陆 安，刘庆森，李浩文
（江苏科技大学苏州理工学院，江苏 苏州215600）
1 研究背景
1.1 发展背景
目前许多国家的河流、海域漂浮物污染十分严重，给人们的生存环境、投资环境等带来负面影响。海洋垃圾在北美、亚洲、大洋洲和非洲的海面上“肆虐”，使得许多水域原有生物大量灭绝，严重地破坏了生物多样性和生态平衡。这些垃圾导致水体发黑、发臭，河流、湖泊淤塞，相关海域赤潮频发。秋冬季节里，成片的垃圾随风漂荡，严重影响到船舶的航运安全、水利设施和水电站机组的安全，对农业灌溉、水产养殖、旅游等造成的经济损失更大，这些都要求治理外水面垃圾的呼声越来越高。许多地方采用人工打捞的方法予以清除，但效率低下，人身安全没有保障，亟需安全、高效的打捞设备。
1.2 传统打捞方式
1.2.1 依靠人工打捞
依靠人工打捞的缺点：（1）效率低下；（2）人身安全没有保障。
1.2.2 传统清理船打捞
传统清理船打捞的缺点：（1）安全性得不到保障；（2）人力物力投入较大；（3）经济效益不高。
2 垃圾清理船工作流程
垃圾清理船工作流程与步骤如图1所示。
图1 工作流程与步骤
2.1 垃圾聚合
垃圾聚合模块包括两根相对设置的橡胶软管，两根所述橡胶软管分别位于所述船体前端的两侧设置，两根所述橡胶软管的一端与主船体内设置的缆轴相接，另一端均连接有用于带动所述橡胶软管在水面移动的推进器。
其中一个所述推进器的前端为水平外凸的半圆形凸起，另一个所述推进器的前端为内凹的半圆形槽，所述半圆形凸起与所述半圆形槽相匹配，所述半圆形凸起和半圆形槽的侧壁上均设置有电磁铁；其中一个所述推进器的顶部设置有红外线发射器，另一个所述推进器的顶部设置有红外线接收器。
垃圾聚合模块工作时推进器由船舱中的驾驶员控制驱动，驾驶员通过控制两个推进器，带动橡胶软管的移动，从而控制两根橡胶软管形成一个包围圈，将偏离航道的垃圾控制在指定的范围内。为了方便橡胶软管的回收，在船体内部设计有可旋转的缆轴，通过缆轴的旋转，带动橡胶软管回收。在工作中，两根橡胶软管回收的同时，也带动了垃圾收集圈的缩小，从而将垃圾带到指定位置，这也大大减小了清理船的航行距离，节约了能源。
并且，位于船体左侧的推进器的顶部设置有红外线发射器，位于船体右侧的推进器的顶部设置有红外线接收器，当右侧的推进器上的红外线接收器在散射范围内接收到信号时，两个推进器自动对接，使驾驶员控制左右推进器贴合的难度大大降低，给驾驶员带来了很大的便利。同时，左右两个推进器的外观采用不同的设计。左侧的推进器的前端为水平外凸的半圆形凸起，右侧的推进器的前端为内凹的半圆形槽，半圆形凸起与半圆形槽相匹配，这样的设计使得两个推进器的贴合度大大提高，更加有利于形成一个封闭的垃圾收集圈。
2.2 垃圾分类、冲洗
垃圾分类模块包括配合设置的垃圾收集器和垃圾刮理器，垃圾收集器位于垃圾刮理器的下方，垃圾收集器包括转动安装在主船体上的第一滚筒和沿第一滚筒径向外延伸的扒动板，扒动板采用规则的梯形设计。工作时布置于主船体两侧的电机驱动转轴转动，从而带动垃圾收集器顺时针转动，其主要任务是将前面打捞上来的垃圾收集到船上并且稍微上移，从而方便垃圾刮理器进行第二步的处理。
垃圾刮理器包括转动安装在船体上的第二滚筒，第二滚筒上设置有用于将水面垃圾中的袋装垃圾与其他垃圾进行分离的第一刀头和用于对分离后剩余的水面垃圾进行碎化处理的第二刀头。
第一刀头的头部较钝，刀背没有开刃且较为光滑，外形设计为圆弧状，在整个装置中分布较疏，刀头的布置方向呈顺时针方向。第一刀头的主要任务是对在垃圾收集器中收集好的垃圾进行一个初步的分类，即第一刀头与扒动板之间通过啮合的方式，利用第一刀头将含水量较大的塑料袋等袋装垃圾和含水量较少的其他垃圾进行分离。当分离的塑料袋等袋装垃圾随着垃圾刮理器顺时针转动90°后，由于塑料袋等袋装垃圾含水量较大，受到重力等因素的影响，袋装垃圾自动滑落，并顺着光滑的刀背滑入布置于垃圾刮理器右下方的袋装垃圾收集舱中，袋装垃圾收集舱入口处斜侧板上设有间隙，可供第一刀头从斜侧板上划过。在清理船工作完毕后，收集的袋装垃圾统一处理加工，大大节约了人力物力。除此之外，由于袋装垃圾含水量较大，在后续的甩干中将会耗费大量的能源。所以，提前将其分离出来，既节约了人力物力，又减少了能源的损耗，一举两得。
垃圾刮理器的第二刀头在第二滚筒上呈逆时针分布，刀面开刃且较为锋利，分布较密，外形为不规则的圆弧状，略长于第一刀头。其主要任务是将分离后的垃圾在一定程度上进行碎化处理，即通过与垃圾收集器上的扒动板啮合的方式对较大的垃圾进行碎化。
由于垃圾刮理器上的两种刀头分布的疏密不同，小型的垃圾和绳状垃圾会在两种刀头的间隙中滑落或被切碎，并不会影响塑料袋等垃圾的分离。碎化后的垃圾随着垃圾收集器继续转动45°后，进入垃圾冲洗模块中。
垃圾冲洗模块将水面垃圾上的泥沙冲掉，提高水面垃圾的装载率。垃圾冲洗模块包括水平设置的第二传送带和设置在第二传送带出料端上的湿垃圾收集舱，第二传送带上均匀分布有漏水孔，第二传送带的两侧均设置有垃圾冲洗单元，垃圾冲洗单元包括冲洗管道和与冲洗管道连接的抽水泵，抽水泵的进水口上设置有用于过滤海水的泥沙过滤网，泥沙过滤网避免海水中的泥沙进入冲洗管道中，从而影响冲洗效率。海水被抽水泵抽入冲洗管道以后，对碎化后的垃圾进行冲洗，这种自给自足的冲洗方式，既节约了水源，又为后期的压缩扫除了泥沙这一障碍。垃圾上冲洗出来的泥沙和污水直接通过第二传送带上的漏水孔重新进入水中。并且，在第二传送带的下方，布置有微小垃圾过滤网，从而避免微小的垃圾重新进入海水中，而冲洗完毕的垃圾则会继续跟随第二传送带进入湿垃圾收集舱。
湿垃圾收集舱包括沿第二传送带传送方向并排设置的前舱和后舱，前舱和后舱顶部敞口设置，前舱和后舱之间通过两块可以绕其自身轴线转动的挡板分隔，挡板绕两端的转轴可以进行360°转动。前舱为漏洞状，固定于主船体上，后舱为长方体腔体，可以通过后舱左右两侧外壁上的转轴跟随主船体上的铰链进行上下移动，并绕转轴转动，后舱底部设置有压力传感器。
当冲洗完毕的垃圾跟随第二传送带进入前舱时，垃圾从前舱左边的斜坡上顺势滑入前舱底部；与此同时，前舱和后舱之间的两块挡板同时逆时针旋转。后进入的垃圾推动先进入的垃圾向前移动，从而进入后舱。当位于后舱底部的压力传感器检测到的压力值大于预设的阈值时，两块挡板反向旋转至竖直状态，将前舱和后舱分割开。前舱继续收集由第二传送带传送过来的垃圾，后舱跟随铰链向上移动；当后舱向上移动到指定位置时，收集舱绕轴顺时针转动一定角度，后舱内的垃圾从后舱内滑入垃圾甩干模块中。当垃圾全部进入垃圾甩干模块后，后舱移动回指定位置继续收集。
2.3 垃圾甩干、压缩
垃圾甩干模块包括甩干机，甩干机包括外层筒和转动穿设在外层筒内的内层筒，内层筒上均匀分布有漏水孔，便于甩出的水分进入外层筒，外层筒固定设置，顶部开设有第一进料口，第一进料口上设置有用于闭合第一进料口的挡料板。第一进料口外设置有集料斗，集料斗便于垃圾进入甩干机。外层筒底部设置有与第一进料口相对的出料口；内层筒上开设有第二进料口，第二进料口上设置有用于将第二进料口闭合的弧形挡板，弧形挡板的曲率与内层筒的曲率相同。
当垃圾从集料斗进入甩干机后，弧形挡板和挡料板闭合，甩干机开始工作，船舱内工作人员根据垃圾的数量控制甩干机的工作时间。垃圾甩干后，弧形挡板打开，垃圾从甩干机下方的出料口滑出。
由于含水量大的袋装垃圾在垃圾分类模块中被分离，体积较大的垃圾被垃圾刮理器碎化，因此没有含水量较大和体积较大的垃圾进入甩干机。这样一来，大大减小了甩干机的工作功率，既节约了能源，又提高了甩干机的工作效率，从而加大了垃圾的甩干量。
垃圾压缩装置包括垃圾压缩机和设置在垃圾压缩机出料口底部的垃圾存储舱，垃圾压缩机的进料口与甩干机的出料口之间通过第三传送带连接。从甩干机的出料口滑落的垃圾落入第三传送带上，第三传送带将甩干后的垃圾运输到垃圾压缩机中进行粉碎压缩，当垃圾进入垃圾压缩机后，垃圾压缩机对各种大小的垃圾进行粉碎压缩处理，处理完毕的垃圾从垃圾压缩机下方落入垃圾存储舱中进行存放。
由于垃圾在前两个部分已经进行了碎化、冲洗、甩干等一系列处理，所以在垃圾压缩部分，不会有水分和泥沙的存在，既方便压缩，又不会因为水分的问题影响压缩机的使用寿命。与此同时，因为已经对大型垃圾进行了碎化，所以在一定程度减少了压缩机工作时所消耗的能源。
由于粉碎压缩后的垃圾的体积大大减小，所以垃圾存储舱内可以存放的垃圾的量大大增加。这在一定程度上增加了垃圾清理船出航一次的垃圾收集量。
3 创新点
（1）通过在船首布置由推进器、可收缩橡胶管及具有红外导引功能的电磁铁构成的可自主实现封闭式垃圾收集圈，导引偏离航道的垃圾快速准确地进入垃圾回收指定区域，是本设计的创新点之一。
（2）垃圾刮理器采用模块化设计，通过更换不同方向和类型的刀头，即可实现对袋装垃圾的自动分类和大型垃圾的碎化处理，提高对垃圾甩干和压缩处理效率，进而实现垃圾综合处理船的作业效率，是本设计的又一大创新。
（3）相较于常规垃圾清理船，本设计针对垃圾回收实现了冲洗、甩干、碎化、压缩等一体化作业流程，提高了垃圾回收的综合处理能力，大大简化了垃圾上岸的处理工序，体现了垃圾回收综合处理船的智能化、自动化水平，是该垃圾综合处理船的优势特色。
4 经济及社会效益
（1）本作品针对海上环境污染问题，致力于海上固体漂浮垃圾的收集，实现了海上作业的效率化，整个环境护理的过程无需大量人工参与，安全性得到大幅提高，效率也是人工打捞的几十倍至上百倍。
（2）本作品致力于海上固体漂浮垃圾的收集、分类、甩干、压缩等一系列流程。减少了垃圾后期处理的人力物力的投入，减少了工作成本。此外，单独回收的袋装垃圾可以作为石油衍生物之一的原料进行二次加工，节约成本的同时也减少了污染。
（3）本作品对水面垃圾进行清捞与治理，可为航运及旅游事业的发展提供良好的环境基础，保持水路交通畅通，提高水上交通的安全系数可改善水域的环境卫生面貌，美化流域的景观确保水体生物物种的生态平衡同时可以保证良好的供水条件，提高有限水资源的利用率，减少水体的淤泥，促进生态环境良性发展。
5 结束语
本作品的水面垃圾综合清理船不仅能够完成对水面垃圾的打捞作业，还能对打捞起来的水面垃圾进行后续的清理操作，极大地提高了水面垃圾的清理效率，有效地减少了人工工作强度。
本作品的水面垃圾综合清理船对海上漂浮垃圾提供了一种一体化的处理方式，减少了水面垃圾处理回收的流程，节约了后期人力物力的投入，减小了工作成本。此外，单独回收的袋装垃圾可以作为石油衍生物之一的原料进行二次加工，节约成本的同时也减少了污染。
