水面垃圾清理装置的机构设计

目录中文TOC\t"引言,1,摘要,1,新一级,1,新三级,1,新二级,1,致谢|参考文献,1"\h10738摘要 III1绪论1.1研究背景我国领土宽阔，东西经度和南北维度跨度大，拥有种类丰富的水资源。在经济快速发展的同时，过去的蓝天碧水，现在都受到了不同程度的污染，水面垃圾大量出现在池塘、湖泊、海洋和河流中REF_Ref18048\r\h[1]，对生活在自然界中的人类和动植物造成了严重危害。因此，各种水域的水质保护就变得十分重要，而治理水污染的第一步就是对水面中各种垃圾清理干净。目前，对于各种水域的垃圾清理工作，主要是采用人工打捞，或者采用一些简单的机械装置辅助作业REF_Ref6667\r\h[2]。针对目前采用的方法，存在工作效率低，工作质量不高，更加危险的是人工打捞时还存在落水的危险。目前，无论是国内还是国外，对水面垃圾的清理主要还是依赖于人工打捞和人工驾驶打捞的方法。这两种方法各有其特点。其中，人工打捞具有操作上的灵活性，其在某些特定场合下可以展现出显著的价值和作用。不过，采用这种方法也存在着明显的不足，例如工作效率不高；安全隐患相对较高；工作强度较高；对工人技术水平要求较高。人工驾驶打捞能够克服人力打捞所带来的弊端，但也会由于技术不够成熟仍有不足之处没有得到完善，且设备的体型也较为庞大。如今随着生活水平的不断提高，生活中的景观水域和养殖水域等小型水域越来越多，小型水域的垃圾清理成为一个难题，其具有深度浅，分布不集中和面积不大等特点。对于以上特点的水域，使用以上两种方式都无法方便高效地完成清理作业，因此针对小型水域的特点，开发一种专门清理小型水域的水面垃圾清理装置将可以很好地解决以上难题。1.2国内外研究现状随着机械行业的快速发展，发达国家很早就对水面垃圾清除这一问题进行研究，并且取得一系列的成果，已经投产使用的设备种类繁多。在处理水面垃圾清理这一挑战时，美国、意大利、西班牙、土耳其等国家拥有先进的研究成果。但大多数研究集中在清理漂浮在水面的污染液体（如石油），以及在海洋等广阔水域进行打捞。国外有几种代表性的水面垃圾清理装置如下。国外的UMI公司凭借其卓越的技术实力和创新精神，设计了一款双体船型的水面垃圾处理装置，能够在特定的水域内收集垃圾REF_Ref6867\r\h[3]。装置如图1所示，该设备由液压驱动，主要由：垃圾聚集桶、可开合聚集网、前部的输送带、尾部输送带等机构组成。清理机构一体化位于船体前端，通过张开式的可开合聚集网将垃圾聚集起来，在前部的输送带和尾部输送带的共同作用下将垃圾聚集到垃圾桶内聚集起来。这款双体船型水面垃圾处理装置凭借其先进的技术和高效的工作性能，为水域环境的保护提供了一种全新的解决方案。图1UMI公司的双体船GLOBECO公司开发了一种多功能生态清洁船REF_Ref6971\r\h[4]。此设计采用了流线型结构，减少了水面产生的阻力，提高了效率，收集能力强，且装有无线定位系统以及水深和空气检测系统，配备了大型履带式起重机垃圾收集装置，可防止垃圾中的油性等漂浮污染物扩散泄漏。MAVI-DENIZ海洋环境服务公司设计了一款清理浮游生物的双体船。该设备可在不同深度的水域中进行清理工作，采用全液压圆盘传送带和分离工具的共同配合完成作业。随着可持续发展观以及绿色发展等观念的出现，我国越来越提倡绿色设备。近年来，在国内相关研究机构和企业的共同努力下，在水面垃圾清理方面也取得较大的进步，其中有不少清洁船的技术水平较高，其中以下文所提到的水面清洁装置最具有代表性：（1）三峡清漂5号，该船为我国自主设计，由三峡集团流域管理中心倾力打造，装置如图2所示REF_Ref7023\r\h[5]。该船在漂浮物收集和转运方式上实现了多项技术创新，全船主要由打捞分料、辅助收集、双线转运及内循环冷却系统等机构组成，具备对三峡坝前漂浮物进行高效清理的能力，对电站安全运行和水库水面清洁提供了重要保障。该设备的主要特点在于其高效的垃圾转运系统，经过回转排序储存垃圾，一次操作可以清理和转运多达300m的漂浮物。此外，该设备还配备了远程水炮装置，这一创新设计使得清理工作更加便捷与高效。当遇到大片漂浮物时，远程水炮能够迅速而准确地发挥作用，有效驱散这些漂浮物，从而确保水域的清洁与整洁。图2三峡清漂5号（2）“世纪之光”是一艘拥有自主知识产权的水面垃圾清理装置，装置如图3所示。该装置的独特之处在于其电力推进船舶嵌入式控制系统，传送带及清理装置被巧妙地封装在船的中部，实现了清理功能的封闭隐藏REF_Ref7128\r\h[6]。这种设计不仅使得船体外观更加整洁美观，还能够有效防止垃圾在打捞过程中的散落和二次污染。图3世纪之光经过对国内外多种水面垃圾清理装备进行深度探究后，可以发现这些装置具有一些相同的性质：（1）大多数水面垃圾清理装置在工作灵活性方面有所欠缺。船体结构通常会占据较大水面空间，这导致设备在狭窄或复杂的水域中作业更加地困难，也提高了与周围环境碰撞的可能性。另外，这些设备的结构被设计的较为复杂，因此生产以及维护这些设备的开销会比较大，这无疑加重了使用者的经济压力。（2）柴油发动机被大多数装置作为动力源。在提供稳定的动力方面尽管柴油发动机表现良好，但其也存在着在运行过程中噪音较大和污染大气等一些缺点，若长时期置身于此环境，会对附近居民的生活质量产生非常严重的负面影响，同时也会对人们的健康产生巨大的危害。（3）许多水面垃圾清理设备都具有多元化的垃圾处理能力REF_Ref7180\r\h[7]。装置不仅能够高效地清理水面上的固体垃圾，例如树叶和塑料瓶等，它们还能够对油污等难以清理的水面顽固污染物进行清理。（4）在工作过程中一些水面垃圾清理装置常常需要操作人员亲自站在装置上进行操作。如果操作不规范或者遇到突如其来的事故，那么操作人员的自身安全将会受到极大的威胁。通过研究发现，目前对大型水域表面垃圾处理的相关研究有很多，而且技术发展的已经相对成熟，功能也比较健全，但上述设备并不能很好的对小型水域的表面垃圾进行清理。使用上述设备进行小水域水面垃圾清理还存在着的多种问题如下：（1）在小型水域中利用现有的水面垃圾清理装置进行工作，由于体积大，装置的灵活性较差，无法完成对小水域垃圾的清理工作。（2）大部分的水面清理装置都以燃油发动机作为动力源，会对小型水域造成二次污染。（3）大部分的水面清理装置操作复杂，工作人员需要经过培训后，才能上岗作业，作业成本高，前期投入大。综合分析可知，针对小型水体表面垃圾清除设备的研究相对稀少，并且多数产品在结构设计方面表现得较为复杂，现阶段国内市场对该类产品的需求量巨大。为了对我们的生态环境进行更有效的守护，对这一领域的探索我们应加大研究的深度。本文设计的装置为国内市场需求提供了有力的补足，有助于改善小型水体环境污染的问题，同时也能够提高清洁工作的效率，因此具有广泛的应用前景和价值。

2设计方案的选择鉴于小水域水深浅范围小，垃圾分布散乱且形态不规则等特征，对于清理设备的设计就有了特殊的要求。结合现有水域清理设备的优势，并深入分析其不足之处，得出了以下水域清理设备的设计要点：（1）在水中能够平稳工作，装拆要方便。（2）能够清理小水域水面中存在的各种繁杂的漂浮垃圾。（3）水面清理装置应能够进行连续高效作业。（4）为了避免造成二次污染和更好地保护环境，要求装置使用清洁能源和电机。方案一：旋转机械臂式清理机构工作原理：使用旋转机械臂进行旋转运动直接捕捉和收集水面上的垃圾，通过输送带运输到垃圾集装箱。优点：可以精准地选择和清理特定的垃圾物品，减少误捕；适合于小型固体垃圾的收集，清理效率较高REF_Ref7232\r\h[8]。如塑料瓶、树枝等；对生态环境的干扰较小，尤其是在需要避免损害水生植物的场合。具体工作流程如图4所示。图4方案一的基本流程方案二：吸入式清理机构工作原理：主要利用水基于表面张力的潮汐力原理，内核为一个圆筒，里面放置有拦网，随着圆筒的上下浮动，在水面会形成涡旋，将水面上漂浮的垃圾收集到桶内REF_Ref7271\r\h[9]。装置的底部装有一个自动吸水泵，当吸水泵将附近的水流吸入时，水面垃圾会随着水流被留在拦网内，过滤后的清水则从另外一侧的排水口排出，循环往复，以达到清理水面漂浮垃圾的效果。这种设计的优点为：清理效率高，特别适合于面积广泛、垃圾分布均匀的水域。设备操作简单，维护成本较低。可以收集细小的漂浮物质，如藻类、塑料碎片等。缺点：只能固定安装位置，清理范围有限，无法对垃圾进行准确的捕捞，容量较小，达到极限时需要频繁人工处理，清理效率较低REF_Ref7317\r\h[10]，清理小型垃圾的时候吸入式清理可能会对水下生态造成一定影响，尤其是吸入小鱼小虾等生物的风险。过滤系统需要定期清洁和更换，增加了维护工作量。基本流程如图5所示。图5方案二的基本流程经结合对比，本次设计选择方案一旋转机械臂式清理机构。

3清理装置的总体机械结构的设计首先，在三维建模软件SolidWorks对各功能部件进行详细的结构设计，然后再对这些部件在建模软件中进行装配，最后完成水面清理装置整体的机械结构设计。该装置的主要机械结构包括:推进机构、船体、清理收集机构等。水面垃圾清理装置的具体机械结构设计如图6。图6水面清理装置机械结构图3.1推进机构的设计本文设计的水面清洁装置在船体上配备了一系列机构。通过控制系统使这些机构可以相互协作，密切配合，高效地完成水面清洁任务。这些机构各有其独特的功能，但它们的共同目标都是实现水面清洁。其中，推进机构无疑是整个水面清洁装置运动的核心部件。它不仅是驱动装置前进的动力源，也是保证装置稳定航行、灵活运行的关键。在本次设计中，我们选用螺旋桨作为推进机构的具体结构，它具有结构简单、性能稳定、易于维护等优点。螺旋桨机械结构如图7所示。推进机构通过电机支架直接固定在船体上。这种设计既便于后期的维护和更换，又保证了结构的稳定性。通过电机直接带动螺旋桨旋旋转，进而带动整个装置在水面上灵活移动REF_Ref7399\r\h[11]。通过调节电机的转速，我们可以精确控制整个装置的速度。图7推进机构结构图船舶等水中运动设备最常用的动力装置是采用螺旋桨推进。一般来说螺旋桨由多个桨叶组成，随着动力源装置使主轴旋转，进而驱动桨叶，使得桨叶呈现圆周转动。其螺旋桨的工作原理如下：螺旋桨在旋转一周时，在轴向方向前进的距离称为进程，螺距P和进程hp的差称为滑脱REF_Ref7454\r\h[12]。滑脱和螺距间的比值称为滑脱比Sa，可表示为：Sa=p−v/n式中：Sap：螺距；n：螺浆转速；V：水中装置的航速；由于存在滑脱，所以在桨叶表面产生了压力，由于这个力是流体从螺旋桨前方的一点到后方的一点受力的变化，故而形成了螺旋桨推力。当螺旋桨在水中转动时其边界是受到一定的限制的，则在螺旋桨前X剖面处的压力为P0，而在后方Y剖面处的压力也会回到PT=ρAv1式中：ρ：水的密度；A：螺旋桨的投影盘面积；v1va、v由公式1和公式2可推导出，若滑脱为零，则va3.2清理收集装置的设计清理收集机构，作为水面清理装置的核心组成部分，承担着水面垃圾清理的主要工作任务，是确保整个清理过程顺利进行的关键环节。这一机构的主要功能是将分散在水面上的垃圾进行有效聚集，并将这些聚集好的垃圾安全地运送至垃圾存储区域。清理收集机构主要由固定架、聚集机构、运输机构和垃圾存储箱等主要部件组成，总体机械结构如下图8所示。图8清理收集机构结构图3.2.1固定架的设计在清理收集系统中，固定架作为核心支撑元件，承载着整个装置中的大部分关键部件。在本设计中，收集机构和输送机构直接牢固地安装在固定框架上，依靠固定框架提供的坚实支撑，确保在清理作业过程中稳定运行，不受外界因素干扰。同时，垃圾储存箱通过固定架与船体紧密配合，完成固定工作。这样的设计不仅增强了垃圾储存箱的稳定性，还有效防止了清理过程中可能出现的晃动或位移，从而保证了整个清理过程的顺利进行。考虑到固定架在装置中需要承受较大的力以及经济性等因素，所以在本设计中固定架的材料选用铝合金。通过图9，我们可以更加直观地了解固定架在清理收集装置中的重要性及其作用。图9详细展示了固定架的具体机械结构。可以看出，各部件之间能够紧密可靠地连接，保证了整个装置的安全性和稳定性。图9固定架3.2.2聚集机构的设计聚集机构在工作过程中的主要作用是把垃圾高效地从水体中分离出来，然后把垃圾搬运到运送机构中。聚集机构的机械结构设计并不复杂，但每一个部件都发挥着不可或缺的作用。它由聚集电机、电机支座、同步带、轴承支座和旋转收集机构等多个关键部件组成。其中，收集机构作为整个机构的核心，主要由收集支撑杆、轴承支座和旋转收集架构成。这些部件相互协作，共同完成了垃圾的收集与搬运工作，具体机械结构如下图10所示。其中聚集电机为聚集机构提供动力，它通过电机支座直接固定安装在固定架的内部，确保了动力的稳定传输。同步带则直接固定安装在固定架的外侧面上，通过其精准的传动作用，将聚集电机的动力传递给收集机构。收集支撑杆作为收集机构的骨架，左右两侧的前端通过轴承支座安装在固定架上，确保了整个机构的稳定性。而其后端则通过轴承支座将旋转收集架固定住。聚集电机通过同步带的传递作用带动收集杆转动，最终实现垃圾的聚集工作。图10聚集机构3.2.3运送机构的设计运送机构也是整个装置的关键组成机构之一，聚集机构在工作过程中的主要任务是把垃圾高效地输送到垃圾存储箱中，该机构主要由运送电机、电机支座、同步带、传送带和轴承支座等部件组成，其中运送电机通过电机支座被牢牢地固定在固定架的内侧，这种固定连接方式不仅避免了外界因素对电机运行的干扰，也确保了电机在工作时的稳定性。运送电机通过同步带的传递作用带动传送带转动，即当运送电机启动时，电机输出轴通过摩擦力将电机的动力传递给同步带，再由同步带驱动传送带主轴旋转，最终使传送带完成预定的旋转动作，实现垃圾的输送功能。该机构的具体机械结构如下图11所示。从中我们可以清晰地看到各部件之间的连接关系和相互作用。该机构有利于提高垃圾运输的效率，也为整个水面清理装置的运行提供了有力的支持。图11运送机构3.2.4垃圾存储箱的设计垃圾存储箱的主要作用是将收集机构从水面中聚集起来的垃圾进行安全、有效的储存，以便在清理工作完成后，能够将这些垃圾带回岸上，进行集中的环保处理。这一机构极大地方便了后续的垃圾处理工作。其主要结构有限位固定块和收集箱，通过这些部件的协同作用，使垃圾存储箱的稳定性和实用性得到保证。其中限位固定块的主要作用为固定收集箱，它与固定架紧密配合，使收集箱牢固地固定在船体上，确保了在工作过程中即使是遇到风浪，收集箱也不会移位或倾倒。当收集箱装满垃圾时，操作员可以非常轻松地将其取出。由于收集箱是由限位固定块和固定架共同固定的，因此只需松动限位块上的螺丝，便可直接垂直向上轻松地取出垃圾收集箱。这种设计不仅节省了操作时间，也进一步提高了清理的工作效率，使整个水面清理工作更加顺畅、高效。垃圾存储箱的具体机械结构如下图12所示。图12垃圾存储箱3.3船体机构的设计船体结构设计的基本思想应明确:1、船体的设计是一个需要综合考量多个因素的复杂过程，需要平衡好结构功能、船体质量、所需空间等多个因素，在尽可能地满足多方需求中得出最终方案；2、由于是针对于小型水域的垃圾清理，结构的灵活性需要重点研究，小水域的地形和水流条件往往复杂多变，这就要求船体能够在不同环境下灵活应对，以确保清理工作顺利进行；3、无论是船体的结构强度、稳定性还是操作便捷性，都必须以安全为前提。在设计过程中，我们需要严格遵守相关的安全标准和规范，确保船体在各种条件下都能保持安全稳定的状态。经过对所搜集到的相关资料进行深入地分析和研究之后，船体机械结构的最终设计如图13所示。这一船体设计考虑了实际应用中的各项需求，其在清理工作中具有的突出的表现。其主要的结构包括船底和两个同样大小的气囊，与单体船相比，该船体整体的兴波阻力得到了显著减小，有利于减少能量的消耗。船体占用的水域空间相对较小，因此可以在狭窄或复杂的水域环境中灵活作业，提高清理工作的效率。船体的承载面更宽，不容易发生侧翻等危险情况。其中船体进行挖空设计，为其他重要部件提供了安装空间，使整个设备的结构更加紧凑，也有助于进一步减轻设备的整体重量。轻巧的设计能够增强船体的可操作性，使水面垃圾收集更加容易，从而提高工作效率。图13船体3.4转向机构的设计本次设计所采用的转向系统是通过驱动电机控制两个水流推进器实现差速转向。这种转向机制在多种水下或水面无人装置（如遥控船只和潜水器）中得到应用，因为它可以提供良好的机动性和精确的控制。下面是这种机构的一些关键要点和优势：本次设计的转向机构是在设备的左右两侧各安装一个可以单独控制的水流推进器。在运行过程中，通过控制系统分别精确地控制和调节两个推进器的转动速度，通过两个推进器的速度差，进而生成所需要的不同种驱动力，从而实现设备的转向功能REF_Ref7562\r\h[13]。在作业过程中，需要执行转向操作时，控制系统会按照操作人员发出的指令分别调节两个推进器的速度。比如，当操作人员发出右转的命令时，控制系统会适当地提升左侧推进器的转动速度或者降低右侧推进器的转动速度，这样就会使得左侧推进器所产生的推进力将比右侧推进器产生的推进力大，从而让装置产生向右转的驱动力。反之，要使装置完成向右转的命令，则要使左侧推进器的转动速度下降或者使右侧推进器转动速度增大。这样的差速转向机构，对于小水域水面垃圾清理工作而言是极其适用的。该差速转向技术不仅能实现准确转向，而且可以根据实际操作需求来进行微调，从而适应各种应用场景。在进行像清洁水面垃圾的这类任务中，精准的方向调整是十分关键的。小水域水面垃圾的分布并不总是均匀的，所设计的装置应有能力灵活调整其自身的运动方向，以确保能够准确地到达并清理每一处垃圾。差速转向机构的应用恰恰是实现这一目标的关键所在。该机构能够使装置在复杂的水域环境中保持精确稳定的运动轨迹，并有效地完成垃圾的清理任务。转向机构的机械机构如图14所示。图14转向机构

4重要零部件的有限元分析和计算4.1驱动电机校核计算和选型在整个装置中，作业过程中所要完成的所有的工作动作都需要电机配合进行实现。推进装置，收集清理装置中的聚集机构和运送机构都需要通过电机驱动。考虑到推进机构、聚集机构和运输机构的操作流程，我们需要一个转速可以进行灵活调整电机，并且该电机的转速要相对稳定。鉴于户外水面清洁设备在操作时，连接电源存在相当大的问题。本次设计选择了锂电池作为动力源，它能满足设计要求，它也可以很好地提供直流电源，确保设备正常运行，因此在本次设计的装置中电机都选用直流电机。尽管利用逆变器去采用交流电机也是可行的选择，但它们会增加水面清洁设备的设计费用，而直流电机则完全能够达到这些设计标准。常见的直流电机主要分为减速电机和步进电机两大类，以下是它们的详细特性REF_Ref7611\r\h[14]:（1）减速电机在实际工业领域中，大多数电机都应用的是减速电机，它的显著优势有：通过精密的齿轮制造工艺，电机的运转速度能够被有效地限制到预定的最小水平；当减速运行时，系统可以大大提高输出的扭矩，从而使得负载能更快地完成多种任务；具有相当稳定的转速能力，并且在负载波动发生的情况下，它仍然能保持很好的转速平稳性；结构设计紧密紧凑，这使得在一个特定的空间中它可以被安装和操作；采纳优质的原材料及制造过程，确保其高度的稳定性与持久性，从而能够适应长时期的运行要求；为适应各种实际应用场合的需求，减速电机可以根据需要，对其减速比、转速以及扭矩等关键参数进行个性化定制。其中DC减速电机，利用齿轮箱，能够很好地完成无级调速，且低速性能表现出色，转矩和转速也能够实现很好地控制。（2）步进电机步进电机在各个领域有广泛应用，其输出转角的大小严格与输入脉冲数相匹配，这也使得它可以进行准确的位置控制，尤其适合用于需要精确控制位移的系统REF_Ref7647\r\h[15]。步进电机拥有出色的启动和终止性能，并且拥有良好的反转响应，这使其成为需要频繁调整其动作状态的应用场景中的理想选择。因没有电刷，所以具备较高的可靠性，并且故障率相对较少，寿命长。然而步进电机也存在其不足，例如，若控制不恰当，它容易发生失步现象，即实际转动的步数不等于理论上的步数，这样有可能会导致定位的准确性受到影响；步进电机在高速下工作可能会有约束，使其难以实现非常高的转速；就尺寸和重量而言，它没有任何优越性；当步进电机在高速运行或负载增大的场合中工作时，它很可能产生明显的振动和噪音。从上述的分析可以看出，尽管步进电机有许多优势，但其特点并不适用于本次装置的设计需要。因为本次设计中只需要能够很好地控制转速即可。减速电机的减速箱可以很好地实现减速增矩，能够满足设计要求，也可以实现无极变速并且控制筒单。故本次设计选择DC减速电机。水面垃圾清理所面对的常见垃圾类型一般为小型固体垃圾。絮状物飘浮垃圾（垃圾混合物）等，这些垃圾有体积小，分散的特点，比如塑料瓶、泡沫，塑料袋等。这些垃圾的单体重量大约在50g到100g之间，絮状物垃圾的密度更高，重量更大，常见絮状物垃圾经过查询资料得知，在滤水后其密度一般0.4到0.6t/m3，在这里取密度为0.5t/m3。假设在收集时絮状物垃圾可以铺满整个传送带，根据以下公式可以计算出传送带最大的垃圾清理质量应为:M=p∙s∙h式中：——质量,单位是千克(kg)；P——絮状物垃圾滤水后其密度，一般0.4到0.6t/m3，本次取0.5；s——传送带承载垃圾面积,单位为平方米(m2)；0.14；h——垃圾厚度，一般为0.08-0.12m，本次取0.12；经计算的得出：M=8.4kg，最大垃圾负载为8.4千克。电机所需扭矩：LK=fK式中：——扭矩；fK——垃圾重力，82.32NL——同步轮的半径，0.0195m；计算得所需电机扭矩至少为:=1.60525Nm；因此选择一款GW31ZY-12GN直流减速电机，扭矩是2Nm，能够满足本次设计要求。4.2推进器的计算和选型装置运动阻力主要偶摩擦阻力和粘滞阻力，总阻力为:Rt=Rf=SRpv=SρCf=摩擦阻力系数∶Rf——摩擦阻力(N)Cpv——粘滞阻力系数Cf——摩擦阻力系数p——水密度；v——装置航速；Led——船体水线长，取0.56mγ——水的运动粘性系数；S——装置湿面积；计算得：Rt=12.5N，图15R6493-12GU直流减速电机4.3动力源的计算和选型在水面上进行作业是本装置的主要工作环境，主要工作是对水的表层垃圾进行清理，在选择电源时，不能对环境造成二次污染。目前，市面上的许多小型的水面垃圾清理装置多为燃油型设备，其工作过程中产生的废气、噪声会对环境造成进一步的污染，影响人们的健康生活，因此本次设计要选用清洁能源来完成装置的作业工作。常见的清洁能源包括以下三种类型：（1）太阳能电池板电源太阳能电板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置REF_Ref7699\r\h[16]，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，绿色环保，有利于对环境的保护，但太阳能电池板的生产成本相比于其他电源来说相对较高。（2）动力储能电池电源动力储能电池是一种将化学能转化为电能的装置REF_Ref7755\r\h[17]REF_Ref19521\r\h。在充电时，外部电源提供的电能通过化学反应转化为化学能储存在电池内部；而在放电时，这些储存的化学能则再次通过化学反应转化为电能输出，以供设备使用。整个过程中，正负极材料、电解质和隔膜等组件协同工作，确保电能的高效转换与稳定输出。但随着我国近些年来对新能源技术的不断大力发展，锂电池凭借着其出色的储能能力和便捷的充电方式，逐渐被当做新能源电池的首选。常用的锂电池具有同容量下质量相对较轻、使用寿命相对较长、能够实现快速充电且具有低自放电率等显著优势。近些年，我国工业化的规模不断扩大，生产技术水平也日益稳固，锂电池的制造成本在不断降低。因此，现在许多以前使用铅酸电池作为动力源的装置，现在已经逐渐被用锂电池所替代。（3）交流电源通过电线直接将家用220V电压或者工业用380V电压传输到工作电机，为电机提供能量，使电机进行运转，进而完成工作目标。在所列举的以上能源中，通过综合对比发现，太阳能电池板确实是非常环保的一种清洁能源。然而，它也伴随着高昂的生产制造成本、较低的光电转换效率以及在户外工作时天气的不稳定性等问题。交流电源要依靠电缆线来进行能源传输，而在室外水域进行作业，使用电缆带来的不便是非常显著的。在动力蓄电池领域，铅酸电池有较大的重量、长时间的充电需求以及较大的体积等不利方面。锂电池作为新的能源形式，在相同的容量下，具有更轻便的重量、更小巧的大小、更短的充电时长以及不具备记忆功能的优势，能够实现随时进行充电放电。此外，这种新型能源锂电池受到了国家的高度重视。近年来，我国锂电产业得到了飞速发展，并在技术层面不断突破各种问题，使得锂电池的稳定性得到增强。目前市场上以三元锂电池为主流，所以本次设计的动力源选择三元锂电池。整个机器总功率：W=式中：——机器总负载功率;——驱动电机功率;——水流推进器功率;——控制系统其他电气元件总功率;计算得机器总负载功率为31.8W。根据本次设计所选用电机的功率之和，故本次设计选择24V150ah防水三元锂电池作为本装置的电源，该电池的容量为G=960Wh，且具有定位功能，可以准确地记录清理船行走轨迹。机器最大运行时间：t=计算得机器最大运行时间为30h，考虑到锂电池会因为过度放电而导致损坏，所以在一般使用时，锂电池的电量最低应该保持到20%~30%之间，我们选择剩余30%的电量，可以直接对使用时间进行计算，那么实际使用时间约为t=30h×0.7=21h，小型水面垃圾清理装置在只依靠电池提供动力时可连续工作时间的21小时。4.4收集机构的有限元分析如上文所述，收集机构采用了独特的悬臂梁结构设计，主要通过收集支撑杆承受整个旋转收集架和轴承支座的重量，具体结构如图16所示。我们对收集支撑杆进行了严格的有限元仿真校核，首先是检验收集支撑杆能否承受住整个重量；研究了支撑杆的变形情况，通过模拟计算，我们分析了支撑杆在工作过程中可能产生的变形量，并评估了这种变形是否会对收集机构的正常功能造成影响。图16收集机构（1）有限元分析模型建立为了减少有限元分析的计算量，我们需要在确保分析结果准确性的前提下，对前期通过SolidWorks构建的收集支撑杆的三维模型进行必要的简化。具体来说，就是需要识别并移除那些对分析结果几乎无影响的细节部件，如螺栓、电机和螺纹孔等。从上图结构可以看出，收集机构的设计为左右对称的结构特点，故在建立有限元模型时，我们可以只考虑一侧的收集支撑杆，而无需对整个机构进行建模。这种处理方式进一步减少了计算量，也能够有效的降低分析的难度。将简化后的收集支撑杆的三维模型导入到ABAQUS中。根据收集机构的实际情况，为每个零部件设置相应的材料属性。其中，旋转收集架采用GB7075-T6，收集支撑杆采用不锈钢304。材料属性如表1所示。表1材料属性材料名称密度/(kg.m-3)弹性模量/(MPa)屈服强度(MPa)拉伸强度/(MPa)泊松比GB7075T62810710004555240.33不锈钢30479301940202055200.3有限元分析中十分重要的一个环节就是划分网格，它是后期分析计算的一个重要的基础，网格划分的疏密将直接影响着有限元的求解的时间和分析的准确性。将简化后的收集支撑杆的模型导入ABAQUS中并进行网格划分，得到的有限元模型。（2）边界和载荷收集支撑杆与小径一端进行固定约束，中间支撑块以缓解支撑杆受力集中的情况，在另一端施加一个集中力；将收集旋转架和轴承支座在Solidworks中赋予材料属性进行测量可以得到整体重力为200N，为收集支撑杆所受到的载荷。本模型为一个零部件不涉及接触属性。（3）分析计算结果在结构施加载荷和约束之后，通过ABAQUS的通用分析模块ABAQUS/Standard进行计算求解得到图17所示收集支撑杆在上述工况的应力云图和图18所示的变形云图。图17应力云图图18变形云图由图17应力云图可以看出最大应力为97.50MPa，发生在支撑架的端部，因为该机构所采用的的材料为不锈钢304，经查阅资料可知材料的屈服强度为205MPa。本次设计取安全系数为2，计算得材料的许用应力为102.50MPa，通过比较可知最大应力小于材料的许用应力，故该机构的强度满足设计要求。由图18位移变形图可得，最大位移变形为1.090mm，位于收集支撑杆的最远端，满足设计要求。

5结论本文以高效地完成对小水域水面固体垃圾清理为研究目的，专门设计了一款针对于小型水域的垃圾清理设备。该设备主要由船体、推进机构、清理收集机构等主要部分组成。本设计操作简单，结构稳定，工作可靠，可以实现对水面固体垃圾的准确清理，也进一步提高了对水面垃圾清理的效率，操作人员的安全也得到了有效保证。面对小型水域的特点，我们必须深度研究其水深浅、面积有限以及垃圾分散和形状不固定等多种影响因素。考虑到这一点，本文从市场上现有的水面垃圾清除装置中吸取了大量的有益经验，并深入探讨了在实际操作过程中设备可能出现的各种问题。基于这些深入的分析，本文明确了小型水域清洗设备的设计标准，并努力在确保高效率清洁的前提下，去适应各种复杂的水域条件。在设计过程中，本文采用了从点到面、从局部到整体的系统性设计方法。首要任务是对船体的结构类型进行了细致的规划和设计，以确保船体能在浅水区域内稳固地航行，同时也能灵活适应其他复杂的水域环境。然后，对推进系统进行了深入的设计，确保其除了提供充足的驱动力，也能降低能量使用并增强工作效率。清理收集机构是该系统的核心组成部分，在本研究中，我们投入了大量的心血和关注来完成其设计工作。经过周密的规划和设计，我们成功地设计出了一个能有效收集散乱垃圾并且不会对生态系统带来第二次污染的综合收集装置。另外，本文还特别对动力源进行了研究，经过对市场上众多类型电机的比较，最终筛选出了既满足设计标准又高效实用的动力源。为了确保水面清理装置结构设计的可靠性，本文特别对清理收集机构中的关键部件进行了有限元法分析。采用这一方法，我们有能力能够准确地了解这些部件在承受各种力作用下的变形和应力分布情况，进而能够及时发现并解决可能存在的结构性问题。最终，成功设计出了一个适应小型水域，运行效率高并可靠水面垃圾清理设备。这一设计不仅为水域环境的保护提供了有力支持，也为未来水面清理技术的发展奠定了坚实基础。5.1创新点（1）增强了工作效率，聚集机构的设计使装置的收集效率大大提高，活动式的存储箱的设计，方便人工拆卸。（2）提高了设