一種新型水域垃圾清理船的設計

王鈞佩 李之豪 李中源 張曉亮 張世洋 寧惠君

摘 要：水域垃圾清理主要有人工打撈和機械清理兩種方式，而水域垃圾清理船是機械清理不可或缺的設備?；诖耍疚脑O計了一種新型水域垃圾清理船。它主要包括三部分，即水面漂浮垃圾清理裝置、水生植物清理裝置、水下沉積垃圾清理裝置。通過聚攏收集、打碎、傳送、抓取等方式，該水域垃圾清理船可以對水面漂浮垃圾、水生植物、水下沉積垃圾進行有效的清理，可應用于小型河流、湖泊、公園狹窄水流等水域的垃圾清理。

關鍵詞：水域垃圾清理船;水面漂浮垃圾;水生植物;水下沉積垃圾

中圖分類號：U674.247文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0044-03

Design of a New Type of Waters Garbage Cleaning Ship

WANG Junpei LI Zhihao LI Zhongyuan ZHANG Xiaoliang ZHANG Shiyang NING Huijun

（School of Civil Engineering， Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471023）

Abstract： There are two main methods for cleaning up garbage in waters， namely manual salvage and mechanical cleaning， and the waters garbage cleaning ship is an indispensable equipment for mechanical cleaning. Based on this， this paper designs a new type of waters garbage cleaning ship. It mainly includes three parts， namely the floating garbage cleaning device on the water surface， the aquatic plant cleaning device， and the underwater deposited garbage cleaning device. By gathering， smashing， conveying， grabbing and other methods， the waters garbage cleaning ship can effectively clean up floating garbage， aquatic plants， and underwater sedimentary garbage， which can be used to clean up garbage in small rivers， lakes， narrow waters in parks and other waters.

Keywords： waters rubbish cleaning ship;floating rubbish on water surface;aquatic plants;underwater sedimentary rubbish

《2019中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，中國水域污染嚴重，水域環(huán)境治理仍是重中之重[1]。水域垃圾一般包括水面漂浮垃圾、水生植物和水下沉積垃圾三種。水面漂浮垃圾一般指在水體表面的人為丟棄廢物、植物飄落物、水體腐化產(chǎn)生的浮沫等漂浮物，隨著水面流動聚積在岸邊附近和水面角落。水生植物一般指水葫蘆等國內(nèi)常見的入侵物種。例如，水葫蘆學名為鳳眼蓮，20世紀30年代，其被引入中國，之后逐漸在中國泛濫，其本身繁殖速度極快且易使水體富營養(yǎng)化，導致水體出現(xiàn)赤潮等災害，被列為世界十大害草之一。水下沉積垃圾主要指一些難以降解的塑料袋、塑料瓶、布制品等很重的垃圾或者是密度大且較易沉積于水底的垃圾。

目前，水域垃圾清理的主要方式為人工打撈和機械清理。在機械清理方式中，水域垃圾清理船設計主要用于清理水生植物，而清除水面漂浮垃圾的船只結(jié)構設計較少，清理水下沉積垃圾的船只結(jié)構設計幾乎沒有。目前已有的水域垃圾清理船只能單獨清理一種類型的水域垃圾，不能同時清理兩種或者兩種以上的水域垃圾，缺少專用清理技術和船只結(jié)構設計，導致水域垃圾清理不徹底、效率低，而且勞動強度大，經(jīng)濟代價大。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，難以清理小型水域。為此，本文提出了一種新型水域垃圾清理船設計。針對水域垃圾復雜多樣的特點，通過聚攏收集、抓取、打碎、傳送等方式，這種新型水域垃圾清理船可以對水面漂浮垃圾、水生植物、水下沉積垃圾進行有效的清理，可應用于小型河流、湖泊、公園狹窄水流等水域的垃圾清理。

1 新型水域垃圾清理船結(jié)構總體設計

與普通漁船、運輸船、常見水生植物清理船等船只設計相比，新型水域垃圾清理船設計存在明顯的不同。如圖1、圖2所示，本新型水域垃圾清理船船頭呈雙梭形，清理船中部空間安裝水域垃圾清理裝置，清理船總體俯視形狀似一個“凹”字。本新型水域垃圾清理船裝置由水面漂浮垃圾清理裝置、水生植物清理裝置、水下沉積垃圾清理裝置三部分組成。

圖2中，A處為水面漂浮垃圾清理裝置，清理船尾部兩側(cè)安裝有方形槽，槽內(nèi)封閉有可折疊尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)可借助船身側(cè)電動伸縮裝置進行折疊或展開，當用于清理水面漂浮垃圾時，船身側(cè)尼龍網(wǎng)需要由電動伸縮裝置展開[2]。B處為水生植物清理裝置，B處下部最前端結(jié)構為合金切刀，其兩邊有向左右前方伸出的兩塊網(wǎng)格狀金屬擋板，可增大與垃圾的接觸面積，從而聚攏水生植物，B處中部為合金凸板傳送帶，合金凸板傳送帶上方為帶有密集小圓孔的收集箱。所清理收集的水生植物由傳送帶運至上方，直接收集到收集箱內(nèi)，同時清理船內(nèi)部還可自主安裝打碎機，將收集的水生植物打碎，減小收集的水生植物所占體積，從而增大船只所清理水生植物的儲存量，清理船儲存的水生植物均于上岸后卸載。此外，本新型水域垃圾清理船還配備有水下沉積垃圾清理裝置。

2 水面漂浮垃圾清理功能

如圖3所示，清理船兩側(cè)安裝可由電動伸縮裝置控制伸縮、展開的尼龍網(wǎng)，將其作為水面漂浮垃圾清理的收集網(wǎng)。該尼龍網(wǎng)上端由空心橡膠制成，確保尼龍網(wǎng)展開過程中上端橡膠邊時刻漂浮于水面，尼龍網(wǎng)的下端由實心橡膠制成，在尼龍網(wǎng)展開過程中時刻懸浮于水中。尼龍網(wǎng)可由清理船兩側(cè)安裝的電動伸縮裝置控制，以進行折疊、展開。

當清理水面漂浮垃圾時，清理船將兩側(cè)收集網(wǎng)展開，呈懷抱狀。清理船向前航行，水面漂浮垃圾順兩側(cè)尼龍網(wǎng)漂入船只兩側(cè)的收集倉內(nèi)。之后，受水流沖擊，水面漂浮垃圾會向清理船后方繼續(xù)漂流，從而避免水面漂浮垃圾順著收集倉槽口再次流出。當水面漂浮垃圾作業(yè)完成，清理船兩側(cè)尼龍網(wǎng)不使用時，可再次由電動伸縮裝置控制自動折疊，將尼龍網(wǎng)折疊放入船身側(cè)的方形槽內(nèi)，之后將方形槽封閉，防止已收集的水面漂浮垃圾漂出[3-4]。

3 水生植物清理功能

如圖4所示，該新型水域垃圾清理船“凹”字形前端兩側(cè)向前伸出兩塊網(wǎng)格狀金屬擋板，從而增大清理范圍。清理船向前航行，前方合金切刀接觸水生植物，對水生植物進行初步簡單切割，同時將之撥至后方帶有合金凸板的傳送帶上，之后由帶有合金凸板的傳送帶將水生植物送至后方的收集箱內(nèi)。如所要清理的水生植物纏結(jié)，則可調(diào)高清理船前端合金切刀轉(zhuǎn)速，增大水生植物的打碎度，再將水生植物通過傳送帶運至收集箱內(nèi)。收集箱表面具有密集的小圓孔，可將所收集水生植物的水分由小圓孔排出，減輕清理船總體質(zhì)量，增大清理船所清理水生植物的儲存總量。

4 水下沉積垃圾清理功能

如圖5所示，水下沉積垃圾清理功能的實現(xiàn)依靠船底的合金主桿與副桿、合金副桿尖端所安裝的電磁鐵和合金副桿尖端所安裝的尼龍網(wǎng)配合[5-6]。如圖6、圖7所示，該新型水域垃圾清理船底部可伸出一根具有若干根副桿的合金主桿，合金副桿的尖端上帶有彎鉤，可以用來固定尼龍網(wǎng)，使尼龍網(wǎng)安裝于合金副桿上，同時副桿尖端裝有電磁鐵，通過電磁鐵通電與否控制電磁鐵吸合，從而達到尼龍網(wǎng)收縮、展開的目的。

在進行水下沉積垃圾清理時，清理船底部伸出合金桿，合金桿伸入水下時，電磁鐵為通電狀態(tài)，此時電磁鐵相互吸引，尼龍網(wǎng)為閉合狀態(tài)。尼龍網(wǎng)隨合金副桿伸入水下，距水底一定距離時，系統(tǒng)解除電磁鐵通電狀態(tài)，將尼龍網(wǎng)在水下展開成蛛網(wǎng)狀，隨后合金主桿繼續(xù)下伸，直到將尼龍網(wǎng)平鋪在水底的沉積垃圾上，然后給副桿尖端電磁鐵通電，同時將合金桿收回。在副桿的收縮和尖端電磁鐵的吸引力作用下，副桿尖端相互吸引匯聚，使尼龍網(wǎng)自動收合，以達到將水底垃圾包裹在尼龍網(wǎng)中的目的，從而清理水下沉積垃圾。

5 結(jié)語

本文介紹了一種新型水域垃圾清理船的設計。該水域垃圾清理船體積較小，可適應各種小型水域的水域垃圾清理，可在多種水域下同時清理不同類型的水域垃圾，可同時清理水面漂浮垃圾、水生植物、水下沉積垃圾，避免了傳統(tǒng)器械只能單方面清理某種水域垃圾的窘境，從而節(jié)省成本。因此，這種新型水域垃圾清理船可大范圍推廣使用。

參考文獻：

[1]生態(tài)環(huán)境部.2019中國生態(tài)環(huán)境狀況公報[EB/OL].（2020-06-02）[2021-03-02].http：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/zghjzkgb/202006/P020200602509464172096.pdf.

[2]張凱淇.一種節(jié)能環(huán)保型水面垃圾清理船設計[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2020（3）：15-17.

[3]陳玲，高潔.一種新型水面垃圾清理分揀船的設計[J].船舶工程，2020（2）：39-43.

[4]丁麗佳，劉鑫，趙岳，等.遙控水面垃圾自動清理船[J].科技信息，2009（11）：504-505.

[5]孫虎膽，劉鴻凌.基于Ansoft的電磁鐵建模仿真及結(jié)構優(yōu)化設計[J].液壓氣動與密封，2018（8）：32-34.

[6]郭東軍，朱志松，張子立，等.基于Maxwell的電磁鐵設計與特性分析[J].機床與液壓，2018（22）：55-58.