魯 杰，艾書義

(泰山學(xué)院機(jī)械與工程學(xué)院，山東泰安 271021)

口香糖是人們喜愛的一種休閑食品，可是人們咀嚼后丟棄的口香糖的殘?jiān)殉蔀槌鞘兄卫憝h(huán)境污染的新難題.有記者報(bào)道，2006年“國慶”節(jié)后，40萬平方米的天安門廣場(chǎng)落下60萬塊口香糖殘?jiān)?，平均每平方米?塊之多.另據(jù)報(bào)道，廣州北京路商業(yè)步行街上口香糖污染嚴(yán)重，僅400米的步行街每次清除的口香糖殘?jiān)加?5～20公斤.口香糖殘?jiān)w積小、粘著力強(qiáng)，特別是經(jīng)日曬風(fēng)吹和人們踩踏后，牢牢地粘著于地面，難于剔除與清洗.針對(duì)城市道路、廣場(chǎng)等硬化地面上的口香糖殘留物，目前國內(nèi)普遍使用的是手工清理法，包括鐵鏟敲擊、清洗液浸泡、鋼絲刷刮刷等措施.有統(tǒng)計(jì)資料顯示，手工清理一塊口香糖殘?jiān)臅r(shí)間在60～90秒之間，清除一塊口香糖殘?jiān)钠骄M(fèi)用約為1.1元.用機(jī)械清除替代人工清除是業(yè)內(nèi)人士的夢(mèng)想，但目前我國此類機(jī)械裝置設(shè)計(jì)尚處于起步階段，設(shè)計(jì)成果有諸多不盡如人意的地方，還沒有得到業(yè)內(nèi)人士與市場(chǎng)的認(rèn)可，故無法得到推廣應(yīng)用.

1 國內(nèi)外口香糖殘留清除機(jī)械的現(xiàn)狀

縱觀國內(nèi)外口香糖清除機(jī)械的研究領(lǐng)域，按其工作原理的不同，大致分為四種類型:單一刮鏟清除式;刮鏟－蒸汽清除式;鋼刷加溶液浸泡清除式;乙炔火焰燃燒清除式.

單一刮鏟清除機(jī)械用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械刮鏟代替手工刮鏟，能降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但清除方法單一、效率低，清除不徹底，清除后地面仍有微量殘?jiān)兔黠@的黑色印記.刮鏟－蒸汽清除是在前一種機(jī)械的基礎(chǔ)上增加蒸汽噴頭，通過蒸汽將殘?jiān)訜彳浕笥霉午P清除.該方法仍然存在清除不徹底的弊端，且能耗較大使用成本較高.鋼刷加溶劑浸泡清除是先噴灑溶劑將口香糖殘?jiān)?，然后用鋼絲刷旋轉(zhuǎn)清除.該方法所用溶劑為一種特制清潔劑，價(jià)格昂貴，使清除成本大大提高，而且清潔劑的使用又會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染.乙炔火焰加熱清除機(jī)械是通過加熱燃燒來清除口香糖殘留.這一方法不能用于大理石、花崗巖、木材等天然材料鋪成的地面，并且使用過程有一定的危險(xiǎn)性.不僅如此，目前較為成熟的國外品牌都售價(jià)不菲，例如，一款由德國Rid－a－Gum公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的口香糖殘?jiān)鼘I(yè)清理機(jī)，每臺(tái)售價(jià)為3500美元，在國內(nèi)推廣有較大難度.

2.新型口香糖清除器的設(shè)計(jì)方案

本課題研發(fā)的新型口香糖清除器，其工作原理是通過加熱軟化和機(jī)械刮刷相結(jié)合的方式清除口香糖殘留，并同時(shí)由收集機(jī)構(gòu)將殘?jiān)占?下面從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、工作過程、外觀設(shè)計(jì)四方面介紹該口香糖清除器的工作原理與設(shè)計(jì)方案.

2.1 清除器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清除器主要由前進(jìn)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、清除機(jī)構(gòu)和回收機(jī)構(gòu)五部分組成.其清除器各部分功能布局結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 清除器功能結(jié)構(gòu)

2.1.1 前進(jìn)機(jī)構(gòu)

前進(jìn)機(jī)構(gòu)由前進(jìn)開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅰ、傳動(dòng)帶、后輪軸等部件組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)清除器向前移動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無調(diào)速裝置，單一速度運(yùn)行.

2.1.2 信號(hào)處理機(jī)構(gòu)

信號(hào)處理機(jī)構(gòu)由攝像頭、處理器和顯示屏等部件組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)路面口香糖殘留物的識(shí)別與圖像信息傳輸.攝像頭采集的光信號(hào)經(jīng)處理器處理，轉(zhuǎn)化成圖像信號(hào)傳送給顯示屏，此時(shí)口香糖殘留物位置處于加熱、刮鏟工作區(qū)域之內(nèi)，據(jù)此操作者即可按下工作開關(guān)按鈕，開始清除、清理工作.

2.1.3 加熱機(jī)構(gòu)

加熱機(jī)構(gòu)由電熱絲、吹風(fēng)機(jī)、熱氣出口等組成.工作時(shí)電熱絲通電升溫，吹風(fēng)機(jī)將電熱絲產(chǎn)生的熱量從熱氣出口吹出，熱氣將地面上的口香糖殘留加熱軟化.加熱機(jī)構(gòu)的熱氣出口安裝在“設(shè)定目標(biāo)物”即刮鏟工作區(qū)域的右上方，在保證對(duì)口香糖殘留加熱效率的同時(shí)又不妨礙清除機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng).加熱機(jī)構(gòu)為定時(shí)間歇性工作，由控制電路實(shí)現(xiàn)其工作時(shí)間的控制.

2.1.4 清除機(jī)構(gòu)

清除機(jī)構(gòu)是清除器主要工作機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)、刮鏟、鋼絲刷和兩個(gè)回位彈簧組成，如圖2所示.

圖2 清除機(jī)構(gòu)工作圖

兩四連桿機(jī)構(gòu)均為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由電機(jī)Ⅱ驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪(滑移齒輪)，滑移齒輪通過軸向移動(dòng)切換嚙合從動(dòng)齒輪，從而實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換.滑移齒輪與齒輪1嚙合時(shí)，帶動(dòng)第一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作，與滑塊相連的刮鏟緊貼地面作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)口香糖殘留進(jìn)行第一次清除;滑移與齒輪2嚙合時(shí)，齒輪1同時(shí)脫開，第二個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)開始工作，滑塊下的鋼絲刷緊貼地面作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)口香糖殘留進(jìn)行第二次清除.兩四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)相同，刮鏟與鋼刷最大行程均為55mm，設(shè)計(jì)往復(fù)工作頻率為6次/s.兩滑塊公用一個(gè)導(dǎo)軌，刮鏟與鋼刷工作部位相同，位置相對(duì)，工作交替進(jìn)行.為確保刮鏟與鋼刷運(yùn)動(dòng)互不阻礙，分別設(shè)計(jì)回位彈簧與滑塊相連，以便在從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪脫開后，迫使滑塊回到初始位置，保證另一滑塊運(yùn)動(dòng)不受干涉.另外，為保證滑塊運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在滑塊上部?jī)蓚?cè)開設(shè)滑槽，用雙導(dǎo)軌導(dǎo)向，確?；瑝K滑行阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn).清除機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理如圖3所示.

圖3 清除機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

2.1.5 回收機(jī)構(gòu)

回收機(jī)構(gòu)類似于吸塵器，主要由吸氣口、吸氣扇、集塵箱等部分組成.吸氣口安裝在刮鏟清除區(qū)域左上方，在刮鏟開始工作的同時(shí)吸塵器電路開通，鋼刷停止工作后電路延時(shí)關(guān)閉，以此保證被清理下的口香糖殘?jiān)患皶r(shí)吸走，使清理更為有效.為防止殘留物飛濺造成二次殘留，在底盤后部裝有毛刷，以阻擋殘留物外濺，確保最終被吸塵口吸走.收集箱安裝在清除器的上部，集塵盒采用鑲嵌抽拉設(shè)計(jì)，以方便及時(shí)傾倒垃圾.

2.2 電路設(shè)計(jì)

清除器電路分為主電路和控制電路兩部分.主電路包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅰ(M1)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅱ(M2)、吹風(fēng)機(jī)M3、電熱絲(R)、吸氣扇(M4)及組合開關(guān)等元件構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)清除器的前進(jìn)、加熱、清除以及回收動(dòng)作;控制電路主要由前進(jìn)開關(guān)(QS1)、工作開關(guān)(QS2)、電磁繼電器(KM1、KM2)、時(shí)間繼電器(KT)、限位開關(guān)(SQ1、SQ2)等組成，用于協(xié)調(diào)和控制主電路，使之動(dòng)作更加精確.清除器電路設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 清除器工作電路圖

2.3 清除器工作過程

清除器由蓄電池提供的48V的直流電源作為動(dòng)力.操作人員按下前進(jìn)開關(guān)按鈕，驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅰ送電，清除器前進(jìn)，待顯示屏顯示口香糖殘?jiān)盘?hào)時(shí)，再按下工作開關(guān)按鈕(前進(jìn)開關(guān)同時(shí)斷開機(jī)器停止前進(jìn))，加熱機(jī)構(gòu)開始工作，將地面上處于加熱口的口香糖殘留加熱軟化，計(jì)時(shí)器5秒計(jì)時(shí)后自動(dòng)切斷電源;之后驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅱ與吸塵器同時(shí)送電，四連桿刮鏟機(jī)構(gòu)開始工作，吸塵器開始工作，計(jì)時(shí)器10秒報(bào)時(shí)后操作者拉動(dòng)手柄切換嚙合從動(dòng)齒輪，鋼絲刷開始工作，計(jì)時(shí)器10秒后自動(dòng)切斷電機(jī)Ⅱ電源，之后操作者按下工作開關(guān)吸塵器斷電，完成口香糖殘留清除與收集的一個(gè)工作周期.工作流程見圖5所示.

圖5 清除器工作流程框圖

2.4 外觀設(shè)計(jì)

清除器外形結(jié)構(gòu)如圖6所示，整機(jī)外殼箱設(shè)計(jì)為封閉式，既美觀又安全.箱體采用0.6mm的鋼板制作，箱體在前下端與車架鉸接，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)開合，便于機(jī)器的檢查與維修.把手采用直柄抽拉式結(jié)構(gòu)，考慮到個(gè)體身高與習(xí)慣不同，把手高度設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)式，調(diào)節(jié)范圍為920～1100mm;車把手寬度設(shè)計(jì)為440mm;整機(jī)外形尺寸為1500mm×500mm×1000mm.

圖6 清除器的外形結(jié)構(gòu)

2.5 技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)

本清除器設(shè)計(jì)總功率為500W;清除速度26s/塊;清除費(fèi)用約0.04元/塊;車體總重量約30㎏;造價(jià)約為1500元/臺(tái).

3 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該款口香糖清除器主要由以下特點(diǎn):①勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作效率高.整個(gè)清除過程全部由機(jī)械完成，極大地改善了環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)環(huán)境和強(qiáng)度，平均每清除一塊口香糖的時(shí)間由原來的50～90秒降為15～20秒.②清除徹底，效果好.由于增加了加熱環(huán)節(jié)，克服了直接使用鐵鏟鐵刷清除總會(huì)有殘留的缺點(diǎn)，使清除更加徹底.收集裝置的增加，及時(shí)吸納殘留物，避免了殘留渣滓四處飛濺而形成二次污染.③該清除器的整體體積小，重量輕，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，便于操作，適用于廣大環(huán)衛(wèi)工作者使用.④該清除器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)與推廣.既能提高城市環(huán)衛(wèi)事業(yè)的機(jī)械化水平，又能提高城市環(huán)衛(wèi)事業(yè)的社會(huì)形象.

4 結(jié)語

目前我國的口香糖清除機(jī)械的設(shè)計(jì)研發(fā)還處于初級(jí)階段，本款口香糖清除器的設(shè)計(jì)研發(fā)填補(bǔ)了國內(nèi)該類機(jī)械的空白，更為口香糖殘留這一“城市牛皮癬”的清除提供了簡(jiǎn)便可行的方法.該裝置將加熱軟化、機(jī)械清除和吸氣收集三大功能結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)上將機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路控制相結(jié)合，具有清除效率高、使用成本低、操作方便、清除徹底、社會(huì)形象好等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景.該機(jī)器的使用與推廣必將帶來良好社會(huì)效益.

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