頁(yè)共38頁(yè)1緒論1.1選題背景隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平邁上了一個(gè)全新的臺(tái)階。但同時(shí)也引發(fā)了一些問(wèn)題，其中司空見慣的就是我們生活的環(huán)境被破壞，身邊到此可見的是各種污染物，它們大多來(lái)自于不可降解的塑料制品的大量使用和城市與工業(yè)體系的迅速發(fā)展。其中，河流、長(zhǎng)江、大型湖泊和小型水庫(kù)等水域的水面垃圾污染讓我們?nèi)缱槡?，隨處可見的垃圾進(jìn)一步降低了人們生活的幸福指數(shù)。尤其是公園人工湖等人流量特別大的地方，有意或無(wú)意丟棄的垃圾數(shù)不勝數(shù)，對(duì)湖面本身的生態(tài)環(huán)境和周邊人們的正常生活帶來(lái)了不太好的影響，特別是某些自來(lái)水廠從湖中取水，進(jìn)一步加大了取水時(shí)的難度，給正常的取水工作帶來(lái)了很大的麻煩。改善公園湖面的生態(tài)環(huán)境，是政府和相關(guān)工作人員的責(zé)任，也是我們每個(gè)人的責(zé)任。我們可以通過(guò)提高國(guó)民素質(zhì)的方式減少垃圾亂丟的行為，但是已經(jīng)造成的水體垃圾污染需要盡可能清理干凈。正是因?yàn)橛辛诉@種需要，水面垃圾清掃船的產(chǎn)生發(fā)展成為了必然。水面垃圾清掃船是環(huán)境治理作業(yè)船的一種，是在水域環(huán)境中進(jìn)行水面污染治理的各種專用船只的總稱。目前，國(guó)內(nèi)外垃圾清掃船的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。不論是發(fā)展中國(guó)家還是發(fā)達(dá)國(guó)家都積極開展垃圾清掃船的設(shè)計(jì)和開發(fā)，以滿足本地區(qū)垃圾清理的實(shí)際需要。對(duì)很多國(guó)家來(lái)說(shuō)，特別是發(fā)展中國(guó)家，垃圾清掃船是非常重要的“河道清潔夫”，對(duì)發(fā)展中國(guó)家建立環(huán)境友好型社會(huì)意義重大?，F(xiàn)在我們需要開發(fā)一種新型的全自動(dòng)公園垃圾清掃船，解決公園湖面或者一些特殊水域的垃圾清掃工作，代替人從事垃圾清掃強(qiáng)度大的工作。過(guò)多的水面垃圾和多種形式的水面垃圾清理難度大，垃圾清掃船可以進(jìn)一步提高垃圾清掃的效率，美化環(huán)境，保護(hù)環(huán)境。但是，在最開始的時(shí)候，水面垃圾的清掃都是依靠半艙式或甲板機(jī)動(dòng)駁船進(jìn)行人工打撈，使用網(wǎng)袋、鉗子等工具對(duì)水面的垃圾進(jìn)行逐一清理。從某種程度上來(lái)說(shuō)，這種打撈的方式清理比較干凈，卻也面臨著效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、受天氣影響大和存在安全隱患等問(wèn)題。于是，水面垃圾清掃船應(yīng)運(yùn)而生。目前，市場(chǎng)上有很多垃圾清掃船致力于解決水體垃圾污染問(wèn)題,針對(duì)河流、長(zhǎng)江、大型湖泊和小型水庫(kù)等水域的固體廢棄物進(jìn)行清理,如:食品包裝袋、塑料瓶、生活垃圾、其他易漂浮的水面垃圾。然而，大多數(shù)的垃圾清掃船都是依靠人來(lái)操作，屬于半自動(dòng)垃圾清掃船。但從目前科技發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看，全自動(dòng)和無(wú)人化是未來(lái)一個(gè)大的趨勢(shì)。故本次課題的全自動(dòng)公園湖面垃圾清掃船有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。水面清掃船的產(chǎn)生發(fā)展與水環(huán)境的破壞和垃圾隨意丟棄等情況密不可分，對(duì)發(fā)展中國(guó)家而言，以犧牲環(huán)境為代價(jià)換取高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展屢見不鮮，慢慢走上了西方國(guó)家先污染再治理的老路。因此，我國(guó)乃至所有發(fā)展中國(guó)家去研制水面清掃船已經(jīng)可以說(shuō)是迫在眉睫。針對(duì)冶理環(huán)境的需要，我們現(xiàn)在研究的水面垃圾清掃船對(duì)各個(gè)國(guó)家的水體污染清理工作的開展有著深遠(yuǎn)的意義。表1-1用于國(guó)內(nèi)清掃船的主要清掃設(shè)備

1.2發(fā)展歷程1.2.1人工垃圾清掃船打撈漂浮物在最初的時(shí)候是網(wǎng)兜和較長(zhǎng)的鉗子,依靠人工用帶有長(zhǎng)握柄的網(wǎng)兜將水面垃圾打撈上來(lái),裝進(jìn)收集籃中，裝滿后再將收集籃送回岸邊。據(jù)統(tǒng)計(jì),一條人工船每天能打撈漂浮垃圾約0.5t/d。人工打撈勞動(dòng)強(qiáng)度極大，長(zhǎng)期工作后人會(huì)疲勞，還可能導(dǎo)致垃圾清理不徹底和出現(xiàn)安全隱患等問(wèn)題。圖1-1人工清掃船清理垃圾1.2.2斗式漂浮物清掃船國(guó)內(nèi)最早的機(jī)械化清掃船是1984年9月研制的斗式漂浮物清掃船,采用翻斗對(duì)水面的垃圾進(jìn)行打撈、轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存。該船采用雙體船的設(shè)計(jì)方案,總長(zhǎng)22.0m,水線長(zhǎng)20.0m,型寬7.20m,型深2.40m,吃水1.40m,排水量64t,航速13km/h。從動(dòng)力方面來(lái)說(shuō)，使用了雙螺旋槳推動(dòng)的方式，垃圾的轉(zhuǎn)移和打撈都是使用了液壓裝置，提高了垃圾轉(zhuǎn)移時(shí)的穩(wěn)定性。斗分為抓斗和翻斗兩種作業(yè)的方式，但目前僅剩下翻斗式的作業(yè)方式還在使用，主要為小型清掃船,其特點(diǎn)是造價(jià)便宜、使用靈活方便,可以打撈部分水面垃圾。這種垃圾清掃船在一定程度上降低了打撈工人的工作強(qiáng)度，但由于其體積大、吃水深，在一些小湖和淺水區(qū)域無(wú)法正常打撈垃圾。再加上其航速慢、排水量大、不夠靈活，工作的效率也不是特別高。圖1-2斗式漂浮物清掃船清理垃圾1.2.3自流式漂浮物清掃船自流式漂浮物清掃船又稱機(jī)動(dòng)聚集筏,是在船上設(shè)置垃圾收集箱進(jìn)行機(jī)械化打撈作業(yè)的一種船只。1997年10月研制的“滬環(huán)機(jī)掃一號(hào)”是用于蘇州河的小型清掃船,采用不對(duì)稱片體雙體船型,依靠船體的向前運(yùn)動(dòng)使水面垃圾自動(dòng)流入垃圾收集箱內(nèi),因收集箱能自由提升而取名為自流提升式清掃船。該船為不對(duì)稱片體雙體船型,總長(zhǎng)14.4m;水線長(zhǎng)14.0m,型寬5.0m,型深1.40m,吃水1.0m,排水量24t,航速13km/h。該船的研制過(guò)程中解決了新船型設(shè)計(jì)開發(fā)、動(dòng)力推進(jìn)、冷卻方式、收集箱提升等4個(gè)技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了垃圾收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)的完整作業(yè)流程,由人工勞作向著機(jī)械化方向發(fā)展，它的垃圾清掃效率是人工打撈垃圾作業(yè)的6倍以上,還大大降低了勞動(dòng)的強(qiáng)度。自流式清掃船采用不對(duì)稱片體雙體船設(shè)計(jì)方案，克服了多個(gè)難題，提高了漂浮物的打撈效率。相比的前面的兩種船體來(lái)說(shuō)，有了非常大的進(jìn)步和改進(jìn)。在外形方面，明顯縮小了整個(gè)船體的尺寸，在一定程度上來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)了船體的輕量化，增加船在工作時(shí)的靈活性和實(shí)用性。就操作來(lái)看，并不是特別復(fù)雜，對(duì)于駕駛和操作的工人來(lái)說(shuō)，要求不是特別高，容易上手。然而，它也存在著一些有待解決的問(wèn)題。雙體單推使得船的航速比較慢，工作時(shí)的效率不是特別高。由于航速并沒(méi)有多大的提高和整個(gè)清理過(guò)程還需要人工協(xié)助，仍然需要不斷地改進(jìn)。圖1-3自流式漂浮物清掃船清理垃圾1.2.4傳送帶式漂浮物清掃船2006年研制的三峽壩區(qū)300立方米綜合式漂浮物清掃船是目前國(guó)內(nèi)最大型、設(shè)備最完整的傳送帶式漂浮物清掃船,清掃能力600立方米/天。該船推進(jìn)系統(tǒng)采用2臺(tái)MWM和Rolls-Royce公司組成的可翻式Z字型推進(jìn)裝置。該船清掃機(jī)械由6個(gè)子系統(tǒng)組成,分別為:①清漂裝置子系統(tǒng)。由3條金屬網(wǎng)格式傳送帶組成,用于收集清掃垃圾。②側(cè)向輸出子系統(tǒng)。③推漂裝置子系統(tǒng)。由金屬框架、液壓系統(tǒng)等組成,用于推漂。④水炮沖洗子系統(tǒng)。由水炮等組成,用于垃圾沖洗。⑤起重機(jī)子系統(tǒng)。用于清除大型漂浮物。⑥扒漂長(zhǎng)臂子系統(tǒng)。該船為不對(duì)稱片體雙體船型,總長(zhǎng)49m;水線長(zhǎng)48.0m,型寬15m,型深3.50m,吃水2.20m,排水量700t,航速18km/h。傳送帶式的垃圾清掃船在整個(gè)實(shí)際的工作過(guò)程中的表現(xiàn)還是非常不錯(cuò)的。該船每天能夠清理的垃圾量非常大，這得益于船體在航速和結(jié)構(gòu)尺寸方面有了非常大的提高。因此，船體的工作效率也是非常高，船體的控制基本上達(dá)到了半自動(dòng)化的水平，減輕了工作工作壓力和勞動(dòng)強(qiáng)度。但是，它的缺點(diǎn)非常明顯，也是智能化無(wú)人清掃船需要解決的問(wèn)題。船體過(guò)大的體積對(duì)水域的要求很高，有著比較大的局限性。該船無(wú)法在小水域和淺水域正常工作，船體吃水深，容易在淺水域擱淺。另外，船體的傳送帶是單邊布置，對(duì)船體的平衡性有了一定的影響。這樣一來(lái)，這個(gè)設(shè)備在使用過(guò)程中的安全性也是有著比較大的考驗(yàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)人化和全自動(dòng)操作成為了一種趨勢(shì)，也是各國(guó)設(shè)計(jì)的主要方向。一種全自動(dòng)的水面垃圾清掃船成為了政府和相關(guān)部門翹首以盼的水面漂浮物清掃裝備。圖1-4傳送帶式漂浮物清掃船清理垃圾1.2.5自動(dòng)化垃圾清掃船隨著互聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)成熟，垃圾清掃船的自動(dòng)化水平也在逐步提高，向著輕量化和無(wú)人化的方向發(fā)展?，F(xiàn)如今市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)某些占用空間小，無(wú)人操作，能實(shí)施定位的新型水上垃圾清掃裝備。整套系統(tǒng)綜合應(yīng)用飛控、數(shù)傳、圖傳等技術(shù)，具有二維運(yùn)動(dòng)、實(shí)時(shí)定位，無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程遙控等功能，可應(yīng)用于內(nèi)河道漂浮垃圾的清潔，操作人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控垃圾與清理船之間的相互位置距離，遙控船只進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕獲垃圾。同時(shí)，船只還可以自動(dòng)匯報(bào)當(dāng)前位置，并在處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)發(fā)出聲報(bào)警信號(hào)。垃圾清掃船目前是朝著智能化的方向發(fā)展，為湖面和特殊水域的清理提供了便利和可能。目前在垃圾清掃船的市場(chǎng)中，各種新型水面垃圾清掃船也在如火如荼地研發(fā)當(dāng)中，特殊工作環(huán)境的垃圾清掃工作最后還是會(huì)被無(wú)人化的小型自動(dòng)化清掃船代替，優(yōu)勢(shì)也是非常明顯。隨著一步步的迭代和升級(jí)，很多新的功能被加入到船體的設(shè)計(jì)當(dāng)中，比如某些自動(dòng)化船可以根據(jù)環(huán)境中風(fēng)向的變化改變垃圾收集的路線，利用風(fēng)力來(lái)減少電能的消耗，還有的船采用了太陽(yáng)能電池板進(jìn)行輔助發(fā)電，在天氣晴朗的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)電能的自給自足，不需要外接電源進(jìn)行供電，大大增加了船體的續(xù)航，為船體長(zhǎng)時(shí)間工作提供了可能。這些創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)方案不斷優(yōu)化了全自動(dòng)垃圾清掃船的結(jié)構(gòu)和功能，使得垃圾清掃船有著非常高的實(shí)用性，在各個(gè)水域環(huán)境中都有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，有著比較強(qiáng)的生命力。當(dāng)然，物極必反，太多的功能會(huì)導(dǎo)致船體設(shè)計(jì)制造成本飆升，我們還要在這些功能中進(jìn)行合理的取舍。

圖1-5自動(dòng)化垃圾清掃船1.3各種清掃船的優(yōu)缺點(diǎn)比較1.3.1各種垃圾清掃船的基本參數(shù)表1-2常見幾種垃圾清掃船的性能參數(shù)通過(guò)對(duì)上述的四種不同工作原理的船的參數(shù)進(jìn)行分析，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。人工垃圾打撈船靈活性高，制作簡(jiǎn)單，成本低廉，但是其勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣；斗式漂浮物清掃船造價(jià)便宜、使用方便,能少量打撈各種漂浮垃圾，在一定程度上降低了打撈工人的工作強(qiáng)度，然而這種船體積大、吃水深，在一些小湖和淺水區(qū)域無(wú)法正常打撈垃圾。再加上其航速慢、排水量大、不夠靈活，工作的效率也不是特別高；自流式清掃船采用雙體設(shè)計(jì)，克服了多個(gè)難題，提高了漂浮物的打撈效率，但航速并沒(méi)有多大的提高，整個(gè)清理過(guò)程還需要人工協(xié)助，清掃成本相對(duì)較高；傳送帶式漂浮物清掃船排水量大，航速相對(duì)較高，垃圾清掃能力強(qiáng)、效率高，但是其制造復(fù)雜、成本高且自動(dòng)化程度不夠高。正是因?yàn)榍懊鎺追N船有一些問(wèn)題尚未解決，我的課題研究針對(duì)這些問(wèn)題，計(jì)劃設(shè)計(jì)出一款水面垃圾全自動(dòng)清掃船：它的體積小，運(yùn)動(dòng)靈活、制造成本不高、工作效率高，能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化和電腦遠(yuǎn)程控制。全自動(dòng)垃圾清掃船致力于解決水體垃圾污染問(wèn)題,針對(duì)河流、長(zhǎng)江、大型湖泊和小型水庫(kù)等水域的固體廢棄物進(jìn)行清理,如:食品包裝袋、塑料瓶、生活垃圾、其他易漂浮的水面垃圾。它可以自動(dòng)將水上漂浮的垃圾從水面打撈后直接裝運(yùn)或者經(jīng)壓縮后裝運(yùn)到垃圾處理廠進(jìn)行處理。我開發(fā)設(shè)計(jì)的雙體全自動(dòng)水上垃圾清掃船作為公園湖面和特殊水域垃圾清掃的“排頭兵”,主要適用于人工湖面水域及特殊水域收集水面垃圾。并且，也滿足了水生植物高發(fā)時(shí)期進(jìn)行打撈清理的需要。同時(shí),它能將收集到的垃圾自動(dòng)卸載至岸邊專門用于垃圾收集和轉(zhuǎn)運(yùn)的其他配套設(shè)備上。通過(guò)對(duì)清掃船發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)梳理和研究以后發(fā)現(xiàn)，可以將清掃船分為斗式、自流式和傳送帶式,按照作業(yè)模式分為前收進(jìn)入、前收前卸、前收后卸、前收側(cè)卸4種裝卸模式。每種船的結(jié)構(gòu)不同，功能和特點(diǎn)也有所差異。目前，我們需要的是一種節(jié)能環(huán)保、操作靈活、全自動(dòng)的公園湖面垃圾清掃船，在狹小的水域工作空間里也可以很好地完成清掃垃圾的工作。并且，設(shè)計(jì)的垃圾清掃船工作效率要高，省時(shí)省力，節(jié)省人工成本。

表1-3清掃船和一般船體的不同之處

1.4本章小結(jié)本章主要是對(duì)垃圾清掃船的產(chǎn)生背景、社會(huì)環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行分析，找到現(xiàn)在水面垃圾收集的痛點(diǎn)，對(duì)癥下藥。在滿足人們對(duì)垃圾清掃船的各種要求的前提下，結(jié)合目前社會(huì)發(fā)展中的新技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款全自動(dòng)垃圾清掃船，節(jié)省人力物力，減輕工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。但是，垃圾清掃船并不是近期才出現(xiàn)的“新鮮事物”，早在上個(gè)世紀(jì)60年代，各國(guó)的船舶機(jī)械研發(fā)人員就已經(jīng)開始了緊鑼密鼓的設(shè)計(jì)和研發(fā)之旅。經(jīng)過(guò)六十余年的開發(fā)，已經(jīng)發(fā)展到了無(wú)人化和輕量化的水平，卻依舊有很多需要完善的地方，使用的范圍還是不能適用于比較特殊的水域，需要在這塊繼續(xù)加大開發(fā)的力度。通過(guò)對(duì)以往的垃圾清掃船進(jìn)行分析和對(duì)比，找到各個(gè)船的優(yōu)點(diǎn)和不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短來(lái)完善和優(yōu)化新船?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的很多船體也為我的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了思路。

2全自動(dòng)水面垃圾清掃船本次設(shè)計(jì)的船體如下圖2-1、圖2-2和圖2-3所示，采用的是SolidWorks2015進(jìn)行建模。圖2-1全自動(dòng)水面垃圾清掃船（主視圖）

圖2-2全自動(dòng)水面垃圾清掃船（側(cè)視圖）

圖2-3全自動(dòng)水面垃圾清掃船（俯視圖）船體一共分為四個(gè)部分：船體、控制裝置、垃圾收集裝置、垃圾轉(zhuǎn)移裝置。其中船體包括具體船型的選擇、船體空間布局和推動(dòng)方式、阻力和穩(wěn)定性分析?？刂蒲b置主要有單片機(jī)、GPS定位模塊、各種傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。垃圾收集裝置垃圾引導(dǎo)裝置、兼顧濾水功能的垃圾收集箱和帶動(dòng)收集箱上下移動(dòng)的絲杠螺母組合。垃圾轉(zhuǎn)移裝置包括垃圾傳送帶和船體連接桿。2.1船體的設(shè)計(jì)本課題的垃圾清掃船采用雙體船的設(shè)計(jì)方式。在同等噸位下,雙體船相比于單體船來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)顯而易見。它具備更大的甲板面積和更好的穩(wěn)性,適用于對(duì)甲板面積具有一定要求的船體設(shè)計(jì)。雙體船作為一種較為新型的船型,其相對(duì)傳統(tǒng)的單體船而言，甲板的面積大大增加，增大了有效的作業(yè)空間和有利于設(shè)備的安裝和調(diào)試。除此以外，由于雙體船是左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性非常好，哪怕是船體的重心比較高時(shí)，也不容易發(fā)生翻船的嚴(yán)重事故。在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙體船的船底設(shè)計(jì)減小了摩擦的阻力，節(jié)省了能量，提高了速度。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，鋁合金的大量使用減輕了船體的數(shù)量，增加了船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，必須要確保船體結(jié)構(gòu)在滿足安全性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)?？梢哉f(shuō)，安全性是保障船只順利航行的前提,其能夠確保船員的生命不會(huì)受到威脅。而船體結(jié)構(gòu)的合理性，則能夠提高船只的使用性能，使船只操作更加省力、便捷,從而延長(zhǎng)船只的使用壽命。圖2-4船體（前）

圖2-5船體（俯視）圖2-6船體（側(cè)視）在船體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中,必須要在確保其安全性的基礎(chǔ)上對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。安全性與合理性是相輔相成的，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的安全性與合理性進(jìn)行充分考慮后再進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì),對(duì)于提高與優(yōu)化工作質(zhì)量有著十分重要的作用。因此，以鋁合金材料為主加工出的雙體船越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們生產(chǎn)和生活當(dāng)中。由于雙體船自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),能夠在不增加船體重量的前提下擴(kuò)大垃圾存儲(chǔ)的空間和甲板的面積，為清掃船后期的清理提供了空間。除了考慮船體本身的情況，我們還應(yīng)對(duì)船在作業(yè)過(guò)程中遇到的特殊情況進(jìn)行合理分析并找出解決辦法，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)是需要從多個(gè)方面來(lái)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的，只有經(jīng)過(guò)縝密的思考與計(jì)算,才能保證船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。除此之外，材料的實(shí)際性能在船體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中也是非常重要的，其直接關(guān)系到整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的安全性與合理性,設(shè)計(jì)人員不僅要對(duì)船體的裝載條件進(jìn)行分析,還要考慮到人員與貨物的影響,并針對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)算成本問(wèn)題提出相應(yīng)的改進(jìn)技術(shù),尋找安全性與經(jīng)濟(jì)性的最佳契合點(diǎn)，嚴(yán)格按照經(jīng)濟(jì)性、安全性、合理性、環(huán)保性等原則來(lái)正確選用材料。之前設(shè)計(jì)的清掃船當(dāng)中，用于引導(dǎo)垃圾進(jìn)入收集箱的擋板太小，工作半徑太小，垃圾清理的效率亟待提高。除此以外，船體在倒車或者轉(zhuǎn)彎的時(shí)候可能會(huì)把原本已經(jīng)裝入收集箱的垃圾倒出來(lái)，增加了不必要的勞動(dòng)，降低了勞動(dòng)的效率。因此，本課題船體的設(shè)計(jì)在原先的基礎(chǔ)上加大了擋板的尺寸，并在擋板的前端增加了一個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的滾輪，滾輪上布置有等間距的細(xì)長(zhǎng)薄板。在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，滾筒旋轉(zhuǎn)并將其周圍的垃圾全部引導(dǎo)進(jìn)船的收集箱中。通過(guò)滾筒旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)計(jì)，使得垃圾只能單向進(jìn)入垃圾收集箱而不至于倒出，提高了作業(yè)的效率。垃圾清掃船發(fā)展歷史悠久，從一開始的龐然大物到如今的玲瓏小巧，在結(jié)構(gòu)尺寸上做出了較大的改進(jìn)和優(yōu)化，但機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)時(shí)還是比較復(fù)雜，發(fā)生故障的概率高，后期維護(hù)的成本大。同時(shí)，由于其體積的限制，很多小型水域都沒(méi)法正常收集垃圾，垃圾收集的操作難度大。為了使這個(gè)問(wèn)題得到圓滿的解決，本課題設(shè)計(jì)的垃圾清掃船將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，取消了復(fù)雜的翻轉(zhuǎn)式垃圾收集結(jié)構(gòu)，采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，將收集箱和回轉(zhuǎn)箱合二為一，減輕了整個(gè)裝置的重量，降低了機(jī)械設(shè)備的磨損率和故障率。通過(guò)和之前設(shè)計(jì)的翻斗式垃圾清掃船對(duì)比，我發(fā)現(xiàn)它們的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)流程大致是：湖面垃圾→垃圾收集箱→垃圾中轉(zhuǎn)箱→垃圾儲(chǔ)存箱。整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)流程線較長(zhǎng)，還會(huì)造成垃圾掉入存儲(chǔ)箱以外的問(wèn)題，需要二次處理，降低了工作效率。針對(duì)這一突出問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)的垃圾清掃船是將收集好的垃圾收集箱移到甲板上，打開前后兩側(cè)的門和存儲(chǔ)箱的門，然后采用以步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)的擋板將垃圾從收集箱轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)箱，最后關(guān)門。這種轉(zhuǎn)移方式減少了冗長(zhǎng)的轉(zhuǎn)運(yùn)流程，反應(yīng)速度快，簡(jiǎn)單方便易操作。然而，在后期實(shí)際操作的過(guò)程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)還是存在一定的弊端，關(guān)于垃圾存儲(chǔ)箱和收集箱的門如何開關(guān)問(wèn)題始終沒(méi)有得到很好的解決。因此，將原先的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)又改為了垃圾收集箱上下移動(dòng)和短傳送帶相結(jié)合的方式，從而解決了垃圾收集多了以后存儲(chǔ)箱門的開關(guān)問(wèn)題。2.2清掃船控制部件、動(dòng)力和電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2.1船體控制系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)船體的控制系統(tǒng)如下圖2-7所示，圖2-7控制系統(tǒng)圖該控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為核心，將傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，再輸出控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制整個(gè)船體。其工作原理是：首先將作業(yè)區(qū)域的地圖信息輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)GPS導(dǎo)航模塊獲得位置信息進(jìn)行定位。確定了實(shí)時(shí)的位置以后，再用電子指南針模塊確定方向，假想工作的水面作為一個(gè)二維平面，船的移動(dòng)就是平面坐標(biāo)系下點(diǎn)的移動(dòng)，以初始位置點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。然后以垃圾所在位置作為目標(biāo)點(diǎn)，單片機(jī)生成一條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的最短路徑。最后單片機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使船體按照預(yù)定的路徑移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)處收集垃圾。2.2.2動(dòng)力設(shè)計(jì)現(xiàn)在市面上絕大多數(shù)的垃圾清掃船都是采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方式來(lái)推動(dòng)船體，主要是因?yàn)檫@些船體大而笨重，不適合采用其他的動(dòng)力方式。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的弊端也十分明顯。首先是污染環(huán)境，汽油或者柴油的燃燒產(chǎn)生一些有害有毒氣體和PM2.5。其次是占用較多的船體空間，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)體積龐大。最后是重量大，加重了船體的重量，不合理的布置還可能導(dǎo)致船體不平衡。因此，本次清掃船采用推進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)的方式，船體本身的尺寸和重量都不大，電機(jī)的功率也能保證船體在水中正常移動(dòng)。同時(shí)，為了保證船體在收集垃圾以后的平衡問(wèn)題（收集垃圾以后船體后半部分較沉）而取消了船舵，該為船尾雙電機(jī)布置的差動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)船體的前進(jìn)后退（兩電機(jī)轉(zhuǎn)速相同）和轉(zhuǎn)彎（兩電機(jī)轉(zhuǎn)速不同）。船體的運(yùn)動(dòng)更加靈活，操作更加方便。

圖2-8動(dòng)力裝置2.2.3電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于本次設(shè)計(jì)采用的是鉛蓄電池和太陽(yáng)能電池板共同供電的方式，通過(guò)分壓模塊將電壓分為5V和48V，5V是給單片機(jī)供電，48V是給各電機(jī)供電。2.3本章小結(jié)本章主要是針對(duì)垃圾清掃船的主要部件（船體和其他）進(jìn)行初步處理，得到基本的設(shè)計(jì)方案，便于后期再進(jìn)行優(yōu)化和改良。船體作為整個(gè)清掃船最大也是最復(fù)雜的零部件，需要考慮的因素很多，包括大小的設(shè)計(jì)，其他零部件的安裝位置、大小開孔情況和船體動(dòng)力等，都是在設(shè)計(jì)船體時(shí)必須考慮的要素。特別是初期船體設(shè)計(jì)不合理的時(shí)候，就經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)船體和其他零部件裝配不上或者出現(xiàn)干涉的情況，如果是可以改零件就一定會(huì)該零件，因?yàn)榇w的修改可以說(shuō)是牽一發(fā)而動(dòng)全身，很多其他的零部件也需要修改。因此，除非在零件實(shí)在沒(méi)有辦法修改的情況下才會(huì)修改船體。當(dāng)然，本章還對(duì)船的控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)。畢竟這次設(shè)計(jì)的船體要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化和智能化，控制部件和電源供應(yīng)也是非常重要。

3垃圾收集裝置3.1垃圾收集裝置設(shè)計(jì)3.1.1整體方案的擬定和優(yōu)化1.整體方案在前面的緒論和船體設(shè)計(jì)的時(shí)候也有提過(guò)，垃圾清掃船需要有輕巧靈活、范圍范圍廣，效率高等特點(diǎn)，而現(xiàn)有的垃圾清掃船尚未解決這些問(wèn)題。斗式漂浮物清掃船體積大、吃水深，在一些小湖和淺水區(qū)域無(wú)法正常打撈垃圾。再加上其航速慢、排水量大、不夠靈活，工作的效率也不是特別高。斗式垃圾清掃船的垃圾收集裝置是一個(gè)鏟斗，鏟斗滿了以后就需要轉(zhuǎn)移垃圾，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的工作。除此以外，前段時(shí)間使用較多的傳送帶式垃圾清掃船中，傳送帶占有的空間太大，機(jī)構(gòu)間不夠緊湊，垃圾儲(chǔ)存和其他裝置的空間被迫壓縮，這個(gè)船體大而笨重，使用的范圍很小。針對(duì)這類問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)的垃圾清掃裝置為提升式帶孔箱。垃圾收集箱的傳動(dòng)方式為絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，傳動(dòng)位置準(zhǔn)確，移動(dòng)速度快，沖擊和震動(dòng)小，穩(wěn)定可靠。針對(duì)于水下和其他比較惡劣的工作環(huán)境，適應(yīng)性良好，后期維護(hù)和保養(yǎng)方便。收集裝置的初步方案如圖3-1所示，圖3-1垃圾收集箱和絲杠組合2.創(chuàng)新點(diǎn)如圖3-1所示的垃圾收集裝置和其他翻斗式、傳送帶式的垃圾收集裝置相比，有如下的創(chuàng)新點(diǎn)。第一，翻斗式垃圾清掃船在翻轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)構(gòu)承受的動(dòng)載荷很大，容易產(chǎn)生較大的震動(dòng)，加速了各部件的磨損速度，降低了整個(gè)機(jī)構(gòu)的使用壽面，增加了后期維護(hù)和保養(yǎng)的成本。針對(duì)這一問(wèn)題，本機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母組合的方式帶動(dòng)垃圾箱實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，整個(gè)過(guò)程非常平穩(wěn)，動(dòng)載荷很小。絲杠螺母的組合除了可以輕松快速地實(shí)現(xiàn)垃圾收集箱的上下移動(dòng)，將垃圾箱從水下升上來(lái)進(jìn)行垃圾轉(zhuǎn)移外，還能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，絲杠不動(dòng)或者電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，收集箱會(huì)停在原處不動(dòng)，避免了某些意外和危險(xiǎn)的發(fā)生，安全系數(shù)高。翻斗式的垃圾收集裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期維修難度大，費(fèi)用高。上下移動(dòng)的垃圾收集箱大大簡(jiǎn)化的機(jī)構(gòu)，減輕了機(jī)構(gòu)和船體的重量，時(shí)船在運(yùn)行的時(shí)候更加靈活。另外，垃圾收集箱的四周和下側(cè)都是有孔的，垃圾在上升離開水面以后，夾雜在其中的水會(huì)從箱體的孔中流到水里減輕了垃圾的重量，避免了非垃圾的物質(zhì)占用垃圾存儲(chǔ)的體積。第二，與其他翻斗式垃圾收集裝置不同，本課題設(shè)計(jì)的垃圾收集裝置加裝了防倒流裝置，如下圖3-2所示，避免了船體在倒車或者轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過(guò)快導(dǎo)致的垃圾倒出問(wèn)題。船在收集垃圾的時(shí)候，無(wú)可避免地需要倒車和轉(zhuǎn)彎，此時(shí)已經(jīng)通過(guò)擋板的引導(dǎo)進(jìn)入收集箱的垃圾會(huì)受到水流的作用而漂到收集箱以外甚至是擋板外側(cè)（船體移動(dòng)的速度不同而有所差異），必須進(jìn)行二次處理才能將這部分垃圾處理掉，使得工作的效率偏低。而垃圾防倒流裝置的設(shè)計(jì)就是針對(duì)這一問(wèn)題作出的解決方案。如下圖所示，擋板上加裝了兩個(gè)滾輪，滾輪在電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。左側(cè)的滾輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)的滾輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，它們的轉(zhuǎn)速相同，垃圾從兩個(gè)滾輪之間的位置進(jìn)入兩擋板的中間區(qū)域，最后進(jìn)入垃圾收集箱。倘若此時(shí)船體在倒車，垃圾也不會(huì)因?yàn)閼T性和水流的作用移出收集箱。同時(shí)，它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是長(zhǎng)大了單次行程下，船體收集垃圾的范圍（在滾輪半徑范圍內(nèi)的垃圾理論上都可以直接收集到兩擋板的中間區(qū)域）擴(kuò)大了?？偟膩?lái)說(shuō)，就是提高了船工作的效率。

圖3-2滾輪工作示意圖3.收集箱的校核收集箱在工作時(shí)主要是上下運(yùn)送垃圾。通過(guò)查閱相關(guān)的資料可知，一般湖面濕垃圾的密度在0.7-0.8噸/立方米，我們?nèi)?.8噸/立方米進(jìn)行計(jì)算。垃圾收集箱的容積：其中a、b、h為垃圾收集箱內(nèi)部的的長(zhǎng)寬高，將,,帶入式中，計(jì)算得自重：收集箱在滿載垃圾時(shí)的總重量為： （3.1）其中，，代入公式（3.1）解得收集箱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以承受這么大的載荷。3.1.2主軸的設(shè)計(jì)軸的實(shí)際包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軸的校核，軸的計(jì)算包括軸的強(qiáng)度計(jì)算、軸的剛度計(jì)算和軸的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。軸的設(shè)計(jì)原則是在滿足結(jié)構(gòu)性能要求和強(qiáng)度、剛度要求的情況下，設(shè)計(jì)出尺寸小、重量輕、安全可靠、工藝上經(jīng)濟(jì)合理和又便于維護(hù)的軸。1.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了如圖3-3所示的軸，圖3-3連接軸2.軸的強(qiáng)度校核根據(jù)前面的分析計(jì)算和圖可知，一共有三根滾輪軸，等距分布在傳送帶架子上，主要就是上面最靠近垃圾存儲(chǔ)箱的滾輪軸要和電機(jī)連接所以相比于其他的兩根軸多了一段，校核時(shí)只要校核最上面的那根軸即可，因?yàn)橥瑯拥慕Y(jié)構(gòu)，上面的主軸承受更大的負(fù)載，上面主軸的受力圖如3-4所示。在水平面內(nèi)在豎直面內(nèi)由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，很顯然，由扭矩計(jì)算公式：(3.2)在公式(3.2)中，，，代入數(shù)據(jù)得，則兩個(gè)鏈輪上各自的扭矩為：(3.3)在公式(3.3)中，將，代入數(shù)據(jù)得根據(jù)前面計(jì)算的數(shù)據(jù)畫出軸的剪力圖、彎矩圖和扭矩圖如下圖所示。圖3-4連接軸彎矩扭矩圖從圖3-3中不難得出，在b或者c截面上的彎矩M和扭矩T都有可能達(dá)到最大值，故需要把它們的應(yīng)力都計(jì)算出來(lái)進(jìn)行比較。根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算，有：（3.3）在公式（3.3）中，抗彎截面系數(shù)，；彎矩；扭矩；在b截面上，將，，，帶入式（3-3）中，得到；在c截面上，將，，，帶入式（3-3）中，得到；因此，由可以得出，c截面為危險(xiǎn)截面。硬鋁的屈服強(qiáng)度為39Mpa，安全系數(shù)為：所以是安全的。3.1.3軸承的選型和設(shè)計(jì)校核1.選型 軸承是根據(jù)傳送帶滾輪軸的實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行選擇的。傳送帶滾輪軸在工作時(shí)只受到徑向載荷的作用而不受或者收到極少的軸向載荷（受到軸的加工精度的影響），故沒(méi)有必要選擇可以承受較大軸向載荷的軸承，比如圓錐滾子軸承。查閱了相關(guān)的資料以后決定采用深溝球軸承。選擇深溝球軸承的原因如下：①深溝球軸承是滾動(dòng)軸承的一種，在使用時(shí)摩擦阻力小，轉(zhuǎn)速高，適用于傳送帶滾輪軸這種承受徑向載荷的軸。當(dāng)增大軸承徑向游隙時(shí)，具有一定的角接觸球軸承的特性，可承受兩個(gè)方向交變的軸向載荷。②深溝球軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。在安裝和后期維護(hù)方面比其他軸承要好，更換比較容易。③它制造成本比較低，容易達(dá)到較高的制造精度?；谏鲜龅膸c(diǎn)，選用這種軸承可以降低工藝難度，減少安裝時(shí)的工作量，可以降低成本。深溝球軸承還有開式和閉式之分，為了減少軸承的維護(hù)保養(yǎng)頻次，這里的軸承選擇密封結(jié)構(gòu)，能有效阻止外界顆粒物等進(jìn)入軸承，也能有效地防止內(nèi)部的潤(rùn)滑脂外溢。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用型號(hào)為204的深溝球軸承。2.校核已知軸承的徑向載荷為,軸向載荷為軸承轉(zhuǎn)速為，軸頸直徑，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較平穩(wěn)，此時(shí)有初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P，根據(jù)公式：（3.4）在式（3.4）中，載荷系數(shù)；徑向動(dòng)載系數(shù)；軸向動(dòng)載系數(shù)；將，，帶入式（3.4），得。以小時(shí)表示的軸承基本額定壽命為(3.5)在式(3.5)中，軸承轉(zhuǎn)速；基本額定動(dòng)載荷；載荷；是指數(shù)，對(duì)于球軸承，。將,,,帶入式（3.2），得出對(duì)于此套設(shè)備來(lái)說(shuō)，這么長(zhǎng)的使用壽命已經(jīng)足夠。3.1.4絲杠螺母組合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到垃圾收集箱集滿以后的重量比較大，上升裝置還要兼顧運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定可靠的基本特點(diǎn)，最后決定采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的方式。如下圖3-5所示，這種傳動(dòng)方式即可以達(dá)到前面的要求，減少不必要的零件數(shù)量和縮小移動(dòng)裝置的體積。絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的方式簡(jiǎn)單易維護(hù)，收集箱在它的傳動(dòng)下移動(dòng)迅速敏捷，提高了傳動(dòng)的效率和整個(gè)船體在水面作業(yè)的效率。圖3-5絲杠2.校核與計(jì)算因?yàn)槭占浜屠目傊亓繛?則收集箱的重力，由機(jī)械原理當(dāng)中螺旋副的計(jì)算公式（3.6）式中F為沿絲杠徑向方向的圓周力，由于的值比較小，近似將用代替。取，將代入公式（3.6）得，又因?yàn)?，代入公式?.3）解得，由最大切應(yīng)力公式，（3.7）式中為抗扭截面系數(shù)，。將代入得，將,代入公式（3.7）得，所以絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)是安全的。3.1.5收集箱前蓋板的設(shè)計(jì)前蓋的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而實(shí)用，它在實(shí)際的工作當(dāng)中起到兩個(gè)作用：其一，在垃圾收集箱移動(dòng)上來(lái)的時(shí)候，擋住垃圾，防止垃圾掉落出來(lái)；其二，為后面安裝太陽(yáng)能電池板或者其他環(huán)保的設(shè)備提供安裝位置。前蓋板的使用避免了垃圾收集箱升上來(lái)以后垃圾掉落到船上，增加了清理的工作量。由于前蓋板的尺寸比較大，為了保證其強(qiáng)度和剛度，可以在上面設(shè)加強(qiáng)筋。圖3-6收集箱前蓋板3.1.6垃圾收集擋板的設(shè)計(jì)收集箱擋板的設(shè)計(jì)意義非常大，也是本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容的一個(gè)比較重要的創(chuàng)新點(diǎn)，把從前細(xì)小的擋板引流垃圾改成了和滾輪相結(jié)合的柵格式擋板，擴(kuò)大了搜索垃圾的范圍和單次行程，并且這樣的裝置可以防止垃圾倒流出來(lái)。柵格式擋板既減輕了重量，又能起到阻擋垃圾不讓它們離開收集區(qū)域。另外，兩個(gè)擋板之間的角度是可以調(diào)整的，根據(jù)實(shí)際的需求對(duì)擋板的張開角度進(jìn)行調(diào)整，也就可以控制一次垃圾的進(jìn)入量。當(dāng)工作時(shí)湖面上的垃圾比較少時(shí)，可以采用大張角的方式多收集垃圾；倘若湖面的垃圾很密集的時(shí)候，就需要適當(dāng)減小兩擋板的張角，避免進(jìn)入垃圾太多導(dǎo)致收集箱堵塞。上端采用的是弧形裝置，用于電機(jī)的安裝。它不僅有利于電機(jī)的準(zhǔn)確安裝與定位，還為后面的滾輪安裝提供了便利。圖3-7垃圾收集擋板3.1.7垃圾滾筒的設(shè)計(jì)垃圾滾筒和上面所說(shuō)的擋板是配合在一起使用的，主要功能是實(shí)現(xiàn)船體前方或者側(cè)前方的垃圾收集并集中處理，然后送進(jìn)垃圾收集箱當(dāng)中進(jìn)行瀝水和轉(zhuǎn)運(yùn)。滾筒的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，實(shí)用性高，制造成本低。滾筒的主體為一個(gè)長(zhǎng)柱體，柱體上有20根細(xì)長(zhǎng)條，用于引導(dǎo)船體外側(cè)的垃圾進(jìn)入收集箱。如下圖3-8所示，20根細(xì)長(zhǎng)條是分成四組環(huán)繞在柱體之上，每組之間的間隔為90度。一組五根，上下對(duì)齊排列在柱體上。滾輪在工作時(shí)通過(guò)減速電機(jī)組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，但在一般情況下的轉(zhuǎn)速不高。滾輪除了可以引導(dǎo)外面的垃圾進(jìn)入收集箱以外，還可以帶動(dòng)水流向收集箱流動(dòng)，避免了收集箱中垃圾倒出現(xiàn)象的發(fā)生。圖3-8滾輪3.2本章小結(jié)本章的內(nèi)容主要是垃圾收集箱和垃圾收集的主要零部件方案的優(yōu)化和修改，方案最終版本的確定和主要零部件的設(shè)計(jì)和校核。從垃圾開始被帶進(jìn)擋板，到進(jìn)入垃圾收集箱，再到收集箱抬起準(zhǔn)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移的全過(guò)程中，每一個(gè)零件都是經(jīng)過(guò)了多次反復(fù)的修改和優(yōu)化。特別是垃圾收集箱，尺寸和形狀等各項(xiàng)數(shù)據(jù)也是經(jīng)過(guò)了反復(fù)推敲以后才定下來(lái)的。垃圾收集箱尺寸要適中，和船體上的開孔要匹配起來(lái)。為保證收集箱可以濾去多余的水，我在垃圾收集箱的底部和側(cè)邊都開了小孔，不至于把水收集到船體內(nèi)，占用垃圾存儲(chǔ)箱的空間。當(dāng)然，除了垃圾收集箱以外的其實(shí)零件也非常重要，比如說(shuō)絲杠，它使得垃圾收集箱上下移動(dòng)的機(jī)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，有利于船體的小型化和輕量化。并且，它所具有的自鎖功能也能保證垃圾清掃船可以安全平穩(wěn)地運(yùn)行。通過(guò)校核這些重要零部件，保證了加工和使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大量的意外事故，可靠性有所增加。垃圾收集箱作為整個(gè)船體的中轉(zhuǎn)裝置，發(fā)揮著非常重要的角色，是垃圾轉(zhuǎn)移的中轉(zhuǎn)站，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核方面也是下了非常大的功夫。最后，經(jīng)過(guò)了多次試驗(yàn)的計(jì)算，選擇了輕量化的鋁合金作為收集箱的材料，表面硬化的低碳鋼來(lái)加工絲杠。

4垃圾轉(zhuǎn)移裝置4.1垃圾轉(zhuǎn)移裝置的設(shè)計(jì)4.1.1垃圾轉(zhuǎn)移裝置的整體設(shè)計(jì)現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的垃圾清掃船的垃圾轉(zhuǎn)移裝置主要有長(zhǎng)傳送帶式、翻斗式和不采用轉(zhuǎn)移裝置用濾網(wǎng)收集的方式，如下圖4-1所示。圖4-1常見垃圾清掃船結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖這些轉(zhuǎn)移的方式在一定程度上解決了垃圾轉(zhuǎn)移或者收集的問(wèn)題?？墒?，它們的弊端也非常明顯。長(zhǎng)傳送帶占用了較多的船體空間，體積龐大，無(wú)法應(yīng)用到小型船體上面。采用轉(zhuǎn)移裝置的濾網(wǎng)收集方式會(huì)導(dǎo)致垃圾收集的空間小，需要不斷轉(zhuǎn)移垃圾，使得整個(gè)船的使用效率很低，并且濾網(wǎng)收集在后期把垃圾清出水面時(shí)需要單獨(dú)的裝置，操作繁瑣，增加了工作量，效率不高翻斗式的轉(zhuǎn)移裝置機(jī)構(gòu)所受動(dòng)載荷大，不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)移速度控制不好會(huì)導(dǎo)致垃圾無(wú)法正確轉(zhuǎn)移到收集箱當(dāng)中。在轉(zhuǎn)移的時(shí)候，采取中轉(zhuǎn)箱完全反轉(zhuǎn)倒扣在存儲(chǔ)箱上面的方式進(jìn)行垃圾的最后一步轉(zhuǎn)移工作。這個(gè)機(jī)構(gòu)還存在一些問(wèn)題：①收集的垃圾里面含水量比較大，重量也是很大，中轉(zhuǎn)箱在翻轉(zhuǎn)的時(shí)候需要很大的功率，對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求非常高，對(duì)整個(gè)裝置的磨損也大。②中轉(zhuǎn)箱在翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于垃圾的慣性，不能保證所有的垃圾全部進(jìn)入存儲(chǔ)箱，會(huì)有一部分垃圾再次掉進(jìn)水里，還需要進(jìn)行二次打撈，增加了不必要的工作量。因此，改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)不再采用翻轉(zhuǎn)的方式工作。如下圖所示，垃圾收集箱升上來(lái)以后，垃圾存儲(chǔ)箱的擋板打開，收集箱右側(cè)會(huì)有兩個(gè)絲杠電機(jī)，絲杠電機(jī)連接一個(gè)擋板，擋板上有兩個(gè)螺紋孔，擋板在絲杠電機(jī)的作用下向左移動(dòng)，將我們的垃圾推到左邊的垃圾存儲(chǔ)箱當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)垃圾的轉(zhuǎn)移。4.1.2垃圾轉(zhuǎn)移裝置的改進(jìn)和優(yōu)化上述的垃圾轉(zhuǎn)移裝置可以實(shí)現(xiàn)垃圾轉(zhuǎn)移到垃圾存儲(chǔ)箱的工作，簡(jiǎn)單高效，操作靈活。但是經(jīng)過(guò)實(shí)際的研究發(fā)現(xiàn)，該裝置存在較大的技術(shù)瓶頸無(wú)法突破。垃圾轉(zhuǎn)移裝置在實(shí)現(xiàn)垃圾轉(zhuǎn)移時(shí)，需要在存儲(chǔ)箱和收集箱上裝控制垃圾進(jìn)出的自動(dòng)門，門的自動(dòng)開閉控制和機(jī)械設(shè)備比較復(fù)雜，還需要考慮門的開閉不會(huì)對(duì)垃圾的堆放和轉(zhuǎn)移產(chǎn)生不利的影響。需要解決的問(wèn)題有兩個(gè)：第一，垃圾轉(zhuǎn)移過(guò)程中，門和機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)造成垃圾不能堆放到正確的位置，垃圾也不會(huì)影響轉(zhuǎn)移裝置的正常運(yùn)作（比如說(shuō)轉(zhuǎn)移裝置可能會(huì)被帶狀垃圾卡?。?。第二，垃圾轉(zhuǎn)移裝置本身不能太大，機(jī)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，對(duì)以后的制造安裝和調(diào)試來(lái)說(shuō)難度很大，后期不易維護(hù)，也不符合本課題簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)。因此，本課題設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。如下圖4-2所示，這次的轉(zhuǎn)移裝置改為可以活動(dòng)的短傳送帶式，可以把垃圾收集箱各個(gè)部位的垃圾成功轉(zhuǎn)移到垃圾存儲(chǔ)箱當(dāng)中，連續(xù)地工作可以提高工作的效率。垃圾轉(zhuǎn)移裝置有這幾部分組成：傳送帶、傳送帶滾輪、傳送帶架子、滾輪軸、連接桿等。

圖4-2傳送帶裝配體傳送帶傳送帶的基本工作原理和一般的傳送帶沒(méi)有太大的區(qū)別，但是某些結(jié)構(gòu)上的改變會(huì)使得它和一般的傳送帶有不同。首先是帶的空間結(jié)構(gòu)上，帶上每隔一小段都會(huì)有一個(gè)三菱柱形狀的突起物，用于各種垃圾在轉(zhuǎn)移時(shí)可以被帶抓住而不至于打滑，特別是在運(yùn)作的速度比較大的時(shí)候。與此同時(shí)，三棱柱之間的部分會(huì)有打出成排的孔，首先可以節(jié)省制造的材料，減輕整個(gè)裝置的重量，其次還能夠達(dá)到排水的目的，避免了水面的垃圾夾雜部分水進(jìn)入垃圾存儲(chǔ)箱，占用垃圾存儲(chǔ)箱的體積，加重了收集箱和船體的重量，帶來(lái)了運(yùn)行時(shí)不必要的功率損耗和操作靈活性的下降。圖4-3傳送帶滾輪滾輪的設(shè)計(jì)兼顧了垃圾收集箱的尺寸要求和垃圾存儲(chǔ)箱的位置安排，大小合適，能夠保證垃圾轉(zhuǎn)移速度不至于太快。滾輪通過(guò)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)先連接一個(gè)減速器，來(lái)保證整個(gè)傳送帶在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候有足夠大的扭矩。在輸送垃圾較多的時(shí)候，傳送帶的負(fù)荷會(huì)大大增加，可能會(huì)導(dǎo)致裝置無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)或者電機(jī)過(guò)載。因此，在選擇電機(jī)需要選擇功率比計(jì)算出來(lái)的功率稍大的的電機(jī)，才能保證短時(shí)間負(fù)荷較大時(shí)的正常工作。圖4-4滾輪傳送帶架子傳送帶架子是經(jīng)過(guò)了反復(fù)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，去除了四個(gè)棱角的設(shè)計(jì)，采用的是圓滑過(guò)渡的方式，如下圖4-5所示，就不會(huì)對(duì)其他部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生干涉和劃傷。材料采用的是中空鋁合金型材，節(jié)約了材料，減輕了重量，增加了強(qiáng)度。同時(shí)，架子和船體的連接方式并不是固定式，而是采用活動(dòng)連接的方式，在作業(yè)的時(shí)候根據(jù)實(shí)際的需要，對(duì)機(jī)構(gòu)的角度進(jìn)行調(diào)整，保證收集箱里各處的垃圾都能成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)。圖4-5傳送帶架子傳送帶滾輪軸傳送帶滾輪軸的設(shè)計(jì)沒(méi)有特別之處，本課題根據(jù)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)的大致量和垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度來(lái)進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)和安排。滾輪軸一共有三根，將三個(gè)滾輪和連接到架子上。為了保證滾輪軸的強(qiáng)度達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，滾輪軸的直徑比計(jì)算出來(lái)的直徑稍大一些。在檢查的時(shí)候，基本的參數(shù)和配合關(guān)系需要處理好，根據(jù)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的實(shí)際工作和負(fù)載情況選擇材料。4.2主要結(jié)構(gòu)件的校核和結(jié)構(gòu)合理性分析4.2.1強(qiáng)度校核連接軸的強(qiáng)度校核根據(jù)圖中軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，此連接軸上面所承受的的載荷是對(duì)稱的，根據(jù)載荷的分析和計(jì)算方式，有：因?yàn)檎麄€(gè)軸都是對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，再加上加載在上面的載荷也是對(duì)稱的方式，根據(jù)強(qiáng)度校核的相關(guān)原理，有根據(jù)上面的載荷和受力情況的具體分析，可以畫出連接軸的應(yīng)力圖，如圖4-6所示。圖4-6連接軸受力圖則根據(jù)圖4-6所示的彎矩和剪力，得出連接軸的中間位置承受最大彎曲應(yīng)力為：（4.1）其中為最大彎矩，為抗彎截面系數(shù)，。將，代入上式中得，。將代入公式（4.1）得，由最大切應(yīng)力公式，（4.2）式中為剪力，A為截面積，。將代入公式（4.2）得，通過(guò)計(jì)算出來(lái)的實(shí)際切應(yīng)力不難看出，它是遠(yuǎn)小于連接軸理論上所能承受的切應(yīng)力，所以強(qiáng)度符合要求。連接桿的強(qiáng)度校核根據(jù)前面的分析計(jì)算和圖4-7可知，連接桿共有一根軸和兩塊肋板，上下相連，并且肋板的上端開有孔。連接桿的軸是和船體上的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配合，可以實(shí)現(xiàn)自由的轉(zhuǎn)動(dòng)。連接桿上的孔是和傳送帶裝置進(jìn)行配合。通過(guò)一根連接軸和連接桿上的兩個(gè)孔進(jìn)行配合，將連接桿和傳送帶裝置連接到一起，以達(dá)到將傳送帶和船體連接的目的。并且，傳送帶可以實(shí)現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，在加上垃圾收集箱本身可以上下移動(dòng)，方便清理其中的垃圾。圖4-7連接桿通過(guò)分析可以得出，兩塊肋板進(jìn)行了加厚的，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面已經(jīng)可以保證這個(gè)連接桿、傳送帶和船體的正常工作，后面就不再進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算了。所以，現(xiàn)在主要分析計(jì)算的是連接桿下端這個(gè)軸。連接桿的軸在承受負(fù)載的時(shí)候，受力的具體情況如下圖4-8所示。在水平面內(nèi)，有：在豎直面內(nèi)，有：由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，很顯然，則連接桿上的扭矩為：（4.3）在公式（4.3）中，將，，代入得根據(jù)前面計(jì)算的數(shù)據(jù)畫出軸的剪力圖、彎矩圖和扭矩圖如下圖4-5所示。圖4-8連接桿受力圖從圖中不難得出，在b或者c截面上的彎矩M和扭矩T都有可能達(dá)到最大值，故需要把它們的應(yīng)力都計(jì)算出來(lái)進(jìn)行比較。根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算，有：（4.4）在公式（4.4）中，抗彎截面系數(shù)，；彎矩；扭矩。在b和c截面上的應(yīng)力值相等，將，，，帶入（4.4）中，得到查閱資料可知，45鋼的許用應(yīng)力，計(jì)算安全系數(shù)為：安全系數(shù)比較大，所以是安全的。鍵的強(qiáng)度校核（1）鍵的選型 軸的直徑，則選，的圓頭普通平鍵（A型）。（2）鍵的校核 根據(jù)前面已知的數(shù)據(jù)和公式：（4.5）在公式（4.5）中：T-傳遞的扭矩；k-鍵與輪轂鍵槽的接觸長(zhǎng)度；l-鍵的工作長(zhǎng)度；d-軸的直徑。將k=3，，，帶入公式（4.5）得，材料選用Q235，許用應(yīng)力，明顯是安全的。部分重要螺栓的校核M4的螺栓，用于固定絲杠電機(jī)，根據(jù)實(shí)際工作情況可知，總的受力為：四根螺栓，則每根受力為則根據(jù)切應(yīng)力計(jì)算公式：（4.6）其中A為橫截面積，；為單根螺栓所受剪力。將，代入公式（4.6）得，螺栓使用的是45鋼，查閱資料可知許用剪切應(yīng)力為146Mpa，所以是安全的。4.3本章小結(jié)這一章的內(nèi)容是針對(duì)全自動(dòng)垃圾清掃船轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理性分析校核，以滿足工程制造的相關(guān)要求和正常使用。垃圾轉(zhuǎn)移裝置可以說(shuō)是一波三折，由最開始的翻斗式改為平推式，最后又改為了短傳送帶式，符合了制造和使用的相關(guān)要求，具有比較強(qiáng)的實(shí)用性。當(dāng)然，船作為一個(gè)整體，完整的設(shè)計(jì)和各零部件的設(shè)計(jì)也都很重要。至此，有關(guān)清掃船的全部設(shè)計(jì)內(nèi)容已經(jīng)結(jié)束，但是為了明確設(shè)計(jì)的清掃船在市場(chǎng)上推廣的可能性，針對(duì)船的經(jīng)濟(jì)性還是需要作出分析。這個(gè)船體和零件多采用鋼材，主要是45鋼，在表面進(jìn)行鍍鋅或者噴漆處理，成本來(lái)說(shuō)相對(duì)比較低廉。為了保證船體的整體重量不至于太大，保證船體具有輕盈靈活的特點(diǎn)，少部分零部件（比如傳送帶架子）采用的就是鋁合金材料。船體采用的是電機(jī)和可更換式鉛蓄電池組合的方式，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，大大減少了動(dòng)力成本和船體重量，同時(shí)給環(huán)境保護(hù)也做出了貢獻(xiàn)。船體的控制部件是單片機(jī)等常用控制設(shè)備，不需要特別的定制