朱芒，高翔

（1.上海龍澄環(huán)境集團(tuán)有限公司，上海 201707；2.武漢龍澄環(huán)境裝備有限公司，武漢 430400）

0 引言

深埋式垃圾桶直收直運(yùn)模式起源于歐洲，在歐洲及全球范圍內(nèi)已廣泛使用近30 a，21世紀(jì)初期被引進(jìn)國內(nèi)使用。該模式打破了傳統(tǒng)垃圾收運(yùn)模式的固化思維，通過深埋式垃圾桶、自裝卸式垃圾車和智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的功能組合，將垃圾直接從垃圾收集點(diǎn)進(jìn)行壓縮處理后運(yùn)送至終端處理場所，全程無任何拋灑滴漏現(xiàn)象，既簡化了垃圾收運(yùn)環(huán)節(jié)，又能有效避免二次環(huán)境污染。該模式無需通水通電，適用于各類社區(qū)、居民小區(qū)、公園、景點(diǎn)垃圾收集及公路清掃保潔的定點(diǎn)收集。

深埋式垃圾桶是生活垃圾直收直運(yùn)系統(tǒng)的核心組成部分，主要對(duì)生活垃圾起到分類、收集、儲(chǔ)存作用。深埋式垃圾桶主要由外桶體、內(nèi)桶體、桶蓋3部分組成。內(nèi)桶體由桶身、底蓋和開啟機(jī)構(gòu)組成。桶身和底蓋一側(cè)通過鉸接方式進(jìn)行連接，另一側(cè)通過開啟機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開合。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中大多采用手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)桶的開合，將拉繩一端與開啟機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，另一端握在操作者手中，通過人力將開啟機(jī)構(gòu)打開。該種作業(yè)方式作業(yè)強(qiáng)度大，工作人員需要近距離接觸內(nèi)桶，工作環(huán)境惡劣，自動(dòng)化程度低，不利于以后智慧環(huán)衛(wèi)升級(jí)改造。

本文以深埋式垃圾桶內(nèi)桶開啟機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)內(nèi)桶開啟方式進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇；根據(jù)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步理論力學(xué)計(jì)算，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要參數(shù)；運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行開啟機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)確定具體設(shè)計(jì)方案；進(jìn)行樣機(jī)制作和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，按照設(shè)計(jì)參數(shù)模擬實(shí)際工作環(huán)境，通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

深埋式垃圾桶內(nèi)桶開啟機(jī)構(gòu)采用的是杠桿原理，為保持原有主要結(jié)構(gòu)一致性，將原有手動(dòng)方式轉(zhuǎn)換為自動(dòng)方式。通過查閱相關(guān)資料[1]，電動(dòng)推桿作為一種新型的直線型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理是由電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)蝸桿或齒輪改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，通過推拉往返使某一裝置完成往復(fù)動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制、自動(dòng)控制等。電動(dòng)推桿具有體積小、安裝方便、使用穩(wěn)定可靠、推力大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已在我國電力、化工、冶金、汽車等行業(yè)得到大量應(yīng)用。

電動(dòng)推桿按照外觀可以分為L型（如圖1）、直線型（如圖2）等，結(jié)合深埋式垃圾桶內(nèi)桶開啟機(jī)構(gòu)，直線型電動(dòng)推桿適合于該應(yīng)用場合。直線型電動(dòng)推桿具有體積小、推力大、防塵防水、環(huán)境溫度承受能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)要求我們選用上海舜拓電機(jī)有限公司生產(chǎn)的“安迪特”牌直線型電動(dòng)推桿。該公司生產(chǎn)的ANT系列電動(dòng)推桿，推力為0～6000 N，速度為0～55 mm/s，行程為10～700 mm，多種規(guī)格型號(hào)可供選擇。

圖1 L型電動(dòng)推桿

圖2 直線型電動(dòng)推桿

1.1 設(shè)計(jì)要求

1）承載能力。深埋式垃圾桶內(nèi)桶額定承載為1000 kg，在實(shí)際使用過程中需要考慮實(shí)際工作情況下極限載荷，安全系數(shù)按照1.5倍計(jì)算，承載需要達(dá)到1500 kg。

2）開啟時(shí)間。開啟時(shí)間決定了工作的效率，結(jié)合以前人工開蓋操作所需時(shí)間，底蓋開啟時(shí)間需要不大于10 s。

3）鎖鉤開啟角度。鎖鉤開啟角度越大，可以保證鎖鉤與鎖軸之間無干涉，通過圖樣模擬可得出為保證有效開啟，鎖鉤開啟角度不小于20°。

1.2 未知參數(shù)

1）電動(dòng)推桿行程s。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖，使用CAD輔助軟件按照設(shè)計(jì)要求繪制鎖鉤關(guān)閉狀態(tài)和開啟25°狀態(tài)。通過內(nèi)桶推桿開啟和關(guān)閉結(jié)構(gòu)示意圖（如圖3）可知，電動(dòng)推桿行程越大，鎖鉤開啟角度越大。

圖3 內(nèi)桶推桿開啟和關(guān)閉結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，oa為電動(dòng)推桿初始安裝距離，oa′為電動(dòng)推桿最大伸出距離，電動(dòng)推桿行程s為oa′-oa。

根據(jù)三角形三邊定理關(guān)系的應(yīng)用[2]，任意兩邊之差小于第三邊，可知oa′-oa=s＜aa′，由圖3可知，aa′=169 mm，則可知電動(dòng)推桿行程s＜169 mm。

為確保開啟角度大于20°，則行程需要盡可能大，為降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)采購成本，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)行程。參照?qǐng)D4電動(dòng)推桿行程參數(shù)，選取標(biāo)準(zhǔn)行程為150 mm。

圖4 電動(dòng)推桿行程參數(shù)

2）電動(dòng)推桿所需推力F推。為方便受力分析，需要簡化模型。現(xiàn)假定內(nèi)桶為固定不動(dòng)的結(jié)構(gòu)。則鉸鏈處的軸、鎖鉤腰型孔處的軸、鎖板旋轉(zhuǎn)的軸均固定。內(nèi)桶底蓋可以看作以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)中心的杠桿，分別受內(nèi)桶底蓋重物的重力和鎖軸的拉力，鎖鉤和鎖板也可以看作是杠桿，所以其簡化受力結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)桶底蓋受力結(jié)構(gòu)簡圖

F推為所求電動(dòng)推桿推力。已知參數(shù)：L1=1290 mm；L2=673.5 mm；L3=111.3 mm；L4=L5=50 mm；L6=303.5 mm；G=15000 N。上述距離參數(shù)都是在CAD設(shè)計(jì)軟件上測量得到的尺寸。為保證鎖鉤與鎖軸的有效閉合，鎖鉤與鎖軸接觸的面有一向上傾斜5°的夾角，如圖6所示。

圖6 鎖鉤詳圖

根據(jù)力矩平衡原理[3]，以e為平衡點(diǎn)建立力矩平衡方程式：

鎖鉤與鎖軸接觸面的摩擦為滑動(dòng)摩擦，其中鎖鉤選用材質(zhì)為鋁合金，鎖軸選用材料為304不銹鋼。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)[4]，可以得知摩擦因數(shù)μ=0.02。f鉤=μN(yùn)鉤=157 N。

3）電動(dòng)推桿與鎖板夾角α（如圖7）。

a.α最大值確定。通過分析可知的初始安裝距離oa在150 mm至+∞之間。利用CAD模擬，以a點(diǎn)位圓心直徑300 mm畫圓，與推桿鉸接點(diǎn)所在線的交點(diǎn)為b點(diǎn)，連接ab線段，ab線段與推桿鉸接點(diǎn)所在線的夾角為α最大值，如圖7所示，在CAD中測量α最大值為28°（包含28°）。

圖7 電動(dòng)推桿與鎖板夾角圖

b.α最小值確定。假設(shè)電動(dòng)推桿長度為+∞時(shí)，ab線與推桿交界線平行，結(jié)合實(shí)際情況可以判定α理論最小值為0°（不包含0°）。

4）電動(dòng)推桿負(fù)載速度V推。由前面所述已知參數(shù)，根據(jù)已知開啟時(shí)間t＜10 s，行程s=150 mm，得出電動(dòng)推桿在負(fù)載狀態(tài)下的速度為V推＞s/t，即V推＞15 mm/s。

根據(jù)電動(dòng)推桿行程、所需推力、負(fù)載速度3項(xiàng)主要參數(shù)，結(jié)合圖8產(chǎn)品選型手冊對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行選型。ANT-45型號(hào)符合要求，最大負(fù)載為1000 N，速度為16 mm/s，行程為150 mm，初始安裝距離為398 mm。

圖8 產(chǎn)品選型手冊

2 方案具體設(shè)計(jì)

按照選定的參數(shù)確定好執(zhí)行機(jī)構(gòu)后，利用CAD輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的完善，根據(jù)選定的參數(shù)對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)方案完整性。

CAD輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬驗(yàn)證后，采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，修改完善原有三維模型圖，完成三維建模后的模型如圖9所示。

圖9 內(nèi)桶自動(dòng)開啟三維模型圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照方案圖要求進(jìn)行樣機(jī)制作。樣機(jī)裝配完成后檢查各零部件的安裝情況，并進(jìn)行開啟和關(guān)閉檢測，檢驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)到理論設(shè)計(jì)要求。

檢驗(yàn)合格后分別安排進(jìn)行空載試驗(yàn)，1 t模擬垃圾額定載荷負(fù)載試驗(yàn)和1.5 t模擬垃圾極限負(fù)載試驗(yàn)并進(jìn)行空載試驗(yàn)。檢驗(yàn)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程是否存在卡滯、停頓等問題。

改制好樣品如圖10所示，模擬垃圾如圖11所示。

圖10 改制好樣品

圖11 模擬垃圾1.5 t

試驗(yàn)過程如表1所示。

表1 試驗(yàn)過程

按照上述試驗(yàn)過程，分別進(jìn)行500次操作，觀察試驗(yàn)過程是否有異樣。根據(jù)以上驗(yàn)證結(jié)果可知：該套自動(dòng)開啟機(jī)構(gòu)能夠在6 s內(nèi)正常開啟載有1 t的模擬垃圾；該套自動(dòng)開啟機(jī)構(gòu)能夠在8 s內(nèi)正常開啟載有1.5 t的模擬垃圾。通過一系列可靠性驗(yàn)證，證明產(chǎn)品運(yùn)行良好，未出現(xiàn)任何問題。

4 結(jié)論

采用電動(dòng)推桿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將原有深埋式垃圾桶手動(dòng)開啟方式升級(jí)為自動(dòng)開啟方式，使用穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，能夠大大降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。通過可靠性試驗(yàn)可知，負(fù)載越重，內(nèi)桶底蓋自動(dòng)開啟的時(shí)間越長。利用CAD設(shè)計(jì)輔助設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。