置结构简单、操作方便、相互协同配合，大大提高了海面垃圾的汇拢、传输、海水分离、压缩储存和回收上岸的工作效率。

2.3 装置的主要组成零部件介绍

该装置主要由连杆传动机构、喷水推进装置、传送装置、箱体等零部件组成。同时为防止盐咸水体对装置的腐蚀，延长装置的使用寿命，在装置金属表面加涂ZS-711型耐海水无机防腐涂料，该型涂料具有价格低、效果好等优点。

1）连杆传动机构。为了更高效地收拢漂浮的海面垃圾，以提高回收的工作效率，设计在船体前部安装连杆传动机构。连杆传动机构包括集料浮杆、压载舱、连杆、滑杆、十字铰。集料浮杆通过十字铰与船体相连接。工作时为适应不同的水面情况，通过遥控滑杆前后运动，带动连杆运动，连杆推动引导集料浮杆可以在60°～120°之间自由运动，进而调节集料浮杆张开的角度。同时，集料浮杆内还设有压载舱，压载舱通过管路与压载泵相连接，管路设有电磁阀门，通过电磁阀门的开关调节压载舱的进水与排水，通过调节压载舱内的水位来控制集料浮杆的吃水深度，从而使集料浮杆处于一个合适的工作状态。通过电遥控装置遥控滑杆通过连杆使两条集料浮杆形成具有汇入口和汇出口的梯形汇集装置。从而得以引导垃圾从汇入口进入，在汇出口聚集汇拢。相较于传统的海面垃圾回收装置，可以更高效地收拢垃圾。

2）喷水推进装置。喷水推进装置是控制整个垃圾回收装置运动方向，扩大海面垃圾收集范围的装置。喷水推进装置安装在船体尾部，包括进水管、喷水泵、操舵喷嘴、倒车挡板，其结构如图3所示。喷水推进装置工作时，通过进水管吸入海水，再通过喷水泵向船尾喷水，喷水泵中心线高为960 mm，以此实现船体的推进过程并且减小装置的体积。进水管设计成流面形状，进水管斜角为25°，以避免吸水过程中在喷水泵中产生激流。操舵喷嘴通过改变喷口喷射水流的方向以达到操舵的目的。倒车推力则由倒车挡板将喷射的水流反折以达到倒车的目的。在岸工作人员通过遥控喷水推进器喷射水流的方向来控制整个垃圾回收装置的运动方向, 避免装置因撞击海面礁石而造成损坏。针对海面垃圾分布范围广的特性，通过喷水推进装置来扩大垃圾回收范围。相较于传统的海面垃圾回收装置，提升了灵活性和控制性。

图3 喷水推进装置结构示意图

3）传送装置。传送装置是将收拢的垃圾运输进内部箱体并储存的装置。传送装置主要由横挡板、传送带、纵挡板、电动机、支座构成，其结构示意图如图4所示。传送装置通过支座和船体相连；传送带由电动机驱动，选用型号为Y80M2-2的防水电动机，该型号防水电动机额定功率为1.1 kW，转速为2830 r/min，具有耗功小、转速快等优点，由此确保电动机在海面过度潮湿的工况下仍能稳定高效地工作。在传送带上间隔固定的距离设计与传送带相连接的90 mm高的横挡板，防止因传送带摩擦力太小而导致垃圾在向上运动的过程中滑落，同时为防止垃圾在运动的过程中从侧面掉落，在传送带两侧设计有平行的70 mm高的纵挡板。为了在传输过程中分离垃圾与海水，减轻装置的负担，传送带上带有密布的孔隙结构以分流海水，从而降低垃圾回收装置的载荷。

图4 传送装置结构示意图

4）箱体。箱体结构是用来储存并压缩回收垃圾的装置。箱体结构包括声控开关、伸缩杆、电动机、红外感应装置、阻力传感器、压缩板，其结构如图5所示。箱体的侧面壁厚为50 mm，箱体前端斜角为45°，有利于垃圾从箱体前端开口处滑落进箱体内部并进行压缩储存。红外感应自压缩装置采用可编程逻辑控制器PLC控制。

图5 箱体结构示意图

红外感应装置工作原理为由：发射端的红外发光二极管发射出多束平行的红外光线，接收端负责接收发射端发射的红外线，当有物体挡住任意两束红外线时，接收端经由光电传感器将光信号转换成电信号并传输给控制器。

PLC控制模块选用西门子S7-200型PLC，其处理速度为0.8～1.2 ms，存储器2K，数字量248点，模拟量35路，具有体积小、速度快、通信功能好的优点。

表1 I/O地址分配

程序开始时先复位所有状态。当箱体中垃圾收满时，箱体中的垃圾阻挡红外感应装置，系统将按照以下顺序动作：1）红外传感器（X10）接通，当红外感应装置中间阻挡消失时停止；2）伸缩杆下降（Y11）被置为ON开始运动，设计伸缩杆在红外感应装置的水平线上，而在阻力传感器（X12）达到临界值被接通时停止；3）当压缩完成后，阻力传感器（X12）探测阻力达到设定的临界值被接通时，伸缩杆上升(Y12)被置为ON开始动作，而在红外传感器之间的阻挡消失时停止；3）红外感受装置中间阻挡消失，红外传感器（X10）停止动作，压缩垃圾完成。

利用与伸缩杆相连接的压缩板压缩垃圾，重复操作，分段压缩，增加箱体的存储量。同时通过箱体底部的细小孔洞使垃圾表面附着的少量残留海水得以排出，形成垃圾与海水形成二次分离，达到增加箱体存储量的目的。相较于传统的海面垃圾回收装置，大大提高了自动化程度和回收效率。

相较于传统的海面垃圾回收装置，该新型海面垃圾回收装置操作简单、稳定性好、技术要求低、灵活易控、绿色环保、经济性强、受海面环境影响小、回收周期短，能够实现对海面垃圾的高效清理。

3 船体的海面垃圾回收装置的可行性分析

3.1 技术可行性分析

该新型海面垃圾回收装置通过底部的空气悬浮装置提供浮力，受海面环境影响小，稳定高效；通过电遥控装置使得连杆传动机构和喷水推进装置得以运作，提高海面垃圾回收装置的灵活性和可控性；通过电动机为传送装置的运作提供动力，提高了海面垃圾回收装置的自动化；通过箱体内部的红外感应自压缩机构压缩收集满的垃圾，提高了海面垃圾回收装置的自动化和回收效率；通过外置的太阳能板为装置的运作提供动力，绿色环保。

从装置的运用技术分析，该装置受环境影响小，相较于传统的海面垃圾回收装置，提升了装置的灵活性、控制性且具有高度的自动化程度。这些技术效果较好、运用已久、发展成熟，因此该装置技术具有可行性。

3.2 结构可行性分析

该装置主要由连杆传动机构、喷水推进装置、传送装置和箱体等几大主要部件组成，主要零部件少，可根据所需的型号规格直接选用市场上的标准件。

从装置的结构分析，该装置组成部件少，相较于传统的海面垃圾回收装置，更便于安装，体积小巧。该装置的强度、刚度、硬度等参数也符合理论力学的要求。该装置的具体部件选型可根据海面工作物体的稳定性要求及装置部件对盐咸水体防腐要求的最低限度来决定。因此该装置的结构具有可行性。

3.3 操作可行性性分析

该装置的工作步骤为：1）利用连杆传动机构形成的八字形汇集装置聚集汇拢海面垃圾；2）利用传送装置将聚集的垃圾运输进内部的箱体中；3）利用箱体储存垃圾并通过内部的红外感应自压缩机构压缩垃圾；4）利用传送带的孔隙结构和箱体底部的孔洞结构分离垃圾表面附着的海水;5）通过装置尾部的喷水推进装置控制整个垃圾回收装置的运动回收上岸。

从装置的工作步骤分析，该装置高度自动化，相较于传统的海面垃圾回收装置回收效率高、对环境友好、操作简单。因此该装置的操作具有可行性。

3.4 垃圾回收效率分析

本海面垃圾回收装置的设计，采用空气悬浮装置提供浮力，增加了作业时的稳定性，同时采用外置太阳能板为装置提供动力。在此基础上，还通过海面垃圾汇拢连杆机构、传输传送装置、分流孔洞、运动控制的喷水推进装置和PLC控制的自压缩式箱体，进一步形成垃圾聚集汇拢、传输、海水分离、压缩储存和上岸的回收过程，加快了海面垃圾的回收，降低了垃圾储存箱体的含水量，大大提高了海面垃圾的回收效率，非常适合用于单人操作回收海面垃圾。

4 结论

1）本文查阅了相关文献，参考了现有的成熟技术，针对传统海面垃圾回收装置存在的问题和不足，从技术、结构、操作方面总结了该新型海面垃圾回收装置的设计要求，通过AutoCAD绘图工具软件设计出一种新型海面垃圾回收装置，介绍了该装置的工作原理和重要零部件的功能参数，从技术、结构、操作和回收效率方面对该装置进行了可行性分析。

2）本文的研究属于前期的理论研究，例如，在箱体中利用PLC自动控制的红外感应装置只是一个简单的应用，还有许多需要完善的地方。在今后的项目探索中，该红外感应自压缩装置可与其他可编程逻辑控制器或其它自动控制系统结合，以确保装置在复杂的海面工况下得以高效稳定地运行。其他零部件也可以分别从模型实验、数值仿真和可靠性分析等方面做进一步的研究。