一款新型翻轉(zhuǎn)式垃圾桶的設(shè)計

劉維維，張耀娟，李彭輝，周海洋

(北華大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

在最近十年中，中國經(jīng)濟持續(xù)且快速地發(fā)展，而快速發(fā)展所帶來的生活垃圾已對城鎮(zhèn)居民的生活環(huán)境造成了巨大的破壞.對于這種現(xiàn)狀，政府已采取很多措施來進行改善，環(huán)境保護已成為中國發(fā)展的基本國策，越來越多的人加入到環(huán)境保護的隊伍中，而城市垃圾桶作為城市環(huán)衛(wèi)基礎(chǔ)設(shè)施的一道靚麗風(fēng)景線，它的樣式和潔凈程度充分體現(xiàn)了這座城市的管理水平和文明程度[1].現(xiàn)如今，國外很多國家已經(jīng)出現(xiàn)了垃圾分類機器人，可以將各種不同的貴重材料從不同種類的垃圾中分離出來并回收，而不是直接掩埋造成貴重資源的浪費；目前國內(nèi)也已經(jīng)有很多種類型的垃圾分類機申請了專利，大部分垃圾分類機是以生活垃圾的體積大小、輕重、軟硬為根據(jù)，通過機械結(jié)構(gòu)來進行分類，還有一些是對全自動智能垃圾分類機的研究[2-4].而傳統(tǒng)意義上的垃圾桶是通過環(huán)衛(wèi)工人打開垃圾桶頂蓋人工取出垃圾，再將垃圾倒入垃圾處理車內(nèi)，這種方式不僅極大的浪費體力而且效率不高，而且現(xiàn)在大部分的垃圾桶不注重電池等一系列會污染土壤和水源的垃圾的回收，所以電池等垃圾的回收也迫在眉睫[5-10].通過對目前市場上已有垃圾桶的結(jié)構(gòu)和功能進行了深入地研究與分析，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改進，設(shè)計了一款新型翻轉(zhuǎn)式垃圾桶，該垃圾桶可以在較小作用力以及較短的時間內(nèi)將垃圾桶翻轉(zhuǎn)到指定高度，方便快捷，使環(huán)衛(wèi)工人在清潔垃圾時既省時又省力又能改善其工作環(huán)境.改良后的垃圾桶能夠方便清理，且進行系統(tǒng)的垃圾分類，集電池回收、公益廣告牌、高效省力于一體.

1 新型翻轉(zhuǎn)式垃圾桶設(shè)計

1.1 新型翻轉(zhuǎn)式垃圾桶組成

設(shè)備主要由可回收部分、不可收部分以及電池回收部分組成，通過搖動兩側(cè)的手柄以及垃圾桶本身翻轉(zhuǎn)時的重力做功來提供動力.結(jié)構(gòu)方案如圖1所示.

圖1 新型翻轉(zhuǎn)式垃圾桶結(jié)構(gòu)

1.2 新型翻轉(zhuǎn)式垃圾桶工作原理

如圖2所示，以可回收垃圾桶為例，將手柄9與支架2作為同一構(gòu)件，為了便于安裝，將垃圾桶的底座設(shè)計為剖分式的底座與上蓋，并通過普通螺栓組進行連接，底座可采用地腳螺栓與大地連接.手柄的轉(zhuǎn)軸與底座之間采用間隙配合，以減少摩擦損耗.另外，手柄長度長于支架長度，以達到省力的目的，手柄的形狀可以根據(jù)具體的需要進行設(shè)計.將支架設(shè)計為L型，當支架隨著手柄轉(zhuǎn)過一定角度后與垃圾桶側(cè)面的限位銷接觸進而帶動垃圾桶一起轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)將垃圾桶內(nèi)的垃圾倒入環(huán)衛(wèi)車這一過程.為了提高對垃圾桶的支撐強度，在垃圾桶兩側(cè)各采用一個L型支架進行支撐，同時采用雙支點各單向定位的定位方式對垃圾桶進行定位，由于垃圾桶工作過程中受到的軸向力不大，所以兩側(cè)采用軸端擋圈對垃圾桶進行軸向定位.垃圾桶與L型支架之間同樣采用間隙配合以減少摩擦損耗.

將不可回收垃圾桶置于設(shè)備的另一側(cè)，其結(jié)構(gòu)組成與工作原理與可回收垃圾桶相同.將可回收垃圾桶與不可回收垃圾桶置于設(shè)備的兩側(cè)可以單獨對兩類垃圾桶進行控制.將電池回收垃圾桶置于設(shè)備的中間，由于體積較小，可以直接轉(zhuǎn)動垃圾桶進行傾倒.此外，根據(jù)具體需要可在垃圾桶周圍設(shè)置廣告牌、擋雨牌等設(shè)施.

圖2 可回收垃圾桶結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵零件動態(tài)應(yīng)力分析

所設(shè)計的翻轉(zhuǎn)式垃圾桶其主要零件有垃圾桶、L型支架以及手柄.對于垃圾桶來說，其兩端由L型支架進行支撐，不工作時只受垃圾桶自身的重力作用，所以只產(chǎn)生彎曲應(yīng)力.在工作過程中，還受到由手柄傳遞到L型支架進而作用在垃圾桶上的扭矩作用，此時的應(yīng)力狀態(tài)則為彎扭組合.對于L型支架和手柄來說其工作過程中主要產(chǎn)生彎曲應(yīng)力.

為分析上述零部件在運動過程中的動態(tài)應(yīng)力，驗證翻轉(zhuǎn)式垃圾桶的工作性能，在多體動力學(xué)分析軟件ADAMS中導(dǎo)入所設(shè)計的翻轉(zhuǎn)式垃圾桶三維模型，添加相應(yīng)的運動副與接觸力，各零件間相對關(guān)系如表1所示.將上述3種零件進行柔性化處理，建立翻轉(zhuǎn)式垃圾桶剛?cè)狁詈夏Ｐ停W(wǎng)格劃分如圖3所示.設(shè)置此垃圾桶的容積為100 L，最大裝載質(zhì)量為120 kg，關(guān)鍵零件材料為316 L不銹鋼，其屈服強度為170 MPa，人施加在手柄上的力為200 N.通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，當手柄上施加200 N的力時，僅需要0.2 s就可以將垃圾桶翻轉(zhuǎn)到指定位置，說明所設(shè)計的翻轉(zhuǎn)式垃圾桶具有較高的效率.提取翻轉(zhuǎn)式垃圾桶工作過程中某一時刻的應(yīng)力云圖，如圖4～6所示.可以看出，對于垃圾桶而言其轉(zhuǎn)軸的主動端應(yīng)力小于從動端應(yīng)力，說明從動端轉(zhuǎn)軸是垃圾桶的薄弱位置，在設(shè)計時可以考慮適當增大從動端轉(zhuǎn)軸的直徑，以提高其強度.從圖6可以看出，相同尺寸下手柄強度最大，主動支架次之，從動支架最小，所以可以考慮適當減小手柄的尺寸，使之趨于等強度.提取翻轉(zhuǎn)式垃圾桶工作過程中上述3種關(guān)鍵零件應(yīng)力最大點的動態(tài)應(yīng)力曲線，如圖7所示，當垃圾桶處于不同位置時，由于其重心發(fā)生變化，各零件的應(yīng)力也隨之發(fā)生變化.當t=0.14 s時各零件應(yīng)力達到最大，是因為此時支架與垃圾桶的限位銷剛好相撞，產(chǎn)生較大的沖擊力，進而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，但各零件的最大應(yīng)力分別為147.51、119.37、75.21 kPa，均小于材料的屈服強度170 MPa，說明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求.

表1 各零件間相對關(guān)系

圖3 支架、箱體、手柄網(wǎng)格劃分

圖4 支架、箱體、手柄應(yīng)力云圖

圖5 垃圾桶應(yīng)力云圖

圖6 手柄與支架應(yīng)力云圖

t/s圖7 箱體、手柄動態(tài)應(yīng)力曲線

3 結(jié) 論

設(shè)計并研制了一款多功能翻轉(zhuǎn)式垃圾桶，該垃圾桶能夠自動將垃圾倒入垃圾車且在清理垃圾時清潔工與垃圾桶零接觸，桶內(nèi)垃圾容易倒出.設(shè)有可回收部分、不可回收部分以及電池回收部分.可實現(xiàn)多功能垃圾回收，僅在手柄上施加200 N的作用力時，只需要2 s就可以將垃圾桶翻轉(zhuǎn)到指定高度，方便快捷，使環(huán)衛(wèi)工人在清潔垃圾時既省時省力又能改善其工作環(huán)境.通過建立翻轉(zhuǎn)式垃圾桶剛?cè)狁詈夏Ｐ停玫嚼皬膭佣藨?yīng)力大于主動端應(yīng)力，從動端支架應(yīng)力大于主動端以及手柄應(yīng)力，其動態(tài)應(yīng)力最大值分別147.51、119.37、75.21 kPa，均小于材料的屈服強度170 MPa，說明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求，為相關(guān)設(shè)計提供依據(jù).