符琼俊，曹航浦，潘 旭，邓志远，张开心，林 权＊
（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）
近年来，沙滩污染已经成为国内外重要讨论的议题，海岸沙滩垃圾越来越多，沙滩污染日益严重[1-4]。沙滩垃圾的来源主要有两个，一个是海洋垃圾经过潮涨潮落飘到沙滩上，另一个是游客将垃圾遗落在沙滩上。目前国内外对于沙滩垃圾处理的方式主要分为人工垃圾清理和机械清理，人工清理劳动量大，且效率较低，现有的沙滩清理设备大多存在结构复杂、价格昂贵、噪音大等问题[5-8]，因此研发一种小型自动化履带式沙滩垃圾清洁车，用于解决人工垃圾清理效率低的问题。
1 清洁车结构设计
1.1 总体结构设计
清洁车总体结构见图1，主要分为3 部分：履带装置、铲沙装置、筛网振动装置。其中履带装置能够适应沙滩坑坑洼洼的地形，具有良好的抓地力；升降式铲沙装置可控制沙滩车的清洁深度；筛网振动装置实现垃圾与沙砾的分离，最后使用收集箱收集筛分出来的垃圾，完成沙滩垃圾的收集工作。
图1 作品总体结构
1.2 关键部分结构设计
1.2.1 履带装置结构设计
图2 为履带装置截面结构，主要由导向轮5、承重轮4、驱动轮2、履带3 以及履带支撑板1 组成，清洁车有两组履带装置。履带3 选择铝合金材质以满足履带总装的强度和刚度及耐磨度要求；履带3 与地面接触长度约占车身总长的，使之与地面有良好的附着性能；使用直流减速电机作为驱动轮2 的动力来源，控制减速电机带动驱动轮2 转动，驱动轮2 与履带3通过链传动传递动力，带动履带3 转动；导向轮5 能够保证履带的正确位置，防止履带装置脱链的情况发生；承重轮4 用来承受清洁车的整体重力，并且能够保证履带3 的正确运动轨迹，最终实现清洁车的直线前进与后退。最后通过控制使得两组履带装置转速不一致，产生差速，实现清洁车的转向。
图2 履带装置截面结构
1.2.2 铲沙装置结构设计
铲沙装置见图3，主要由沙铲4、铰链板2、电动推杆1 和连接板3 所组成。电动推杆1 上端采用铰链连接，连接板3 与沙铲4 固定，在电动推杆1 的带动下，沙铲4 可绕该旋转副转动一定角度，从而控制沙铲4插入沙面的深度，实现清洁车对沙滩清理深度的调整。在清洁车工作时，电动推杆1 带动沙铲4 向下转动，使得沙铲4 能够插入沙面。伴随着清洁车向前行驶，沙铲4 不断地进行着垃圾的铲取，而沙滩上的垃圾会伴随着沙子顺着沙铲4 向上滑动，完成垃圾的铲取工作。
图3 铲沙装置
1.2.3 筛网振动装置结构设计
筛网振动装置见图4，主要由筛网1、电机固定板2、双轴减速电机3、凸轮4、连杆5、摇杆6、光轴7 组成。该装置是清洁车能够实现沙滩上垃圾与沙粒筛分并且收集垃圾的核心装置，筛网振动装置的动力源是双轴减速电机3，驱动由筛网1、凸轮4、连杆5、摇杆6和光轴7 组成的两组平行布置的五连杆机构。其中凸轮4 为该五连杆机构的主动件，带动筛网1 进行振动，使得筛网1 能够实现垃圾与沙粒的筛分。两组五连杆机构带动筛网1 进行振动，在振动过程中，细小的沙粒穿过筛网1 的缝隙，回到了沙滩上，而体积较大的垃圾，如瓜子壳、烟头、碎贝壳则无法穿过筛网1的缝隙，被留在了筛网1 上。并且伴随着筛网1 不断的振动，这些垃圾会顺着筛网1 往后跳动和移动，完成沙滩垃圾和沙粒的筛分，最后离开筛网1，落入清洁车的收集箱。
图4 筛网振动装置
2 清洁车主要几何参数设计
2.1 总体尺寸设计
参考意大利PFG 公司的自行进履带式巴拉酷达型沙滩清洁车，该沙滩清洁车属于较小型的一种，车身长×宽×高=1 700×900×900 mm，本课题组依据巴拉酷达型沙滩清洁车的60%～70%尺寸比例进行总体尺寸设计，确定整机宽度为550 mm，机架总长为1 100 mm，整机总高为600 mm。整机宽度为550 mm，其中进沙口的宽度450 mm，近似正常成年男性肩宽，即该清洁车运行可覆盖的区域是正常人行走的距离。依据成年人膝关节到脚底板距离大致为身高的，即一位1.75 m 身高成年人其膝关节离地大约为437.5 mm，手落下到膝盖的距离约为100 mm，即双手离地的距离为537.5 mm，作为整机高度为600 mm 的设计依据，使成年人可以不用弯腰，双手即可触碰到设备，符合人体工程学。
2.2 履带结构尺寸设计
图5 为履带装置三维结构，橡胶履带宽度为50 mm，厚度为5 mm，履带总长300 mm，驱动轮的履带轮半径R=400 mm；履带宽度为500 mm，高度为150 mm，履带支撑板与履带固定板分别选用厚度8 mm和6 mm 铝合金1020 可满足刚度要求。
图5 履带装置三维结构
2.3 沙铲尺寸确定
图3 中沙铲宽度为400 mm，长度为330 mm，嵌入沙子的深度可调节，范围为0～20 mm，当沙铲嵌接触沙地表面时，沙铲与地面的斜度为15°，当嵌入到20 mm 深时，沙铲与地面的斜度大约为22°，一般情况下，沙铲的斜度小于30°，都可以将沙子推送到铲沙装置中后端。
2.4 凸轮连杆机构尺寸确定
该凸轮连杆机构的运动轨迹模拟了在农村中常用的簸箕颠去稻米中的杂质和空壳的方法，连杆凸轮具体尺寸见图6。凸轮连杆机构运动轨迹规律遵循如下规律：（1） 连杆上的点越趋近于凸轮中心，轨迹越趋近于圆；（2） 连杆上的点越远离凸轮中心，轨迹越趋近于一条弧线。
图6 连杆与凸轮零件
3 履带式沙滩清洁车创新点
首先，该清洁车的沙铲可以升降，易于调节沙滩清洁深度；其次，该清洁车可远程控制，从而降低工人劳动强度；最后，该清洁车的筛网振动装置使用凸轮连杆机构，运动稳定可靠，简化了机械结构。
4 结论
本课题组研发设计的小型自动化履带式沙滩垃圾清洁车，通过参考农村簸箕颠除稻米中杂质和空壳的原理，采用凸轮与平面四杆机构带动筛网振动实现垃圾分离与收集，结合履带装置、铲沙装置，以及车架基础单元、垃圾收集单元、动力单元，实现了沙滩垃圾自动化清理，通过实物样机制作和调试，验证了在沙滩上收集垃圾的可行性，该装置与市场上已有的其他产品相比，具有体型小巧，能源清洁，结构新颖，使用便捷等优点。
