朱恩旭 張磊 周飛宇 王磊 唐政坤 唐珊

摘要：針對智能垃圾桶桶蓋自動(dòng)開合的需求，基于平面四連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了能夠滿足動(dòng)作需求的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)簡單可靠，能夠滿足桶蓋末端件的運(yùn)動(dòng)形式，提高了垃圾桶的自動(dòng)化程度，為推動(dòng)智能社區(qū)管理、垃圾分類提供了助力。

關(guān)鍵詞 平面四連桿 曲柄搖桿 桶蓋開合

0引言

近年隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，垃圾處理問題變得日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市生活垃圾清運(yùn)量已從1979年的2508萬噸增至2017年的20546.8萬噸，并且還在以每年接近10%的強(qiáng)勁速度增長，每年因垃圾處理帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300億人民幣。統(tǒng)計(jì)數(shù)字觸目驚心！為了走出“垃圾圍城”的困境，人們開始認(rèn)真應(yīng)對垃圾處理問題。進(jìn)行垃圾分類是行之有效的處理途徑之一，而智能化的垃圾桶則是進(jìn)行垃圾分類的助推器。扔對垃圾，從垃圾桶設(shè)計(jì)開始。本文即是基于平面四連桿機(jī)構(gòu)，提出一種可以電動(dòng)開合桶蓋的垃圾桶設(shè)計(jì)方案，為實(shí)施垃圾分類大數(shù)據(jù)管理、垃圾筒物聯(lián)、智能社區(qū)管理奠定基礎(chǔ)。

1桶蓋開合原理設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)要求

如圖1中雙點(diǎn)劃線所示為市面通用的一種垃圾桶外形示意圖。使用垃圾桶時(shí)，需要人力掀開垃圾桶的桶蓋進(jìn)行垃圾投擲。由于采用人力開啟桶蓋，不便于進(jìn)行垃圾投擲者識別、垃圾投擲量稱重等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，且垃圾分類完全依靠人的主觀自覺性，不便于進(jìn)行提醒和監(jiān)督。為推進(jìn)智能社區(qū)管理，將垃圾桶設(shè)計(jì)為電動(dòng)開合式，投擲垃圾流程為：垃圾投擲者采用外部觸發(fā)（人臉識別、刷卡掃碼等）打開垃圾桶進(jìn)行垃圾投擲，控制器借此記錄所有垃圾投擲信息并發(fā)送給控制中心。此過程中，要求垃圾桶在接收到有效觸發(fā)指令后，桶蓋打開 角;垃圾投擲完畢后，桶蓋關(guān)閉 角。因此，開合角度 為基本設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.2基于平面四連桿機(jī)構(gòu)的開合設(shè)計(jì)

欲使桶蓋開合 角，首先考慮將 視為四連桿機(jī)構(gòu)擺桿的擺角。然而，由于垃圾桶經(jīng)常要被拖運(yùn)和傾倒垃圾，故不宜直接將桶蓋作為擺桿;因此圖1中E點(diǎn)所在的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副不能作為四連桿的機(jī)架， 角也不能作為擺桿擺角?；谶@種考慮，四連桿驅(qū)動(dòng)的開合機(jī)構(gòu)需要獨(dú)立垃圾桶存在。考慮在垃圾桶后設(shè)置立柱用于安置四連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

由于桶蓋合上的情形，即水平位置是桶蓋的一個(gè)極限位置，故將此位置作為擺桿的極限位置，在F1E的延長線上設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈副D;D鉸鏈安裝在立柱（機(jī)架）上，如圖1（a）所示。C1點(diǎn)的確定要考慮立柱的尺寸，DC1桿為四連桿擺桿初始設(shè)計(jì)長度，記為c?？紤]桶蓋的另一極限位置，即將桶蓋打開 角，采用作圖法，作出如圖1（b）所示圖形。此極限位置與桶蓋水平極限位置所夾角 滿足設(shè)計(jì)要求 角， 角為所設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)擺角。

由圖1（a）和圖1（b），擺桿的極限位置已經(jīng)確定。由四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行規(guī)律，所設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)是一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，擺桿的極限位置分別出現(xiàn)在曲柄和連桿拉直共線和重疊共線的位置。由作圖法可以確定A點(diǎn)和B1、B2點(diǎn)位置，如圖1（a） 和1（b）所示。此時(shí)，各桿件尺寸應(yīng)滿足四連桿的桿長和條件：即最短桿與最長桿之和不大于其它兩構(gòu)件長度之和。為了保證A鉸鏈副為整轉(zhuǎn)副，a設(shè)計(jì)為最短桿。

以上即完成了基于平面四連桿機(jī)構(gòu)的垃圾桶桶蓋開合設(shè)計(jì)?？紤]DF2長，即e為一定長，桶蓋在開合過程中，F(xiàn)點(diǎn)要沿桶蓋在F1F2區(qū)間滑動(dòng)，故F點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)為滑動(dòng)副。

2結(jié)語

平面四連桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)末端件的多種運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具有運(yùn)動(dòng)副單位面積受壓小、便于潤滑，設(shè)計(jì)過程簡潔等優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)上得到了廣泛應(yīng)用。本文所進(jìn)行的垃圾桶桶蓋開合運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)就是基于平面四連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)完成的，設(shè)計(jì)簡潔實(shí)用，可以在垃圾分類、智能社區(qū)管理中推廣使用。

基金項(xiàng)目：大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：xcx2018108）。

作者簡介：朱恩旭（1997.4-）男，漢族，江蘇連云港人，在讀本科生;通訊作者：張磊（1978.12-）男，漢族，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向：精密機(jī)械質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳越.扔對垃圾，從垃圾桶設(shè)計(jì)開始[N].解放日報(bào)，2019-04-01（009）.

[2] 周克春.常州市區(qū)生活垃圾分類治理問題研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2018.