一种沙滩垃圾清理装置的设计研究

第2期（总第225期）2021年4月
机械工程与自动化
MECHANICAL ENGINEERING&AUTOMATION
No2
Apr
文章编号：1672-6413（2021）02-0094-03
一种沙滩垃圾清理装置的设计研究櫜
王雪，杨婕，赵晓栋，樊祜频，牛玉宁，陈俊龙
（烟台大学海洋学院，山东烟台264005）
摘要：近年来，海滨旅游产业快速发展，随着游客数量不断攀升，沙滩垃圾污染问题也逐渐显现出来。

为解决沙滩垃圾清理问题，通过SolidWorks软件进行建模与设计，开发了一种适用于海滨旅游城市的沙滩垃圾清理装置。

本装置能够清理不同深度的沙滩垃圾并能够降低其表面含沙量，实现沙滩垃圾清理高效化、自动化和智能化，且具有良好的续航能力和旅游特色。

关键词：垃圾清理装置；总体结构；工作原理
中图分类号：U469.6+91：TH122文献标识码：A
0引言
海滨城市已成为人们旅游的重要目的地，但由于海滨旅游产业快速发展，游客数量不断攀升，沙滩垃圾污染问题也逐渐显现，沙滩垃圾的清理问题已经迫在眉睫［1］。

目前,世界各国对于沙滩垃圾处理的方式主要有三种［］：人工垃圾清理、动力机械与清理装置配合清理以及采用自行走式沙滩垃圾清理车。

国内众多海滨旅游景区仍然采用人工捡拾垃圾与垃圾清理车交替工作的垃圾清理方式，垃圾清理过于依赖时间、气候、环境,并存在清理深度浅、垃圾含沙量大、能源消耗过多等缺点；对于沙滩垃圾清理装置的研究还处于初步发展阶段,一般都是参考国外现有的装置结构进行优化改进,缺少原创性设计36。

本文设计的环保型沙滩垃圾清理装置，解决了国内人工清理的低效问题,自动化程度高，缩小了与国外相关产品的差距。

1全自动沙滩垃圾清理装置整体结构和工作原理1.1总体结构
全自动沙滩垃圾清理装置的整体结构如图1所示，由下压装置1、筛沙装置2、排沙装置3、车体4、履带行走机构5、起沙机构6、液压悬臂7、喷气装置8、传送机构9、储存机构10等组成。

其主要设计功能包括:通过不同深度的起沙装置6实现分层次、大深度、低局限地清理海滩垃圾；通过内部喷气装置8降低垃圾的含水和含沙率;采用离心分离技术,将垃圾依据密度进行自动简单分类；通过红外线感应系统使装置能够自动规避障碍物；下压装置1顶部的太阳能板可储存太阳能，提高能量利用效率;远程控制系统可以实现在线实时监控，无需人工驾驶和现场监工；此外，独特的外观设计适合沙滩旅游景区需求。

1.2工作原理
本装置通过远程操控系统，线上制定清理方案以及工作路程，通过履带行走机构5向前行进，使起沙机构6与沙滩沙层接触，通过起沙机构对沙滩的浅沙层和深沙层分别进行起沙操作；然后启动传送机构9,把起沙机构掀起的沙子通过传送机构输送到筛沙装置2中的筛沙框内；随后启动下压装置1、筛沙装置2和喷气装置8,筛网对筛沙框内沙子进行筛分，同时通过喷气装置吹风，且下压装置中液压缸收缩，使下压板与沙子接触；筛分后，沙子通过排沙装置3排出，筛沙框筛出的垃圾通过储存机构10中的离心装置进行分类后,利用机械手臂捡拾到垃圾存放箱内。

而且，深层起沙机构的起沙间隙可以调整，从而可以排除石头等硬物对起沙机构行进过程的影响，并对团聚的泥沙具有破坏分散效果，从而提高装置经过区域沙层的间隙度和垃圾清理质量。

本装置还取消了传统的多层筛网，采用向筛沙框内震荡的沙子吹出温热气体和下压机构摩擦的方式，可以加速沙子中的水分流失，提高沙子的流动性，降低清理垃圾的表面含水含沙率。

因此,本装置可提高垃圾清理的深度与维度，极大减少垃圾表面的含沙量，同时双动力系统提高了能量利用率，减少了污染气体的排放。

2全自动沙滩垃圾清理装置结构设计
该沙滩垃圾清理装置根据功能不同分为动力模块和清理模块。

动力模块为沙滩垃圾清理装置的前后移动和清理动作的完成提供动力；清理模块的各机构之间协同配合完成垃圾清理的全部工作。

两个模块又分别由不同机构组成，如图2所示。

*烟台大学2020年大学生创新创业训练项目（45号创新训练项目）烟台大学教学改革研究项目（jyxm2020007）；烟台大学2020年度实验室开放基金项目（71号和72号）
收稿日期：2020-09-30；修订日期：2021-03-01
作者简介：王雪（1999-）,女,山东潍坊人，在读本科生，专业为海洋科学。

2021年第2期王雪，等：一种沙滩垃圾清理装置的设计研究•95•
2.1清理模块
清理模块由完成沙滩垃圾清理工作的所有部件组
成，包含起沙机构、传送机构、分离机构、储存机构。

起
沙机构将沙滩表层及深层的垃圾挖取出来转移到传送
机构上，传送机构将含沙垃圾传送到分离机构，分离机
构各部件把沙子和垃圾分离，沙子被过滤到沙滩上，而
垃圾最终被储存机构收集储存。

1—下压装置；2—筛沙装置；3—排沙装置；4—车体；5—履带行走机构;
6—起沙机构；7—液压悬臂；8—喷气装置；9—传送机构；10—储存机构
图1沙滩垃圾清理装置
沙
滩垃圾净化清理装置图
H清理模块卜
耳动力模块
起沙机柯
传送机徇
T分离机构卜
T储存机柯
”蓄电池|
口太阳能|
日筛沙装置
T喷气装置
T下压装置|
T排沙装置| 2沙滩垃圾清理装置结构组成框图
起沙机构如图3所示，它通过液压悬臂与车体连接，包括掀沙齿1、U型框2、固定板3、弹簧4和深层起沙机构5。

U型框2的后端面与液压悬臂采用键连接，前端固定连接有多个均匀分布的掀沙齿1后端面还固定连接有固定板3,固定板3通过弹簧与深层起沙机构5连接。

深层起沙机构5位于固定板3下方，通过转轴与固定板3转动连接，包括铁丝网、顶板、螺纹杆、滑块、限位杆、滑槽和旋钮。

铁丝网通过转轴与U型框2下表面的直角折弯处转动连接，上端面固定连接顶板，顶板的前端面开设滑槽，滑槽内滑动连接滑块，滑槽内转动连接螺纹杆，螺纹杆一端贯穿顶板固定连接旋钮，贯穿滑块并与滑块螺纹连接。

滑块的一端延伸到滑槽的外部并固定连接另一处铁丝网。

传送机构如图4所示，包括主动轮、从动轮、上料板1、传送带和多个隔板4,传送带绕制在主动轮与从动轮之间，多个隔板4安装于传送带的外侧。

上料板1一端延伸至起沙机构的U型框内，通过转轴2与液压悬臂3转动连接，转轴由液压悬臂内小型液压马达驱动，进而带动传送带转动；另一端位于筛沙框的上方。

分离机构由筛沙装置、喷气装置、下压装置和排沙装置组成，各装置如图5〜图7所示，四个部分相互配合工作，共同完成垃圾与其表面所携带沙子的分离工作。

筛沙装置中的筛沙框1内部固定连接筛网2,并通过弹簧连接多个用于和垃圾以及沙子碰撞的摆球3,其内表面连接电动机4,电动机4的输出端连接圆盘5的一侧转动中心，圆盘5另一侧连接凸块，且连接在运动框中心位置开设的通槽内。

通过电动机带动圆盘5转动，在凸块作用下，使运动框往复运动，在连接杆和连接板的作用下，筛沙框1通过震荡加快物体之间的抖动促使其表面的沙子与物体快速分离，摆球3摆动并与垃圾接触发生碰撞，更有利于沙子与垃圾分离，同时在筛沙装置运作过程中喷气装置（如图6所示）的喷嘴2喷出温热气体，吹向震荡沙子，加速沙子中的水分流失并提高沙子的流动性，减小垃圾的表面含沙率从而对垃圾进行筛选分离。

同时下压机构（如图7所示）中的液压缸1收缩，使得下压板2与沙子接触；筛分下的沙子通过排沙板3排出，且筛沙框筛出的垃圾,通过杂物储存机构中的机械手臂1捡拾到的垃圾存放箱2内。

1—掀沙齿;2—U型框；3—固定板;1—上料板；一转轴；
3—液压悬臂；4—隔板
图4传送机构4—弹簧；5—深层起沙机构
图3起沙机构
1—筛沙框；2—筛网；3—摆球；
4—电动机；5—圆盘
12
1—筛沙框;2—喷嘴
图6喷气装置
图5筛沙装置
1—液压缸；2—下压板；3—排沙板
图7下压装置和排沙装置
储存机构如图8所示,包括机械手臂1、储存箱2、移动杆3。

储存箱2和筛沙框上端面设有滚轮的移动轨道,移动杆3下端面设有机械手臂1的移动轨道，储存机构与车体和排沙框固定连接。

机械手臂通过电力驱动对垃圾进行捡拾并放入到储存箱内。

2.2动力模块
动力模块为整个装置提供动力，由车体和履带行走机构两部分组成，如图9所示。

本装置采用双动力系统，借助蓄电池及太阳能来满足装置的动力需要。

• 96 •机 械 工 程 与 自 动 化2021年第2期
车体上端面与排沙框连接，前端面与液压悬臂连接，左 端面与垃圾存放装置连接，下端面固定在履带行走装 置上；车体内部设有液压泵1、微型控制器2、两组蓄电 池3、电动机4,液压泵1为液压悬臂提供动力，电动机 则为履带5行走装置提供动力，且液压泵1、电动机4 均由两组蓄电池3作为电源。

履带行走机构由履带5、 车架6、车轮7等部分组成，由电力驱动实现整个装置 的前后移动，采用履带行走机构，能应对不同地形的沙 滩清理。

太阳能收集装置为自动规避装置、微型处理 器提供能量，自动规避装置上设置有红外探测器，可实 现对装置前方及其四周的事物的分析，实现自动规避 障碍物功能，同时微型控制器上设置有WIFI 装置, WIFI 装置作为遥控信号的接收和发送中心，将手机 发出的动作指令发送到微型控制器，可以实现手机与 微型控制器的串行通信，清洁人员可以通过手机进行 远程遥控操作，对垃圾清理装置进行调速、转向以及各 种清洁命令的控制。

1 —机械手臂；一垃圾储存箱；
3— 移动杆
图8储存机构6
1 —液压泵；一微型控制器；3 —蓄电池；4—电动机；5 —履带；
6—车架；7 —车轮
图9动力模块
3结论
本研究从海滨城市沙滩垃圾清理所面临的问题出 发，从行业背景、结构设计和工作原理入手，分析现有 技术产品的局限，借鉴相关装置的设计思路，制定合 理的解决方案，通过SolidWorks 软件进行本装置的 建模与设计，从而实现沙滩垃圾清理高效化、自动化 和智能化，并利用现有的成熟的技术理论具体说明 和验证了沙滩垃圾清理装置设计的合理性与可行 性。

本装置的设计研究具有一定的现实意义和应用 价值，不但可为沙滩垃圾清理工作节省大量的人力 物力，同时也为维护人类与海洋生态环境之间的和 谐关系贡献了一份力量。

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Design and Research of Beach Garbage Cleaning Device
WANG Xue , YANG Jie , ZHAO Xia-dong , FAN Hu-pin , NIU Yu-ning , CHEN Jun-long
(School of Ocean , Yantai University , Yantai 264005 , China )
Abstract ：Inrecentyears ，theseasidetourismindustryhasbeendevelopingrapidly ，andasthenumberoftouristscontinuestorise ， the problem of beach trash pollution has gradually emerged . In order to solve the problem of beach trash cleaning , this study developed a beach trash cleaning device suitable for coastal tourism cities by modelinganddesignusingSolidWorkssoftware The deviceisabletocleanthebeachtrashatdi f erentdepthsandreducethesurfacesandcontent ， which makesthebeachtrashcleaning e f icient ，automaticandinte l igent ，andhasgoodenduranceandtourismcharacteristics Keywords ：garbagecleaningdevice ；overa l structure ； workingprinciple
(上接第93页
间隙均匀，必须靠安装的手法来保证安装质量的缺点, 根据锌合金材料易于压铸成型，且成型外观质量高、不 易磨损与腐蚀的优点，设计了一款锌合金可调节合页。

经实践证明，其能在水平方向调节6 mm 的距离，能保 证门与门框处于最佳位置状态，其旋转开度可达 270°,不受内开与外开的限制，用途广、使用便捷、安装 方便，能满足重量级入户门的使用要求。

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Structure Design of Zinc Alloy Adjustable Hinge
MENG Shaoming , LI Pei , CHEN Yan , TANG Qian-peng (Hunan Chemical Vocational Technology College , Zhuzhou 412000, China )
Abstract : A zinc alloy adjustable hinge is designed. The rotation angle of the hinge can reach 270° and there is a 6mm adjustment on the hinge structure . Practice has proved that the adjustable hinge is widely used , easy to use and easy to insta ll . It can ensure that the door and the door frame are in the best matching position , and are not limited by the internal and external opening. Keywords ：zinca l oy ；adjustablehinge ；
design。