沙滩垃圾收集清理机器的建模与分析

易健彬，谭先琳，邵 帅，廖健科

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

随着工业化的快速发展以及沙滩旅游的发展，我国的水面环境和沙滩环境情况不容乐观，目前我国海滩垃圾清理主要采用纯人工清理的方式[1]。国内还没有相关企业具有海洋沙滩废弃物处置装备方面的自主研发、创新性改进和产业化推广能力。且目前国内主要集中在大型沙滩清洁机械的研制生产，小型沙滩清洁机械研制较少。为了贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念，本文设计一款采用离心率筛分垃圾的沙滩垃圾清理机器，能够提高沙滩垃圾筛分效果，以及垃圾清理的灵活性[2]。

1 机器的结构和工作原理

整体结构如图1 所示，由前端松土机构、机械臂、履带轮组地盘、太阳能电池板、垃圾收集过滤装置构成。主要设计功能和工作原理如下：采用悬挂弹簧的履带轮组地盘，使机器能够在沙滩上平稳运行，同时增加上下行程减少零件材料所受应力。前端松土机构用于破碎复杂沙土和垃圾沙子预分离。同时，前端松土机构在机械臂的带动下可控制铲沙的深度，以此实现不同深度的垃圾沙子预分离。通过垃圾收集过滤装置实现垃圾的收集，用可旋转多孔弧板制成圆柱形多孔过滤外壳，利用离心率将铲沙器铲起的垃圾和沙子倒入滚筒内进行筛分，沙子从内轮表面的孔洞漏出，而垃圾则留在滚筒内，从而实现垃圾筛分功能和存储功能。机器动力由太阳能提供，可采用追光太阳能板[3]，充足保证机器运行所需要的动力，延长工作时间，并且在工作的过程中减少能耗对环境的污染。

图1 整体机构

2 机器各结构建模及分析

2.1 垃圾收集过滤装置工作原理

沙子过滤器如图2 所示，主要由外铲和网状内胆两部分组成，两部分分别由两个独立电机控制转动，内胆有一个依靠舵机控制开合的内胆盖子。工作时，内胆盖子在舵机的带动下打开，外铲在电机带动下转动，控制内胆的电机固定，沙子和垃圾随着外铲的不断滚动落入内胆中，外铲停止转动，内胆盖子在舵机带动下合上，内胆在电机的带动下翻滚，细小的沙子随着滚动从网状内胆中滤除，较大的垃圾则会保留在内胆中。内胆装满垃圾后，舵机控制内胆盖子打开，将垃圾倾倒在指定位置。

图2 沙子过滤器

2.2 垃圾收集过滤装置设计参数和分析

外铲的角加速度模拟如图3，由图可见外铲的角加速度呈现等幅振荡曲线最高为280.6（deg/sec2），最低为280.0（deg/sec2），是由于外铲在触碰沙子和垃圾时受到的阻力作用，导致加速度下降，但总体呈等幅振荡，且具有周期性，函数图像最高点和最低点仅仅相差0.6（deg/sec2），如图4 所示，角位移等幅振荡，因此，大致视为外铲可做等加速度运动。在垃圾收集的过程中，机器能够平稳的加速运行，不会因为受到沙子阻力的影响而破坏原来的运动状态，外铲的旋转在一个平稳可控的范围内。

图3 铲沙器外铲角加速度

图4 铲沙器外铲角位移

如图5 所示为外铲接触沙子时的形变分析，可以看到主要的形变部分集中在外铲的最外缘与沙子接触的部分，如图中的红色区域形变量达到了5.36e-2mm，最小的形变在电机连接处，为1.000e-30mm，因此材质的选择上可以在外铲边缘处选择韧性更大的材料制作，如制作挖掘机斗齿所用材料[4]，克服塑性形变对构件的结构造成破坏，电机连接处的构件则可以选择强度较高的材料，或者在联轴器和外铲中间叠加复合型材料，增强螺栓连接的强度。

图5 外铲形变分析

应力分析如图6，在电机和法兰盘处的连接螺纹所受应力约为（2.282-4.518）e-4之间，为使受力均匀可以在连接处多设置几个螺纹孔，可以有效消除应力集中，防止构件变形破环。

图6 外铲应力分析

图7 所示内胆的设计尺寸，可得内胆容积约为1.87 L，每台机器可装3 个收集过滤装置，总容积约为5.1 L。通过多孔筛轮的滚动过滤沙子，类似与工业上的旋流分离器，相比往复振动的方式更能节省空间，减小机器设计尺寸的同时，利用离心力提高沙粒筛出的效率。因此，小型且智能化的垃圾清理机器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同时小型化的垃圾清理机器灵活性更好，适用面更广，可用于各种干燥和潮湿沿海沙滩，以及公园或特色住宅内的小型沙地等，机器使用率更高。

图7 铲沙器内胆尺寸

2.3 松土机构转子的应力分析

如图8 所示为转子的应力分析图，在外围尖角位置和中间连轴处所受应力最大，外围尖角可将其结构改为圆角和倒角形式，可以有效减少应力集中，避免零件损坏，但是圆角倒角又会降低松土效率，增加电机的负载，易使电机过热，因此，结构的最终选择要以实际情况为准。

图8 松土机构转子应力分析

图9 所示受力形变主要集中在尖角处，最大形变量达到了2.265e+11mm，在连轴处的变形最小，因此夹角处可以选择65 锰薄钢板锻造。

图9 松土机构转子形变分析

3 结语

本文所设计的沙滩垃圾清理机器，在筛分方式上明显区别于现有的沙滩清理机器，具有更好的垃圾筛分效果。此外，小型且智能化的垃圾清理机器，易于操作，具有更高的垃圾清理效率，可以降低人力成本。同时小型化的垃圾清理机器灵活性更好，适用面更广，可用于各种干燥和潮湿沿海沙滩，以及公园或特色住宅内的小型沙地等，机器使用率更高。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。本装置能够实现自动收集垃圾和沙子过滤的功能，实现沙滩垃圾清理高效化、自动化和智能化，该机器具有较好的应用前景和商业价值。