劉偉成，胡竟湘，李 臻，高 琛，溫軍泉

（湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湘潭 411101）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，生活垃圾造成的污染正嚴(yán)重地危害城市居民的生活，對此已引起政府的高度重視，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)是我國的基本國策了，越來越多的人關(guān)注環(huán)境保護(hù)，垃圾箱不僅是保持城市環(huán)境衛(wèi)生的必備的公益設(shè)施，通過是市容市貌景觀的一部分，體現(xiàn)社會文明程度的關(guān)鍵［1］.現(xiàn)今，在國外已經(jīng)出現(xiàn)應(yīng)用垃圾分選機(jī)器人將廢物從建設(shè)和拆遷工程中回收貴重的原材料，而不是直接垃圾填埋而造成資源浪費(fèi)［2］；國內(nèi)已有很多種類型的垃圾分類機(jī)申請了專利，大部分垃圾分類機(jī)的分類原理主要是以生活垃圾的體積大小、輕重、軟硬上通過機(jī)械運(yùn)動而分類，還有一些是基于全自動智能垃圾分類機(jī)的研究［5］.最常用的最簡單的垃圾分選設(shè)備就是和公眾接觸最為緊密的公共道具——垃圾桶，傳統(tǒng)垃圾桶都是通過環(huán)衛(wèi)工人打開垃圾箱的外蓋用手取出內(nèi)膽，通過手工的方式將垃圾倒入垃圾車內(nèi)，這樣做不僅十分耗費(fèi)時間而且還十分消耗體力；一般垃圾桶沒有濾水功能，當(dāng)雨水和垃圾混在一起時，散發(fā)出強(qiáng)烈的異味，影響環(huán)衛(wèi)工人的身體健康；現(xiàn)在大部分垃圾桶只有可回收和不可回收之分，卻忽略了電池的回收，電池是造成土壤和水污染的罪魁禍?zhǔn)祝詫﹄姵氐挠行Щ厥找呀?jīng)是刻不容緩！

我們通過對市場上的現(xiàn)有垃圾桶的結(jié)構(gòu)以及使用率進(jìn)行了深入研究分析，對現(xiàn)有的垃圾桶進(jìn)行了重新的結(jié)構(gòu)設(shè)計、建立其運(yùn)動學(xué)模型、進(jìn)行仿真研究、并驗(yàn)證了新型垃圾桶設(shè)計的合理性，為研制符合人性化要求的垃圾桶提供了依據(jù).

1 垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)分析

柄、T型支架、廣告牌、電池回收箱.結(jié)構(gòu)形式的選擇取決于主桶的活動范圍、T型支架的靈活性、以及傾斜的位置精度、主桶的負(fù)荷能力和控制難度等因素和要求.整個運(yùn)動過程中T型支架是新型垃圾桶的主要執(zhí)行部件，是其關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它的主要任務(wù)就是將手柄上的軸1和主桶上的軸2連接在一起，形成一個省力杠桿（手柄和T型支架長度比55∶23）.通過作用手柄來帶動軸1旋轉(zhuǎn)，再由軸1帶動T型支架，此時與軸2連接的主桶隨著T型支架的轉(zhuǎn)動開始提升，當(dāng)垃圾桶提升到一定高度時，T型架與軸3接觸，在T型支架的帶動下，此時主桶開始實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，最后主桶會翻轉(zhuǎn)到一定的傾斜度，從而達(dá)到主桶將垃圾自動倒進(jìn)垃圾車的功能.

本文是針對現(xiàn)有垃圾桶存在的缺陷，利用機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計等相關(guān)知識，設(shè)計了可提升自動翻轉(zhuǎn)多用垃圾桶，并進(jìn)行實(shí)物加工和實(shí)驗(yàn)！可提升自動翻轉(zhuǎn)多用垃圾桶三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它主要包括軸1、軸2、軸3、主桶、手柄該結(jié)構(gòu)中T型支架的結(jié)構(gòu)、自由度是直接影響主桶翻轉(zhuǎn)的過程中的靈活性、平衡性以及翻轉(zhuǎn)后的效果.

圖1 可提升自動翻轉(zhuǎn)多用垃圾桶總體結(jié)構(gòu)

增加的電池回收箱內(nèi)部裝有濾水板（圖2），根據(jù)人機(jī)學(xué)工程原理和人的使用習(xí)慣將電池回收箱開口置于其頂端，回收箱利用電池和水兩種不同的特性，雨水會流入濾水板底部并經(jīng)由導(dǎo)管排出，電池沿濾水板斜面進(jìn)入回收箱，從而實(shí)現(xiàn)電池和雨水的分離！

圖3是污水凈化裝置，該裝置是安裝在垃圾桶的下方，主桶內(nèi)的積水先通過筒底部的過濾網(wǎng)，進(jìn)行第一次粗過濾.積水從桶內(nèi)流出，由漏斗式的接口接住，并通過導(dǎo)管進(jìn)入到污水凈化裝置內(nèi)，用海綿進(jìn)行再次凈化.在裝置內(nèi)部安裝了各種凈化物質(zhì)，對污水進(jìn)行最后的細(xì)凈化，最終將污水凈化成干凈的水，并排出裝置，保護(hù)了垃圾桶周邊的環(huán)境.煙灰缸與桶蓋同體，并由斜槽和閥門共同組成.在人們使用過程中，閥門是處于關(guān)閉的狀態(tài).當(dāng)環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行清理垃圾時，只需打開閥門，煙灰會順著斜槽直接滑入到桶內(nèi).

1.2 垃圾桶的工作原理及優(yōu)點(diǎn)

新型垃圾桶通過驅(qū)動手柄帶動軸1的旋轉(zhuǎn)，再由軸1帶動T型支架，此時與軸2連接的主桶隨著T型支架的轉(zhuǎn)動開始提升，當(dāng)垃圾桶提升到一定高度時，T型架與軸3接觸，在T型支架會帶動下，此時主桶開始實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)垃圾桶提升一定高度后自動傾斜，將垃圾倒出（該垃圾桶保留了原有垃圾桶內(nèi)膽可取出的優(yōu)勢，對于垃圾車不便進(jìn)入的地方，可將垃圾桶取至垃圾車處）.

新型垃圾桶的優(yōu)點(diǎn)是讓環(huán)衛(wèi)工人在清潔垃圾時既省時又省力又能有效的改變其工作環(huán)境.充分利用了垃圾桶分布較廣的特點(diǎn)，在垃圾桶上進(jìn)行廣告宣傳，公益廣告牌旨在宣傳節(jié)能環(huán)保等公益宣傳及教育，從而提高人們節(jié)能環(huán)保意識.新型垃圾桶結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng).同時為了解決電池的有效回收，還增加了電池回收箱，其內(nèi)部裝有濾水板避免了下雨天時，電池浸泡在水中的情況.

2 運(yùn)動分析

2.1 機(jī)構(gòu)簡圖及受力分析

圖4 垃圾桶的結(jié)構(gòu)簡圖

圖4為新型垃圾桶的結(jié)構(gòu)簡圖，主桶以及手柄的受力情況決定了垃圾桶各個部位的運(yùn)動狀態(tài)，正確的受力分析為主桶的靈活、平衡地翻轉(zhuǎn)提供了保障.

受力如圖4所示，其中G為垃圾桶自重，α為曲柄的最大轉(zhuǎn)角，q為任一時刻曲柄與初始位置所成的夾角，F(xiàn)為手施加到曲柄上的力，根據(jù)力矩平衡［6］［7］［8］［9］可得：

根據(jù)垃圾桶的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計可得，其手柄長度L＝500mm；T型支架長度為n＝240mm.由式（2）可以知道，當(dāng)環(huán)衛(wèi)工人去取垃圾時候，垃圾桶總重量為G不變.所以由式（2）得出，曲柄的驅(qū)動力與曲柄的轉(zhuǎn)角成正比，當(dāng)曲柄的轉(zhuǎn)角增加時候，驅(qū)動手柄的外力變大，到轉(zhuǎn)角達(dá)到整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的最大值α?xí)r候，此時外界對手柄施加的力最大且F的大小為：FMAX＝0.48×G×sinq，方向如圖4所示.從上述的分析結(jié)果可以看出：當(dāng)在初始位置q＝0時，即使很小的驅(qū)動力都可以使垃圾桶產(chǎn)生位移；隨著轉(zhuǎn)角的增加，所需驅(qū)動力越來越大；當(dāng)轉(zhuǎn)角q＝α?xí)r，此時所需的驅(qū)動力最大FMAX＝0.48×G×sinq；由于垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計所致，即使再繼續(xù)增大驅(qū)動力F，垃圾桶也不會提升；從最大驅(qū)動力的表達(dá)式來看，本次垃圾桶的設(shè)計是一個省力裝置，大約只需要消耗物重的一半即可提升全部物重，這大大的減輕環(huán)衛(wèi)工人工作強(qiáng)度.雖然本次垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮比較全面，但是還是存在某些不足和缺陷，如：當(dāng)曲柄達(dá)到最大轉(zhuǎn)角α?xí)r，此時的環(huán)衛(wèi)工人需要的驅(qū)動力必須大于或者至少等于0.48×G×sinq時，才能阻止垃圾桶在重力作用下下降，但是此時環(huán)衛(wèi)工人還要去取內(nèi)膽，這多少給環(huán)衛(wèi)工人增加勞動強(qiáng)度，本次結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要一個鎖緊裝置，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角達(dá)到最大時候，利用機(jī)械鎖緊裝置阻止垃圾桶在重力作用下下降，更進(jìn)一步達(dá)到減輕環(huán)衛(wèi)工人的強(qiáng)度，機(jī)械鎖緊裝置是下一步多功能垃圾桶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方向.

2.2 桶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

自由度越多，靈活性越好，但是會增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和控制難度，而且為了使在傾倒的過程中垃圾不會撒出，而造成二次勞動，自由度的準(zhǔn)確計算以及是否合理決定了桶在運(yùn)動過程中是否穩(wěn)定，為此我們做了如下驗(yàn)算：

（1）未接觸D時

F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－0＝2，此時垃圾桶在自由上升階段，在于重力作用下，可做小幅度的自由擺動，對主桶影響較小.

（2）接觸D后

F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1，此時機(jī)構(gòu)有三個活動的構(gòu)件，四個轉(zhuǎn)動移動副約束此機(jī)構(gòu)，計算可得此時主桶只有一個自由度，故主桶穩(wěn)定上升.

3 結(jié) 論

根據(jù)垃圾桶的功能以及環(huán)衛(wèi)工人與垃圾桶之間的方便程度，提出可提升自動翻轉(zhuǎn)多用垃圾桶是具有極大方便性，和充分利用垃圾桶這資源給環(huán)衛(wèi)工作解決了很多問題.從而提高了環(huán)衛(wèi)工作人員的工作效率，以及工作環(huán)境.文中對垃圾桶的本體結(jié)構(gòu)和受力分析都進(jìn)行了初步分析，得出本次垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，同時也提出了不足，作為自動翻轉(zhuǎn)多用垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供的方向，本次結(jié)構(gòu)設(shè)計為接下來為可提升自動翻轉(zhuǎn)多用垃圾桶的成品開發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ).

［1］沈曉東，奚 純.城市分類垃圾箱設(shè)計研究［J］.機(jī)械工程師藝術(shù)與設(shè)計（理論），2008，62（4）：168－170.

［2］Zena lovino.Garbage－sorting Robot Gets its Hands dirty，Subscribe and Save.2011，26（8）：15－18.

［3］劉曉明.城市生活垃圾簡易分類裝置設(shè)計與研究［D］.福建師范大學(xué)碩士論文，2010.

［4］趙凱華，羅蔚茵.力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［5］于全訓(xùn)，林明喜.力學(xué)概論［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［6］梁昆淼.力學(xué)（上冊，第三版）［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［7］H.戈德斯坦.經(jīng)典力學(xué)（第二版）［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.