摘 ?要：通過相關(guān)的水上漂浮物垃圾處理設(shè)備對水上漂浮物垃圾進(jìn)行更加高質(zhì)、高效的處理，從而使得水環(huán)境得以保持，不管是對于城市環(huán)境還是市民生活都意義重大。因此，本文主要對水上漂浮物垃圾處理設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：水上漂浮物;垃圾處理設(shè)備;收集筐;結(jié)構(gòu)方案;PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號：TV697.3;TP273 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

水是城市發(fā)展建設(shè)中不可或缺的資源，但是隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，我國城市水上漂浮物垃圾大范圍增加，給城市的進(jìn)一步發(fā)展以及居民的生活帶來了極大的危害。對此，國家環(huán)境部門給予了極大的重視，積極組織相關(guān)人員對水上漂浮物垃圾進(jìn)行處理，并利用相關(guān)的水上漂浮物垃圾處理設(shè)備對水上垃圾進(jìn)行打撈處理，從而確保水環(huán)境的質(zhì)量。

1 水上漂浮物垃圾處理設(shè)備設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)水上漂浮物垃圾處理設(shè)備一般要遵守以下要求：

（1）由于水上漂浮的垃圾有較多種類，如枯樹枝、爛葉、水草等一些生活小垃圾，所以在設(shè)計(jì)垃圾處理設(shè)備時必須考慮到水上漂浮垃圾的種類，從而進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。

（2）由于不同的水體對于垃圾處理設(shè)備的要求不同，所以在設(shè)計(jì)時需考慮到不同水體對設(shè)備的腐蝕程度，在設(shè)備中必須設(shè)置防銹、防腐蝕和防水裝置，從而確保垃圾處理設(shè)備的安全性，降低垃圾處理設(shè)備發(fā)生故障的幾率，延長設(shè)備的使用周期。

（3）由于需要依靠水上漂浮物垃圾處理設(shè)備的收集裝置來收集水上漂浮垃圾，為了提高垃圾收集的效率，就必須對收集裝置的連續(xù)性進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得收集裝置可以連續(xù)自動化作業(yè)。

2 水上漂浮物垃圾處理設(shè)備結(jié)構(gòu)方案

2.1 收集筐的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)收集筐時，一般從以下兩個方面進(jìn)行：

（1）收集筐的結(jié)構(gòu)（如圖1）。在對收集筐設(shè)計(jì)時，首先要考慮到水上漂浮垃圾處理所在的水域與面積，本文所涉及到的水上漂浮物垃圾處理設(shè)備主要涉及到的是小型的水域與面積，而在處理水上漂浮垃圾的過程中最為重要的部分就是收集裝置，收集裝置主要是由收集筐組成，并對水上打撈的漂浮垃圾進(jìn)行處理和打撈。所以，收集筐的設(shè)計(jì)是整個水上漂浮垃圾打撈作業(yè)的重中之重，它直接影響到垃圾處理的質(zhì)量和效率。收集筐主要是由主體、推移板和無桿氣缸組成。其中，收集筐主體主要是負(fù)責(zé)收集水上漂浮垃圾，從而為漂浮垃圾的打撈提供儲存空間，在設(shè)計(jì)時要給收集筐的各個面都保留足夠的細(xì)縫，這樣可以將漂浮垃圾中的水分進(jìn)行過濾，也不會因?yàn)榭p隙過大而擔(dān)心垃圾逸出。推移板的結(jié)構(gòu)相對簡單，只要在推移板的薄鋼板上留出足夠數(shù)量的細(xì)縫就行，它的主要作用是將收集到的垃圾倒到垃圾收集設(shè)備中。無桿氣缸箱則主要是為安裝無桿氣缸提供平臺，同時能夠保護(hù)無桿氣缸，將其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)將更加有利于對裝置的拆裝。

（2）尺寸設(shè)計(jì)。因?yàn)樗掀∥锢幚碓O(shè)備處理的垃圾是漂浮在水面上的，所以水上漂浮物垃圾處理設(shè)備需要在水上作業(yè)，從以往的設(shè)備來看，處理設(shè)備沒入水中的深度不得超過100毫米。對此，不管是設(shè)備空載還是滿載，收集筐在反轉(zhuǎn)的過程中，設(shè)備底端沒入水中的深度應(yīng)該超過150毫米，這樣才能夠有效地對水上漂浮垃圾進(jìn)行處理打撈。此外，收集筐也不能夠太深，其深度最好控制在490毫米，收集筐的長度為1400毫米，寬為700毫米，高為490毫米。

2.2 工作原理

通過分析水上漂浮物垃圾處理設(shè)備收集裝置工作原理可知，收集裝置主要依靠收集筐來實(shí)現(xiàn)對水上漂浮垃圾的打撈收集，所以收集筐是整個收集裝置功能的體現(xiàn)。收集筐的驅(qū)動部分主要有活塞和無桿氣缸兩種。其中，活塞氣缸主要是控制收集筐的翻轉(zhuǎn)方向，如果收集筐進(jìn)行正向翻轉(zhuǎn)，收集筐在過濾完多余的水體后可對水上垃圾進(jìn)行收集;如果收集筐進(jìn)行反向翻轉(zhuǎn)，收集筐在設(shè)備前進(jìn)的過程中可利用水體的流動性對水面垃圾進(jìn)行打撈。無桿氣缸則主要負(fù)責(zé)推移板的運(yùn)行，當(dāng)打撈的垃圾中的水土被過濾后，推移板則負(fù)責(zé)將垃圾推送至垃圾處理設(shè)備中。

2.3 工作流程

在水上漂浮物垃圾處理設(shè)備運(yùn)行過程中最重要的就是收集筐，其最主要的作用就是對水面漂浮垃圾進(jìn)行打撈，并將其收集到垃圾處理設(shè)備中。收集筐的工作流程如下：（1）在起始位置時，收集筐的活塞氣缸未伸出活塞桿進(jìn)行水平收集，當(dāng)收集筐的工作時間達(dá)到預(yù)定時間時，活塞氣缸伸出活塞桿并通過正向翻轉(zhuǎn)將其升至最頂端，此時的推移板處于垂直狀態(tài)。（2）當(dāng)無桿氣缸工作時，氣缸的滑臺利用正向移動將推移板帶出，從而將打撈到的水上漂浮垃圾傾倒在水上漂浮垃圾處理設(shè)備中。（3）當(dāng)推移板被推導(dǎo)最頂端后，無桿氣缸的活塞桿發(fā)生調(diào)換，氣缸的滑臺反向移動，將推移板推送至收集筐最低端位置。（4）如果需要再次打撈水上漂浮垃圾，活塞氣缸開始縮回，直至收集筐處于水平狀態(tài)，如此反復(fù)進(jìn)行。

2.4 氣缸輸出力計(jì)算

在對水上漂浮物垃圾處理設(shè)備的氣缸輸出進(jìn)行計(jì)算時，主要從以下幾個方面出發(fā)：

（1）水上漂浮物密度。水上漂浮物垃圾處理設(shè)備主要處理的是水上的漂浮物以及生活垃圾等，通過處理這些垃圾實(shí)現(xiàn)凈化水質(zhì)的作用。在水上漂浮垃圾中，因?yàn)樗参锏奈詫?qiáng)，切割水草的質(zhì)量通常大于其余漂浮垃圾，所以在對水上漂浮物密度進(jìn)行計(jì)算時通常將水草作為參照物。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算水葫蘆以及苦草的密度時，苦草的密度低于水葫蘆，所以水草的密度以計(jì)算水葫蘆的密度為主，將水葫蘆放置于盆中進(jìn)行稱重，盆的半徑（r）為0.1m，高（h）為0.3m。其體積計(jì)算公式為：

V =πr²h（1）

計(jì)算出盆的體積為0.0094m³，也是水葫蘆的重量，根據(jù)密度公式可計(jì)算出水草密度為204.26kg/m³。

（2）活塞氣缸安裝位置。在計(jì)算的過程中根據(jù)氣缸的特點(diǎn)可知，當(dāng)兩倍活塞桿伸出時氣缸的長度要長于活塞桿完全伸出時的氣缸長度，以設(shè)備的最上端為X 軸方向，以活塞氣缸和支撐板鉸接點(diǎn)即點(diǎn) A所在位置的豎直方向?yàn)閅 軸，建立坐標(biāo)系。通過相關(guān)計(jì)算分析可知，當(dāng)a的值越大，坐標(biāo)軸上的矢量距離會縮短，也就是說在擁有同樣矢量力的情況下，力矩越大，選擇的活塞氣缸的缸徑越小。可是，如果a的值過大，就會導(dǎo)致氣缸的安裝位置較低，使得氣缸沒入水中的深度加大，提高了活塞氣缸受腐蝕的幾率，因此a需要取中間值，也就是a的取值為130，最終計(jì)算出B的取值為310，進(jìn)而得出氣缸的行程距離范圍在196至203毫米之間。

（3）氣缸受力計(jì)算。在對活塞氣缸的收集進(jìn)行分析時首先要分析收集筐的承重，而收集筐的體積公式為

V=c*b*a （2）

c、b、a表示收集筐的高、寬和長。收集筐的質(zhì)量公式為：

m=ρ*V（3）

根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)得出，收集筐的體積為0.374m³，收集筐中水草的質(zhì)量為34kg，從而知道收集筐的質(zhì)量為12kg。通過對翻轉(zhuǎn)方向時的受力分析可知，當(dāng)收集筐位于頂端位置時，收集筐的受力為G₀，收集水草的重力為G₁，氣缸輸出力為F，其中重力計(jì)算公式為：

G=mg （4）=

氣缸輸出力公式為：

F=（G₀L₀+?G₁L₁）/L（5）=

通過對氣缸的負(fù)載力、負(fù)載臂力以及輸出力臂計(jì)算后可知?dú)飧椎妮敵隽?677N。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于水上漂浮物垃圾處理設(shè)備中對于水上漂浮物垃圾處理具有重要的意義和作用，因此，對PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以從以下幾方面出發(fā)：

（1）PLC控制模塊。PLC控制模塊具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，它需要具備35個I/O接口點(diǎn)，其中包括了14個輸出點(diǎn)和21個輸入點(diǎn)。在選擇PLC控制模塊時最常使用的是西門子CPU226CN，之所以會選擇這一類型的控制器，是因?yàn)樗?6個輸出點(diǎn)和24個輸入點(diǎn)，I/O接口更多，更加利于信號的傳輸，同時它的脈沖輸出遠(yuǎn)高于其它的設(shè)備，能夠更加快速地驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，從而有效地提高水上漂浮物垃圾處理設(shè)備的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

（2）變頻器模塊。對于該變頻器模塊通常選擇西門子Micromaster?420變頻器，之所選擇它是因?yàn)橄噍^于其它的變頻器，它更加節(jié)能且可調(diào)整變頻速度。在垃圾處理設(shè)備機(jī)構(gòu)入口設(shè)有光電傳感器，當(dāng)傳感器檢測到有垃圾需要處理時，會及時地將垃圾信息反饋給變頻器模塊，然后通過PLC啟動變頻器，變頻器可根據(jù)不同的垃圾設(shè)置不同的變頻速度和參數(shù)，從而更加高效地驅(qū)動變頻器工作，提高垃圾處理的效率和質(zhì)量。

（3）步進(jìn)驅(qū)動模塊。該驅(qū)動模塊主要包含了步進(jìn)電動機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動器，通過PLC來控制脈沖個數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的目的，它主要用于控制垃圾處理設(shè)備運(yùn)行時的旋轉(zhuǎn)速度和角度。一般使用的設(shè)備是森創(chuàng)公司的三相混合式步進(jìn)電機(jī)，其型號為57BYG 350CL，它的步距角非常小，只有1度左右;它的旋轉(zhuǎn)方向是由PLC的輸出點(diǎn)控制的，而垃圾處理設(shè)備運(yùn)行中的旋轉(zhuǎn)速度和角度是由輸出的脈沖信號控制的，這樣通過PLC來控制垃圾設(shè)備運(yùn)行時的旋轉(zhuǎn)速度和角度可有效提高水上垃圾處理的效率，給水環(huán)境治理帶來極大的便利。

4 實(shí)際應(yīng)用與結(jié)論

這些年來，隨著我國各個地區(qū)水上漂浮物垃圾數(shù)量的增多，水上漂浮物垃圾處理設(shè)備常用于對水上漂浮物垃的打撈處理，設(shè)備利用PLC控制系統(tǒng)集中對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)自動化控制操縱，并且在設(shè)備中安裝了相關(guān)的航行信號標(biāo)志。而通過對該設(shè)備的應(yīng)用，對于我國的水上漂浮物垃圾處理的效率和質(zhì)量都有所提高，給我國水環(huán)境的保護(hù)帶來了極大好處。

參考文獻(xiàn)

[1] 王偉，趙茜，朱記偉.寶雞峽林家村水庫庫區(qū)水面漂浮物治理[J].中國水能及電氣化，2016（05）：42-44.

[2]?王占海，王偉，金金.液壓控制技術(shù)在蒲草收割船割臺上的應(yīng)用與研究[J].液壓與氣動，2014（04）：73-75+79.

[3]?謝家興，邱冠武，陳武瑞，等.基于景區(qū)湖泊污染的多功能水域清理船設(shè)計(jì)[J].環(huán)境工程學(xué)報，2014，8（06）：2371-2375.

收稿日期：2019-07-25

^*課題資助基金：浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201329634）

作者簡介：蔡丹云（1975—），女，浙江諸暨人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。