【《一款全自动垃圾清扫船的结构设计》17000字（论文）】

页共38页1绪论1.1选题背景随着我国市场经济的蓬勃发展，人们的物质生活水平迈上了一个全新的台阶。但同时也引发了一些问题，其中司空见惯的就是我们生活的环境被破坏，身边到此可见的是各种污染物，它们大多来自于不可降解的塑料制品的大量使用和城市与工业体系的迅速发展。其中，河流、长江、大型湖泊和小型水库等水域的水面垃圾污染让我们如坐针毡，随处可见的垃圾进一步降低了人们生活的幸福指数。尤其是公园人工湖等人流量特别大的地方，有意或无意丢弃的垃圾数不胜数，对湖面本身的生态环境和周边人们的正常生活带来了不太好的影响，特别是某些自来水厂从湖中取水，进一步加大了取水时的难度，给正常的取水工作带来了很大的麻烦。改善公园湖面的生态环境，是政府和相关工作人员的责任，也是我们每个人的责任。我们可以通过提高国民素质的方式减少垃圾乱丢的行为，但是已经造成的水体垃圾污染需要尽可能清理干净。正是因为有了这种需要，水面垃圾清扫船的产生发展成为了必然。水面垃圾清扫船是环境治理作业船的一种，是在水域环境中进行水面污染治理的各种专用船只的总称。目前，国内外垃圾清扫船的发展势头迅猛。不论是发展中国家还是发达国家都积极开展垃圾清扫船的设计和开发，以满足本地区垃圾清理的实际需要。对很多国家来说，特别是发展中国家，垃圾清扫船是非常重要的“河道清洁夫”，对发展中国家建立环境友好型社会意义重大。现在我们需要开发一种新型的全自动公园垃圾清扫船，解决公园湖面或者一些特殊水域的垃圾清扫工作，代替人从事垃圾清扫强度大的工作。过多的水面垃圾和多种形式的水面垃圾清理难度大，垃圾清扫船可以进一步提高垃圾清扫的效率，美化环境，保护环境。但是，在最开始的时候，水面垃圾的清扫都是依靠半舱式或甲板机动驳船进行人工打捞，使用网袋、钳子等工具对水面的垃圾进行逐一清理。从某种程度上来说，这种打捞的方式清理比较干净，却也面临着效率低下、劳动强度大、工作环境恶劣、受天气影响大和存在安全隐患等问题。于是，水面垃圾清扫船应运而生。目前，市场上有很多垃圾清扫船致力于解决水体垃圾污染问题,针对河流、长江、大型湖泊和小型水库等水域的固体废弃物进行清理,如:食品包装袋、塑料瓶、生活垃圾、其他易漂浮的水面垃圾。然而，大多数的垃圾清扫船都是依靠人来操作，属于半自动垃圾清扫船。但从目前科技发展的现状来看，全自动和无人化是未来一个大的趋势。故本次课题的全自动公园湖面垃圾清扫船有着非常重要的现实意义。水面清扫船的产生发展与水环境的破坏和垃圾随意丢弃等情况密不可分，对发展中国家而言，以牺牲环境为代价换取高速的经济发展屡见不鲜，慢慢走上了西方国家先污染再治理的老路。因此，我国乃至所有发展中国家去研制水面清扫船已经可以说是迫在眉睫。针对冶理环境的需要，我们现在研究的水面垃圾清扫船对各个国家的水体污染清理工作的开展有着深远的意义。表1-1用于国内清扫船的主要清扫设备

1.2发展历程1.2.1人工垃圾清扫船打捞漂浮物在最初的时候是网兜和较长的钳子,依靠人工用带有长握柄的网兜将水面垃圾打捞上来,装进收集篮中，装满后再将收集篮送回岸边。据统计,一条人工船每天能打捞漂浮垃圾约0.5t/d。人工打捞劳动强度极大，长期工作后人会疲劳，还可能导致垃圾清理不彻底和出现安全隐患等问题。图1-1人工清扫船清理垃圾1.2.2斗式漂浮物清扫船国内最早的机械化清扫船是1984年9月研制的斗式漂浮物清扫船,采用翻斗对水面的垃圾进行打捞、转移和储存。该船采用双体船的设计方案,总长22.0m,水线长20.0m,型宽7.20m,型深2.40m,吃水1.40m,排水量64t,航速13km/h。从动力方面来说，使用了双螺旋桨推动的方式，垃圾的转移和打捞都是使用了液压装置，提高了垃圾转移时的稳定性。斗分为抓斗和翻斗两种作业的方式，但目前仅剩下翻斗式的作业方式还在使用，主要为小型清扫船,其特点是造价便宜、使用灵活方便,可以打捞部分水面垃圾。这种垃圾清扫船在一定程度上降低了打捞工人的工作强度，但由于其体积大、吃水深，在一些小湖和浅水区域无法正常打捞垃圾。再加上其航速慢、排水量大、不够灵活，工作的效率也不是特别高。图1-2斗式漂浮物清扫船清理垃圾1.2.3自流式漂浮物清扫船自流式漂浮物清扫船又称机动聚集筏,是在船上设置垃圾收集箱进行机械化打捞作业的一种船只。1997年10月研制的“沪环机扫一号”是用于苏州河的小型清扫船,采用不对称片体双体船型,依靠船体的向前运动使水面垃圾自动流入垃圾收集箱内,因收集箱能自由提升而取名为自流提升式清扫船。该船为不对称片体双体船型,总长14.4m;水线长14.0m,型宽5.0m,型深1.40m,吃水1.0m,排水量24t,航速13km/h。该船的研制过程中解决了新船型设计开发、动力推进、冷却方式、收集箱提升等4个技术难题,实现了垃圾收集、转运和存储的完整作业流程,由人工劳作向着机械化方向发展，它的垃圾清扫效率是人工打捞垃圾作业的6倍以上,还大大降低了劳动的强度。自流式清扫船采用不对称片体双体船设计方案，克服了多个难题，提高了漂浮物的打捞效率。相比的前面的两种船体来说，有了非常大的进步和改进。在外形方面，明显缩小了整个船体的尺寸，在一定程度上来说实现了船体的轻量化，增加船在工作时的灵活性和实用性。就操作来看，并不是特别复杂，对于驾驶和操作的工人来说，要求不是特别高，容易上手。然而，它也存在着一些有待解决的问题。双体单推使得船的航速比较慢，工作时的效率不是特别高。由于航速并没有多大的提高和整个清理过程还需要人工协助，仍然需要不断地改进。图1-3自流式漂浮物清扫船清理垃圾1.2.4传送带式漂浮物清扫船2006年研制的三峡坝区300立方米综合式漂浮物清扫船是目前国内最大型、设备最完整的传送带式漂浮物清扫船,清扫能力600立方米/天。该船推进系统采用2台MWM和Rolls-Royce公司组成的可翻式Z字型推进装置。该船清扫机械由6个子系统组成,分别为:①清漂装置子系统。由3条金属网格式传送带组成,用于收集清扫垃圾。②侧向输出子系统。③推漂装置子系统。由金属框架、液压系统等组成,用于推漂。④水炮冲洗子系统。由水炮等组成,用于垃圾冲洗。⑤起重机子系统。用于清除大型漂浮物。⑥扒漂长臂子系统。该船为不对称片体双体船型,总长49m;水线长48.0m,型宽15m,型深3.50m,吃水2.20m,排水量700t,航速18km/h。传送带式的垃圾清扫船在整个实际的工作过程中的表现还是非常不错的。该船每天能够清理的垃圾量非常大，这得益于船体在航速和结构尺寸方面有了非常大的提高。因此，船体的工作效率也是非常高，船体的控制基本上达到了半自动化的水平，减轻了工作工作压力和劳动强度。但是，它的缺点非常明显，也是智能化无人清扫船需要解决的问题。船体过大的体积对水域的要求很高，有着比较大的局限性。该船无法在小水域和浅水域正常工作，船体吃水深，容易在浅水域搁浅。另外，船体的传送带是单边布置，对船体的平衡性有了一定的影响。这样一来，这个设备在使用过程中的安全性也是有着比较大的考验。随着科技的不断进步，无人化和全自动操作成为了一种趋势，也是各国设计的主要方向。一种全自动的水面垃圾清扫船成为了政府和相关部门翘首以盼的水面漂浮物清扫装备。图1-4传送带式漂浮物清扫船清理垃圾1.2.5自动化垃圾清扫船随着互联网和远程控制技术成熟，垃圾清扫船的自动化水平也在逐步提高，向着轻量化和无人化的方向发展。现如今市场上已经出现某些占用空间小，无人操作，能实施定位的新型水上垃圾清扫装备。整套系统综合应用飞控、数传、图传等技术，具有二维运动、实时定位，无线传输和远程遥控等功能，可应用于内河道漂浮垃圾的清洁，操作人员可以远程监控垃圾与清理船之间的相互位置距离，遥控船只进行运动捕获垃圾。同时，船只还可以自动汇报当前位置，并在处于危险状态时发出声报警信号。垃圾清扫船目前是朝着智能化的方向发展，为湖面和特殊水域的清理提供了便利和可能。目前在垃圾清扫船的市场中，各种新型水面垃圾清扫船也在如火如荼地研发当中，特殊工作环境的垃圾清扫工作最后还是会被无人化的小型自动化清扫船代替，优势也是非常明显。随着一步步的迭代和升级，很多新的功能被加入到船体的设计当中，比如某些自动化船可以根据环境中风向的变化改变垃圾收集的路线，利用风力来减少电能的消耗，还有的船采用了太阳能电池板进行辅助发电，在天气晴朗的时候可以实现电能的自给自足，不需要外接电源进行供电，大大增加了船体的续航，为船体长时间工作提供了可能。这些创新型的设计方案不断优化了全自动垃圾清扫船的结构和功能，使得垃圾清扫船有着非常高的实用性，在各个水域环境中都有着很强的适应性，有着比较强的生命力。当然，物极必反，太多的功能会导致船体设计制造成本飙升，我们还要在这些功能中进行合理的取舍。

图1-5自动化垃圾清扫船1.3各种清扫船的优缺点比较1.3.1各种垃圾清扫船的基本参数表1-2常见几种垃圾清扫船的性能参数通过对上述的四种不同工作原理的船的参数进行分析，它们各有优缺点。人工垃圾打捞船灵活性高，制作简单，成本低廉，但是其劳动强度大、工作环境恶劣；斗式漂浮物清扫船造价便宜、使用方便,能少量打捞各种漂浮垃圾，在一定程度上降低了打捞工人的工作强度，然而这种船体积大、吃水深，在一些小湖和浅水区域无法正常打捞垃圾。再加上其航速慢、排水量大、不够灵活，工作的效率也不是特别高；自流式清扫船采用双体设计，克服了多个难题，提高了漂浮物的打捞效率，但航速并没有多大的提高，整个清理过程还需要人工协助，清扫成本相对较高；传送带式漂浮物清扫船排水量大，航速相对较高，垃圾清扫能力强、效率高，但是其制造复杂、成本高且自动化程度不够高。正是因为前面几种船有一些问题尚未解决，我的课题研究针对这些问题，计划设计出一款水面垃圾全自动清扫船：它的体积小，运动灵活、制造成本不高、工作效率高，能实现完全自动化和电脑远程控制。全自动垃圾清扫船致力于解决水体垃圾污染问题,针对河流、长江、大型湖泊和小型水库等水域的固体废弃物进行清理,如:食品包装袋、塑料瓶、生活垃圾、其他易漂浮的水面垃圾。它可以自动将水上漂浮的垃圾从水面打捞后直接装运或者经压缩后装运到垃圾处理厂进行处理。我开发设计的双体全自动水上垃圾清扫船作为公园湖面和特殊水域垃圾清扫的“排头兵”,主要适用于人工湖面水域及特殊水域收集水面垃圾。并且，也满足了水生植物高发时期进行打捞清理的需要。同时,它能将收集到的垃圾自动卸载至岸边专门用于垃圾收集和转运的其他配套设备上。通过对清扫船发展历史及现状进行系统梳理和研究以后发现，可以将清扫船分为斗式、自流式和传送带式,按照作业模式分为前收进入、前收前卸、前收后卸、前收侧卸4种装卸模式。每种船的结构不同，功能和特点也有所差异。目前，我们需要的是一种节能环保、操作灵活、全自动的公园湖面垃圾清扫船，在狭小的水域工作空间里也可以很好地完成清扫垃圾的工作。并且，设计的垃圾清扫船工作效率要高，省时省力，节省人工成本。

表1-3清扫船和一般船体的不同之处

1.4本章小结本章主要是对垃圾清扫船的产生背景、社会环境的实际情况进行分析，找到现在水面垃圾收集的痛点，对症下药。在满足人们对垃圾清扫船的各种要求的前提下，结合目前社会发展中的新技术，设计出一款全自动垃圾清扫船，节省人力物力，减轻工人的劳动负担。但是，垃圾清扫船并不是近期才出现的“新鲜事物”，早在上个世纪60年代，各国的船舶机械研发人员就已经开始了紧锣密鼓的设计和研发之旅。经过六十余年的开发，已经发展到了无人化和轻量化的水平，却依旧有很多需要完善的地方，使用的范围还是不能适用于比较特殊的水域，需要在这块继续加大开发的力度。通过对以往的垃圾清扫船进行分析和对比，找到各个船的优点和不足，取长补短来完善和优化新船。现在市场上的很多船体也为我的开发和设计提供了思路。

2全自动水面垃圾清扫船本次设计的船体如下图2-1、图2-2和图2-3所示，采用的是SolidWorks2015进行建模。图2-1全自动水面垃圾清扫船（主视图）

图2-2全自动水面垃圾清扫船（侧视图）

图2-3全自动水面垃圾清扫船（俯视图）船体一共分为四个部分：船体、控制装置、垃圾收集装置、垃圾转移装置。其中船体包括具体船型的选择、船体空间布局和推动方式、阻力和稳定性分析。控制装置主要有单片机、GPS定位模块、各种传感器、电机驱动模块。垃圾收集装置垃圾引导装置、兼顾滤水功能的垃圾收集箱和带动收集箱上下移动的丝杠螺母组合。垃圾转移装置包括垃圾传送带和船体连接杆。2.1船体的设计本课题的垃圾清扫船采用双体船的设计方式。在同等吨位下,双体船相比于单体船来说，优势显而易见。它具备更大的甲板面积和更好的稳性,适用于对甲板面积具有一定要求的船体设计。双体船作为一种较为新型的船型,其相对传统的单体船而言，甲板的面积大大增加，增大了有效的作业空间和有利于设备的安装和调试。除此以外，由于双体船是左右对称的结构，在运行时的平稳性非常好，哪怕是船体的重心比较高时，也不容易发生翻船的严重事故。在水中运动时，双体船的船底设计减小了摩擦的阻力，节省了能量，提高了速度。随着材料科学的进步，铝合金的大量使用减轻了船体的数量，增加了船体的结构强度。在船体结构生产设计中，必须要确保船体结构在满足安全性的基础上,实现对船体结构的合理设计。可以说，安全性是保障船只顺利航行的前提,其能够确保船员的生命不会受到威胁。而船体结构的合理性，则能够提高船只的使用性能，使船只操作更加省力、便捷,从而延长船只的使用寿命。图2-4船体（前）

图2-5船体（俯视）图2-6船体（侧视）在船体结构的生产设计中,必须要在确保其安全性的基础上对船体结构进行设计。安全性与合理性是相辅相成的，对船体结构的安全性与合理性进行充分考虑后再进行生产设计,对于提高与优化工作质量有着十分重要的作用。因此，以铝合金材料为主加工出的双体船越来越多地出现在人们生产和生活当中。由于双体船自身的结构特点,能够在不增加船体重量的前提下扩大垃圾存储的空间和甲板的面积，为清扫船后期的清理提供了空间。除了考虑船体本身的情况，我们还应对船在作业过程中遇到的特殊情况进行合理分析并找出解决办法，根据实际情况来进行生产设计。可以说，对船体结构的生产设计是需要从多个方面来进行经验总结的，只有经过缜密的思考与计算,才能保证船体结构设计的合理性。除此之外，材料的实际性能在船体结构的生产设计中也是非常重要的，其直接关系到整个船体结构的安全性与合理性,设计人员不仅要对船体的装载条件进行分析,还要考虑到人员与货物的影响,并针对生产设计过程中的结算成本问题提出相应的改进技术,寻找安全性与经济性的最佳契合点，严格按照经济性、安全性、合理性、环保性等原则来正确选用材料。之前设计的清扫船当中，用于引导垃圾进入收集箱的挡板太小，工作半径太小，垃圾清理的效率亟待提高。除此以外，船体在倒车或者转弯的时候可能会把原本已经装入收集箱的垃圾倒出来，增加了不必要的劳动，降低了劳动的效率。因此，本课题船体的设计在原先的基础上加大了挡板的尺寸，并在挡板的前端增加了一个可以自由旋转的滚轮，滚轮上布置有等间距的细长薄板。在电动机的带动下，滚筒旋转并将其周围的垃圾全部引导进船的收集箱中。通过滚筒旋转方向的设计，使得垃圾只能单向进入垃圾收集箱而不至于倒出，提高了作业的效率。垃圾清扫船发展历史悠久，从一开始的庞然大物到如今的玲珑小巧，在结构尺寸上做出了较大的改进和优化，但机械结构相对来时还是比较复杂，发生故障的概率高，后期维护的成本大。同时，由于其体积的限制，很多小型水域都没法正常收集垃圾，垃圾收集的操作难度大。为了使这个问题得到圆满的解决，本课题设计的垃圾清扫船将机构简化，取消了复杂的翻转式垃圾收集结构，采用齿轮齿条机构，将收集箱和回转箱合二为一，减轻了整个装置的重量，降低了机械设备的磨损率和故障率。通过和之前设计的翻斗式垃圾清扫船对比，我发现它们的垃圾转运流程大致是：湖面垃圾→垃圾收集箱→垃圾中转箱→垃圾储存箱。整个转运流程线较长，还会造成垃圾掉入存储箱以外的问题，需要二次处理，降低了工作效率。针对这一突出问题，本课题设计的垃圾清扫船是将收集好的垃圾收集箱移到甲板上，打开前后两侧的门和存储箱的门，然后采用以步进电机推动的挡板将垃圾从收集箱转移至存储箱，最后关门。这种转移方式减少了冗长的转运流程，反应速度快，简单方便易操作。然而，在后期实际操作的过程当中，发现这种设计还是存在一定的弊端，关于垃圾存储箱和收集箱的门如何开关问题始终没有得到很好的解决。因此，将原先的设计结构又改为了垃圾收集箱上下移动和短传送带相结合的方式，从而解决了垃圾收集多了以后存储箱门的开关问题。2.2清扫船控制部件、动力和电源系统的设计2.2.1船体控制系统和部件的设计船体的控制系统如下图2-7所示，图2-7控制系统图该控制系统以单片机作为核心，将传感器输入的信号进行处理，再输出控制各个电机的运转，从而控制整个船体。其工作原理是：首先将作业区域的地图信息输入单片机系统，通过GPS导航模块获得位置信息进行定位。确定了实时的位置以后，再用电子指南针模块确定方向，假想工作的水面作为一个二维平面，船的移动就是平面坐标系下点的移动，以初始位置点作为坐标原点。然后以垃圾所在位置作为目标点，单片机生成一条到达目标点的最短路径。最后单片机通过电机驱动模块使船体按照预定的路径移动到目标点处收集垃圾。2.2.2动力设计现在市面上绝大多数的垃圾清扫船都是采用发动机直接驱动螺旋桨的方式来推动船体，主要是因为这些船体大而笨重，不适合采用其他的动力方式。然而，发动机驱动的弊端也十分明显。首先是污染环境，汽油或者柴油的燃烧产生一些有害有毒气体和PM2.5。其次是占用较多的船体空间，发动机和传动系统体积庞大。最后是重量大，加重了船体的重量，不合理的布置还可能导致船体不平衡。因此，本次清扫船采用推进电机传动的方式，船体本身的尺寸和重量都不大，电机的功率也能保证船体在水中正常移动。同时，为了保证船体在收集垃圾以后的平衡问题（收集垃圾以后船体后半部分较沉）而取消了船舵，该为船尾双电机布置的差动控制方式，实现船体的前进后退（两电机转速相同）和转弯（两电机转速不同）。船体的运动更加灵活，操作更加方便。

图2-8动力装置2.2.3电源系统的设计由于本次设计采用的是铅蓄电池和太阳能电池板共同供电的方式，通过分压模块将电压分为5V和48V，5V是给单片机供电，48V是给各电机供电。2.3本章小结本章主要是针对垃圾清扫船的主要部件（船体和其他）进行初步处理，得到基本的设计方案，便于后期再进行优化和改良。船体作为整个清扫船最大也是最复杂的零部件，需要考虑的因素很多，包括大小的设计，其他零部件的安装位置、大小开孔情况和船体动力等，都是在设计船体时必须考虑的要素。特别是初期船体设计不合理的时候，就经常会出现船体和其他零部件装配不上或者出现干涉的情况，如果是可以改零件就一定会该零件，因为船体的修改可以说是牵一发而动全身，很多其他的零部件也需要修改。因此，除非在零件实在没有办法修改的情况下才会修改船体。当然，本章还对船的控制系统、动力系统和电源进行了设计。毕竟这次设计的船体要实现全自动化和智能化，控制部件和电源供应也是非常重要。

3垃圾收集装置3.1垃圾收集装置设计3.1.1整体方案的拟定和优化1.整体方案在前面的绪论和船体设计的时候也有提过，垃圾清扫船需要有轻巧灵活、范围范围广，效率高等特点，而现有的垃圾清扫船尚未解决这些问题。斗式漂浮物清扫船体积大、吃水深，在一些小湖和浅水区域无法正常打捞垃圾。再加上其航速慢、排水量大、不够灵活，工作的效率也不是特别高。斗式垃圾清扫船的垃圾收集装置是一个铲斗，铲斗满了以后就需要转移垃圾，不能实现连续稳定的工作。除此以外，前段时间使用较多的传送带式垃圾清扫船中，传送带占有的空间太大，机构间不够紧凑，垃圾储存和其他装置的空间被迫压缩，这个船体大而笨重，使用的范围很小。针对这类问题，本课题设计的垃圾清扫装置为提升式带孔箱。垃圾收集箱的传动方式为丝杠螺母传动，传动位置准确，移动速度快，冲击和震动小，稳定可靠。针对于水下和其他比较恶劣的工作环境，适应性良好，后期维护和保养方便。收集装置的初步方案如图3-1所示，图3-1垃圾收集箱和丝杠组合2.创新点如图3-1所示的垃圾收集装置和其他翻斗式、传送带式的垃圾收集装置相比，有如下的创新点。第一，翻斗式垃圾清扫船在翻转时机构承受的动载荷很大，容易产生较大的震动，加速了各部件的磨损速度，降低了整个机构的使用寿面，增加了后期维护和保养的成本。针对这一问题，本机构采用丝杠螺母组合的方式带动垃圾箱实现上下移动，整个过程非常平稳，动载荷很小。丝杠螺母的组合除了可以轻松快速地实现垃圾收集箱的上下移动，将垃圾箱从水下升上来进行垃圾转移外，还能够实现自锁，丝杠不动或者电机出现故障时，收集箱会停在原处不动，避免了某些意外和危险的发生，安全系数高。翻斗式的垃圾收集装置结构复杂，后期维修难度大，费用高。上下移动的垃圾收集箱大大简化的机构，减轻了机构和船体的重量，时船在运行的时候更加灵活。另外，垃圾收集箱的四周和下侧都是有孔的，垃圾在上升离开水面以后，夹杂在其中的水会从箱体的孔中流到水里减轻了垃圾的重量，避免了非垃圾的物质占用垃圾存储的体积。第二，与其他翻斗式垃圾收集装置不同，本课题设计的垃圾收集装置加装了防倒流装置，如下图3-2所示，避免了船体在倒车或者转弯时速度过快导致的垃圾倒出问题。船在收集垃圾的时候，无可避免地需要倒车和转弯，此时已经通过挡板的引导进入收集箱的垃圾会受到水流的作用而漂到收集箱以外甚至是挡板外侧（船体移动的速度不同而有所差异），必须进行二次处理才能将这部分垃圾处理掉，使得工作的效率偏低。而垃圾防倒流装置的设计就是针对这一问题作出的解决方案。如下图所示，挡板上加装了两个滚轮，滚轮在电机的带动下转动。左侧的滚轮顺时针转动，右侧的滚轮逆时针转动，它们的转速相同，垃圾从两个滚轮之间的位置进入两挡板的中间区域，最后进入垃圾收集箱。倘若此时船体在倒车，垃圾也不会因为惯性和水流的作用移出收集箱。同时，它还有一个优点，就是长大了单次行程下，船体收集垃圾的范围（在滚轮半径范围内的垃圾理论上都可以直接收集到两挡板的中间区域）扩大了。总的来说，就是提高了船工作的效率。

图3-2滚轮工作示意图3.收集箱的校核收集箱在工作时主要是上下运送垃圾。通过查阅相关的资料可知，一般湖面湿垃圾的密度在0.7-0.8吨/立方米，我们取0.8吨/立方米进行计算。垃圾收集箱的容积：其中a、b、h为垃圾收集箱内部的的长宽高，将,,带入式中，计算得自重：收集箱在满载垃圾时的总重量为： （3.1）其中，，代入公式（3.1）解得收集箱的结构稳定，可以承受这么大的载荷。3.1.2主轴的设计轴的实际包括轴的结构设计和轴的校核，轴的计算包括轴的强度计算、轴的刚度计算和轴的临界转速计算。轴的设计原则是在满足结构性能要求和强度、刚度要求的情况下，设计出尺寸小、重量轻、安全可靠、工艺上经济合理和又便于维护的轴。1.轴的结构设计根据零件结构的实际需求，设计了如图3-3所示的轴，图3-3连接轴2.轴的强度校核根据前面的分析计算和图可知，一共有三根滚轮轴，等距分布在传送带架子上，主要就是上面最靠近垃圾存储箱的滚轮轴要和电机连接所以相比于其他的两根轴多了一段，校核时只要校核最上面的那根轴即可，因为同样的结构，上面的主轴承受更大的负载，上面主轴的受力图如3-4所示。在水平面内在竖直面内由于结构对称，很显然，由扭矩计算公式：(3.2)在公式(3.2)中，，，代入数据得，则两个链轮上各自的扭矩为：(3.3)在公式(3.3)中，将，代入数据得根据前面计算的数据画出轴的剪力图、弯矩图和扭矩图如下图所示。图3-4连接轴弯矩扭矩图从图3-3中不难得出，在b或者c截面上的弯矩M和扭矩T都有可能达到最大值，故需要把它们的应力都计算出来进行比较。根据第三强度理论进行计算，有：（3.3）在公式（3.3）中，抗弯截面系数，；弯矩；扭矩；在b截面上，将，，，带入式（3-3）中，得到；在c截面上，将，，，带入式（3-3）中，得到；因此，由可以得出，c截面为危险截面。硬铝的屈服强度为39Mpa，安全系数为：所以是安全的。3.1.3轴承的选型和设计校核1.选型 轴承是根据传送带滚轮轴的实际工作环境进行选择的。传送带滚轮轴在工作时只受到径向载荷的作用而不受或者收到极少的轴向载荷（受到轴的加工精度的影响），故没有必要选择可以承受较大轴向载荷的轴承，比如圆锥滚子轴承。查阅了相关的资料以后决定采用深沟球轴承。选择深沟球轴承的原因如下：①深沟球轴承是滚动轴承的一种，在使用时摩擦阻力小，转速高，适用于传送带滚轮轴这种承受径向载荷的轴。当增大轴承径向游隙时，具有一定的角接触球轴承的特性，可承受两个方向交变的轴向载荷。②深沟球轴承结构简单，使用方便。在安装和后期维护方面比其他轴承要好，更换比较容易。③它制造成本比较低，容易达到较高的制造精度。基于上述的几点，选用这种轴承可以降低工艺难度，减少安装时的工作量，可以降低成本。深沟球轴承还有开式和闭式之分，为了减少轴承的维护保养频次，这里的轴承选择密封结构，能有效阻止外界颗粒物等进入轴承，也能有效地防止内部的润滑脂外溢。根据机械设计手册，选用型号为204的深沟球轴承。2.校核已知轴承的径向载荷为,轴向载荷为轴承转速为，轴颈直径，运转时比较平稳，此时有初步计算当量动载荷P，根据公式：（3.4）在式（3.4）中，载荷系数；径向动载系数；轴向动载系数；将，，带入式（3.4），得。以小时表示的轴承基本额定寿命为(3.5)在式(3.5)中，轴承转速；基本额定动载荷；载荷；是指数，对于球轴承，。将,,,带入式（3.2），得出对于此套设备来说，这么长的使用寿命已经足够。3.1.4丝杠螺母组合机构的设计1.结构设计考虑到垃圾收集箱集满以后的重量比较大，上升装置还要兼顾运动位置准确、结构简单和稳定可靠的基本特点，最后决定采用丝杠螺母传动的方式。如下图3-5所示，这种传动方式即可以达到前面的要求，减少不必要的零件数量和缩小移动装置的体积。丝杠螺母传动的方式简单易维护，收集箱在它的传动下移动迅速敏捷，提高了传动的效率和整个船体在水面作业的效率。图3-5丝杠2.校核与计算因为收集箱和垃圾的总重量为,则收集箱的重力，由机械原理当中螺旋副的计算公式（3.6）式中F为沿丝杠径向方向的圆周力，由于的值比较小，近似将用代替。取，将代入公式（3.6）得，又因为，代入公式（3.3）解得，由最大切应力公式，（3.7）式中为抗扭截面系数，。将代入得，将,代入公式（3.7）得，所以丝杠螺母机构的传动是安全的。3.1.5收集箱前盖板的设计前盖的设计简单而实用，它在实际的工作当中起到两个作用：其一，在垃圾收集箱移动上来的时候，挡住垃圾，防止垃圾掉落出来；其二，为后面安装太阳能电池板或者其他环保的设备提供安装位置。前盖板的使用避免了垃圾收集箱升上来以后垃圾掉落到船上，增加了清理的工作量。由于前盖板的尺寸比较大，为了保证其强度和刚度，可以在上面设加强筋。图3-6收集箱前盖板3.1.6垃圾收集挡板的设计收集箱挡板的设计意义非常大，也是本课题设计内容的一个比较重要的创新点，把从前细小的挡板引流垃圾改成了和滚轮相结合的栅格式挡板，扩大了搜索垃圾的范围和单次行程，并且这样的装置可以防止垃圾倒流出来。栅格式挡板既减轻了重量，又能起到阻挡垃圾不让它们离开收集区域。另外，两个挡板之间的角度是可以调整的，根据实际的需求对挡板的张开角度进行调整，也就可以控制一次垃圾的进入量。当工作时湖面上的垃圾比较少时，可以采用大张角的方式多收集垃圾；倘若湖面的垃圾很密集的时候，就需要适当减小两挡板的张角，避免进入垃圾太多导致收集箱堵塞。上端采用的是弧形装置，用于电机的安装。它不仅有利于电机的准确安装与定位，还为后面的滚轮安装提供了便利。图3-7垃圾收集挡板3.1.7垃圾滚筒的设计垃圾滚筒和上面所说的挡板是配合在一起使用的，主要功能是实现船体前方或者侧前方的垃圾收集并集中处理，然后送进垃圾收集箱当中进行沥水和转运。滚筒的结构也比较简单，实用性高，制造成本低。滚筒的主体为一个长柱体，柱体上有20根细长条，用于引导船体外侧的垃圾进入收集箱。如下图3-8所示，20根细长条是分成四组环绕在柱体之上，每组之间的间隔为90度。一组五根，上下对齐排列在柱体上。滚轮在工作时通过减速电机组进行驱动，转速可以调节，但在一般情况下的转速不高。滚轮除了可以引导外面的垃圾进入收集箱以外，还可以带动水流向收集箱流动，避免了收集箱中垃圾倒出现象的发生。图3-8滚轮3.2本章小结本章的内容主要是垃圾收集箱和垃圾收集的主要零部件方案的优化和修改，方案最终版本的确定和主要零部件的设计和校核。从垃圾开始被带进挡板，到进入垃圾收集箱，再到收集箱抬起准备进行转移的全过程中，每一个零件都是经过了多次反复的修改和优化。特别是垃圾收集箱，尺寸和形状等各项数据也是经过了反复推敲以后才定下来的。垃圾收集箱尺寸要适中，和船体上的开孔要匹配起来。为保证收集箱可以滤去多余的水，我在垃圾收集箱的底部和侧边都开了小孔，不至于把水收集到船体内，占用垃圾存储箱的空间。当然，除了垃圾收集箱以外的其实零件也非常重要，比如说丝杠，它使得垃圾收集箱上下移动的机构大大简化，有利于船体的小型化和轻量化。并且，它所具有的自锁功能也能保证垃圾清扫船可以安全平稳地运行。通过校核这些重要零部件，保证了加工和使用过程中不会出现大量的意外事故，可靠性有所增加。垃圾收集箱作为整个船体的中转装置，发挥着非常重要的角色，是垃圾转移的中转站，在结构强度的校核方面也是下了非常大的功夫。最后，经过了多次试验的计算，选择了轻量化的铝合金作为收集箱的材料，表面硬化的低碳钢来加工丝杠。

4垃圾转移装置4.1垃圾转移装置的设计4.1.1垃圾转移装置的整体设计现在市面上出现的垃圾清扫船的垃圾转移装置主要有长传送带式、翻斗式和不采用转移装置用滤网收集的方式，如下图4-1所示。图4-1常见垃圾清扫船结构简图这些转移的方式在一定程度上解决了垃圾转移或者收集的问题。可是，它们的弊端也非常明显。长传送带占用了较多的船体空间，体积庞大，无法应用到小型船体上面。采用转移装置的滤网收集方式会导致垃圾收集的空间小，需要不断转移垃圾，使得整个船的使用效率很低，并且滤网收集在后期把垃圾清出水面时需要单独的装置，操作繁琐，增加了工作量，效率不高翻斗式的转移装置机构所受动载荷大，不稳定，转移速度控制不好会导致垃圾无法正确转移到收集箱当中。在转移的时候，采取中转箱完全反转倒扣在存储箱上面的方式进行垃圾的最后一步转移工作。这个机构还存在一些问题：①收集的垃圾里面含水量比较大，重量也是很大，中转箱在翻转的时候需要很大的功率，对箱体的结构和翻转机构的强度要求非常高，对整个装置的磨损也大。②中转箱在翻转的时候，由于垃圾的惯性，不能保证所有的垃圾全部进入存储箱，会有一部分垃圾再次掉进水里，还需要进行二次打捞，增加了不必要的工作量。因此，改进后的机构不再采用翻转的方式工作。如下图所示，垃圾收集箱升上来以后，垃圾存储箱的挡板打开，收集箱右侧会有两个丝杠电机，丝杠电机连接一个挡板，挡板上有两个螺纹孔，挡板在丝杠电机的作用下向左移动，将我们的垃圾推到左边的垃圾存储箱当中，实现垃圾的转移。4.1.2垃圾转移装置的改进和优化上述的垃圾转移装置可以实现垃圾转移到垃圾存储箱的工作，简单高效，操作灵活。但是经过实际的研究发现，该装置存在较大的技术瓶颈无法突破。垃圾转移装置在实现垃圾转移时，需要在存储箱和收集箱上装控制垃圾进出的自动门，门的自动开闭控制和机械设备比较复杂，还需要考虑门的开闭不会对垃圾的堆放和转移产生不利的影响。需要解决的问题有两个：第一，垃圾转移过程中，门和机械结构不会造成垃圾不能堆放到正确的位置，垃圾也不会影响转移装置的正常运作（比如说转移装置可能会被带状垃圾卡住）。第二，垃圾转移装置本身不能太大，机构不能过于复杂，对以后的制造安装和调试来说难度很大，后期不易维护，也不符合本课题简化结构设计的任务。因此，本课题设计的转移装置进行了重新的设计和优化。如下图4-2所示，这次的转移装置改为可以活动的短传送带式，可以把垃圾收集箱各个部位的垃圾成功转移到垃圾存储箱当中，连续地工作可以提高工作的效率。垃圾转移装置有这几部分组成：传送带、传送带滚轮、传送带架子、滚轮轴、连接杆等。

图4-2传送带装配体传送带传送带的基本工作原理和一般的传送带没有太大的区别，但是某些结构上的改变会使得它和一般的传送带有不同。首先是带的空间结构上，带上每隔一小段都会有一个三菱柱形状的突起物，用于各种垃圾在转移时可以被带抓住而不至于打滑，特别是在运作的速度比较大的时候。与此同时，三棱柱之间的部分会有打出成排的孔，首先可以节省制造的材料，减轻整个装置的重量，其次还能够达到排水的目的，避免了水面的垃圾夹杂部分水进入垃圾存储箱，占用垃圾存储箱的体积，加重了收集箱和船体的重量，带来了运行时不必要的功率损耗和操作灵活性的下降。图4-3传送带滚轮滚轮的设计兼顾了垃圾收集箱的尺寸要求和垃圾存储箱的位置安排，大小合适，能够保证垃圾转移速度不至于太快。滚轮通过电机来驱动，电机先连接一个减速器，来保证整个传送带在运转的时候有足够大的扭矩。在输送垃圾较多的时候，传送带的负荷会大大增加，可能会导致装置无法正常运转或者电机过载。因此，在选择电机需要选择功率比计算出来的功率稍大的的电机，才能保证短时间负荷较大时的正常工作。图4-4滚轮传送带架子传送带架子是经过了反复的优化和设计，去除了四个棱角的设计，采用的是圆滑过渡的方式，如下图4-5所示，就不会对其他部件的正常运转产生干涉和划伤。材料采用的是中空铝合金型材，节约了材料，减轻了重量，增加了强度。同时，架子和船体的连接方式并不是固定式，而是采用活动连接的方式，在作业的时候根据实际的需要，对机构的角度进行调整，保证收集箱里各处的垃圾都能成功实现转运。图4-5传送带架子传送带滚轮轴传送带滚轮轴的设计没有特别之处，本课题根据垃圾转运的大致量和垃圾转运机构的运行速度来进行实际的设计和安排。滚轮轴一共有三根，将三个滚轮和连接到架子上。为了保证滚轮轴的强度达到结构强度的要求，滚轮轴的直径比计算出来的直径稍大一些。在检查的时候，基本的参数和配合关系需要处理好，根据垃圾转运装置的实际工作和负载情况选择材料。4.2主要结构件的校核和结构合理性分析4.2.1强度校核连接轴的强度校核根据图中轴的结构设计可知，此连接轴上面所承受的的载荷是对称的，根据载荷的分析和计算方式，有：因为整个轴都是对称的结构，再加上加载在上面的载荷也是对称的方式，根据强度校核的相关原理，有根据上面的载荷和受力情况的具体分析，可以画出连接轴的应力图，如图4-6所示。图4-6连接轴受力图则根据图4-6所示的弯矩和剪力，得出连接轴的中间位置承受最大弯曲应力为：（4.1）其中为最大弯矩，为抗弯截面系数，。将，代入上式中得，。将代入公式（4.1）得，由最大切应力公式，（4.2）式中为剪力，A为截面积，。将代入公式（4.2）得，通过计算出来的实际切应力不难看出，它是远小于连接轴理论上所能承受的切应力，所以强度符合要求。连接杆的强度校核根据前面的分析计算和图4-7可知，连接杆共有一根轴和两块肋板，上下相连，并且肋板的上端开有孔。连接杆的轴是和船体上的相关结构进行配合，可以实现自由的转动。连接杆上的孔是和传送带装置进行配合。通过一根连接轴和连接杆上的两个孔进行配合，将连接杆和传送带装置连接到一起，以达到将传送带和船体连接的目的。并且，传送带可以实现一定角度的转动，在加上垃圾收集箱本身可以上下移动，方便清理其中的垃圾。图4-7连接杆通过分析可以得出，两块肋板进行了加厚的，在结构强度方面已经可以保证这个连接杆、传送带和船体的正常工作，后面就不再进行相关的计算了。所以，现在主要分析计算的是连接杆下端这个轴。连接杆的轴在承受负载的时候，受力的具体情况如下图4-8所示。在水平面内，有：在竖直面内，有：由于结构对称，很显然，则连接杆上的扭矩为：（4.3）在公式（4.3）中，将，，代入得根据前面计算的数据画出轴的剪力图、弯矩图和扭矩图如下图4-5所示。图4-8连接杆受力图从图中不难得出，在b或者c截面上的弯矩M和扭矩T都有可能达到最大值，故需要把它们的应力都计算出来进行比较。根据第三强度理论进行计算，有：（4.4）在公式（4.4）中，抗弯截面系数，；弯矩；扭矩。在b和c截面上的应力值相等，将，，，带入（4.4）中，得到查阅资料可知，45钢的许用应力，计算安全系数为：安全系数比较大，所以是安全的。键的强度校核（1）键的选型 轴的直径，则选，的圆头普通平键（A型）。（2）键的校核 根据前面已知的数据和公式：（4.5）在公式（4.5）中：T-传递的扭矩；k-键与轮毂键槽的接触长度；l-键的工作长度；d-轴的直径。将k=3，，，带入公式（4.5）得，材料选用Q235，许用应力，明显是安全的。部分重要螺栓的校核M4的螺栓，用于固定丝杠电机，根据实际工作情况可知，总的受力为：四根螺栓，则每根受力为则根据切应力计算公式：（4.6）其中A为横截面积，；为单根螺栓所受剪力。将，代入公式（4.6）得，螺栓使用的是45钢，查阅资料可知许用剪切应力为146Mpa，所以是安全的。4.3本章小结这一章的内容是针对全自动垃圾清扫船转移装置进行结构设计和合理性分析校核，以满足工程制造的相关要求和正常使用。垃圾转移装置可以说是一波三折，由最开始的翻斗式改为平推式，最后又改为了短传送带式，符合了制造和使用的相关要求，具有比较强的实用性。当然，船作为一个整体，完整的设计和各零部件的设计也都很重要。至此，有关清扫船的全部设计内容已经结束，但是为了明确设计的清扫船在市场上推广的可能性，针对船的经济性还是需要作出分析。这个船体和零件多采用钢材，主要是45钢，在表面进行镀锌或者喷漆处理，成本来说相对比较低廉。为了保证船体的整体重量不至于太大，保证船体具有轻盈灵活的特点，少部分零部件（比如传送带架子）采用的就是铝合金材料。船体采用的是电机和可更换式铅蓄电池组合的方式，没有发动机，大大减少了动力成本和船体重量，同时给环境保护也做出了贡献。船体的控制部件是单片机等常用控制设备，不需要特别的定制