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1、海洋卫士-多功能海洋垃圾处理器 设计说明书 摘要：摘要：海洋覆盖地球表面的 70%，它产生了人类呼吸的 50%的氧气；海洋作为地球最大的生物圈，为数十亿人提供蛋白质；数百万人以海洋为生，海洋渔业为全球提供了 5700 万个工作岗位；同时它吸收了地球 25%的二氧化碳排放，是人类面对全球变暖挑战最大的盟友之一。然而，长久以来，人类却没有友善地对待海洋这位朋友。放眼全球，不计其数的陆源排污口，时刻向海洋排放各种垃圾，2021 年 7 月，国家海洋局通报了 2020 年中国近海海域的海洋垃圾情况。从监测的情况看，我国近海海域的海面漂浮垃圾主要是塑料袋、塑料瓶和聚苯乙烯泡沫碎片等，海洋垃圾对人类、自然
2、界生物及环境的危害是多方面的，其中最直观的的影响是造成视觉污染，影响海滨景观。此外，海洋垃圾会遮蔽阳光进而阻碍光合作用的进行，造成水体缺氧和水质恶化，导致鱼类及其他水中生物大量死亡。因此，解决海洋垃圾污染问题，加强海洋垃圾的回收利用具有重要的现实意义。对于海洋垃圾最常见是人工捕捞以及借助大型的捕捞船捡拾。但这两种手段都存在不同程度的局限性，不仅耗费大量的人力物力，而且对工作环境要求较高。特别是，在恶劣天气下人工打捞可能直接危及生命安全。而现有的海洋垃圾收集装置还是存在一些瓶颈，例如，常用的海洋垃圾桶利用桶身内外壁的升降产生吸力达到了收集垃圾的效果，然而缺乏合理垃圾分类功能，这对于垃圾进一步回收
3、利用增加人力成本，此外需要在海上布置许多数量才能实现垃圾收集目的，这大大增加了收集成本。针对这一情况，我们小组依据机械基础相关知识，巧妙的运用机构创新，设计出一款移动式多功能海洋垃圾处理器。本装置设计的目的在于为海洋生态修复提供一种便于治理的装置，弥补当前海洋垃圾收集器的不足，最大限度的利用机器为人类解决海洋垃圾污染问题，此装置结构合理，机构巧妙。关键词：移动式、海洋垃圾、收集处理、生态修复。1、研制背景及意义 海洋垃圾是指在海洋和海岸环境中被丢弃的人为来源的固体物质，包括人们故意弃置于海里和海岸的已使用过的物件；由河流、污水、暴风雨或大风直接携带入海的被故意丢弃的物件；恶劣天气条件下意外遗失
4、的渔具、货物等。其中海面漂浮垃圾是海洋垃圾最主要的组成部分，对于生态环境的的污染也是最直观的，过多的海洋漂浮垃圾会遮蔽阳光进而阻碍光合作用的进行，造成水体缺氧和水质恶化，导致鱼类及其他水中生物大量死亡。此外，海洋垃圾还是多种污染物的载体，通过生物链危害人类，如垃圾中的重金属和有毒化学物质可通过食物链在人体内富集，危害人类健康。因此，解决海洋垃圾的污染，加强海洋垃圾的回收利用对于人类自身与海洋环境的治理具有重要的现实意义。目前，海洋上漂浮的垃圾中塑料类垃圾数量最多，占 84.1%，其次为木制品类，占 11.4%。塑料类垃圾主要为泡沫、塑料瓶和塑料袋等。目前国内外已经出现了许多海洋塑料垃圾的打捞和
5、拦截方法，包括：人工打捞、漂浮垃圾收集船、海洋垃圾桶和其他被动收集装置等。这些手段都存在不同程度的局限性。捕捞船捕捞垃圾效率高，但不适用于近海，成本较为高昂，对捕捞人员的要求较高，使用过程中还会对海洋造成二次污染，海洋垃圾桶位置固定且投放数量大，成本昂贵。因此，开发出一种新的方便快捷的近海垃圾捕捞方式成为亟待解决的问题，对于当前海洋垃圾处理进行市场调研，结果如图 1 所示，可以看到开发一种移动式多功能海洋垃圾处理器，可以有效的降低了治理近海垃圾的成本，具有很高的可行性和实用性，因此具有较好的推广价值。图 1 当前海洋垃圾处理行业的市场调研结果 2、总体设计方案 针对当前海洋垃圾处理装置存在的许
6、多不足与缺陷，提出一种移动式多功能海洋垃圾处理器，具体设计框架如图 2 所示。本项目研究的是一款收集、分类处理的多功能海洋垃圾处理装置。通过使用太阳能板及风力发电装置，保证海上垃圾收集的能源供给。该装置内部采用不同内径的“鼠笼状”滚筒嵌套而成，通过电机带动链条动力机构进行实现滚筒转动。在回转的过程中将收集到的垃圾通过不同的网孔大小的筛网进行分类收集，并通过压榨机构将收集垃圾压缩打包处理；此外，装置下方安装与滚筒同轴转动的链传动机构，带动螺旋桨推动处理器移动可以快速实现垃圾收集，结合水车原理排出装置内多余的水，适用于海面上海漂垃圾的收集与处理。且整个装置原理简单、安装及使用方 便快捷、投入成本低
7、等优点，在节省人力的同时，降低了捕捞船 排放物的二次污染，因此具有很强的可行性和实用性。图 2 总体设计原理框架图 3、各设计方案 1.主功能件：（1）由圆弧形铁片及铁棒连接而成，主要承担筛分、倒料 （2）利用水泵和旋转刀片起到收集搅碎水底垃圾作用。2.压榨收集装置：将分出的海草等垃圾，利用电机和减速器并通过 l 螺杆机构压榨，打包收集。3.水车结构：由 10 个小水瓢组成，借助电机带动鼠笼，固定在鼠笼末端的水车结构随之旋转排出桶内多余液体。4.浮力计算：由于整体设备重量达到 150 kg,根据浮力计算公式浮=排=1103/39.8/0.0121 307N，以九节浮筒设计，总浮力可以达到 27
8、63N，根据牛顿第二定律，可以得到浮筒组合大约可承重 270。该设计满足悬浮要求。5.由太阳能板及风力发电机实现能源自身供给。6.电机通过链传动带动螺旋桨推着该装置在水里移动。4.设计原理 如图所示，各部件组合后，将该装置置于水中，9 节浮筒使得该装置悬浮在水面；用遥控器启动装置，电机转动的同时桶尾部的螺旋桨开始工作，使该装置可在水中移动，同时水面垃圾随着水流进入桶内，水中的垃圾被吸入水泵内部再经刀片切割后通过管道进入桶内；当桶内水量达到一定高度时，水车结构将桶内多余的水排出，起到保持桶内水量基本恒定的作用；与此同时，电机利用链条带动筛分结构（鼠笼）工作并进行分类处理，塑料制品等轻巧型垃圾被桶
9、内风管吹出，木材等垃圾在鼠笼的转动下被筛分，其中木材等被留在桶内后续由人工处理，从而达到海洋垃圾的收集及分类处理的效果，进而实现海洋生态修复的目的。5、作品配件的主要相关参数 序号 配件名称 输入电压 功率 1 太阳能板 48V 200W 2 插电式鼓风机 24V 4500W 3 三相电机 48V 550W 4 压榨机 12V 100W 5 潜水泵 48V 500W 6 风力发电机 48V 500W 6、创新点 1.利用太阳能及风能实现能源自身供给；2.电机利用链条带动鼠笼结构，导料叶片、不同网孔大小筛网，将海面漂浮垃圾进行分类收集，实现治理海洋污染的目的；3.区别于当前已有垃圾收集装置，功能更加强大；4.利用水车原理保证装置内液体处于基本恒定状态；5.海草等垃圾通过压榨机构作用和塑料带制品通过风机与滤网共同作用除去多余水分，可以降低该装置工作后的负重。7、应用前景 能源环保方面：以碳中和为杠杆、以零碳为目标，使用风能、太阳能发出的绿色电能是机构供电的主要能源。效率方面：办自动化的装置，利用 12 路控制器远程操控机器，使得机器在恶劣天气仍旧可以工作，提高工作效率。市场方面：目前市场上大多存在的只有海洋垃圾收集装置，且价格昂贵，而此装置则为收集和分类一体并兼顾垃圾的打包，此外，该装置所用材料均为常见钢材等，成本更低。