水域垃圾清理船

郑陈辉

宿州学院东校区  安徽省宿州市  234000

摘要：随着社会的快速发展，人们日常生活中产生的垃圾也越来越多。有些垃圾会被排放入河流等水域之中，导致水域富营养化越来越严重，但是人工清理不仅为会消耗过多的劳动力，效率也很低。针对这一现象，产生了一种仅需少量劳动力且效率比较快的垃圾处理船来清理水域中的垃圾。

关键词：水生植物清理     水面垃圾清理    垃圾清理船

①背景、研究目的和意义

水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。人工清洁效率低、能耗大、资金投入大，且有些危险水域无法人工作业。本作品以太阳能作为船体驱动电源，利用智能优化算法规划了全水域的垃圾清扫路径，采用图像处理技术实现漂浮污染物的自主识别与定位，是一款绿色、智能、高效的环保节能清洁设备。船体仿双体船设计，采用太阳能和锂电池混合供电系统，根据发电量和储电量自动选择供电方式，不工作时通过太阳能向锂电池充电，实现能量的储存。为降低因天气、背景杂波等因素造成的噪声干扰，提高水面图像质量，提出了基于图像增强、图像分割与深度学习融合的水面漂浮物识别方法。船可实现自主巡航、实时画面回传监控、路线规划、水面垃圾的识别与自动清扫等功能。在自主巡航模式下，地面站控制无人机定时起飞，分块采集整体水域的图像，对整体水域中垃圾位置进行粗略全局定位，智能规划垃圾清扫路径。

②国内外研究现状与趋势

《2019中国生态环境状况公报》显示，中国水域污染严重，水域环境治理仍是重中之重[1]。水域垃圾一般包括水面漂浮垃圾、水生植物和水下沉积垃圾三种。水面漂浮垃圾一般指在水体表面的人为丢弃废物、植物飘落物、水体腐化产生的浮沫等漂浮物，随着水面流动聚积在岸边附近和水面角落。水生植物一般指水葫芦等国内常见的入侵物种。例如，水葫芦学名为凤眼莲，20世纪30年代，其被引入中国，之后逐渐在中国泛滥，其本身繁殖速度极快且易使水体富营养化，导致水体出现赤潮等灾害，被列为世界十大害草之一。水下沉积垃圾主要指一些难以降解的塑料袋、塑料瓶、布制品等很重的垃圾或者是密度大且较易沉积于水底的垃圾。

  目前，水域垃圾清理的主要方式为人工打捞和机械清理。在机械清理方式中，水域垃圾清理船设计主要用于清理水生植物，而清除水面漂浮垃圾的船只结构设计较少，清理水下沉积垃圾的船只结构设计几乎没有。目前已有的水域垃圾清理船只能单独清理一种类型的水域垃圾，不能同时清理两种或者两种以上的水域垃圾，缺少专用清理技术和船只结构设计，导致水域垃圾清理不彻底、效率低，而且劳动强度大，经济代价大。此外，已有水域垃圾清理船尤其是水生植物清理船常用于清理大江大河，难以清理小型水域。为此，本文提出了一种新型水域垃圾清理船设计。针对水域垃圾复杂多样的特点，通过聚拢收集、抓取、打碎、传送等方式，这种新型水域垃圾清理船可以对水面漂浮垃圾、水生植物、水下沉积垃圾进行有效的清理，可应用于小型河流、湖泊、公园狭窄水流等水域的垃圾清理。
2、基本内容

1.

水面漂浮垃圾的处理：清理船两侧安装可由电动伸缩装置控制伸缩、展开的尼龙网，

将其作为水面漂浮垃圾的收集网。该尼龙网上端由空心橡胶制成，确保尼龙网展开过程中上端橡胶时刻漂浮于水面，尼龙网的下端由实心橡胶制成，在尼龙网展开过程中时刻悬浮于水中。尼龙网可由清理船两侧安装的电动伸缩装置控制，以进行折叠、展开。

当清理水面漂浮垃圾时，清理船将两侧收集网展开，呈环抱状。清理船向前航行，水面漂浮垃圾顺两侧尼龙网漂入船只两侧的收集舱内。之后，受水流冲击，水面漂浮垃圾会像清理船后方继续漂流，从而避免水面漂浮垃圾顺着收集仓槽口再次流出。当水面漂浮垃圾作业完成，清理船两侧尼龙网不使用时，可再次由电动伸缩装置控制自动折叠。将尼龙网折叠放入船身侧的方形槽内，之后将方形槽封闭，防止已收集的水面垃圾漂出。

2.

水生植物的清理：该新型水域垃圾清理船前端两侧向前伸出两块网格状金属挡板。从而增大清理范围。清理船向前航行，前方合金切刀接触水生植物，对水生植物进行初步简单切割，同时将之拨至后方带有合金凸板的传送带上，之后由带有合金凸板的传送带将水生植物送至后方的收集箱内。如所要清理的水生植物缠结，则可调高清理船前端合金切刀转速，增大水生植物的打碎度，再将水生植物通过传送带运至收集箱內。收集箱表面具有密集的小圆孔，可将所收集水生植物的水分由小圆孔排出，减轻清理船总体质量，增大清理船所清理水生植物的储存总量。

3.

水下垃圾的清理：水下沉积垃圾清理功能的实现依靠船底的合金主杆与副杆、合金副杆尖端所安装的电磁铁和合金副杆尖端所安装的尼龙网配合。该新型水域垃圾清理船底部可伸出一根具有若干根副杆的合金主杆，合金副杆的尖端上带有弯钩，可以用来固定尼龙网，使尼龙网安装于合金副杆上，同时副杆尖端装有电磁铁，通过电磁铁通电与否控制电磁铁吸合，从而达到尼龙网收缩、展开的目的。

在进行水下沉积垃圾清理时，清理船底部伸出合金杆，合金杆伸入水下时，电磁铁为通电状态，此时电磁铁相互吸引，尼龙网为闭合状态。尼龙网随合金副杆伸入水下，距水底一定距离时，系统解除电磁铁通电状态，将尼龙网在水下展开成蛛网状，随后合金主杆继续下伸，直到将尼龙网平铺在水底的沉积垃圾上，然后给副杆尖端电磁铁通电，同时将合金杆收回。在副杆的收缩和尖端电磁铁的吸引力作用下，副杆尖端相互吸引汇聚，使尼龙网自动收合，以达到将水底垃圾包裹在尼龙网中的目的，从而清理水下沉积垃圾。

②研究目标

垃圾清理船是一种新型水域垃圾清理船的设计。该水域垃圾清理船体积较小，可适应各种小型水域的水域垃圾清理，可在多种水域下同时清理不同类型的水域垃圾，可同时清理水面漂浮垃圾、水生植物、水下沉积垃圾，避免了传统器械只能单方面清理某种水域垃圾的窘境，从而节省成本。因此，这种新型水域垃圾清理船可大范围推广使用。

③参考文献

[1]生态环境部.2019中国生态环境状况公报[EB/OL].（2020-06-02）[2021-03-02]
  [2]张凯淇.一种节能环保型水面垃圾清理船设计[J].现代制造技术与装备，2020（3）：15-17.
  [3]陈玲，高洁.一种新型水面垃圾清理分拣船的设计[J].船舶工程，2020（2）：39-43.
  [4]丁丽佳，刘鑫，赵岳，等.遥控水面垃圾自动清理船[J].科技信息，2009（11）：504-505.
  [5]孙虎胆，刘鸿凌.基于Ansoft的电磁铁建模仿真及结构优化设计[J].液压气动与密封，2018（8）：32-34.
  [6]郭东军，朱志松，张子立，等.基于Maxwell的电磁铁设计与特性分析[J].机床与液压，2018（22）：55-58.

基金项目编号： “宿州学院资助省级大学生创新创业训练计划项目”