海洋吸尘器结构设计
摘要
近年来，随着经济的快速发展，海洋产业及海上活动的增加，导致海洋漂浮垃圾越来越多，对沿岸的居民和海洋的生物的生命安全造成了很大的威胁，严重破坏海洋生态平衡。针对海洋垃圾污染这一主要问题，本文提出了一种新型的海洋吸尘器垃圾收集装置，海洋吸尘器的设计，其实现了水面垃圾无人化、智能化的操作，整个垃圾收集过程无需人工参与，收集装置结构简单，成本比较低，便于维修，与此同时，本次设计的海洋吸尘器还具有工作安全、效率高的优点。
本文通过对现有的海洋垃圾收集装置进行调研，分析对比目前收集装置存在的缺点，在现有收集装置的基础上，本文提出了一种新型的垃圾收集装置海洋吸尘器。本文主要完成了海洋吸尘器的船体结构设计、动力装置、垃圾收集运输及存储装置。完成了海洋垃圾吸尘器主要零部件的设计和校核，使用solidworks三维绘图软件完成了整个海洋吸尘器三维模型的设计和构建。
本文重点完成了垃圾收集装置的设计，采用带传动和链传动的运输方式，使得垃圾的收集和运输效率更高。除此之外，垃圾存储装置，采用的是可以替换的储存箱结构，底部采用多孔设计，使得垃圾收集更加方便。

关键词：海洋垃圾；带传动；结构设计；solidworks

目录
1 绪论   1
1.1 选题的背景及意义   1
1. 2 国内外研究的现状   2
1.2.1 海洋垃圾收集方式   2
1.2.2 国外演技的现状   5
1.2.3 国内研究的现状   6
1.3 现有海洋垃圾收集装置存在的问题   6
1.4 本次设计主要研究内容   7
2 海洋吸尘器总体结构设计   8
2.1 海洋吸尘器的设计方法和设计原则   8
2.1.1 设计方法和设计原则   8
2.1.2 总体结构设计   8
2.2 海洋吸尘器的总体设计思路   9
2.3 本章小结   9
3 海洋吸尘器船体结构设计   10
3.1 船体的结构设计   10
3.1.1 常见的船体结构分类   10
3.1.2 船体材料   11
3.1.3 船体主要的设计尺寸   11
3.1.4 吸尘器的排水量和吃水深度   11
3.1.5 船体质量计算   11
3.2 动力装置设计   12
3.2.1 电动机的选择   12
3.2.2 推进器的选择   13
3.3 本章小结   15
4 海洋吸尘器传输装置设计   16
4.1 传输装置的安装和收集   16
4.1.1 安装位置   16
4.1.2 收集方式   16
4.2 传输装置的总体设计   17
4.3 链传动的设计   17
4.3.1 链条的选择和计算   17
4.3.2 小链轮的设计及计算   18
4.3.3 大链轮的设计及计算   19
4.4 轴的设计   20
4.4.1 轴材料的选择   20
4.4.2 轴设计参数   20
4.5 齿轮的设计及校核   23
4.6 轴承的选型及校核   29
4.7 旋转桶的设计   32
4.8 垃圾存储箱的设计   33
4.9 控制系统的设计   33
4.10 本章小结   34
5 海洋吸尘器船体的三维建模   35
5.1 Solidworks   35
5.2 海洋吸尘器的三维模型   36
6 海洋吸尘器船体的静力学分析   37
6.1 船体的静力学分析   37
6.1.1 设计方法   37
6.1.2 ansys简介   38
6.1.3 分析的目的   38
6.1.4 静力学分析基础   39
6.1.5 船体材料的选择   39
6.1.6 网格的划分   39
6.1.7 模型的载荷和约束的施加   41
6.1.8 仿真分析与求解   41
6.2 本章小结   42
6 总结与展望   44
6.1 总结   44
6.2 展望   45
文献参考   46
致谢   48

1 绪论
1.1 选题的背景及意义
随着海洋工业的发展和沿岸旅游行业的发展，海洋漂流垃圾的出现变得不可避免[1]。尤其是海洋沿岸的生活垃圾更是对环境造成了严重的影响，海面环境多变，暴雨过后，这些漂流的垃圾就会浮现在水面，不仅仅引起视觉污染，对沿岸的海岸公园产生影响。更重要的过多的垃圾会缠绕螺旋桨，对海里渔船和潜艇造成严重的威胁。海洋漂流垃圾也严重影响海洋生物的生态系统的稳定，垃圾会污染水源，造成海洋生物中毒死亡，如图1.1所示。目前，随着全球经济的高速发展，同时也造成了大量的垃圾和废弃物，同时很多企业违规操作，将各种废弃物未进行处理，直接导入河流中，危害环境。据调查，全世界每年产生的垃圾近30亿吨，其中有将近800万吨的塑料垃圾会流入河流和海洋之中[2]。与此同时，由于海水的流动性，垃圾会被带到其他海域，对其生态环境造成破坏，一些垃圾被鱼类食用后中毒，随后又被人类捕食，最终危害人类自身的健康。当前海洋垃圾问题已经成为国际社会重点解决的问题之一，严重威胁着人类的安全[3]。

图1.1 垃圾对海洋的影响
根据海漂垃圾的分布位置，如何有效处理垃圾成为积蓄解决的难题，目前常见的清理方式主要是通过清洁工人手动清洁和垃圾收集船自动收集这两种方式，存在收集效率低、垃圾收集效果比较差的问题，同时国内还没有研发出更智能的垃圾收集装置，因此高效、智能的海洋垃圾装置的设计，对改善海洋生态环境建设美丽中国具有重大的意义[4][5]。
我国国土面积辽阔，陆地内部含有很多条内陆湖和河流，随着旅游业的发展，河流沿岸积攒了大量的塑料袋和泡沫垃圾，这些垃圾在水中很难自己分解，尤其是随着河水的流动，这些垃圾最终会汇聚到渤海和黄海流域，环境污染严重，影响环境的同时，也影响着水中生物的生态平衡，具有极其大的潜在危害，因此我们应加强水中的环境治理，为了子孙后代的发展，我们更应该保护环境、爱护地球[6]。
1.2 国内外研究的现状
海洋垃圾，尤其是漂浮垃圾会被洋流或海风携带漂流很长一段距离。海洋垃圾不仅破坏了海洋环境，影响海洋生物，甚至会通过自然环境的纽带关系和食物链逐渐威胁到人类自身[7][8]。因此，它是人类造成的污染面积大，持续时间长，影响深远，处理作业最复杂的海洋生态环境破坏海洋垃圾的危害不可小觑，针对这些垃圾的回收处理问题，学者都对其进行深入探讨。值得一提的是洋流、风速和风向等不确定因素会导致漂浮垃圾的位置不定，因此如何借助相关数据和分析软件，预测模拟漂浮垃圾的运动轨迹，确定一定时间内垃圾的聚集位置是研究的方向之一。然而当前国内外对于这方面的研究还十分不足[9]。在对海上分布不同的垃圾点执行回收作业时，不得不考虑船舶造成的二次污染问题。据统计，全球 90%的国际贸易以海运形式进行，这也导致仅全球海上运输的碳排放量就占了总量的 3%。目前对于漂浮垃圾的回收问题，除了确定一定时段内的垃圾坐标外，更重要的是如何根据垃圾位置来对船舶回收垃圾的线路进行合理规划，同时在船舶进行垃圾回收过程中，尽量降低二次污染以及回收成本。即尽量降低船舶在作业期间的碳排放量以及减少回收成本[10]。
1.2.1 海洋垃圾收集方式
由于海洋垃圾日益增多，造成的影响越来越恶劣，很多国家对海洋漂流垃圾问题也越来越重视[11]。目前，海洋垃圾收集装置大多都处在理论设计阶段，实际应用的收集装置比较少，目前国内外常见的海洋垃圾收集装置主要有：
（1）传统海洋垃圾收集方式
传统海洋垃圾收集方式是通过人工在沿岸捡拾垃圾，或者使用渔船，载着工人在海上打捞垃圾如下图1.2所示。由于海上气候多变，风浪比较大，海上渔船打捞工作比较困难，这种比较传统的垃圾收集方式在很多地方仍然能看到，虽然可以清理部分海洋垃圾，但是其工作需要投入的人力成本比较大，工作的效率比较低的问题[12][13]。

图1.2 传统海洋垃圾收集
（2）水上垃圾拦截浮体收集
如下图1.3所示，水上浮体拦截装置收集垃圾主要应用在一些需要重点保护的内流河或者湖泊当中，缺点是不能大面积的使用，同时还需要其他的配套设施一起使用，不具有良好的推广性[14]。

图1.3 水上垃圾拦截浮体
（3）海上垃圾桶收集方式
海上垃圾桶收集方式最早是由澳大利亚的科学家发明的，垃圾桶主要由纤维网制作而成，如图1.4所示。主要的工作原理是利用岸上的水泵将水底垃圾桶内的海