張佳偉 董春芳 楊霄 薛明 劉曉

摘要：指出了目前市場(chǎng)上的垃級(jí)箱主要是敞開(kāi)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(huì)的需求?；诖?，設(shè)計(jì)了一種公共智能粉碎壓縮垃圾箱。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了垃圾箱的自動(dòng)粉碎壓縮功能，增大了垃圾箱的利用效率，省時(shí)省力;此外垃圾箱上的太陽(yáng)能電池板收集的太陽(yáng)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(yáng)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）04-0185-03

1 引言

目前，生活中的垃圾箱，只是對(duì)垃圾進(jìn)行簡(jiǎn)單的收集。各式的垃圾箱收集垃圾通過(guò)垃圾車(chē)進(jìn)行粉碎壓縮送至中轉(zhuǎn)站進(jìn)行最終處理。其中常用的有敞開(kāi)式垃圾箱、可閉合式垃圾箱，雖然都可以進(jìn)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(lái)不便等問(wèn)題[1]。傳統(tǒng)的垃圾處理模式，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要清潔工人進(jìn)行定時(shí)處理，又浪費(fèi)成本，需要大型垃圾車(chē)的粉碎壓縮。沒(méi)有及時(shí)清理，很容易對(duì)周?chē)h(huán)境和人們的生活造成影響[2]。

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

2 整體方案設(shè)計(jì)

公共智能粉碎壓縮垃圾箱主要包括太陽(yáng)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(guò)太陽(yáng)能裝置收集的能量為粉碎壓縮提供電量來(lái)源，并結(jié)合傳感裝置實(shí)現(xiàn)智能控制。不僅實(shí)現(xiàn)了垃圾在垃圾箱內(nèi)的粉碎壓縮，方便清運(yùn)，也達(dá)到了綠色環(huán)保的目的。設(shè)計(jì)的智能粉碎壓縮垃圾箱考慮到投入的垃圾并非都可進(jìn)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(guò)粉碎裝置將可粉碎垃圾進(jìn)行粉碎，然后在將滿溢的粉碎垃圾進(jìn)行壓縮。而壓縮垃圾箱僅將滿溢后的垃圾進(jìn)行壓縮。

整體的設(shè)計(jì)思想是當(dāng)垃圾進(jìn)入垃圾箱時(shí)，立刻觸發(fā)粉碎裝置，利用帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)能（帶輪豎向放置于側(cè)壁），進(jìn)行粉碎，太陽(yáng)能提供粉碎所需要的能源。粉碎垃圾滿載后再通過(guò)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(jìn)行壓縮。反復(fù)幾次，壓縮的垃圾滿載后再通過(guò)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(jìn)行壓縮的，滿溢提醒裝置是提醒環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行處理，垃圾滿載后，自動(dòng)鎖住垃圾投放口，通過(guò)顯示裝置，提醒不得投放，需要的能源均有太陽(yáng)能提供。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動(dòng)力單元由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、電動(dòng)機(jī)組成。它的作用原理是位于垃圾箱頂部的太陽(yáng)能電池板收集太陽(yáng)能，不斷將能量?jī)?chǔ)存在蓄電池中，在粉碎過(guò)程中為電動(dòng)機(jī)提供能量，通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行粉碎。在壓縮過(guò)程中為控制電路提供能量，實(shí)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(jì)

粉碎壓縮垃圾箱中的粉碎裝置是由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（鏈條和齒輪）、粉碎機(jī)構(gòu)如圖2所示（主軸和鈍刀刀片）、控制電路組成的.當(dāng)垃圾進(jìn)入粉碎壓縮垃圾箱時(shí)，通過(guò)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(yáng)能電池中存儲(chǔ)的能量驅(qū)動(dòng)垃圾箱底部電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)位于垃圾箱側(cè)壁的皮帶進(jìn)行傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)，萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)刀桿轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧保護(hù)裝置連接在萬(wàn)向節(jié)上，可以保證當(dāng)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(wàn)向節(jié)帶動(dòng)刀桿上的鈍刀刀片旋轉(zhuǎn)，刀片旋轉(zhuǎn)的位置覆蓋整個(gè)垃圾箱，將落下的垃圾進(jìn)行粉碎。

根據(jù)強(qiáng)度理論，畫(huà)出受力圖，如圖4所示，對(duì)刀桿主軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核[4]，結(jié)果如表1所示。

設(shè)計(jì)的軸的加工材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。查閱機(jī)械手冊(cè)可知許用對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力[σ_-1w]取60MPa，通過(guò)計(jì)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(jì)

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(guò)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(dāng)粉碎的垃圾達(dá)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(guò)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(guò)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(shí)現(xiàn)全方位壓縮。當(dāng)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(huì)被繼電器吸住，回到原來(lái)的位置（垃圾箱的正視圖中有繼電器的具體位置）。

3.3 傳動(dòng)裝置

由于V帶傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，適合公共場(chǎng)所。因此采用帶傳動(dòng)，表2為帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的功能是粉碎壓縮垃圾箱中，當(dāng)垃圾箱進(jìn)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(dá)預(yù)先設(shè)定的垃圾滿溢位置，發(fā)出命令，通過(guò)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(dá)預(yù)先設(shè)定的垃圾滿溢位置即會(huì)觸發(fā)。任意一個(gè)垃圾箱滿載后，只需要等待清運(yùn)工人進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾即可。LED顯示裝置實(shí)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(yǔ)

目前市場(chǎng)上的垃圾箱主要有兩種，其一是敞開(kāi)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(huì)的需求。本文設(shè)計(jì)的這款公共智能粉碎壓縮垃圾箱不但能實(shí)現(xiàn)前端對(duì)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(fèi)問(wèn)題。此外本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)采用了太陽(yáng)能裝置進(jìn)行供電，綠色環(huán)保，符合節(jié)能減排的理念，也符合國(guó)家倡導(dǎo)的低碳環(huán)保的要求。

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

收稿日期：2019-12-28

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)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?yàn)楣I(yè)工程。