基于创新背景下水体环境保护设备设计思路探究

　　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

　　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

　　1.2 收纳桶设计

　　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。 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]。 桶内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 是三菱公司的可编程控制器(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

　　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。

　　水利论文投稿刊物：中国水利以宣传党中央、国务院的治水方针,宣传水利部党组的治水思路,探讨水利发展对策,指导、服务水利改革与发展,交流水利科学研究新进展.推广水利新技术,沟通水利与社会为宗旨。

　　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

　　作者：李 政，高 泰，孙康圣