易健彬，譚先琳，邵 帥，廖健科

（廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展以及沙灘旅游的發(fā)展，我國的水面環(huán)境和沙灘環(huán)境情況不容樂觀，目前我國海灘垃圾清理主要采用純?nèi)斯で謇淼姆绞絒1]。國內(nèi)還沒有相關(guān)企業(yè)具有海洋沙灘廢棄物處置裝備方面的自主研發(fā)、創(chuàng)新性改進和產(chǎn)業(yè)化推廣能力。且目前國內(nèi)主要集中在大型沙灘清潔機械的研制生產(chǎn)，小型沙灘清潔機械研制較少。為了貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念，本文設(shè)計一款采用離心率篩分垃圾的沙灘垃圾清理機器，能夠提高沙灘垃圾篩分效果，以及垃圾清理的靈活性[2]。

1 機器的結(jié)構(gòu)和工作原理

整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由前端松土機構(gòu)、機械臂、履帶輪組地盤、太陽能電池板、垃圾收集過濾裝置構(gòu)成。主要設(shè)計功能和工作原理如下：采用懸掛彈簧的履帶輪組地盤，使機器能夠在沙灘上平穩(wěn)運行，同時增加上下行程減少零件材料所受應(yīng)力。前端松土機構(gòu)用于破碎復(fù)雜沙土和垃圾沙子預(yù)分離。同時，前端松土機構(gòu)在機械臂的帶動下可控制鏟沙的深度，以此實現(xiàn)不同深度的垃圾沙子預(yù)分離。通過垃圾收集過濾裝置實現(xiàn)垃圾的收集，用可旋轉(zhuǎn)多孔弧板制成圓柱形多孔過濾外殼，利用離心率將鏟沙器鏟起的垃圾和沙子倒入滾筒內(nèi)進行篩分，沙子從內(nèi)輪表面的孔洞漏出，而垃圾則留在滾筒內(nèi)，從而實現(xiàn)垃圾篩分功能和存儲功能。機器動力由太陽能提供，可采用追光太陽能板[3]，充足保證機器運行所需要的動力，延長工作時間，并且在工作的過程中減少能耗對環(huán)境的污染。

圖1 整體機構(gòu)

2 機器各結(jié)構(gòu)建模及分析

2.1 垃圾收集過濾裝置工作原理

沙子過濾器如圖2 所示，主要由外鏟和網(wǎng)狀內(nèi)膽兩部分組成，兩部分分別由兩個獨立電機控制轉(zhuǎn)動，內(nèi)膽有一個依靠舵機控制開合的內(nèi)膽蓋子。工作時，內(nèi)膽蓋子在舵機的帶動下打開，外鏟在電機帶動下轉(zhuǎn)動，控制內(nèi)膽的電機固定，沙子和垃圾隨著外鏟的不斷滾動落入內(nèi)膽中，外鏟停止轉(zhuǎn)動，內(nèi)膽蓋子在舵機帶動下合上，內(nèi)膽在電機的帶動下翻滾，細小的沙子隨著滾動從網(wǎng)狀內(nèi)膽中濾除，較大的垃圾則會保留在內(nèi)膽中。內(nèi)膽裝滿垃圾后，舵機控制內(nèi)膽蓋子打開，將垃圾傾倒在指定位置。

圖2 沙子過濾器

2.2 垃圾收集過濾裝置設(shè)計參數(shù)和分析

外鏟的角加速度模擬如圖3，由圖可見外鏟的角加速度呈現(xiàn)等幅振蕩曲線最高為280.6（deg/sec2），最低為280.0（deg/sec2），是由于外鏟在觸碰沙子和垃圾時受到的阻力作用，導(dǎo)致加速度下降，但總體呈等幅振蕩，且具有周期性，函數(shù)圖像最高點和最低點僅僅相差0.6（deg/sec2），如圖4 所示，角位移等幅振蕩，因此，大致視為外鏟可做等加速度運動。在垃圾收集的過程中，機器能夠平穩(wěn)的加速運行，不會因為受到沙子阻力的影響而破壞原來的運動狀態(tài)，外鏟的旋轉(zhuǎn)在一個平穩(wěn)可控的范圍內(nèi)。

圖3 鏟沙器外鏟角加速度

圖4 鏟沙器外鏟角位移

如圖5 所示為外鏟接觸沙子時的形變分析，可以看到主要的形變部分集中在外鏟的最外緣與沙子接觸的部分，如圖中的紅色區(qū)域形變量達到了5.36e-2mm，最小的形變在電機連接處，為1.000e-30mm，因此材質(zhì)的選擇上可以在外鏟邊緣處選擇韌性更大的材料制作，如制作挖掘機斗齒所用材料[4]，克服塑性形變對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)造成破壞，電機連接處的構(gòu)件則可以選擇強度較高的材料，或者在聯(lián)軸器和外鏟中間疊加復(fù)合型材料，增強螺栓連接的強度。

圖5 外鏟形變分析

應(yīng)力分析如圖6，在電機和法蘭盤處的連接螺紋所受應(yīng)力約為（2.282-4.518）e-4之間，為使受力均勻可以在連接處多設(shè)置幾個螺紋孔，可以有效消除應(yīng)力集中，防止構(gòu)件變形破環(huán)。

圖6 外鏟應(yīng)力分析

圖7 所示內(nèi)膽的設(shè)計尺寸，可得內(nèi)膽容積約為1.87 L，每臺機器可裝3 個收集過濾裝置，總?cè)莘e約為5.1 L。通過多孔篩輪的滾動過濾沙子，類似與工業(yè)上的旋流分離器，相比往復(fù)振動的方式更能節(jié)省空間，減小機器設(shè)計尺寸的同時，利用離心力提高沙粒篩出的效率。因此，小型且智能化的垃圾清理機器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同時小型化的垃圾清理機器靈活性更好，適用面更廣，可用于各種干燥和潮濕沿海沙灘，以及公園或特色住宅內(nèi)的小型沙地等，機器使用率更高。

圖7 鏟沙器內(nèi)膽尺寸

2.3 松土機構(gòu)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分析

如圖8 所示為轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分析圖，在外圍尖角位置和中間連軸處所受應(yīng)力最大，外圍尖角可將其結(jié)構(gòu)改為圓角和倒角形式，可以有效減少應(yīng)力集中，避免零件損壞，但是圓角倒角又會降低松土效率，增加電機的負載，易使電機過熱，因此，結(jié)構(gòu)的最終選擇要以實際情況為準。

圖8 松土機構(gòu)轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析

圖9 所示受力形變主要集中在尖角處，最大形變量達到了2.265e+11mm，在連軸處的變形最小，因此夾角處可以選擇65 錳薄鋼板鍛造。

圖9 松土機構(gòu)轉(zhuǎn)子形變分析

3 結(jié)語

本文所設(shè)計的沙灘垃圾清理機器，在篩分方式上明顯區(qū)別于現(xiàn)有的沙灘清理機器，具有更好的垃圾篩分效果。此外，小型且智能化的垃圾清理機器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同時小型化的垃圾清理機器靈活性更好，適用面更廣，可用于各種干燥和潮濕沿海沙灘，以及公園或特色住宅內(nèi)的小型沙地等，機器使用率更高。并利用現(xiàn)有的成熟的技術(shù)理論具體說明和驗證了沙灘垃圾清理裝置設(shè)計的合理性與可行性。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動收集垃圾和沙子過濾的功能，實現(xiàn)沙灘垃圾清理高效化、自動化和智能化，該機器具有較好的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。