城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置設(shè)計(jì)與研究

摘要：基于中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)提出的生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略決策，我國(guó)絕大部分地區(qū)對(duì)枝條落葉處理時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)。針對(duì)目前落葉資源處理方式的現(xiàn)狀以及相關(guān)落葉清理裝置的現(xiàn)有產(chǎn)品分析，設(shè)計(jì)了一種集吸入、粉碎、壓縮、封裝于一體的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置，并對(duì)雙重粉碎系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過3D打印制作樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期效果，滿足了功能需求，可有效解決目前綠化廢棄物清理回收過程中的環(huán)境污染、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、貯存不便、運(yùn)輸成本高等問題，推動(dòng)綠化廢棄物的資源化再利用。

關(guān)鍵詞：城市園林廢棄物清理回收3D打印

中圖分類號(hào)：X505;TH122

DesignandResearchonGreeningDeviceforRecyclingDeciduousWasteinUrbanGardens

ZHANGYanDUANLei*SUPengMAZhouCHENGHaoWANGJunboCHANGFei

TianjinUniversityofTechnologyandEducation，Tianjin，300222China

Abstract：BasedonthestrategicdecisionofecologicalcivilizationconstructionputforwardbythecauseofsocialismwithChinesecharacteristics，mostregionsinChinahavecausedseriousenvironmentalpollutionandwasteofresourceswhendealingwithbranchesandfallenleaves.Basedonthecurrentsituationofdeciduousresourcetreatmentmethodsandtheanalysisofexistingproductsrelatedtodeciduouscleaningdevices，anurbangardendeciduouswasterecyclingandgreeningdevicethatintegratessuction，crushing，compression，andpackagingisdesigned，andthedualcrushingsystemisoptimized.Theprototypeismadethrough3Dprintingandtestedexperimentally，theexpectedresultshavebeenachieved，andmeetingthefunctionalrequirements.Itcaneffectivelysolvetheproblemsofenvironmentalpollution，highlaborintensityofworkers，inconvenientstorage，andhightransportationcostsinthecurrentprocessofcleaningandrecyclinggreenwaste，andpromotetheresourceutilizationofgreenwaste.

KeyWords：Urbangarden;Waste;Cleaningandrecycling;3Dprinting

綠化廢棄物主要指綠化植物在自然生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的枯枝、落葉，也包括在園林維護(hù)中修剪掉的雜草枝葉等[1]。據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局統(tǒng)計(jì)，至2020年我國(guó)綠化覆蓋率達(dá)41.1%，全國(guó)產(chǎn)生的綠化廢棄物將達(dá)4000萬(wàn)t[2]，其資源化回收再利用價(jià)值相當(dāng)可觀，可用于生產(chǎn)制作土壤改良劑、有機(jī)化肥、栽培基質(zhì)等[3-4]。目前，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比[5-6]，我國(guó)對(duì)于綠化廢棄物資源化回收與再利用的研究處于起步階段。例如：沈陽(yáng)建筑大學(xué)的王家生設(shè)計(jì)的一種新型落葉收集機(jī)[7]，其掃刷部分模擬的掃帚清掃，易產(chǎn)生粉塵污染，操作工人長(zhǎng)期工作下易患呼吸道疾病；北部灣大學(xué)的王海霞設(shè)計(jì)的落葉清掃機(jī)[8]，采用的真空泵壓縮原理對(duì)落葉進(jìn)行了壓縮處理，工作過程中，空氣中夾雜著落葉碎末，易造成真空泵堵塞。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前綠化廢棄物的清理回收依然存在著粉塵污染大、枝葉粉碎不均勻、壓不實(shí)，以及回收物運(yùn)輸成本高、儲(chǔ)存占地空間大等問題，通常被視為綠化垃圾而采用焚燒或者就近填埋等低成本方式處理，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染、土壤板結(jié)等問題，也造成資源的浪費(fèi)[3，9]。因此，本文針對(duì)綠化廢棄物的清理回收問題，設(shè)計(jì)研制了一種集吸入、粉碎、壓縮、封裝于一體的智能化控制的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置。

1機(jī)器整體方案

1.1清理回收流程

首先由機(jī)器內(nèi)部負(fù)壓吸入路面上的枝條、落葉等綠化廢棄物，同時(shí)過濾排出空氣，隨后將收集的枝條落葉粉碎成碎末，之后將碎末壓縮成塊，最后對(duì)壓縮塊進(jìn)行包裝封口。清理回收流程如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件UGNX建立機(jī)器三維數(shù)字化模型，設(shè)計(jì)尺寸為980mm′1030mm′1730mm，如圖2所示。機(jī)器按功能劃分為六大系統(tǒng)，由上到下依次為吸入過濾系統(tǒng)、雙重粉碎系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由前到后依次為壓縮系統(tǒng)、封裝系統(tǒng)。

吸入過濾系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集枝條落葉等綠化廢棄物，并對(duì)排出的空氣進(jìn)行過濾。通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)使該系統(tǒng)內(nèi)部與外界形成足夠的空氣壓力差，以吸筒為導(dǎo)向?qū)⒙访嫔系闹l落葉等吸進(jìn)機(jī)器。為杜絕負(fù)壓風(fēng)機(jī)對(duì)排出的空氣伴隨吸進(jìn)的塵土而造成空氣粉塵污染，該系統(tǒng)設(shè)置濾網(wǎng)過濾和離心力過濾兩種方式相結(jié)合，濾網(wǎng)過濾細(xì)小顆粒，離心力分離空氣與塵土。雙重粉碎系統(tǒng)以打碎刀組和滾刀組相結(jié)合，增強(qiáng)粉碎效果，避免后續(xù)因粉碎不均而造成枝葉粉末密度大、壓不實(shí)等問題。粉碎系統(tǒng)是基于剪刀叉機(jī)構(gòu)對(duì)枝葉粉末進(jìn)行擠壓，達(dá)到一定壓縮程度后由剪叉機(jī)構(gòu)將壓縮塊推向封裝系統(tǒng)進(jìn)行包裝封口。不同路段路況質(zhì)量有所差異，為保證機(jī)器行走的平穩(wěn)性，移動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置有緩沖減震裝置。

1.3控制系統(tǒng)

該機(jī)器控制核心以STM32作為主控芯片，其控制電路主要包含主控芯片、電源管理、熱熔桿、按鍵電路、遠(yuǎn)程控制模塊、繼電器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行電機(jī)，控制系統(tǒng)如圖3所示。

通過遠(yuǎn)程控制終端對(duì)該機(jī)器進(jìn)行控制。當(dāng)主控芯片接收到遠(yuǎn)程控制終端信號(hào)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片將信號(hào)反饋給執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行工作。

該裝置兼有自動(dòng)導(dǎo)航行駛和超聲波避障功能，操縱人員在遠(yuǎn)程控制終端上規(guī)劃好行駛路線后，機(jī)器可按照要求軌跡自動(dòng)行駛，且在行駛過程中避障系統(tǒng)會(huì)在碰到障礙物之前進(jìn)行干預(yù)，起到安全行駛的作用。此外，壓縮系統(tǒng)中設(shè)置有紅外線傳感器，當(dāng)粉碎的枝條落葉積攢到一定程度時(shí)，壓縮系統(tǒng)接收到傳感器信號(hào)后會(huì)進(jìn)行壓縮工作，隨后壓縮塊由剪叉機(jī)構(gòu)推送到封裝系統(tǒng)進(jìn)行封裝，繼電器閉合，熱熔桿通電發(fā)熱對(duì)打包袋封口并熔斷，完成壓縮封裝的流程。

2機(jī)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

雙重粉碎系統(tǒng)位于吸入過濾系統(tǒng)與壓縮系統(tǒng)之間，主要工作是粉碎吸入機(jī)器內(nèi)部的枝條落葉，其最終的粉碎效果直接決定了后續(xù)壓縮系統(tǒng)能否將枝條落葉碎末壓實(shí)，是整個(gè)機(jī)器的核心。該系統(tǒng)由粉碎裝置和兩處滑動(dòng)門裝置構(gòu)成，如圖4所示。

2.1粉碎裝置

粉碎裝置如圖5所示，包括打碎刀組和滾刀組。打碎刀形狀為四葉波浪形刀片，兩處打碎刀水平轉(zhuǎn)動(dòng)且相錯(cuò)布置于打碎倉(cāng)內(nèi)。滾刀形狀為斜齒刀盤，兩處滾刀相錯(cuò)布置于粉碎倉(cāng)內(nèi)。打碎刀組傳動(dòng)軸端部安裝有V帶輪，滾刀傳動(dòng)軸端部安裝有齒輪，且另一處滾刀同時(shí)安裝有V帶輪，粉碎倉(cāng)外壁安裝有電動(dòng)機(jī)，整個(gè)粉碎裝置以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過V帶傳動(dòng)使打碎刀組工作，同樣通過V帶將動(dòng)力傳遞給另一處滾刀傳動(dòng)軸，兩處滾刀則依靠齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾刀組的同步交互嚙合粉碎工作。

若單獨(dú)采用打碎刀組，雖效率高，但粉碎效果差且粉碎不均勻，不能滿足處理要求；若單獨(dú)采用滾刀組，雖粉碎效果好，但較大的枝條落葉進(jìn)入滾刀組時(shí)與刀牙接觸面積小，不能夠及時(shí)進(jìn)入滾刀組粉碎，同時(shí)伴有較大的落葉平鋪于滾刀組入口，表面較為平整的落葉與工作中的滾刀組出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，致使?jié)L刀組空轉(zhuǎn)而造成枝條、落葉的堆積堵塞。綜合上述分析，故采用兩種刀組相結(jié)合的雙重粉碎方式，其優(yōu)點(diǎn)在于粉碎效率高、粉碎均勻且細(xì)膩，有利于后續(xù)壓縮處理。

2.2滑動(dòng)門裝置

雙重粉碎系統(tǒng)中共有兩處相互協(xié)作的滑動(dòng)門裝置，如圖6所示，主要用于隔絕吸入過濾系統(tǒng)與雙重粉碎系統(tǒng)的空氣壓力，同時(shí)延長(zhǎng)枝條落葉在打碎刀組模塊的停留時(shí)間。

該裝置外壁開設(shè)有滑軌，兩處門板安置于滑軌中，近程門板和遠(yuǎn)程門板均通過螺栓分別裝配于近程絲杠與遠(yuǎn)程絲杠上，兩處絲杠端部均固定有齒輪。以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩門打開閉合的工作。

33D打印試制樣機(jī)

3D打印又名增材制造，屬于快速成型技術(shù)，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，其優(yōu)點(diǎn)在于通過材料堆積能夠快速制作出復(fù)雜形狀的非標(biāo)零件。因機(jī)器設(shè)計(jì)尺寸較大，在確保機(jī)器功能不變的情況下，將樣機(jī)的尺寸按一定比例縮小為400mm′470mm′700mm，并應(yīng)用熔融沉積成型工藝（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）[10]對(duì)機(jī)器的非標(biāo)零部件進(jìn)行3D打印制造。

以吸入過濾系統(tǒng)外殼為例，通過計(jì)算機(jī)軟件UGNX將所需打印的零部件模型導(dǎo)出STL格式文件，并在UPStudio3.1.2軟件中打開。通過“自動(dòng)擺放模型”快速將模型置于工作臺(tái)上方，隨后通過“旋轉(zhuǎn)”和“位移”擺正拾取模型到合適的位置，選擇PLA為打印材料，噴嘴直徑為0.4mm。進(jìn)入“專家”模塊設(shè)置打印參數(shù)：為改善斜面階梯效應(yīng)，設(shè)置動(dòng)態(tài)層厚度，最小層厚度為0.15mm，最大層厚度為0.25mm，調(diào)整比例為1.5；頂部與底部層片均為2層，添加密集支撐，其角度為45°，層數(shù)為2，并添加底座；路徑輪廓為2，填充密度為100%，支撐密度為20%，填充路徑均選擇ZigZag；設(shè)置輪廓起始點(diǎn)為Nearest，接頭延伸為2mm，選擇接頭交叉以改善起始點(diǎn)對(duì)于模型表面質(zhì)量的影響；其余參數(shù)默認(rèn)，主要參數(shù)設(shè)置如圖7所示，向UPBOX+提交打印任務(wù)進(jìn)行3D打印制造，分層結(jié)果如圖8所示。

打印完成后，對(duì)3D打印零部件進(jìn)行支撐拆除、銼削、砂紙打磨等后處理。最后進(jìn)行所有零部件的裝配，得到了實(shí)物樣機(jī)如圖9所示。經(jīng)綠化廢棄物清理回收的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，滿足了所需功能要求，并與傳統(tǒng)清理回收方式進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比，傳統(tǒng)方式回收的枝葉密度為30～50kg/m3，該機(jī)器回收的枝葉粉末壓縮塊密度為900～1400kg/m3，達(dá)到了預(yù)期效果。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置在減少清理回收過程中人力、物力的前提下，還可有效推動(dòng)綠化廢棄物“變廢為寶”的資源化再利用，同時(shí)避免了枝條落葉不合理方式處理所造成的環(huán)境污染，經(jīng)過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該機(jī)器優(yōu)勢(shì)主要有：過濾系統(tǒng)中對(duì)排出的空氣進(jìn)行了濾網(wǎng)過濾和離心力塵土分離兩種方式相結(jié)合的處理，杜絕了機(jī)器工作過程中造成的粉塵污染；粉碎系統(tǒng)中采用了雙重粉碎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得枝條落葉等粉碎得更加細(xì)膩且均勻；壓縮系統(tǒng)中對(duì)枝條落葉粉末壓縮后，其密度由處理前的30～50kg/m3轉(zhuǎn)變?yōu)榱?00～1400kg/m3，極大地減小了運(yùn)輸成本和貯存空間，降低了綠化廢棄物的回收成本；封裝系統(tǒng)中對(duì)枝條落葉壓縮塊進(jìn)行打包封口，便于運(yùn)輸；移動(dòng)系統(tǒng)中增添了緩沖減振裝置，平穩(wěn)行走適應(yīng)于各種復(fù)雜路況；機(jī)器配有自動(dòng)導(dǎo)航和超聲波避障裝置，操作簡(jiǎn)便，且行走安全可靠。

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