复杂河道水草垃圾高效清污船设计

目 录一、市场调查2二、设计目标4三、工作原理5四、设计内容(一)总体设计6(二)各部件设计.71.垃圾收集杆设计72.垃圾传送带设计83.压缩及储存仓设计94.油水分离系统设计.10五、创新点14六、应用前景.16一、市场调查2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 1 -1水面垃圾现状-水生植物水葫芦也叫凤眠莲、水荷花，是生长于河流、湖泊、池塘、水库、稻田等水流慢水域的多年生浮水草本植物。目前，水葫芦已被列为世界 10 大害草之一，国家环保局已把它列为首批最危险的 16 种外来入侵物种之一. 从 1975 年至今，珠江水域水葫芦每十年就增长十倍，1975 年平均每天只捞到 0.5 吨水葫芦，1985 年为 5 吨，1995 年为 50 吨，而现在平均每天接近 500 吨。我国广东、云南、浙江、福建等地每年都要人工打捞水葫芦，仅浙江温州和福建莆田 1999 年的人工打捞费用就分别为 1000 万和 500 万元。世界自然保护联盟的数字显示，在世界最穷的非洲，七个国家每年为控制水葫芦付出的“成本”是两千万到五千万美元，水葫芦治理已迫在眉睫。2水面垃圾现状-生活垃圾中国目前城市生活垃圾量已达1.35 亿吨，其中有很大比重的垃圾被排入江河等水体中，给垃圾清理工作带来很大困难。例如：北京市现日产垃圾 13000吨,全年生产 495 万吨,而且每年将以 8%的速度递增。再之，上海市 2004 年度生活垃圾总量达到 609.68 万吨，每天产生1.67 万吨。水体中的生活垃圾2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 2 -亟待解决。3水面油污污染含油污水的来源主要是石油工业、金属工业、食品工业、纺织工业及运输工业等行业。含油污水的第一大来源是石油工业，在石油生产、 精炼、 储存、 运输和使用过程中均会产生大量的含油污水，尤其是炼油工业会产生大量的含油污水， 污水中的油有相当一部分以乳化油的形式存在， 这些污水主要包括油气和油品的冷凝分离水、 油气和油品的洗涤水、反应生成水、 机泵填料冷却水、化验室排水、油槽车洗涤水、 炼油设备洗涤水和地面冲洗水等。 含油污水的第二大来源是金属工业，而钢材制造和金属加工业是金属工业中含油污水的两大重要来源， 这类污水中主要含有润滑油和液压油， 其中既有游离态油， 也有乳化油。含油污水的第三大来源是食品加工业。 在肉、 鱼和家禽的屠宰、 清洗及其副产品的加工过程中会产生大量的含油污水油脂对水体污染的危害主要表现在以下几个方面：(1)恶化水质、危害水产资源；(2)危害人体健康；(3)污染大气；(4)影响农作物的生长；(5)影响自然景观；(6)影响洁净的自然水源。综上所述，含油污水进入水体会对生态环境造成极大的危害，但是，与此同时，这些油类也是资源，一旦回收，它们中的大部分可以用作化工原料，因此，对含油污水进行治理与资源回收具有必要性和紧迫性。4 水面垃圾，油污处理现状现在，多数情况仍然采用人工打捞的传统方法，费时费力。而现有打捞机械价格昂贵、工作效率低，远远没有普及，主要缺点是速度慢、打捞效果差、噪音大、污染大、垃圾容仓小等。油污染作为一种常见的污染，对环境保护和生态平衡危害极大。当今油水分离技术较多， 常用的方法有重力分离法、空气浮选法、粗粒化法、过滤法、吸附法、超声波法等技术，并且新的除油技术还在不断的研发中。但对乳化油的处理效果往往较差，有时还产生二次污染等问题。 综上分析，现在市场上急需一种高效的，性价比高的清污船。2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 3 -二、设计目标该清漂船的主要特点是航程远、舱容大、打捞速度快、方便使用、使用维护成本低、自动化程度高、操作简便。1.高效率，低能耗，环保：清污船尽量减少动力源，把收集、输送、压缩、储存过程整合在一起，用一个电机带动，可以极大的降低能耗，另外清污船采用绿色能源-太阳能为蓄电池充电，适量补充能源消耗，常规人力捕捞或常规清污船效率低，在同等航速条件下，此清污船的清理河道面积是常规清污船的 2-3 倍；油水分离效率可以达到 90%，而且耗能要比其他常规分离方法少 10%；2. 适用范围广：不但能清理水葫芦等水草，还能清理漂浮于水面的各种生活垃圾、初步清理水面油污，根据不同作业工况，如机动自航船的不同吃水深度，打捞及快速赶赴打捞现场， 返航等要求应能升降伸缩可调整，在打捞输送过程沥掉表面水分 。对于受到油污染的河道也能处理，能够将河道中的油污进行彻底分离。3 自动化程度高、工作稳定：人力捕捞劳动强度高，效率低；常规清污船需要人参与程度高，此清污船基本上可以实现无人操作，操作灵便，且不受环境与负载变化的影响，保持动作平稳、安全可靠，可以实现全天候作业；4 初步处理垃圾，储存量大：将垃圾水草初步压缩，提高船的储存量，以减少或不用配套的运输船。5.结构简单实用、制造成本低：与同类产品相比，此清污船的制作材料和加工条件要求比较低，制造成本相对减少，为清污船的广泛使用提供了必备的条件。6 安全系数高：尽量避免工人在船外捞漂的危险，极大的提高安全系数。2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 4 -三、工作原理水面垃圾打捞船由机动船、对称安装在机动船头两侧船舷上的水面垃圾收集杆、垃圾输送带和压缩储存机构组成。船在前进的过程中，通过链及齿轮驱动收集杆左右摆动，将船两侧的垃圾和水草收集到船前头，同时通过船头的传送带将水面的垃圾捕捞并输送到压缩仓中进行压缩，最后送入储存仓中。传送带自动滤水，在传送过程中滤到表层的水分。收集杆工作垃圾输送带压 缩固体漂浮物处理流程图垃圾储存排 水图 1：水面垃圾处理流程如果要进行油污清理，通过升降装置，将垃圾清理装置提升水面，同时将吸油口放到水面，由射流泵将油污水抽入水力旋流管中进行分离。分离后的油液进入油液储存箱中，由出水口中流出的水已符合国家的排放标准，可直接排入河道中。2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 5 -抽取污水水力旋流器油水分离水面油污处理流程图油污储存排 水图 2：污水处理流程四、设计内容(一)总体设计1.总体设计：船首设有水面打捞机构，船体中间配有一条输送带，将打捞上来的垃圾传送到压缩装置，然后经过压缩处理卸入储存仓内。清漂船，既能清理水面水葫芦，又能清理河（湖）面漂浮垃圾。船头处有喇叭形进水口，用于水面油污的抽取，通过水管与高压水泵及油污分离装置相连接。船体：机动自航船船体结构尺寸为 1200mm*400mm*120mm (L*B*H)驾驶舱前置方便人员站立驾驶及观察前方情况 。船体截面呈 U 型,甲板两侧各留 50mm 的通道。 船采用明轮推进，因水葫芦较脆，故不担心被缠的危险。所有设备均通过驾驶舱内的控制台统一控制。水面漂浮物及油污处理装置：漂浮物收集：平面四杆机构的演化形式，曲柄转动通过连杆带动摇杆左右摆动，与连杆相连接的栅栏完成收集过程。漂浮物传送：传送带采用链带动，并用设置有倒钩的输送带完成传送。压缩机构：曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构的应用，利用压缩头及压缩仓门极限位置的时间差，完成压缩动作，并将压缩物送进储存仓。油污处理系统；分离装置的核心部件用液-液分离水力旋流器，用高压水泵从水体中抽取油污水并送入水力旋流器，利用两种混合在一起但互不相溶的液体之间的密度差进行离心分离。实物效果图2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 6 -传送带收集杆压缩舱储存舱太阳能电池板油污分离系统控制舱切换机构图 1：清污船实物(二)各部件设计1.垃圾收集杆设计收集装置安装在船首，由链带动齿轮驱动，是平面四杆机构的演化形式，包括曲柄、摇杆、连杆和栅栏。曲柄做整周转动，并通过连杆带动摇杆左右摇摆，连杆由两直线段和一长半径圆弧组成，栅栏安装在连杆一端与之成 90 度，并与水面平行，便于垃圾的集中收集，栅栏的运动轨迹满足预定要求，能够保证工作区域的漂浮物收集完全。即：栅栏展开时向上，收回时向下，近似椭圆形，完成收集动作。通过改变各连杆长度，可以实现打捞不同水深的漂浮物。普通的收集杆只能在与水面平行的一维平面内运动，在船行进过程中，收集杆做左右摆动，这样会导致排开在工作区域而在收集杆外侧的漂浮物，降低工作效率，四杆机构的收集杆可以很好的解决这个问题。三维效果图2）参数收集杆栅栏2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 7 -图 2：收集杆三维效果2.垃圾传送带设计打捞传送装置采用自行设计的松紧可调的传送带形式，既：传送带由两并行链条传动，链条对应链节间用钢丝固定，并且在钢丝上焊接有等间距的倒钩，这有利于漂浮物的抓取收集，固定钢丝之间围绕有钢丝网，可以避免收集物的泄露，干扰传动，并有滤水作用；传送带机架内部安装有螺杆螺母部分，通过调节一对螺母实现传送带松紧调节和固定，还可以根据实际情况更换长短不同的传送带，而不必更换支撑架；压缩仓一侧和传送带靠近的地方设置有刮板，在刮板边沿开设有等间距通槽，并使传送上焊接的倒钩与之相吻合，这样传送带输送来的垃圾能够全部落入压缩仓，而不会再随着倒钩送到水中；通过实际检测，输送带抗冲击、抗定负荷伸长好，可用于长距离输送；安全性能高，能保障输送系统安全、高效运行。传送带克服了以往人工打捞及抓斗间隙打捞的缺点，打捞速度快，劳动强度低，且可以实现较长时间的连续作业，减少了运转过程的损耗；1）平面图图 3：传送带平面结构传送带2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 8 -2）三维效果图图 4：传送带三维效果3.压缩及储存仓设计压缩系统把曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构巧妙的整合在一起，由对称布置的两个短传动轴驱动，每个传动轴两端均连接有曲柄，并且两曲柄成 90 度相位角，两对称位置上的外侧曲柄通过连杆和压缩舱门相连，两内侧曲柄通过连杆和压缩头相连。曲柄间的相位角使压缩头和门板的极限位置存在时间差，可以保证压缩运动的完成。即：当门板在下极限位置时，压缩舱门闭合，此时压缩头没有达到极限位置，压缩头和门板间处于最小压缩间隙，压缩漂浮物，压缩舱门打开时，压缩头继续向前运行，把压缩物推入储料仓，此动作周而复始的运作，可以连续处理传送带送入的漂浮物。此机构可以根据实际需要通过调节曲柄、连杆长度及相位角调节压缩量。图 5：曲柄滑块机构 图 6：曲柄摇杆机构压缩头用钢板做成半工字型，有极佳的抗压、抗弯特性，强度重量比和刚性重量比较高，其一：可以保证压缩头在工作过程中不偏斜，与压缩舱底板接触面积大可以保证运动的平稳性；其二：当压缩头行程较远时，可以保证通过输送带传送的漂浮物不至于落入压缩头背测，而阻塞压缩头的工作轨道。压缩头对传送带输送来的垃圾进行压缩处理，并直接送入储存仓，这样可以极大减小垃圾的体积，克服了垃圾容仓小的限制提高船只的装载量。2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 9 -三维效果图图 7：压缩舱三维效果图4.油污分离系统的设计工作原理水力旋流器的基本原理是离心沉降。它是利用不同密度、不相溶的两相液体混合介质在高速旋转时各相产生不同的离心力而达到两相分离的目的。与固-液分离一样，液- 液水力旋流分离也是一个不完全分离过程，从溢流管排出的轻质液体(如油) 并非是纯油介质，从底流管排出的重质液体如水也并非纯水介质。但只要结构设计合理，操作参数确定合理，水力旋流器完全可以达到 90%-95%以上的分离效率，有时甚至可达 98%以上，能够满足一般的分离要求。水力旋流管分离效率影响因素影响水力旋流管分离因素有如下几方面：两相密度差对分离效率的影响：密度差越大，两相间迅速分离的趋势越大，分离效果就越好。几何尺寸对分离效率的影响：采用矩形截面切向双入口形式，且入口当量直径 d1=(0.2-0.3)D(D 为旋流器的名义直径)时，旋流器有较好的分离效率，且降低了入口处的压力损失；溢流口越小，最佳溢流分率越低，越有利于油分散相的分离；设计较小锥度及较小管径的分离段是提高分离效率的关键：对尾管段的尺寸设计应从制造工艺，允许压力降，对分离效率的影响等几个方面综合考虑。一般来说，尾管段的长度应大于 20D。进口流量对分离效率的影响：据有关文献介绍，当进口流量较低时，由于旋转流速较低，许多油滴未能分离出来，导致分离效率降低，当进口流量进一步增加时，分离效率也增加，到一定程度后达到最大值，此时，在水力旋流器的轴线附近形成一个较稳定的油芯，当进口流量再增加时，分离效率反而下降。滋流比对分离效率的影响：合理确定溢流比要考虑两方面的问题，从底流净化角度出发， 如不考虑溢流口排出液的再处理，可适当加大溢流比，以提高底流净化程度；从综合效益出发，既要考虑底流的净化效果，又要尽可能提高溢流口排出液的浓缩程度，减少再处理的工作量，就要确定合适的溢流比。压缩舱2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 10 -进口温度对分离效率的影响：混合液温度对分离效率有一定的影响，在一定范围内，随着温度的升高，水力旋流器的分离效率会增加，分离精度也会提高。进口含油浓度对分离效率的影响：随着进口含油浓度的升高，不仅大粒径油滴的分额明显增加，而且油滴众数粒径的位置也随之向大粒径方向移动，含油浓度虽与粒度分离效率无关，但对旋流分离器的分离效果却仍具有重要影响，含油浓度越高，油滴粒径越大，分离效率越高，所以含油浓度是以改变油滴粒径分布状态的方式影响或决定着旋流器的分离效率。分散相粒度分布对分离性能的影响：分散相粒度分布对水力旋流器的分离性能有很大影响，粒度越大，分散相越易从连续相中分离，分离效率就越高。进料中其它成分对分离效率的影响：进料中气体对分离效率的影响很大，当气体含量达到一定程度时，旋流器不再具有分离能力，这主要是由于气体堵塞溢流口造成的。因此，在利用旋流器进行处理前，应尽可能地进行除气；破乳剂的加入使分离效率有所提高，但变化幅度不是很大。从以上论述可以看出，影响油水分离水力旋流器分离效率的因素很多，包括结构参数、物性参数、操作参数等，各参数对其影响的程度又各不相同。图 8：油污分离器内部涡流流动状态示意图由结构示意图可以看出，两种液体介质的混合物由入口切向进入分离腔，入口处的速度 V=Q/A经计算我们取油污水的入口速度为最佳的分离速度 9 m/s,从切向方向高速进入旋流腔的液体在腔内急剧旋转，产生强烈的涡流，后面接连而来的液体推动着旋流腔内的液体边旋转边向下运动，其运动呈螺旋形。这些旋转着的液体向下进入大锥角锥体段后，旋流器体的内径逐渐减小，如果忽略摩擦的话，根据角动量守恒，旋转速度要不断加大，经过较短的大锥角圆锥段后，迅速地过渡到长度较大锥角较小的小锥角段，在这里，直径变化缓2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 11 -慢，旋转加速度趋于缓和。大小锥角段是发生分离的主要区域，由于液体产生涡流运动时，沿径向方向的压力分布不等，边界处较高，而核心区域较低，这样会对连续相液体中的液滴产生一个向心压差 Fo，另外当液体在腔内产生旋转运动时，由于两种液体介质密度差的存在还会产生一个离心力 F，还有由于液滴在实际液体中运动由粘性引起的斯托克斯阻力凡.对于油水混合物来说，连续相介质为水时，设其密度为 Pw，分散相液滴为油滴，其密度为 Po，油滴直径为 x，可以看出，液滴在流场中主要受三个力：旋转产生的惯性离心力F=m*a径向存在压力梯度而引起的向心的力F=m*a*Pw/Po由于液滴在粘性液体中低速运动而产生的斯托克斯阻力F=3x液滴在这三个力的作用下，产生了径向方向的运动，因而产生了两种密度不同的互不相溶的液体混合物的分离。结构设计液-液水力旋流器可以分为四大部分（见图 9） 。液- 液分离水力旋流器的主体一般由三段组成：圆柱段的旋流腔，其直径为 D1，是水力旋流器的重要参数之一，它决定着水力旋流器的处理能力；锥角为 a 的大锥角锥体段；锥角为 的小锥角锥体段。大锥角锥体段的小端直径 D 是旋流器的主直径。旋流腔的轴向长度用 L 表示。a 角与 角的大小是极为重要的两个参数，它们的改变将极大地影响液-液分离的性能。 第二部分是水力旋流器的入口，入口直径 Di 为入口的当量直径。入口横截面形状可分为圆形与矩形两种。液-液分离水力旋流器的入口分为单入口、双入口、三入口及三个以上入口形式，图所示的旋流器是两个互为 180 度的双入口形式，这种形式的入口可使液体更平稳的进入旋流腔，并在腔内产生稳定的涡流。第三部分是溢流口，直径用 D 表示，D 的大小视水力旋流器的用途而定。在从连续相介质中分离轻质分散相介质的情况下，一般轻质分散相介质的含量较低，因而溢流口直径 D 与 D 相比很小。反之，如果是从轻质连续相介质中分离较重的分散相介质，而轻质连续相介质要从溢流口中排出，D 的直径就较大。至于滋流管深入旋流腔的长度 L 在不同的设计中也有不同的比例。 第四部分是尾管，尾管是一个长圆柱形管，内径用 Dd 表示，它的顶端与旋流器的小锥角圆锥段的内径相连，其长度用 L3 表示。尾管的长度一般都较长，是主直径 D 的若干倍，因而液一液分离用水力旋流器的长度也较大。在总结前人的经验，结合我们的研究分析，改进前人设计中的不足，设计的水力旋流器如下2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 12 -液-液水力旋流器结构图图 9：1 为溢流管，2 为端盖，3 为进口圆柱段及大锥段，4 为小锥段，5为平行尾管段。油污分离系统具有一般分离设备不具有的优点：功能多：可根据各种应用的实际需要在不同场合下使用在固-液分离方面它可用来净化液体，除去其中的悬浮物及固体杂质，水力旋流器可以分离出徽米级的悬浮物，这是最普遍的应用之一；它可以用于固体悬浮液的稠化，使其中固体悬浮物的含量达到 50%左右，如用在采矿工业中的选矿；它也可以冲洗固体，达到净化的目的;它还能按固体的密度及颗粒形状进行分类等。在液-液分离方面，可以用于两种不互溶液体介质的分离，如油- 水两相的分离，用于原油脱水或含油污水的净化处理等。结构简单：水力旋流器内部无任何需要定期维修或更换的易损件、运动件及密封件，无需滤料，现场安装时通过管线连接、阀门控制即可操作运行。水力旋流器作为一种新型分离设备，在相同处理量下其制造成本只相当于其它分离设备的几分之一，甚至几十分之一。分离效率高：由于水力旋流器是利用带压液体进入旋流器后产生的离心力而进行两相介质离心分离的，其离心加速度要比常规依靠重力作用的分离设备(如重力沉降旅等) 所产生的重力加速度 9 大几百倍，甚至上千倍，因而具有重力分离设备无法实现的分离能力。设备体积小：占地面积小，安装方便，运行费用低在处理量相同的前提下，水力旋流器的体积仅相当于常规分离设备的 1/10 左右，总重量不超过其它设备的 1/30-1/40，这对于设备安装受到空间及承载能力限制的诸如海洋平台、远洋船舶和土地使用面积十分宝贵的场合都有极其特殊的意义。同时，由于重量轻，不需特殊的安装条件，只需管线连接即2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 13 -可运行。此外，水力旋流器的运行费用低，耗电量较其它装置可节省 4%-5%。为设备提供0.4-0.5MP a 左右的压力即可保证水力旋流器正常工作。使用方便灵活：水力旋流器可以单台使用，也可以多台并联使用以加大处理量；串联使用来增加处理深度。同时可针对不同的处理要求，适当改变其结构(32-01)，从而达到更好的效果。处理工艺简单：运转连续在运行参数确定后水力旋流器即可长期稳定运行，管理方便，具有很大的社会效益与经济效益。另外，水力旋流器的运转过程是连续的，不需进行定期收油、反冲洗等操作，因此可以很方便地将水力旋流器与前后工艺相配套使用。值得指出的是，这种分离过程完全是在封闭的状态下完成的，净化后的液体和被分离介质均可由管路输送或加以回收，实现闭路循环，不产生二次污染，这对于环保是相当重要的。五、创新点一水面垃圾的收集、输送、压缩共用一个动力源，一体化作业，缩短工作周期。1.水面漂浮物收集装置收集装置安装在船首，由链带动齿轮驱动，是平面四杆机构的演化形式，包括曲柄、摇杆、连杆和栅栏。曲柄做整周转动，并通过连杆带动摇杆左右摇摆，连杆由两直线段和一长半径圆弧组成，栅栏安装在连杆一端与之成 90 度，并与水面平行，便于垃圾的集中收集，栅栏的运动轨迹满足预定要求，能够保证工作区域的漂浮物收集完全。即：栅栏展开时向上，收回时向下，近似椭圆形，完成收集动作。普通的收集杆只能在与水面平行的一维平面内运动，在船行进过程中，收集杆做左右摆动，这样会导致排开在工作区域而在收集杆外侧的漂浮物，降低工作效率，四杆机构的收集杆可以很好的解决这个问题。2008 年湖南省第三届机械创新设计大赛设计说明书- 14 -图 10：平面四杆机构2.水面漂浮物输送装置打捞传送装置采用自行设计的松紧可调的传送带形式。即：传送带由两并行链条传动，链条对应链节间用钢丝固定，并且在钢丝上安装有倒钩，这有利于漂浮物的抓取收集，固定钢丝之间围绕有钢丝网，可以避免收集物的泄露，干扰传动，并有滤水作用；传送带机架内部安装有螺杆螺母部分，通过调节一对螺母实现传送带松紧调节，还可以根据实际情况更换长短不同的传送带；压缩仓一侧和传送带靠近的地方设置有刮板，在刮板边沿开设有等间距通槽，并使传送上焊接的倒钩与之相吻合，这样传送带输送来的垃圾能够全部落入压缩仓，而不会再随着倒钩送到水中；传送带克服了以往人工打捞及抓斗间隙打捞的缺点，打捞速度快，劳动强度低，且可以实现较长时间的连续作业，减少了运转过程的损耗；3.水面漂浮物压缩装置压缩机构由对称布置的两个短传动轴驱动，每个传动轴两端均连接有曲柄，并且两曲柄成 90 度相位角，两对称位置上的外侧曲柄通过连杆和压缩舱门相连，两内侧曲柄通过连杆和压缩头相连。曲柄间的相位角使压缩头和门板的极限位置存在时间差，可以保证压缩运动的完成。即：当门板在下极限位置时，压缩舱门闭合，此时压缩头没有达到极限位置，压缩头和门板间处于最小压缩间隙，压缩漂浮物，压缩舱门打开时，压缩头继续向前运行，把压缩物推入储料仓，此动作周而复始的运作，可以连续处理传送带送入的漂浮物。此机构可以根据实际需要通过调节曲柄、连杆长度及相位角调节压缩量。压缩头用钢板做成半工字型，其一：可以保证压缩头在工作过程中不偏斜，其二：当压缩头行程较远时，可以保证通过输