摘 要：水上環衛機在水面污染治理和整治預防水生植物泛濫上發揮著越來越重要的作用，為使水上環衛機能夠更智能化、更自 動化、更適應創新創業的市場環境，水上環衛機需要一款新型的結構控制體系，文章針對在創新創業市場環境需要下對水上環衛機高 效益的結構要求，在結構的收納桶、主副驅動系統、PLC 的選型、線路布置和程序等方面做出產品設計，更加符合市場需求和時代趨勢， 具備廣闊的市場前景。

　　關鍵詞：創新;垃圾清潔;機械結構;水體污染

　　當前是大數據的時代，是挑戰與機遇共行的時代，是 “大眾創業，萬眾創新”的時代。同時，自進入二十一世紀以 來，水污染問題已成為全球化問題。而在中國，隨著城市建 設的發展，近年來，水污染也已成為我國城市面臨的嚴重 環境問題。它不僅危害到市民的公共健康，抑制我國經濟 的發展，還嚴重破壞了生態平衡。

　　面對如此嚴重的水污染 問題，目前我國政府和各級地方政府及有關部門提高了對 污水處理事業的重視[1]。在這樣的社會背景和時代條件下， 針對河道漂浮的生活垃圾以及水生漂浮植物進行專項設 計處理的新機器——水上環衛機出現了，它用以避免人工 打撈出現的諸多弊端，快速而持續的清理河道漂浮的生活 垃圾，以及水生漂浮植物，管控、解決現存凸顯的污染問 題，及時有效處理城市水面環境污染及預防整治部分水生 植物泛濫。

　　1 水上環衛機的結構設計及工作原理

　　1.1 總體結構設計

　　1.2 收納桶設計

　　樣機初步設計尺寸為：上直徑 500mm，下直 徑 130-150mm，桶深 550mm，后期根據實際測算進行調整 和修改。管道設計成插口式連接，方便水泵安裝、維護及更 換。 其內容積相當于一個倒圓臺加一個圓柱，圓臺體積為 大 圓 錐 體 積 與 小 圓 錐 體 積 之 差 ， 即 得 出 容 積 約 為 121.4dm3 ，若全部蓄滿水(假設水的密度為 1g/cm3 )計算流量：Q=uA(2P/p)/2 u=80 A=2.5πdm2 P=pgh Q≈15dm3 /s 蓄滿水需要約 12 秒的時間。

　　結論：流量過大，需用大 功率水泵。 市場上約在 500 元價位的水泵，抽水最大工作效率一 般 90m3 /h，合為 0.025m3 /s，可以正常使用，可選用最高流量 在 60-70m3 /s 之間的水泵。 在收納桶底部放置活性炭過濾網，可以有效的去除水中的雜質。在清除可見污染垃圾 的基礎上，再從根本上提高水的清潔度和無毒性，改善水 質，更好地維護了生態的平衡。

　　管道采用 UPVC DN80-φ89mm(無 Cl 殘留，較 PVC 管更環保、耐用)[2]。 桶內的濾網采用普通魚線網材質，成本低，實用性強， 耐腐蝕和浸泡，為了使濾網在自動提起翻倒清理垃圾時方 便，需對濾網進行定型，固定其總體形狀，防止發生變形， 創新使用十字定型法。十字形為不銹鋼制質硬鋼絲固定， 在節約成本的同時也可以防止濾網在傾倒垃圾時出現變 形，塌陷或堵塞。 勾柄：勾柄左端與濾網內的鋼條相接，右端固定在驅 動濾網上升和下降的驅動構件上，驅動構件上下運動將濾 網提起或放入收納桶中。

　　1.3 主驅動系統設計

　　其安裝于機器下端左側收納桶外壁與主驅動系統相 連，因在設計過程中，考慮到其在驅動力作用下，容積較大 且入水前所受浮力相對較強，為確保其可靠性和牢固性， 故整個驅動結構和收納筒外殼選用 3mm 厚不銹鋼外殼。 主驅動系統控制收納桶的上下位置，副驅動系統控制濾網 的吊起及復位。

　　主驅動系統的動力源-電機箱，采用螺旋機構上升和 下降，中間一根為絲桿，兩邊兩根為光桿，由主電機提供動 力，位于頂部擋板處為其上線位極限位置，當托板上升到 頂處時則停止。下部有浮球，當收納桶下降至水位以下 5cm 處，浮球便會觸及下限位開關，則電機停止。

　　根據前文 所述收納箱容積為 121.4dm3 ，當收納桶浸入水中，受到向 上的最大浮力約為其裝滿水的容積，即： F 浮=pgv=1189.72N 設備自重控制在 65kg 左右： G=mg=637N F 浮-G=552.72N 出于保守考慮，實際存在摩擦損耗，阻力損耗和內能 流失損耗，機械效率測算為 75%，而電機也受到的是全部 浮力和設備自重，也就是 1189.72N。 由此可見，主驅動對動力要求較大，而采用螺旋結構， 可以降低對電機的要求，有效的提高動力輸出。(而相反的 是，機械效率也會降低)[3]。

　　1.4 副驅動系統設計

　　副驅動系統的主要負載對象是濾網，濾網內的垃圾以 及一些輕型構件和自重，和主驅動相同，都是螺旋機構，其 主要運動是：帶動濾網沿著螺桿上升并翻扣，將垃圾倒出 到回收垃圾桶后并返回到收納桶內(有限位)，其運動軌跡 由螺桿控制，并有兩根光桿同時約束，使其翻倒垃圾時的 位置能夠精確，濾網較輕，所以對電機動力要求不高。

　　1.5 工作原理

　　環衛機的垃圾處理由 1-收納桶中 7-水泵接口連接水 泵的制造水流落差產生渦流，將垃圾聚集并吸進 4-內層收 納桶漏斗，并進行周期性過濾。通過監控水流速度和船速 來調整漏斗下潛深度，以保證漩渦吸力。完成垃圾打撈后，環衛機 2-主驅動系統的電機箱提供電力，螺旋機構沿導軌 中央的絲桿及兩端光纖做上升下降，到達頂部擋板處，上 限位停止，上沿處皮帶帶動收納桶運動，將垃圾傾倒入船 身，以上是環衛機垃圾收集原理[4]。

　　2 電路控制系統 PLC 的選型

　　2.1 PLC 的選型

　　FX2N-24MR-001 是三菱公司的可編程控制器(PLC)， 繼電器輸出及輸入 24 點，輸出 24 點.FX2N 是 FX 系列中 功能最強、速度最高的微型 PLC，其有功能很強的數學指 令集。可通過通信擴展板或特殊適配器可實現多種通信和 數據鏈接[5-6]。

　　2.2 線路布置與程序設計

　　3 市場前景分析

　　在生態環境保護越發得到重視的，在機械自動化取代 人工的如今，機械自動化環境治理市場無疑有了朝陽產業 的特點。在經過對蘇州一帶的市場調研結果分析和營銷預 期后，可以對產品銷量和銷售收入做如下預測：第一年目 標市場在蘇州市周莊和同里到所有景區，預測銷量 1200 臺，隨著產品知名度和市場接納度的提高，將市場擴大到 全國各大景區，預計之后每年銷售量會增加，每年增長率 為 50%、28%、39%、88%[7]。

　　我們團隊在充分市場調研的基礎上，對水上環衛機項 目的目標市場進行了詳細的分析。考慮到其盈利能力和經 營能力，以及其風險評估，確信其發展前景十分廣闊。

　　水利論文投稿刊物：中國水利以宣傳黨中央、國務院的治水方針,宣傳水利部黨組的治水思路,探討水利發展對策,指導、服務水利改革與發展,交流水利科學研究新進展.推廣水利新技術,溝通水利與社會為宗旨。

　　參考文獻：

　　[1]姚震寰.長春市環境污染治理難點及對策[J].合作經濟與科技， 2019(19)：22-23.

　　[2]李君華，李銳.基于生態設計的城市水上垃圾清潔器設計研究 [J].美術大觀，2017(05)：128-129.

　　[3]邱江.機械化清掃船設計中幾個關鍵問題的探討[J].環境衛生工 程，2000(02)：52-55.

　　[4]劉星，楊文武，丁金美.水上流動排污案件的特點及對策措施研 究[J].中國水利，2014(22)：60+72

　　作者：李 政，高 泰，孫康圣