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        基于太陽能的智能垃圾分類處理裝置*

        2022-02-24 03:38:02閆海敬李國昊張學(xué)鵬劉冰心張佳美蘇志華
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:絲杠垃圾處理扭矩

        孫 帥,閆海敬,李國昊,張學(xué)鵬,劉冰心,張佳美,蘇志華

        (濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,山東濱州 256033)

        0 引言

        本文主要解決垃圾分類問題,國內(nèi)垃圾分類投放仍缺乏社會(huì)氛圍,大部分居民還不能進(jìn)行“大類粗放”式的分類投放。應(yīng)采取一些合理有效的措施,使其更加符合經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)已有一些關(guān)于垃圾分類的調(diào)查研究,其中有很多針對(duì)社區(qū)生活垃圾分類情況做的調(diào)查,也有許多關(guān)于生活垃圾分類應(yīng)如何設(shè)置進(jìn)行的研究。所以,應(yīng)該提高居民的垃圾分類意識(shí),使垃圾正確分類投放的社會(huì)氛圍變得更家和諧。

        通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前的分類垃圾箱不能達(dá)到垃圾處理的最終目標(biāo),無法滿足當(dāng)今社會(huì)的使用需求。本文所設(shè)計(jì)的裝置在當(dāng)前市場上的垃圾分類系統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)上增加了集彈射分揀、螺旋粉碎、擺錘擊碎、活塞壓縮、稱重收集于一體,通過單片機(jī)控制,太陽能供電的智能垃圾分類處理裝備,結(jié)合了新鮮垃圾處理設(shè)備、垃圾制肥設(shè)備、垃圾制磚設(shè)備、建筑垃圾處理設(shè)備、廢舊塑料處理設(shè)備、負(fù)壓風(fēng)選機(jī)成套設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。建立對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)模型,并在三維建模軟件上進(jìn)行建模仿真,最終進(jìn)行機(jī)器部件的定位和裝配,以及實(shí)物模型試驗(yàn)驗(yàn)證與調(diào)試,將試驗(yàn)后的結(jié)果反饋進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。本裝置所需的動(dòng)力是通過太陽能板轉(zhuǎn)化而來,節(jié)能環(huán)保且節(jié)省勞動(dòng)力。

        1 總體設(shè)計(jì)方案

        1.1 設(shè)計(jì)理念

        該裝置的基本設(shè)計(jì)理念是智能、環(huán)保、節(jié)能,可同時(shí)高效完成分類、粉碎、壓縮等垃圾處理工作,并可廣泛應(yīng)用于人群集中的場合。

        1.2 設(shè)計(jì)原理

        當(dāng)機(jī)外垃圾投入機(jī)內(nèi)時(shí),通過傳感器檢測垃圾的類型,并將信號(hào)傳給單片機(jī),單片機(jī)發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu),如圖1 所示,通過傳感器識(shí)別以及多個(gè)傳感器的組合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)金屬、塑料、玻璃等物品的檢測,準(zhǔn)確度高達(dá)95%。

        傳感器檢測垃圾的類型,并將信號(hào)傳給單片機(jī),單片機(jī)發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu),若為可回收垃圾則傳送帶正轉(zhuǎn),否則反轉(zhuǎn);傳送帶正傳將可回收垃圾送入不同的垃圾處理機(jī)構(gòu);若為金屬垃圾則第二傳感器響應(yīng),觸發(fā)絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行金屬壓縮功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬垃圾的壓縮并收集;若為玻璃垃圾則第三傳感器響應(yīng),觸發(fā)重力錘來回?cái)[動(dòng)將其擊碎并收集;若為熱固性材料塑料垃圾則第四傳感器響應(yīng),觸發(fā)粉碎旋刀將其粉碎并收集;傳送帶反轉(zhuǎn)則將垃圾推離傳送帶,送入不可回收垃圾箱。

        2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

        該裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 總體結(jié)構(gòu)

        2.1 垃圾處理結(jié)構(gòu)

        (1)垃圾壓縮機(jī)構(gòu)

        當(dāng)垃圾被傳送帶傳送至壓縮機(jī)構(gòu)時(shí),傳感器檢測到后向控制器反饋信息,滾珠絲杠開始正向旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)零部件實(shí)現(xiàn)對(duì)易拉罐等金屬物品的壓縮,當(dāng)壓縮完成后,觸發(fā)觸碰開關(guān),絲杠反向旋轉(zhuǎn)復(fù)位。

        (2)垃圾粉碎機(jī)構(gòu)

        旋轉(zhuǎn)粉碎器經(jīng)過簡單變形后可變?yōu)橹行妮S支撐周圍刀片,通過軸承座進(jìn)行固定,通過聯(lián)軸器與動(dòng)力源相連接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能,外圓滾筒與機(jī)架相連接,實(shí)現(xiàn)了滾刀的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到粉碎的效果。

        (3)垃圾收集裝置

        垃圾收集器為垃圾收集裝置。系統(tǒng)分為上下兩部分,在機(jī)體的中間有足夠的空隙,通過空隙能保證垃圾的通過并到達(dá)垃圾分揀中轉(zhuǎn)站,經(jīng)過機(jī)體下部旋轉(zhuǎn)粉碎器后的垃圾進(jìn)入稱重模塊稱重,稱重后按照系統(tǒng)設(shè)定的程序?qū)⒗修D(zhuǎn)站中的垃圾運(yùn)至相應(yīng)的垃圾收集器中。螺旋狀旋轉(zhuǎn)粉碎裝置分析智能垃圾分類處理裝置通過識(shí)別后可以對(duì)塑料瓶、紙杯等進(jìn)行有效粉碎,且螺旋狀旋刀可使削碎后的垃圾順利落入稱重分類裝置。 通過系統(tǒng)自身形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),參照發(fā)達(dá)國家的垃圾車,全部采用是自動(dòng)封閉式、或自動(dòng)加壓式,裝入的垃圾可以自動(dòng)壓實(shí)。

        (4)供電機(jī)構(gòu)

        本產(chǎn)品在使用后電量不足的情況下,太陽能電池板可供給電量,通過51單片機(jī)與光敏電阻配合,根據(jù)太陽的位置不同,利用舵機(jī)調(diào)節(jié)太陽能電池板的角度,使其光照接收面積最大,采用AD 轉(zhuǎn)換,運(yùn)用光敏電阻對(duì)光照強(qiáng)度的感應(yīng),通過電阻值變化,并將電阻變化的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,單片機(jī)根據(jù)返回的數(shù)字量來調(diào)節(jié)太陽能電池板的朝向,使太陽能電池板實(shí)時(shí)保持最大限度接收光照??梢詫?shí)現(xiàn)最大限度的光能轉(zhuǎn)化。

        提高太陽能發(fā)電的消納和儲(chǔ)存將會(huì)提高太陽能轉(zhuǎn)換效率??梢詤⒄誝ablonovitch 提出了一些新的設(shè)計(jì)來進(jìn)一步提升效率迫近理論極限,可以使用solar concentrator,聚焦入射光,對(duì)一些材料也適合提升效率。

        2.2 控制機(jī)構(gòu)

        本產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)分為以下3個(gè)部分。

        (1)自動(dòng)壓縮控制

        本產(chǎn)品采用12 V 電機(jī)作為動(dòng)力來源,運(yùn)用繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活塞的進(jìn)退,控制系統(tǒng)所使用的繼電器為低電平觸發(fā),通過單片機(jī)的I/O 口輸出電平高低來實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電開關(guān)的控制,進(jìn)而控制壓縮機(jī)構(gòu)。

        (2)粉碎中轉(zhuǎn)分離控制

        傳感器相應(yīng)引腳與單片機(jī)I/O 口相連,通過傳感器反饋給單片機(jī)電平信號(hào),單片機(jī)將信號(hào)處理后輸出不同的信號(hào)進(jìn)而控制機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn),構(gòu)成了此系統(tǒng)的閉環(huán)控制,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)后退的壓縮等功能,并且進(jìn)一步提高了分離垃圾精確度。

        (3)電機(jī)控制

        運(yùn)用繼電器來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)垃圾的分揀、壓縮、粉碎、中轉(zhuǎn)、收集,所使用的繼電器為低電平觸發(fā),通過單片機(jī)的I/O 口輸出電平高低實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制,使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)命令時(shí)更加精確。如圖2 所示,3 個(gè)分控制系統(tǒng)相互聯(lián)結(jié),經(jīng)過陽光照射后,會(huì)將信號(hào)傳遞給控制芯片,并且多路控制方式處理,并用電流環(huán)方法進(jìn)行通信傳輸,編寫好的程序單片機(jī)與發(fā)射端設(shè)置好接口后,讀取數(shù)據(jù),再通過簡單地判定,分析收到的指令,從而向電機(jī)控制器發(fā)送方向和速度,來完成相應(yīng)的動(dòng)作。并供各類強(qiáng)弱電標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口的辦公多媒體控制系統(tǒng),使辦公環(huán)境中各類電器設(shè)備可以共享使用并統(tǒng)一控制。

        圖2 線路機(jī)構(gòu)

        3 硬件、軟件技術(shù)性能測試

        3.1 硬件測試

        測試內(nèi)容:(1)電路檢測,先檢查電路板質(zhì)量是否合格,連接之后用萬用表檢測電路有無短路、斷路情況;(2)檢測繼電器開關(guān)是否正常工作,包括是否正確連接電路和電線是否完整;(3)按下主電源按鍵,觀察各個(gè)傳感器是否正常工作,同時(shí),觀察各電機(jī)是否有轉(zhuǎn)動(dòng)的變化。

        3.2 軟件測試

        產(chǎn)品整機(jī)調(diào)試改進(jìn),進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化,測試軟件調(diào)試在Keil 條件下進(jìn)行,分各個(gè)模塊結(jié)合硬件調(diào)試進(jìn)行。之后再對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行分析,利用設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行仿真測試,再次確定設(shè)計(jì)方案,按照設(shè)計(jì)要求購買所有標(biāo)準(zhǔn)件,并對(duì)自行設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行加工制作;對(duì)不足之處進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

        3.3 關(guān)鍵技術(shù)

        關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面:(1)多個(gè)傳感器的組合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)金屬、塑料、玻璃等物品的檢測,準(zhǔn)確度高達(dá)95%;(2)螺旋狀旋轉(zhuǎn)粉碎裝置可以對(duì)塑料瓶、紙杯等進(jìn)行有效粉碎,且螺旋狀旋刀可使削碎后的垃圾順利落入稱重分類裝置;(3)大扭矩電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠螺母連接壓縮裝置可對(duì)易拉罐進(jìn)行有效地壓縮。

        4 理論設(shè)計(jì)

        4.1 電機(jī)輸出扭矩理論計(jì)算

        產(chǎn)品所需直流減速電機(jī)有兩個(gè)。

        電機(jī)的輸出扭矩:

        式中:T為電機(jī)的輸出扭矩;P為電機(jī)的功率;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

        電機(jī)1的功率P=0.015 kW,轉(zhuǎn)速n=50 r/min,則電機(jī)1的輸出扭矩T=2.865 N·m。

        電機(jī)2的功率P=0.01 kW,轉(zhuǎn)速n=350 r/min,則電機(jī)2的輸出扭矩T=0.273 N·m。

        4.2 滾珠絲杠的強(qiáng)度校核

        扭矩計(jì)算如下:

        式中:M為絲杠承受的扭矩;τ為絲杠承受的剪切力;W為抗扭斷面系數(shù)。

        絲杠外徑D=20 mm,工作時(shí)最大扭矩為100 N·m,絲杠桿抗[τ]=60 MPa,則:

        絲杠的最大切應(yīng)力:

        綜上所述,絲杠滿足強(qiáng)度條件,所以此滾軸絲杠可安全使用。

        5 外部及內(nèi)部的材料要求

        5.1 外部材料要求

        基于太陽能供電的垃圾處理裝置的主體框架結(jié)構(gòu)使用30 mm×30 mm×2 mm 的三角鐵。通過調(diào)查研究決定采用以下兩種材作為主體支架:Q235B 型材與Q345B 型材(Q345B 用于制造有較高強(qiáng)度的框架;Q235B 用于制造低強(qiáng)度的框架)。

        5.2 內(nèi)部材料要求

        (1)從經(jīng)濟(jì)方而考慮,該機(jī)的焊接件全部采用普通鋼材焊制,其強(qiáng)度完全可以滿足工作要求。主體框架與內(nèi)部機(jī)架為主要部件,在其上還要布置軸承座、絲桿、光軸等。鑒于垃圾中水分較多,故內(nèi)部材料選用應(yīng)首先考慮耐銹蝕材料。

        (2)電動(dòng)機(jī)的選擇。電機(jī)型號(hào)的選擇要既能使箱體內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn),又不至于因太大找不到適應(yīng)的電源。要防止垃圾分揀處理過程中電流過載使電機(jī)和傳感器一起損壞。

        6 結(jié)束語

        受到我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等相關(guān)因素的制約,目前,我國居民的垃圾分類意識(shí)依然有欠缺?!吧鐣?huì)上缺乏垃圾投放分類的氛圍”,這是中國人民大學(xué)暑期調(diào)研小組的直接感受。在調(diào)研人員對(duì)于多個(gè)小區(qū)的抽樣調(diào)查中,近95%的被調(diào)查垃圾桶是混裝的。

        本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能相對(duì)于傳統(tǒng)意義上的垃圾回收裝置有較大的提升,有著獨(dú)特的預(yù)處理和收集裝置。并且較市面上的垃圾回收裝置具有較小的體積,本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)控制下,系統(tǒng)智能化,裝置對(duì)垃圾進(jìn)行自動(dòng)分揀、粉碎等預(yù)處理,并且用機(jī)器取代人工,減少后期再次分揀時(shí)人力物力的浪費(fèi),既節(jié)約了生產(chǎn)成本又提高了工作效率。

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