◎上海民辦打一外國語小學(xué) 馮一諾

一、課題由來

2019年7月1日，《上 海 市 生活垃圾管理?xiàng)l例》正式實(shí)施。居民將日常生活中產(chǎn)生的垃圾分為可回收物、有害垃圾、干垃圾、濕垃圾四類投放到對應(yīng)的垃圾桶內(nèi)，其中將干垃圾投放到垃圾桶內(nèi)很方便，而濕垃圾投放則有些苦惱，因?yàn)檠b濕垃圾的塑料袋是干垃圾，要先把濕垃圾倒入濕垃圾桶，再把空袋子投到干垃圾桶里，而且在分離濕垃圾和塑料袋時，經(jīng)常會把手弄臟，還要忍受濕垃圾散發(fā)的氣味。少數(shù)人嫌麻煩，索性把塑料袋連同濕垃圾一同投入濕垃圾桶，這樣實(shí)際上沒有做到生活垃圾分類。

如何解決這個煩惱呢？我嘗試設(shè)計(jì)制作一臺分離投放塑料袋與濕垃圾的小型設(shè)備，將它放置在小區(qū)垃圾桶旁邊。

二、查新情況

在設(shè)計(jì)前，我上網(wǎng)查找垃圾分類投放設(shè)備的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)只有幾種適用于黃沙等工業(yè)原料破袋的設(shè)備，但這些設(shè)備都無法用于塑料袋與濕垃圾分離投放。

通過查新，我得知目前國內(nèi)還沒有專門用于塑料袋與濕垃圾分離投放的自動化設(shè)備。

三、研究過程

（一）設(shè)計(jì)構(gòu)思

作品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)塑料袋與濕垃圾自動分離、如何自動分類投入垃圾桶。當(dāng)翻看自己乘坐摩天輪的照片時，我想到可以利用摩天輪的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)裝置，完成分離和投放塑料袋與濕垃圾等一系列操作。

分離投放塑料袋與濕垃圾的小型自動化設(shè)備酷似一臺微型摩天輪，將它放置在小區(qū)的干濕垃圾桶中間，居民在投放袋裝濕垃圾時，只需要把濕垃圾袋掛在設(shè)備上即可。“微型摩天輪”通過感應(yīng)啟動，它上面的棘輪棒轉(zhuǎn)動，從底部劃破塑料袋，實(shí)現(xiàn)塑料袋和濕垃圾分離，濕垃圾靠重力落到濕垃圾桶里，然后，塑料袋被轉(zhuǎn)輪傳送到干垃圾桶上方，靠自重和輔助裝置脫鉤落入干垃圾桶。完成上述動作后，設(shè)備自動停止，等待下一次感應(yīng)啟動。

需要說明的是，棘輪棒在垃圾袋底部旋轉(zhuǎn)，既可以充分撕破垃圾袋，又不至于把塑料袋帶到濕垃圾中。

這臺自動化設(shè)備的控制線路中需要加裝光電傳感器、延時啟動和延時斷電繼電器，設(shè)備的電路控制原理圖如下：

（二）設(shè)備構(gòu)造

分離投放塑料袋與濕垃圾的小型自動化設(shè)備上部形似摩天輪，“摩天輪”上裝有掛鉤，下部是基座，內(nèi)部有線路電器原件，控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

（三）制作過程

1.零部件的選擇購置

借鑒電動自行車的驅(qū)動方式，我選擇將24V蓄電池作為設(shè)備的動力源。蓄電池為兩臺微型電機(jī)提供動力，一臺微型電機(jī)用于驅(qū)動棘輪棒，另一臺微型電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)輪。

家用電動車48V電瓶由4塊蓄電池串聯(lián)組成，每塊電瓶電壓為12V，能夠滿足60kg重的大人騎行30km，所以我決定用2塊蓄電池串聯(lián)成24V蓄電池。

我購置家用轎車的雨刮電機(jī)作為驅(qū)動棘輪棒的電機(jī)。這種微型電機(jī)使用12V或24V電源，轉(zhuǎn)速范圍為每分鐘4轉(zhuǎn)～每分鐘2000轉(zhuǎn)，能夠滿足功能需求。

通過稱量得出，居民一次投放的濕垃圾質(zhì)量小于4kg，為保證能撕破垃圾袋，所以將轉(zhuǎn)輪承受的質(zhì)量設(shè)計(jì)為13kg。轉(zhuǎn)輪的半徑 為0.2m，通 過 請 教 老 師、查閱資料與計(jì)算，得出轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)矩為13×9.8×0.2=39.2N·M，轉(zhuǎn)輪的功率為24.61W。需購置的驅(qū)動轉(zhuǎn)輪的微型電機(jī)功率必須大于轉(zhuǎn)輪的功率，經(jīng)過篩選，我決定使用90ZYT55PX216直流微型減速電機(jī)，并配置轉(zhuǎn)速調(diào)速器，滿足轉(zhuǎn)輪帶動袋裝濕垃圾所需的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等要求。

我網(wǎng)購了干濕垃圾桶各一個，垃圾桶桶口尺寸為33cm×21.5cm，高度為35cm，桶的容量為20L，比小區(qū)里干濕垃圾桶(100L)小很多，但方便在家里做課題實(shí)驗(yàn)。

2.主要部件的加工制作

轉(zhuǎn)輪和掛鉤的作用是懸掛袋裝濕垃圾和傳送塑料袋。我設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪的直徑為400mm，用厚度為10mm的塑料板加工制作。

我將掛鉤裝在轉(zhuǎn)輪上面，均勻分布，且能承受13kg的質(zhì)量而不變形。為了方便塑料袋從轉(zhuǎn)輪上脫落，我在掛鉤處加裝了隨動蓋板，隨動蓋板由膠木制成，輔助塑料袋從轉(zhuǎn)輪上脫落。

棘輪棒的作用是從袋裝濕垃圾底部撕開塑料袋。棘輪棒的長度需與日常家用垃圾袋寬度一致，通過測量，我設(shè)定棘輪棒的長度為20cm，直徑為10mm。

棘輪棒上的棘刺要將薄薄的垃圾袋劃開，所以我把刺長定為12mm左右。

棘輪棒

3.組裝設(shè)備

我將24V蓄電池、棘輪棒驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)輪驅(qū)動電機(jī)、延時繼電器、開關(guān)、加工制作的棘輪棒、轉(zhuǎn)輪和掛鉤等零部件安裝在尼龍板上。

設(shè)備總裝圖

接著，我用延時繼電器、開關(guān)等裝配控制線路。

控制線路

4.設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)試

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，分離投放塑料袋與濕垃圾的小型自動化設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)啟動、塑料袋與濕垃圾分離及分類投放、自行停止等功能。

垃圾破袋、濕垃圾入桶演示圖：

轉(zhuǎn)輪傳送塑料袋演示圖：

塑料袋投入干垃圾桶演示圖：

四、作品創(chuàng)新點(diǎn)

分離投放塑料袋與濕垃圾的小型自動化設(shè)備無需安裝、安全可靠、方便實(shí)用，完全能夠代替人工完成塑料袋與濕垃圾分離、將塑料袋與濕垃圾分別投入干濕垃圾桶等動作，徹底消除人們投放濕垃圾時“臟手、異味”等煩惱。

通過控制元器件，設(shè)備感應(yīng)啟動，完成塑料袋與濕垃圾的分離、分類投放后自行停止工作，等待感應(yīng)下一袋濕垃圾。

五、完善設(shè)想

設(shè)備的動作及控制系統(tǒng)采用微型直流電機(jī)、反射式光電傳感器、延時啟動和延時斷電繼電器等部件，設(shè)備感應(yīng)啟動、棘輪棒破袋、塑料袋傳動、設(shè)備停止等動作間隔時間調(diào)試?yán)щy，需要進(jìn)一步優(yōu)化部件選型，研究選用PLC控制系統(tǒng)。

老師推薦：

本項(xiàng)目一定程度上解決了垃圾投放時干濕垃圾分離的痛點(diǎn)，解放了人們的雙手。設(shè)備設(shè)計(jì)比較合理，適合擺放在生活小區(qū)垃圾投放點(diǎn)供居民使用，具有一定的使用價值。