1.1 設計目的

20世紀60年代，隨著全球石油產量的激增和海上運輸的飛速發展，石油泄漏事故成為了一個日益突出的環境問題。1967年的托里坎油污染事件，以及1978年的阿莫科塞德羅號油輪事故，都暴露了海上石油運輸的安全隱患，引起了國際社會對海洋污染問題的廣泛關注。

當今社會經濟的不斷發展和人類對石油需求的迅猛增長，促進了海上石油開采事業迅速崛起，海上溢油事故也頻頻發生。隨著海上運輸的迅猛發展，全球大型油輪的數量和級別都在不斷增加，這使得海上溢油的潛在威脅日益增強。大量的石油會覆蓋在海面上，形成油膜，對海洋生態系統造成嚴重破壞。溢油對海洋造成的持久的污染不僅損害海洋環境和資源，致使大量水中生物窒息而死，還會影響局部水文氣象條件，降低海洋的自凈能力，造成自然環境的巨大災難和生態平衡的嚴重破壞，導致嚴重的經濟損失，同時也危害人體健康，如圖1，圖2.

圖1溢油區域

圖2溢油區域

由于近年來海上開采及船舶溢油事故頻繁發生，給海洋生態環境造成了嚴重的危害。為了緩解這一問題設計了刮油式海面清潔守護者，本產品主要功能是在含浮油的水中通過刮板分離出浮油，以提高收集浮油的效率，并對浮油進行回收。此產品既能適應海上惡劣的氣候條件，減少人工作業的時間，還能利用太陽能續航工作時間，這樣的浮油自動收集裝置對于海上溢油回收以及海洋環境的保護都具有極其重要的意義。

目前我國對于海上浮油的收集主要沿用比較傳統的方式。再加上全球化的加劇，海上運油通道越來越繁忙同時海上溢油的情況也越來越頻繁，因此對于漏油收集裝置的研發也到了比較急迫的狀況，此類裝置的市場需求也將更加廣闊，若研制成功對于生態環境將產生巨大的正面意義，同時也將產生不小的經濟意義。

起初我國利用吸油毛氈人工吸取海上浮油，不僅效率低，成本高，人力資源浪費嚴重，同時由于海上環境惡劣，對于操作人員也有一定的危險。就現在而言，常使用圍油欄用于阻止溢油范圍的進一步擴大，防止溢油流向敏感的海岸線地帶，但不能從根本上解決此問題。有時也會通過可控燃燒來清除水中的溢油，但這會產生其他污染物，不利于環境的保護問題；或者是向水中投入化學分散劑，以此加速油分子的分解，以達到除油的目的。

所以，需要一種同時能防止生態災難發生，還可避免石油浪費的清理方法。針對海上運油線和海底油田，河口、港灣及近海水域浮油污染問題，由此設計出該產品。

本裝置設計的目的在于克服現有技術的浮油收集裝置的浮油收集效率較低，且不適用于海上的大面積浮油收集的缺陷，提供一種浮油收集效率較高，并適用于海上的大面積浮油收集的方法。可用于存在石油泄漏的大面積水域，進行油水收集以及分離，雙重過濾提高了油質的純度，水中收油部分可根據油層厚薄對集油器進行調節，無論水面上油層厚薄，本機均可回收，并且操作簡單，維修方便，智能化程度較高，針對處理海上溢油措施有了新的提高。此外，本機器簡潔靈活可作為個體或群體使用，具有很強的實用性。遠程遙控系統，精準的定位目標位置，方便快捷，收集浮油速率可調。通過兩個液位開關和電磁閥，精度較高且價格便宜。使用安全,能長期正常工作,實用性強,適合水上溢油回收和大型油水分離，本裝置的還具有較高的推廣價值，可廣泛應用于未來溢油現象嚴重的水域。

1.2研究方向

原油泄露一向以其突發性和不可預見性而臭名昭著，它會給海洋環境和海洋生物帶來嚴重的破壞，為了維護海上生態壞境，有必要設計出一種省時、省力、收油效率高，除油率可觀的機械產品， 刮油式海面清潔守護者的設計特點是從思維到方案，方案到圖紙到具體產品的演化過程。從產品規劃、功能需求、原理方案設計，到較為具體的結構方案設計、總體設計組裝等。本裝置在整個設計過程中不斷完善產品的信息，直到整個產品達到預期的功能與期望。

經過網上查閱資料了解到目前存在的除油方式，總結出其缺點如下：

（1）浪費人力，費時費力。

（2）對工作人員的人身安全造成威脅。

（3）處理溢油效果不佳。

（4）浪費資源。

（5）對海底植物及動物的危害極大。

需要一種同時能防止生態災難發生，還可避免石油浪費的清理方法。海上石油污染主要發生在河口、海灣、海上運油線和海底油田周圍。針對這些地方研究出刮油式海面清潔守護者來進行海上浮油的回收。經過分析，設計的重點應該為：

（1）對海洋生態環境不會造成二次污染。

（2）控制便捷、操作簡單，維修方便。

（3）除油率高，收油效率高，耗電低，效果穩定，使用安全，能長期正常工作。

（4）可用于存在石油泄漏的大面積水域。

（5）簡潔靈活可作為個體或群體使用。

（6）節約人力資源。

2 工作原理和功能特點

2.1工作原理

刮油式海面清潔守護者的工作原理主要概括為：

（1）在傳送系統中，利用傳送帶的傾斜度（60°左右）可以達到收集不同高度油層，并且其采用刮刀設計，利用其角度差（40°左右）達到聚集浮油的作用。傳送帶采用橡膠材質，運用其耐磨的特點，將油傳送上去，并且動力充足，極大的提高了收集效率。

如圖2.1所示：

圖 2.1

（2）其動力裝置中，主要可以概括為:動力高，轉速高，耐腐蝕三點。由于裝置動力高，高效的保證了裝置的動力強度，并通過太陽能供電系統保證其續航能力，并且采用三相無刷電機，起到絕緣耐腐蝕的作用、這保證了裝置的動力強度以及裝置的穩定性與靈活性。

（3）在其封裝機構中，巧妙的利用連桿機構的極限位置，弧形運動軌跡完成收集工作中的封裝部分，并且在其末端有磁力盤，可以同連桿機構相互配合完成封裝的一系列過程。

（4）在傳送、收集過程中，本裝置通過傳送帶將油傳送上來后，經刮刀刮下的油到達導流槽，利用油自身重力作用到達桶中，達到收集作用。

2.2功能特點

該裝置主要包括四個裝置，如圖2.2所示：

圖 2.2 內部結構圖

①傳送裝置

②動力裝置

③自動封裝裝置

④工位旋轉裝置

其具體特點如下：

（1）傳送裝置：通過兩端擋板將油匯聚到傳送帶附近，經傳送帶轉動將油傳送上去。如圖2.3所示：          

圖 2.3 傳送裝置

（2）動力裝置：由于裝置動力高，有效的保證了裝置的動力強度，其特點主要表現為：動力足，轉速高，耐腐蝕，并且采用三相無刷電機，起到絕緣耐腐蝕的作用，如圖2.4所示：

圖 2.4 動力裝置

（3）自動封裝裝置：該裝置由電機帶動四連桿機構運動，完成取，移，放，壓一系列循環工作，在拾取末端放置電磁鐵吸取鐵蓋子完成封蓋。如圖2.5所示：

圖 2.5 自動封裝裝置

（3）工位旋轉裝置：該裝置承擔收集功能，采用六工位制，經刮刀刮下的油，通過導流槽進入桶中，達到儲存作用。如圖2.6所示：

圖 2.6工位旋轉裝置

3 主要技術參數

3.1控制程序設計

電氣原理圖如圖3.1。

圖 3.1 電氣原理圖

刮油式海面清潔守護者的核心器件為 arduino控制板，這是一款起步比較早的、便捷靈活、方便上手的開源硬件產品，各種開源項目目前已經得到廣泛的認可和大范圍的應用。

arduino控制板程序如下：

#include <Servo.h>

Servo duoji1;//創建伺服器對象

Servo duoji2;//創建伺服器對象

int seroverdown = 9; //定義舵機信號線接口

int seroverup = 10; //定義舵機信號線接口

int psx = 1;//定義搖桿信號線接口

int psy = 2;//定義搖桿信號線接口

int valx;

int valy;

int jidianqi1 =3; //管腳3連接到繼電器模塊的信號腳

int a=0,b=0;

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

  pinMode(psx, OUTPUT);

  pinMode(psy, OUTPUT);

  duoji1.attach(9);

  duoji2.attach(10);

  pinMode(jidianqi1, OUTPUT); //設置pinRelay腳為輸出狀態