CHJ新型水体悬浮垃圾清理船设计

于翠玉，马海洋，虞国强，杨俊燕，姜韶华，王琦（潍坊职业学院机电工程学院，山东潍坊 261031）

0 引言

现阶段，无论是自然湖泊、河流还是小型景观水域中均受到不同程度水体悬浮垃圾的污染，对当地的生态环境造成了严重的影响，目前许多地区仍然采用人工驾驶船只打捞的方式进行水体悬浮垃圾的清理，这种清理方式成效低、工作量大、危险性和成本较高[1]，而当今市面上所使用的垃圾清理船大多通过挖沙船改造而成，该类船只体积庞大，很难在面积较小、水系复杂的河道、景观水域等地使用，且该类船只通过履带将垃圾带出水面，在收集过程中，履带极易挂拉及粘附垃圾和水草，并卷入驱动机构中造成故障。

为此，本文利用曲柄滑滑块机构的运动原理，创新设计了一种主要针对于中小型水体漂浮、悬浮垃圾的特种清理设备——CHJ新型水体悬浮垃圾清理船，该船垃圾收集机构不同于目前市面上流行的履带式垃圾收集机构，将曲柄滑块机构中各个杆的运动轨迹和特征，融入到水面垃圾清理过程中，利用摇杆的自下而上、自后向前的运动轨迹来模拟人手从水中抄起物体的动作以实现水体中垃圾清理过程，实现了漂浮垃圾的出水、传递和收集过程。

1 整机结构

CHJ新型水体悬浮垃圾清理船传动机构图如图1所示，该机构是由清理筛、传动链、传递筛、拉杆、拉索、柴油机、船舱、垃圾收集区、定滑轮、传动轴、挡块、滑杆、滑道、支撑臂、链轮、驱动臂等主要部件组成。船舱前端两侧设计有伸出的2个刚性支撑臂，支撑臂的前端与驱动臂相连，驱动臂的另一端与清理筛两侧的连接杆相连，支撑臂中间位置与传递筛旋转中心连接，下方设计的滑道用于安装清理筛末端的滑杆。传递筛正常情况下处于水平状态，在筛体两侧各焊接上一段拉杆，拉杆上方连接在拉杆上，另一端通过绳索和定滑轮安装在支撑臂下方，其中一段绳索与滑道发生交叉，方便清理筛末端的滑杆在到达规定位置时推动绳索并拉动传递筛末端的拉杆。

图1 CHJ 新型水体悬浮垃圾清理船传动机构图

图2所示为CHJ新型水体悬浮垃圾清理船俯视图，传递筛和清理筛为平行杆状结构，以清理筛为例，它是通过在滑杆14上焊接多根清理杆制造而成，清理筛和传递筛安装在两支撑臂之间，从图2中可以看出，清理筛和传递筛的清理杆是相互交叉设计安装的。传递筛的后侧是垃圾收集区，从水体中清理出的垃圾经清理筛和传递筛的共同作用被储存在这个区域，并通过其上设计的漏水孔将垃圾沥干水分。

图2 CHJ 新型水体悬浮垃圾清理船俯视图

清理船通过小型柴油机提供动力，经减速器变速后动力直接传递给传动轴，传动轴再通过链轮将动力分别传递给安装在两个支撑臂上的驱动臂，从而带动清理筛完成一系列协调可靠的垃圾清理动作。

2 工作原理

清理船船体在水面航行过程中，船体中的动力装置将驱动力通过链条链轮传递给船体最前端的驱动臂，驱动臂在链盘的驱动下做旋转运动，如图2所示，驱动臂的末端与清理筛最外侧的2根筛杆相连，同时清理筛末端的滑杆安装在船体支撑臂两侧的滑道内，随着驱动臂做圆周运动，驱动臂、清理筛、滑杆、滑道组成了典型的曲柄滑块机构。

2.1 垃圾翻转过程

如图3所示，共有2套滑轮组分别安装在支撑臂的内侧，均采用定滑轮结构，绳索一端安装在传递筛两侧的拉杆上，另一端固定在支撑臂内侧滑槽下方位置，绳索分别绕过3个定滑轮，由于清理筛、驱动臂和滑杆共同组成了一套曲柄滑块机构，当动力带动驱动臂按顺时针方向旋转时，由于清理筛两侧的筛杆与驱动臂末端旋转副连接，驱动臂推动整个清理筛向后移动，此时清理筛被传递筛穿过并进行垃圾传递，也带动清理筛末端安装在滑槽内的滑杆向后滑动，当滑杆在滑槽内向后滑动到一定位置时与两支撑臂内侧安装的绳索相遇并推动绳索拉长进而拉动传动筛翻转，将传递到传递筛上的垃圾倒扣到垃圾收集区。传递筛两侧筛杆上安装有弹簧，弹簧另一端固定在支撑臂内侧，当滑杆在驱动臂带动下向前移动并松开绳索时，传递筛在弹簧的拉力作用下复位，等待清理筛再次出水并与传递筛交叉将垃圾转接。

2.2 清理船工作流程

如图1所示，随着驱动臂顺时针旋转及滑杆在滑道内的前后滑动，清理筛首先进行向前向下的入水运动，将水面下方水体中的悬浮物进行收集，如图4（a）所示；驱动臂旋转至船体最前方时，清理筛进行向前向上的抄起动作，将水面垃圾及漂浮物进行收集，此时被清理出水的垃圾被清理筛上各个相邻焊接的筛杆所承载且清理筛的筛杆和传递筛的筛杆已经发生交叉，即传递筛筛杆已经插入到清理筛筛杆下方位置，同时清理筛末端的滑杆也开始接触绳索，准备拉动传递筛旋转，如图4（b）所示；驱动臂从最上方向后向下旋转时，清理筛带动清理出水的垃圾向后向下移动，由于清理筛的筛杆与传递筛的筛杆交错安装，此前由于传递筛的筛杆已经插入到清理筛下方，清理筛末端的滑杆已经与安装在支撑臂两侧的绳索发生接触，传递筛开始将垃圾挑起并与清理筛脱离，如图4（c）所示；当驱动臂到达右侧死点位置时（如图3），驱动臂与清理筛的筛杆成一条直线，清理筛的末端滑杆将绳索推至极限位置，传递筛在绳索的拉动下将打捞出水的垃圾及漂浮物扣入垃圾收集区完成一次垃圾清理过程，随着清理过程继续，滑杆随随即向前移动不再推动绳索，传递筛复位，如图4（d）所示。

图3 传递筛翻转图

图4 清理船工作原理图

2.3 清理船使用及控制方式

CHJ新型水体悬浮垃圾清理船控制方式既可选用人工操纵方式进行垃圾清理，也可采用远程驾驶技术来进行操控[2]，清理船的核心部分为船体前方支撑臂所支撑的清理机构，该套清理机构可以作为一套单独装备来进行组装，在不发达地区进行水域悬浮垃圾清理时，即将该套设备安装在用于清理各种水域的普通人工打捞船前端，动力来源方面可直接采用普通打捞船的马达作为动力输入源，这种方式既可以较大幅度降低工人工作量，又可以有效降低投入成本[3]。

如果采用自动驾驶技术远程遥控船只进行水体悬浮垃圾清理，可以将动力输入源更换为变频电动机或伺服电动机，采用蓄电池供电或太阳能供电的方式[4]，从而有效降低船只质量，提升操控性能，船体的推进方式既可以通过普通螺旋桨推进，也可以采用高效喷水泵推动，控制系统选用基于2.4G无线传输的手持遥控系统，操控者手持遥控器可在岸上通过按键远程发送控制指令，从而控制水域中清理船只的螺旋桨或喷水泵的开关、功率大小等关键参数，实现船只的前进、后退、拐弯、加减速及清理筛清理速度调节等功能，此类技术目前较为成熟，在本文中不再赘述[5]。

3 设备规格与主要技术参数（如表1）

表1 CHJ新型水体悬浮垃圾清理船技术参数

4 结语

1）CHJ新型水体悬浮垃圾清理船巧妙利用了曲柄滑块机构中摇杆的运动轨迹，实现了水体漂浮、悬浮垃圾清理方式的独创设计，即模仿人手的抄起动作，使清理筛自下而上，自后向前抄起漂浮垃圾，清理效率高，有效避免了垃圾的卡挤和粘连。

2）船体清理筛在将水体中的垃圾清理出水面后，巧妙利用摇杆末端向后滑动的特点，推动牵引绳索将清理筛中的垃圾有效向后传递并及时后翻，实现垃圾的快速收集，清理过程连续紧凑，清理筛和传递筛的筛杆交叉设计，垃圾转接平顺，有效提高清理效率。