公共智能粉碎壓縮垃圾箱研究

張佳偉 董春芳 楊霄 薛明 劉曉

摘要：指出了目前市場上的垃級箱主要是敞開式垃極箱和可閉合式垃極箱，但它們的垃圾處理能力已經(jīng)不能滿足社會的需求。基于此，設(shè)計了一種公共智能粉碎壓縮垃圾箱。該設(shè)計實現(xiàn)了垃圾箱的自動粉碎壓縮功能，增大了垃圾箱的利用效率，省時省力;此外垃圾箱上的太陽能電池板收集的太陽能提供粉碎壓縮所需要的能量，能量自給，綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞：粉碎;壓縮;太陽能

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0185-03

1 引言

目前，生活中的垃圾箱，只是對垃圾進行簡單的收集。各式的垃圾箱收集垃圾通過垃圾車進行粉碎壓縮送至中轉(zhuǎn)站進行最終處理。其中常用的有敞開式垃圾箱、可閉合式垃圾箱，雖然都可以進行垃圾收集工作，但是都存在垃圾箱清理不方便，容易散發(fā)臭味，滋生病菌，給環(huán)衛(wèi)人員的整理收集帶來不便等問題[1]。傳統(tǒng)的垃圾處理模式，既費時費力，需要清潔工人進行定時處理，又浪費成本，需要大型垃圾車的粉碎壓縮。沒有及時清理，很容易對周圍環(huán)境和人們的生活造成影響[2]。

若能直接在垃圾箱內(nèi)進行粉碎、壓縮，會更大程度地提高垃圾箱的利用效率，也能更好地進行后續(xù)的回收工作。因此，本項目旨在設(shè)計出一種利用太陽能對垃圾進行先粉碎后壓縮并且實現(xiàn)自動控制的垃圾箱，以實現(xiàn)高效、智能的目標，并切合綠色環(huán)保的理念[3]。

2 整體方案設(shè)計

公共智能粉碎壓縮垃圾箱主要包括太陽能自供電、粉碎裝置、壓縮裝置、傳感部分等多種功能模塊。該垃圾箱以粉碎壓縮裝置為核心，將通過太陽能裝置收集的能量為粉碎壓縮提供電量來源，并結(jié)合傳感裝置實現(xiàn)智能控制。不僅實現(xiàn)了垃圾在垃圾箱內(nèi)的粉碎壓縮，方便清運，也達到了綠色環(huán)保的目的。設(shè)計的智能粉碎壓縮垃圾箱考慮到投入的垃圾并非都可進行粉碎，因此分為粉碎壓縮垃圾箱和壓縮垃圾箱。粉碎壓縮垃圾箱可以通過粉碎裝置將可粉碎垃圾進行粉碎，然后在將滿溢的粉碎垃圾進行壓縮。而壓縮垃圾箱僅將滿溢后的垃圾進行壓縮。

整體的設(shè)計思想是當垃圾進入垃圾箱時，立刻觸發(fā)粉碎裝置，利用帶傳動傳遞動能（帶輪豎向放置于側(cè)壁），進行粉碎，太陽能提供粉碎所需要的能源。粉碎垃圾滿載后再通過滿溢感應(yīng)裝置將壓縮命令傳遞給壓縮裝置，觸發(fā)彈簧裝置進行壓縮。反復(fù)幾次，壓縮的垃圾滿載后再通過滿溢提醒裝置提醒環(huán)衛(wèi)工人處理垃圾。滿溢感應(yīng)裝置是提醒壓縮裝置進行壓縮的，滿溢提醒裝置是提醒環(huán)衛(wèi)工人進行處理，垃圾滿載后，自動鎖住垃圾投放口，通過顯示裝置，提醒不得投放，需要的能源均有太陽能提供。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動力單元由太陽能電池板、蓄電池、電動機組成。它的作用原理是位于垃圾箱頂部的太陽能電池板收集太陽能，不斷將能量儲存在蓄電池中，在粉碎過程中為電動機提供能量，通過帶傳動帶動刀片旋轉(zhuǎn)進行粉碎。在壓縮過程中為控制電路提供能量，實現(xiàn)彈簧裝置壓縮以及回收的控制。

3 執(zhí)行單元

3.1 粉碎裝置設(shè)計

粉碎壓縮垃圾箱中的粉碎裝置是由電動機、傳動機構(gòu)（鏈條和齒輪）、粉碎機構(gòu)如圖2所示（主軸和鈍刀刀片）、控制電路組成的.當垃圾進入粉碎壓縮垃圾箱時，通過放置于投放口處的傳感器感應(yīng)，立刻觸發(fā)粉碎裝置。太陽能電池中存儲的能量驅(qū)動垃圾箱底部電機轉(zhuǎn)動，通過位于垃圾箱側(cè)壁的皮帶進行傳動，將動力傳遞給萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)帶動刀桿轉(zhuǎn)動。彈簧保護裝置連接在萬向節(jié)上，可以保證當彈簧把粉碎桿拉向側(cè)壁（彈簧刀桿將拉向側(cè)壁，結(jié)構(gòu)如圖3所示），皮帶位置不變，防止壓縮的彈簧裝置將刀桿撞壞。萬向節(jié)帶動刀桿上的鈍刀刀片旋轉(zhuǎn)，刀片旋轉(zhuǎn)的位置覆蓋整個垃圾箱，將落下的垃圾進行粉碎。

根據(jù)強度理論，畫出受力圖，如圖4所示，對刀桿主軸的強度進行校核[4]，結(jié)果如表1所示。

設(shè)計的軸的加工材料為45鋼，進行調(diào)質(zhì)處理。查閱機械手冊可知許用對稱循環(huán)應(yīng)力[σ_-1w]取60MPa，通過計算可得主軸直徑最小值為25mm，這樣軸的度足夠。

3.2 壓縮裝置設(shè)計

壓縮裝置是由粉碎壓縮垃圾箱的彈簧裝置[5]（即縱向擠壓板如圖3所示：彈簧從上往下壓縮，橫向擠壓板如圖5所示：彈簧從左往右壓縮）、壓縮垃圾箱的彈簧裝置（只有縱向擠壓板：彈簧從上往下壓縮）、控制電路、位置感應(yīng)器（即滿載感應(yīng)裝置：設(shè)定的垃圾滿載的位置，通過位置感應(yīng)器發(fā)出命令）、繼電器組成。

粉碎壓縮垃圾箱中，當粉碎的垃圾達到設(shè)定的滿載位置后，滿載感應(yīng)裝置產(chǎn)生感應(yīng)，發(fā)出壓縮的命令，先通過控制電路立即觸發(fā)縱向壓縮裝置，繼電器斷電，失去吸力（繼電器裝在彈簧裝置的上下板上），縱向擠壓板向下壓縮。再通過控制電路立即觸發(fā)橫向壓縮裝置，繼電器斷電，失去吸力（繼電器裝在彈簧裝置的左右板上），橫向擠壓板向右壓縮，實現(xiàn)全方位壓縮。當壓縮完畢后，滿載感應(yīng)消失，繼電器通電，彈簧裝置回彈到一定的位置，會被繼電器吸住，回到原來的位置（垃圾箱的正視圖中有繼電器的具體位置）。

3.3 傳動裝置

由于V帶傳動平穩(wěn)，噪聲小，適合公共場所。因此采用帶傳動，表2為帶傳動設(shè)計參數(shù)[6]。

2.4 滿載提醒裝置

提醒裝置如圖6所示是由紅外傳感器、LED顯示燈組成的。它實現(xiàn)的功能是粉碎壓縮垃圾箱中，當垃圾箱進行粉碎壓縮反復(fù)幾次后，垃圾滿載，滿載提醒裝置即紅外傳感器，感應(yīng)到壓縮幾次后的垃圾到達預(yù)先設(shè)定的垃圾滿溢位置，發(fā)出命令，通過控制電路使投放口處的LED顯示裝置從綠燈變成紅燈（LED顯示燈有兩種狀態(tài)，紅燈表示不得投放，綠燈表示可以投放，并且在紅綠燈下有文字聲明，提醒路人）。壓縮垃圾箱則是壓縮幾次后的垃圾到達預(yù)先設(shè)定的垃圾滿溢位置即會觸發(fā)。任意一個垃圾箱滿載后，只需要等待清運工人進行轉(zhuǎn)運垃圾即可。LED顯示裝置實現(xiàn)兩種功能，一是提醒環(huán)衛(wèi)工人處理垃圾，二是提醒路人不得投放[7]。

4 結(jié)語

目前市場上的垃圾箱主要有兩種，其一是敞開式垃圾箱，二是可閉合式垃圾箱。但這兩種垃圾箱的垃圾處理能力和效果，已經(jīng)不能滿足社會的需求。本文設(shè)計的這款公共智能粉碎壓縮垃圾箱不但能實現(xiàn)前端對可粉碎垃圾的智能粉碎壓縮以及不可粉碎垃圾的智能壓縮，還能解決存在的人力、物力、成本浪費問題。此外本產(chǎn)品的設(shè)計采用了太陽能裝置進行供電，綠色環(huán)保，符合節(jié)能減排的理念，也符合國家倡導(dǎo)的低碳環(huán)保的要求。

參考文獻：

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[2]馮喆文.新型綠色環(huán)保垃圾箱的推廣和應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2015（6）：280～282.

[3]曹彥鵬，潘旺，郭志偉，等.可壓縮式智能垃圾箱設(shè)計[J].湖北農(nóng)機化，2019（5）：53.

[4]周振強，王開寶，陳玉田，等.可回收垃圾粉碎裝置的設(shè)計及動力學(xué)特性分析[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2018，35（3）：31-35.

[5]馬宗正，彭勁周，王清臣，等.移動式垃圾壓縮站控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2019，41（1）：122～126

[6]程友聯(lián).吳曉紅.普通v帶傳動的無校核設(shè)計方法[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（2）：270～274，280.

[7]佚名.智能垃圾箱實現(xiàn)自動分類[J].綠色包裝，2019（9）：25～26

收稿日期：2019-12-28

基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目

作者簡介：張佳偉（1999-），男，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院學(xué)生。

通訊作者：董春芳（1975-），女，副教授，博士，研究方向為工業(yè)工程。