CN114753335A - 水面垃圾智能采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水面垃圾智能采集装置，尤其是排水采集系统内桶能在水面保持升沉循环，先靠内桶内浮圈浮力上升隔断水面并触发直流水泵排水，排水水位低于内浮圈时，内桶失去浮力靠自重沉没水面时能利用水流倒灌的能量吸附水面垃圾并过滤存贮；动态平衡系统保持装置整体在水面自动升沉作业时动态平衡，锚固定于水底并用链牵引，作业半径可根据现场环境自由调节链长度随机确定，突破了传统用架子固定的局限性；集成新能源发电系统，由太阳能光伏(风力)发电系统为锂电瓶充电；智能控制系统现场无线遥控控制，具有4G通讯功能和GPS功能的RTU模块，能实时采集现场工作数据与云服务器通讯，实现云平台集中监管的水面垃圾智能采集装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种水面垃圾智能采集装置，尤其是排水采集系统内桶能在水面保持升沉循环，先靠内桶内浮圈浮力上升隔断水面并触发直流水泵排水，排水水位低于内浮圈时，内桶失去浮力靠自重沉没水面时能利用水流倒灌的能量吸附水面垃圾并过滤存贮；动态平衡系统设计了3组120度放射形排列的浮块保持装置整体在水面自动升沉作业时动态平衡，锚固定于水底并用链牵引，作业半径可根据现场环境自由调节链长度随机确定，突破了传统用架子固定的局限性；集成新能源发电系统，由太阳能光伏(风力)发电系统为锂电瓶实时充电；智能控制系统利用水下触、保、延、停模块间歇供电延长锂电瓶供电时间，现场采用无线遥控控制，具有4G通讯功能和GPS功能的RTU模块，能实时采集现场工作数据与云服务器通讯，实现云平台集中监管的水面垃圾智能采集装置。
背景技术
中国江南水乡河道纵横，为加强水面保洁长效管理，切实改善和谐宜居的城乡水环境，促进人居生活质量不断提升，各地政府都出台了水面治理相关条例办法，以实现“水清、流畅、景美”的治理目标。但河面垃圾处理需花费大量人力物力，如何用节能高效的办法清理水面垃圾已成为一种刻不容缓的问题。
国外海洋垃圾桶(seabin)虽然也可用于河道水面垃圾清理，由于海洋垃圾桶使用必须固定沉入水面深度，一般都固定在长时间停泊在海湾的船沿上或水位相对稳定的海岸边，但在一场大雨就能明显改变水位的河道使用，必须经常调整垃圾采集装置沉入水面深度显然不是很现实，河道水面上长时间停靠一条专用船只无论从成本和空间上都不允许，更何况海洋垃圾桶排水系统要达到25000LPH排水量使用的是100V/220V交流电源，即使不考虑能耗和铺设电缆成本及野外取市电的麻烦，使用强电存在的安全隐患更是不容忽视的。
国内的鱼塘垃圾聚集装置虽然可漂浮在水面聚集垃圾，但没有吸收存贮能力，不能满足水面垃圾的回收条件。根据鱼塘垃圾聚集装置和国外海洋垃圾桶原理改进的动力增大型水面垃圾桶，由于要摆脱强大的水泵吸力必须成倍增加内桶浮力，在脱离水泵吸力的瞬间会高速弹出水面又突然停止，强大的反冲力不但会破坏动态平衡，还会把已经吸的垃圾再弹回到水面，平衡效果和采集效率都存在明显缺陷，更何况这两种垃圾采集装置同样使用交流电源，也存在与海洋垃圾桶相同的取电麻烦及安全隐患等问题。至于近几年出现的基于人工智能和视觉技术开发的集水质检测和水面垃圾采集于一体的垃圾采集船，如果不考虑其豪车般的价格，在空阔的景点湖面展示风采不失为一个亮点，但要在纵横交叉大小宽窄多变还偶尔有船只突然出现的河道普及几乎是不可能的。
本发明水面垃圾智能采集装置针对国内外水面垃圾采集装置的不足，从力学结构、能源配备到控制线路都进行了全新的合理化设计：排水采集系统内桶能在水面保持升沉循环，先靠内桶内浮圈浮力上升隔断水面并触发直流水泵排水，排水水位低于内浮圈时，内桶失去浮力靠自重沉没水面时能利用水流倒灌的能量吸附水面垃圾并过滤存贮；动态平衡系统设计了3组120度放射形排列的浮块保持装置整体在水面自动升沉作业时动态平衡，锚固定于水底并用链牵引，作业半径可根据现场环境自由调节链长度随机确定，突破了传统用架子固定的局限性；集成新能源发电系统，由太阳能光伏(风力)发电系统为锂电瓶实时充电；智能控制系统利用水下触、保、延、停模块间歇供电延长锂电瓶供电时间，现场采用无线遥控控制，具有4G通讯功能和GPS功能的RTU模块，能实时采集现场工作数据与云服务器通讯，实现云平台集中监管。
发明内容
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：水面垃圾智能采集装置主要由排水采集系统、动态平衡系统、新能源发电系统、智能监控系统4大功能模块组成：
1、排水采集系统主要由外壳桶、外桶、直流水泵、内桶、采集网兜及相关管道配件组成，通过浮力定律和垂直方向受力平衡对配重法兰重量的精确计算，能在水面保持升沉循环，先利用内桶内浮圈浸水时的浮力使内桶上升隔断水面，同时触发直流水泵排出内桶内的部分水，排水后失去浮力靠自重沉没水面时的内桶就能利用水面倒灌的能量吸附水面垃圾；
2、动态平衡系统通过浮力定律和垂直方向受力平衡的精确计算，设计了3组呈120度放射状排列的浮块建立了本发明整体漂浮在水面自动升沉作业的动态平衡，本发明用链牵引并用锚固定在河底，可根据现场环境调节自由作业半径，以摆脱固定深度固定位置的局限作业模式；
3、集成新能源发电系统，太阳能光伏(风力)发电系统为锂电瓶充电的新能源系统，以直流供电代替交流供电，不但能脱离市电在野外长时间工作，还增加了用电安全；
4、智能控制系统由水下行程开关及触、保、延、停模块、防水控制盒、无线遥控开关、无线遥控器、4GRTU及相关模块配件组成。利用水下触、保、延、停模块间歇给水泵供电，延长锂电瓶供电时间，由于内桶上升时水泵能暂停工作，水泵吸力引起的阻力消失，内桶上升速度相当迅速，节能的同时还能缩短工作周期，提高工作效率。现场采用无线控制。配备了具有4G通讯功能及GPS功能的RTU模块，能实时采集现场工作数据与云服务器通讯，实现云平台远程集中监管。
本发明的有益效果是：
1、充分利用水能量的结构设计：排水采集系统利用内桶内浮圈浸水时的浮力使内桶上升隔断水面，同时触发直流水泵排出内桶内的部分水，排水后失去浮力靠自重沉没水面时的内桶就能利用水面倒灌的能量吸附水面垃圾，内桶内浮圈再次浸水产生的浮力使内桶再次上升隔断水面，内桶上升瞬间给水泵供电的触、保、延、停模块延时结束，水泵停止排水，内桶上升时没有水泵吸力引起的阻力，避免了能量损耗，内桶每上升、下降一次为一个工作周期，整个工作周期直流水泵只是间歇排水，内桶的上升和下降充分利用了水的浮力和内桶自重。
2、动态平衡下的运动设计：通过浮力定律和垂直方向受力平衡的精确计算，利用3组呈120度放射状排列的浮块建立了本发明整体漂浮在水面自动升沉作业的动态平衡，用锚在河底固定,用链牵引并根据现场环境调节自由作业半径，摆脱了固定深度固定位置的局限作业模式。
3、新能源发电的安全供电系统集成：本发明集成新能源发电系统，太阳能光伏(风力)发电系统为锂电瓶充电的新能源系统，以直流供电代替交流供电不但能脱离市电在野外长时间工作，还增加了用电安全。
4、间歇供电的智能控制：利用水下触、保、延、停模块间歇供电，延长锂电瓶供电时间的同时还能缩短工作周期，提高工作效率。现场采用无线控制并配备了具有4G通讯功能和GPS功能的RTU模块，能实时采集现场工作数据与云服务器通讯，实现云平台集中监管。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明主要由排水采集系统、动态平衡系统、新能源发电系统、智能监控系统4大功能模块组成，分别说明如下：
图1是本发明的整体结构图。
图1中外壳桶(1)，水泵(2)、配重法兰(3)、内桶(4)、外桶(5)、采集网兜(7)、排水管(20)组成排水采集系统。
图1中外壳桶(1)包括外壳桶底部凸台(1-1)、桶口翻边(1-2)；
图1中内桶(4)包括过滤网架(4-1)、内桶下法兰(4-2)、内浮圈(4-3)、内桶上法兰(4-4)；
图1中外桶(5)包括外桶内密封圈(5-1)、外桶中间法兰(5-2)；
图1中采集网兜(7)包括网兜法兰(7-1)、网兜吊环(7-2)；
图1中长支撑杆(6)、12只可调管卡(17)、3套角码(18)、3套U形坐(15)、3套浮块(14)、2根短支撑杆(21)、链(22)、锚(23)组成动态平衡系统；
图1中光伏板支架(10)、太阳能光伏板(11)、8只固定管卡(12)、防水控制盒(13)、防水电池盒(16)及相关模块连接而成的电路(图2)组成新能源发电系统；
图1中长支撑杆(6)、2只可调管卡(17)、行程开关底板(8)、行程开关(9)、防水控制盒(13)及与相关模块连接而成的电路(图2)组成智能监控系统；
图1中外壳桶体(1)、外壳桶底部凸台(1-1)、桶口翻边(1-2)、水泵(2)、配重法兰(3)、内桶(4)、过滤网架(4-1)、内桶下法兰(4-2)、内浮圈(4-3)、内桶上法兰(4-4)、外桶(5)、外桶内密封圈(5-1)、外桶中间法兰(5-2)、长支撑杆(6)、采集网兜(7)、网兜法兰(7-1)、网兜吊环(7-2)、行程开关底板(8)、行程开关(9)、光伏板支架(10)、太阳能光伏板(11)、固定管卡(12)、防水控制盒(13)、浮块(14)、U形坐(15)、防水电池盒(16)、可调管卡(17)、角码(18)、中间密封圈(19)、排水管(20)、短支撑杆(21)、链(22)、锚(23)；
图2是新能源发电系统与智能监控系统相关电路图。
图2中太阳能光伏板(11)、防水控制盒(13)中的充电控制器(13-1)，防水电池盒(16)中的锂电池(16-1)连接为新能源发电系统电路。
图2中水泵(2)、行程开关(9)、云服务器(24)、无线遥控器(25)、防水控制盒(13)中的无线遥控模块(13-4)、触、保、延、停模块(13-3)、4GRTU(13-2)连接为智能监控系统电路。
图2中水泵(2)、行程开关(9)、太阳能光伏板(11)、防水控制盒(13)、充电控制器(13-1)、4GRTU(13-2)、触、保、延、停模块(13-3)、无线遥控模块(13-4)、防水电池盒(16)、锂电池(16-1)、云服务器(24)、无线遥控器(25)。
具体实施方式
本发明功能由排水采集系统、动态平衡系统、新能源发电系统、智能监控系统4大功能模块具体实施：
图1中排水采集系统外壳桶桶口翻边(1-2)与外桶(5)中间法兰(5-2)由中间密封圈(19)密封，采用螺栓固定，外桶(5)内套装内桶(4)，内桶(4)外壁与外桶(5)内壁通过外桶内密封圈(5-1)密封，使内桶能沿外桶内壁上下活动，活动行程受内桶下法兰(4-2)与内桶上法兰(4-4)限制，但水不能从外壳桶与外桶连接处及外桶与内桶的间隙进入内桶，内桶(4)内壁上方装有内浮圈(4-3)，采集网兜(7)在内桶内通过网兜法兰(7-1)搁在内浮圈(4-3)上，水中作业时，水从内桶(4)灌入直到外桶(5)沉入水面，内桶(4)则在内浮圈(4-3)产生的浮力作用下上升至下法兰(4-2)顶住外桶下沿，达到最大行程。
为确保外桶(5)上口沉入水面深度小于内桶(4)上升最大行程，使内桶(4)上法兰(4-4)能露出水面，通过调整动态平衡系统的3组浮块(14)与外桶(5)上口的间距实现这一目标，这时3组浮块(14)所需产生的总浮力及总体积可根据浮力定律和垂直方向受力平衡公式计算。
根据浮力定律：
F浮＝V浮*γ (1)
F内＝V内*γ (2)
F零＝V零*γ (3)
根据垂直方向受力平衡：
F浮+F内+F零＝G+G配 (4)
(1)、(2)、(3)代入(4)
V浮*γ+V内*γ+V零*γ＝G+G配
V浮＝(G+G配-V零*γ-V内*γ)/γ (5)
其中：
F浮：3组浮块(14)总浮力(kg/)
V浮：3组浮块(14)总体积(L)；
F内：：内浮圈产生的浮力(kg)；
V内：内浮圈体积L(根据内浮圈浮力棒半径和长度计算)；
F零：浸没水中零部件产生的浮力(kg)；
V零：浸没水中零部件总体积(零件立体造型软件自动计算)；
γ：水的比重kg/L(γ＝1kg/L)；
G：本发明总重量(kg)；
G配：配重法兰重量计算方法见公式(9)(kg)；
这样当内桶(4)上法兰(4-4)触发智能监控系统行程开关(9)，安装在外壳桶底部凸台(1-1)上的水泵(2)开始排水时，外面的水因被内桶隔断便不会再进入内桶(4)，内桶(4)水位便会下降，当水位下降到内浮圈(4-3)以下，内桶(4)因内浮圈(4-3)失去浮力，在自重作用下会下沉，直到上法兰(4-4)低于水面，由于这时水泵(2)一直在排水，内桶(4)内的水位已远低于水面，水面中的垃圾便会随水流倒灌进入内桶，经采集网兜(7)和过滤网架(4-1)过滤存贮在采集网兜(7)内，直到内桶的水位再次达到内浮圈(4-3)的高度时，水泵(2)定时结束自动关闭，而内桶(4)则在内浮圈(4-3)的浮力作用下再次上升，由于内桶(4)上升时不存在水泵(2)吸力引起的阻力，上升速度会相当迅速，节能的同时还能缩短工作周期，提高工作效率，当内桶(4)上升到最大行程又会触发行程开关(9)启动水泵(2)排水，开始第二轮水面垃圾采集，如此循环往复，实现水面垃圾自动采集、过滤、存贮在采集网兜(7)。
为确保内桶(4)在自重作用下下沉到最低点，排水采集系统在水中的整体浮力最大时，内桶(4)上法兰(4-4)能沉入水面，使水面垃圾能随水流倒灌进入内桶，本发明整体重量至少要能克服这一最大浮力。根据浮力定律和受力平衡公式可计算本发明整体最小重量，如果实际重量达不到最小重量就需要加配重法兰(3)，本发明配重法兰(3)重量计算如下：
根据浮力定律：
F桶＝V桶*γ (6)
F零＝V零*γ (7)
根据垂直方向受力平衡：
G+G配＝V零*γ+V桶*γ (8)
(6)(7)代入(8)
G配＝V零*γ+V桶*γ-G (9)
其中：
G配：配重法兰重量kg；
G：本发明总重量kg(称重)；
F零：浸没水中零部件产生的浮力(kg)；
V零：浸没水中部分零部件总体积(零件立体造型软件自动计算)；
F内：内桶排水到最低水位产生的最大浮力(kg)；
V内：内桶最大排水量L(根据内桶半径和排水深度计算)；
γ：水的比重kg/L(γ＝1kg/L)。
图1中动态平衡系统长支撑杆(6)和2根短支撑杆(21)上分别用2个可调管卡(17)固定角码(18)、浮块(14)螺栓固定在U形坐(15)上，U形坐(15)用螺栓固定在角码(18)上。链(22)的链一端螺栓固定在外壳桶上，另一端螺栓固定在锚(23)上，作业时锚(23)抛入水底固定，根据现场环境可通过调节链(22)的长度调整本发明的自由作业半径。
图1中新能源发电系统太阳能光伏板(11)通过固定管卡(12)固定在光伏板支架(10)上，接受光线即能发电，并通过防水控制盒(13)内的充电控制器给防水电池盒(16)内的锂电池充电，电路图见图2。
图1中智能监控系统行程开关底板(8)用可调管卡(17)螺栓固定在长支撑杆(6)上、行程开关(9)螺栓固定在行程开关底板(8)上，当排水采集系统内桶灌水上浮触发行程开关(9)，防水控制盒(13)内触、保、延、停模块开始工作，控制水泵(2)排水、延时、停止，电路图见图2。
图2为新能源发电系统和智能监控系统电路图；
图2中智能监控系统由无线遥控器(25)打开无线遥控模块(13-4)，接通OUT的正负极，开始为智能控制系统供电，当行程开关(9)闭合，便会使触、保、延、停模块(13-3)线圈通电，常开触点NO闭合，触发水泵通电工作，自锁电路确保线圈在行程开关(9)断开后继续保持线圈通电，直到设置的延时时间结束，常开触点NO断开后线圈才断电，完成水泵(2)排水、延时、停止过程，直到行程开关(9)再次闭合，再次触发水泵(2)下一轮的排水、延时、停止过程。
图2中4GDTU模块(13-2)包含DI、DO、AI及GPS采集功能，并能把采集到的信息通过4G实时传输到云服务器(24)保存，供远程监控终端调用。
Claims (5)
1.一种河道智能垃圾采集装置，其特征在于：河道智能垃圾采集装置主要由排水采集系统、动态平衡系统、新能源发电系统、智能监控系统4大功能模块组成。
2.根据权利要求1所述的河道智能垃圾采集装置，其特征在于：排水采集系统利用内桶内浮圈浸水时的浮力使内桶上升隔断水面，同时触发直流水泵排出内桶内的部分水，排水后失去浮力靠自重沉没水面时的内桶就能利用水面倒灌的能量吸附水面垃圾，内桶内浮圈再次浸水产生的浮力使内桶再次上升隔断水面，内桶上升瞬间给水泵供电的触、保、延、停模块延时结束，水泵停止排水，内桶上升时没有水泵吸力引起的阻力，避免了能量损耗，内桶每上升、下降一次为一个工作周期，整个工作周期直流水泵只是间歇排水，内桶的上升和下降充分利用了水的浮力和内桶自重。
3.根据权利要求1所述的河道智能垃圾采集装置，其特征在于：动态平衡系统通过浮力定律和垂直方向受力平衡的精确计算，设计了3组呈120度放射状排列的浮块建立了本发明整体漂浮在水面自动升沉作业的动态平衡。
4.根据权利要求1所述的河道智能垃圾采集装置，其特征在于：新能源发电系统以太阳能光伏(风力)发电系统为锂电瓶充电，以直流供电代替交流供电，能脱离市电在野外长时间安全工作，实现了新能源发电的安全供电系统集成。
5.根据权利要求1所述的河道智能垃圾采集装置，其特征在于：智能监控系统现场采用无线控制，配备了具有4G通讯功能及GPS功能的RTU模块，实时采集现场工作数据与云服务器通讯，实现云平台集中监管。
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| CN202210533087.3A Pending CN114753335A (zh) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 水面垃圾智能采集装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114753335A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4335973A1 (en) * | 2022-09-12 | 2024-03-13 | Evolutive Labs Co., Ltd. | Waste collection apparatus |
-
2022
- 2022-05-19 CN CN202210533087.3A patent/CN114753335A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4335973A1 (en) * | 2022-09-12 | 2024-03-13 | Evolutive Labs Co., Ltd. | Waste collection apparatus |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |