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“去污态·共绿色”生态修复船的设计及开发

时间:2024-01-08 08:00:03 来源:网友投稿

汪成樾,陈 艳,刘玥琦,朱安新,梁家豪,曾 勇

(湖北大学知行学院 机械与自动化学院,430011,湖北武汉)

湖泊水面常可见有害漂浮物、油污油膜、微型塑料等,这些生态污染现象造成大量生物死亡,使生物多样性不断降低,严重破坏生态平衡[1],但多数水域生态污染现象并没有得到很好的解决[2]。

鉴于目前水上生态修复清理设备的缺陷、不足及使用现状不尽如人意,在进行广泛实际调研和资料查阅后,拟设计一款多功能遥控式生态修复船,综合利用机械、化学、人工辅助治理的办法,实现半自动化控制[3],进行有害水生植物收割、油污处理、漂浮物清理等多种生态环境治理,克服人工清理和现有机器的局限性,有效降低劳动成本。设计的生态修复船可应用于各种干渠、水渠、河流、湖泊、海洋等多种水域的常态化水面生态治理修复。

经过团队成员反复调研,进行方案设计,拟定图1所示的设计思路。生态修复船整体结构包括船体、剪切装置、聚物装置、输送装置、搅碎装置、压缩装置、储物装置、喷洒装置、油污处理模块、太阳能自动追光系统及自控式夜间灯光控制系统等。

图1 设计思路

船体选用“箱体型”,外壁与前端选择设计成流线型,如图2 所示,有利于减少水流的阻力;
船体内侧做成60°的V 型结构,便于汇流。船体总长2 875 mm,宽2 096 mm,中间输送带宽621 mm,船高1 460 mm,内含螺旋桨驱动机构。

图2 船体结构

剪切装置主要用于切断水生有害植物的根部,由往复运动的割刀和固定不动的支承部分组成。聚物装置借鉴水稻多齿拨禾收割机,将拨草轮安装于输送装置的前端、剪切装置的上方,由电机通过链传动带动拨草轮,将有害物拨入输送带,保障清理作业的正常进行。输送装置将有害物传输至搅碎装置。根据船体双体构造,将输送装置放在双体结构中间以便进行传输,传输带的角度取45°。为避免有害物在传输过程中倒退下滑,每隔一段距离增加一块挡板,挡板高度建议取值范围为40~45 mm。上述装置的位置布置如图3 所示。

图3 剪切、聚物、输送装置结构简图

搅碎装置通过电机-齿轮减速器,驱动两个刀轴正反旋转,利用两刀轴上的相邻刃口相互剪切、挤压对水上有害物进行破碎。压缩装置采用直线推杆电机,实现破碎物在存储装置内的空间压缩,尽可能提高存储利用率。储物装置借鉴家用抽屉的原理,设计成可抽拉式储存屉,将搅碎、压缩后的有害物通过进料口集中储存在储存屉,屉承板设有多个小孔,下方隔板具有一定斜度,可将水排到下方沥水池单独排出。当存储量达到一定程度时,由人遥控船回岸边将有害物从屉中清理出去。上述装置的位置布置示意图如图4 所示。

图4 搅碎、压缩、储物、喷洒装置结构简图

喷洒装置(撒药装置)是利用物理或化学净化原理对受到污染的水域进行净化处理,操作人员将药物倒入拌药池内,通过水泵和喷洒器均匀喷洒在水面,结构如图5所示。油污、微塑料的处理模块可设计成可拆卸式油水分离器,方便整治水中油污及微塑料问题,如图6 所示。

图5 喷洒装置

图6 油污收集装置

自控式夜间灯光装置利用光敏电阻实现灯光的启闭,夜间光线过暗,灯光开启,白天灯光自动关闭,可满足夜间作业及节能需求。考虑窄洞、隧道等特殊作业环境,增设摄像头模块,可通过手机查看复杂环境,并有效处理作业需求。如图7 所示。

图7 自控灯及摄像头安装位置图

太阳能自动追光系统可以保证太阳能板自动跟踪太阳,且始终使电池板以最佳角度面向阳光,提高对光能的利用率,并转化为电能。通过接入充电控制模块对蓄电池进行充电,当充到95%时,充电系统将会自动断开以保护蓄电池[4]。自动追光系统机械结构如图8 所示。

图8 太阳能自动追光系统结构简图

本产品结构设计主要采用SolidWorks 模型搭建,为后续的运动仿真和ANSYS 有限元分析及结构优化做准备,以提高其合理性。最终整机结构示意图如图9 所示。

图9 生态修复船整体结构图

STC89C52 单片机通过HC-06 蓝牙模块与Android 手机通信,控制驱动电机启动或停止,实现遥控功能,相关原理图如下页图10 所示。

图10 蓝牙遥控原理图

2.1 转向控制系统

转向控制系统由单片机控制船体内部两电机,通过改变输入端的逻辑电平实现转向。采用L298 N 专用驱动集成电路,输出电流2 A,最高4 A,最高工作电压50 V,与单片机直接相连,可实现电机正转与反转。

2.2 新能源充电系统

采用性能优异的锂电池恒流/恒压线性充电器TP4056 模块进行充电。基于MOSFET 架构和特有的防倒充电路设计,TP4056 不需要单独外接隔离二极管和检测电阻。当外界周围环境温度很高或者在大功率应用情景下充电时,充电器TP4056 模块内部热反馈系统可以调整充电电流大小,用以降低芯片温度。充电器TP4056 模块充电电压固定在4.2 V,充电电流大小通过外部电阻器进行调整。当电压达到最终浮充电压后电流下降至给定值的10%时,TP4056 终止充电循环。当输入电压断开时,TP4056 进入睡眠状态。

2.3 搅碎压缩系统控制

单片机控制继电器实现电动推杆的伸缩。通过继电器四个I/O 输出口实现状态的改变(如图11 所示)。每次只有继电器的两个输出口为吸合状态,才能实现电动推杆的某种功能。如果继电器的四个口都没有吸合,则电动推杆会自锁;
但是要避免出现四个输出口都吸合的状态。

图11 压缩装置控制示意图

2.4 太阳能自动追光系统

设计一种可自动追光电路系统,搭配自动追光系统结构,使太阳能板以最佳角度面向阳光,原理图如图12 所示。由四个光敏和固定电阻构成一个十字架。如果光照不同,UP、DW、LF、RT 的电压会发生变化。单片机驱动0832 芯片,分别读取UP、DW、LF、RT 电压值。如果UUP>UDW,舵机向下转动;
如果UUP<UDW,舵机向上转动;
如果ULF>URT,舵机向右转动;
如果ULF<URT,舵机向左转动:控制PWM 的占空比。

图12 太阳能自动追光系统原理图

2.5 自控灯光感应系统的搭建

自控灯光感应系统由光敏电阻同TP4056 相连接,当光敏电阻所处环境的光线亮度发生改变时,其电阻值大小也会发生相应变化,使得TP4056 通道得到的电压信号值发生对应变化,由TP4056 转换成相应数字信号,传递给STC89C52 单片机进行处理。原理图如图13 所示。

图13 自控灯光感应系统搭建原理图

本新型遥控式生态修复船可广泛应用于海洋、干渠、湖泊、河流、水渠等水域的常态化生态治理修复,具有以下创新点:采用光敏自控式灯光,可满足夜间工作条件并且节省能源;
采用搅碎与压缩装置,可节省储存空间,降低运收成本,方便回收;
采用摄像头+灯光,可深入隧道等特殊环境;
利用单片机进行智能控制,远程操作,安全可靠;
设有喷洒模块,可喷洒各种生态治理药物,实现生态修复;
符合“碳达峰”“碳中和”发展趋势,采取可充式动力源提供能源,且可利用太阳能进行充电,环保性高。

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