随着国家及地区对旅游业的重视程度以及人们对于物质生活水平要求的不断提高,自然地质的环境清洁及美观程度逐渐成为基于此建设的康复疗养、休闲度假、城市公共设施的重要评价指标。沙滩作为此类设施的常用地质属性,其废弃物的处置方式至今仍以大规模整治为主,人工收集为辅的形式,其机械能耗量大、冗余操作、人员工作环境恶劣等都对生态环境及工作环境的动态平衡施加了巨大压力。虽然我国已具有沙滩规模化的处置能力,但由于其隶属于户外环境的特殊性,周遭环境的变化,例如潮汐作用、台风、暴雨等,均会造成废弃物的反复产生。日常保养若仍采用原始的人工作业,不可避免的会导致机械重复的工作量。基于提高工作效率、减低能耗及改善海洋沙滩工作环境的需求理念,达到促进海洋沙滩废弃物处置智能装备研制的目的,改善户外清洁方式的传统方式,研制替代人工操作的智能化收集系统具有理论及实际工程意义。本文基于上述矛盾问题设计了全新的沙滩废弃物清洁机械,其主要工作如下:首先,通过对沙滩废弃物及砂砾实际情况及本装备目标用户的反馈,创新设计了本装备的核心筛分结构。首先,参照沙滩废弃物及沉积物监测的一般方法,对厦门沙滩废弃物及沉积物大小进行统计分析,得出沙滩废弃物及沉积物大小统计规律;其次,开展周边环境的调研工作收集目标用户群体的使用需求,使用质量屋方法(QFD)将用户需求转化为设计需求和工程参数,然后,结合筛分机构的发展历程,确定了筛分机构的进化方向。利用TRIZ的矛盾矩阵解决设计冲突并生成概念解,返回与需求校核和进化方向,将概念解转化为实际解决方案,满足了用户需求。其次,对筛分机构进行动力学理论分析。首先,基于筛分机构中废弃物与砂砾填充率不高的特点,使用单质点法对小型废弃物进行力学理论分析,并基于前述调研结果简化废弃物形态,建立小型废弃物运动力学模型;其次,基于概率透筛原理对单个废弃物透筛概率进行分析。对于废弃物颗粒在筛面滑动的情况,按废弃物长度与筛孔尺寸的关系分为三类,并以条件概率的形式给出了总透筛概率公式,对于废弃物颗粒与筛面碰撞的情况,以几何概率的方法分析了其透筛概率;最后,利用土壤扰动理论对铲掘部件与砂砾进行动力学分析,建立铲掘部件数学模型,确定了铲掘部件的工作参数、砂砾类型、砂砾物理机械性质等因素与工作阻力之间的函数关系。然后,基于离散元法建立了智能沙滩废弃物筛分机械的核心筛分机构仿真试验模型,模拟和验证整体筛分率以及单质点速度变化的对比。首先建立了废弃物砂砾螺旋筛分装置仿真模型,并根据砂砾及废弃物的物料分布规律设定仿真试验参数;随后分别对不同筛孔尺寸、螺旋转速以及螺旋长度条件下的废弃物螺旋筛分过程进行了仿真试验。对仿真结果进行分析后得到了不同因素对筛分性能的影响规律:(1)增大筛孔尺寸能够显著提高筛分合格率,但对筛分产量影响不大。(2)提高螺旋转速能显著提高筛分产量,并能轻微提高筛分合格率,但过度提高螺旋转速反而会使筛分合格率下降。(3)增加螺旋长度能够显著提高筛分合格率,但会使筛分产量大幅下降。最后综合各规律选取筛孔大小为10mm,螺旋转速为200rpm,螺旋长度为540mm为样机试制参数。最后,对筛分机构进行样机验证及建立了智能小型沙滩废弃物清洁机械的总体机械结构。首先,采用了高速摄像机对筛分机构样机工作时废弃物与砂砾筛分情况进行图像采集,验证其筛分功能;然后,综合其工作的实际环境,对其承载部件的机械机构进行了详细设计。并使用Arduino初步实现了移动装备的控制系统设计。