新型口香糖清除器的設計

魯 杰，艾書義

(泰山學院機械與工程學院，山東泰安 271021)

口香糖是人們喜愛的一種休閑食品，可是人們咀嚼后丟棄的口香糖的殘渣已成為城市治理環(huán)境污染的新難題.有記者報道，2006年“國慶”節(jié)后，40萬平方米的天安門廣場落下60萬塊口香糖殘渣，平均每平方米有5塊之多.另據(jù)報道，廣州北京路商業(yè)步行街上口香糖污染嚴重，僅400米的步行街每次清除的口香糖殘渣都有15～20公斤.口香糖殘渣體積小、粘著力強，特別是經(jīng)日曬風吹和人們踩踏后，牢牢地粘著于地面，難于剔除與清洗.針對城市道路、廣場等硬化地面上的口香糖殘留物，目前國內普遍使用的是手工清理法，包括鐵鏟敲擊、清洗液浸泡、鋼絲刷刮刷等措施.有統(tǒng)計資料顯示，手工清理一塊口香糖殘渣的時間在60～90秒之間，清除一塊口香糖殘渣的平均費用約為1.1元.用機械清除替代人工清除是業(yè)內人士的夢想，但目前我國此類機械裝置設計尚處于起步階段，設計成果有諸多不盡如人意的地方，還沒有得到業(yè)內人士與市場的認可，故無法得到推廣應用.

1 國內外口香糖殘留清除機械的現(xiàn)狀

縱觀國內外口香糖清除機械的研究領域，按其工作原理的不同，大致分為四種類型:單一刮鏟清除式;刮鏟－蒸汽清除式;鋼刷加溶液浸泡清除式;乙炔火焰燃燒清除式.

單一刮鏟清除機械用電機驅動，機械刮鏟代替手工刮鏟，能降低勞動強度，但清除方法單一、效率低，清除不徹底，清除后地面仍有微量殘渣和明顯的黑色印記.刮鏟－蒸汽清除是在前一種機械的基礎上增加蒸汽噴頭，通過蒸汽將殘渣加熱軟化后用刮鏟清除.該方法仍然存在清除不徹底的弊端，且能耗較大使用成本較高.鋼刷加溶劑浸泡清除是先噴灑溶劑將口香糖殘渣浸泡，然后用鋼絲刷旋轉清除.該方法所用溶劑為一種特制清潔劑，價格昂貴，使清除成本大大提高，而且清潔劑的使用又會造成對環(huán)境的污染.乙炔火焰加熱清除機械是通過加熱燃燒來清除口香糖殘留.這一方法不能用于大理石、花崗巖、木材等天然材料鋪成的地面，并且使用過程有一定的危險性.不僅如此，目前較為成熟的國外品牌都售價不菲，例如，一款由德國Rid－a－Gum公司設計生產的口香糖殘渣專業(yè)清理機，每臺售價為3500美元，在國內推廣有較大難度.

2.新型口香糖清除器的設計方案

本課題研發(fā)的新型口香糖清除器，其工作原理是通過加熱軟化和機械刮刷相結合的方式清除口香糖殘留，并同時由收集機構將殘渣收集.下面從機構設計、電路設計、工作過程、外觀設計四方面介紹該口香糖清除器的工作原理與設計方案.

2.1 清除器的機構設計

清除器主要由前進機構、信號處理機構、加熱機構、清除機構和回收機構五部分組成.其清除器各部分功能布局結構如圖1所示.

圖1 清除器功能結構

2.1.1 前進機構

前進機構由前進開關、驅動電機Ⅰ、傳動帶、后輪軸等部件組成，其主要功能是實現(xiàn)清除器向前移動，結構簡單，無調速裝置，單一速度運行.

2.1.2 信號處理機構

信號處理機構由攝像頭、處理器和顯示屏等部件組成，主要實現(xiàn)對路面口香糖殘留物的識別與圖像信息傳輸.攝像頭采集的光信號經(jīng)處理器處理，轉化成圖像信號傳送給顯示屏，此時口香糖殘留物位置處于加熱、刮鏟工作區(qū)域之內，據(jù)此操作者即可按下工作開關按鈕，開始清除、清理工作.

2.1.3 加熱機構

加熱機構由電熱絲、吹風機、熱氣出口等組成.工作時電熱絲通電升溫，吹風機將電熱絲產生的熱量從熱氣出口吹出，熱氣將地面上的口香糖殘留加熱軟化.加熱機構的熱氣出口安裝在“設定目標物”即刮鏟工作區(qū)域的右上方，在保證對口香糖殘留加熱效率的同時又不妨礙清除機構的運動.加熱機構為定時間歇性工作，由控制電路實現(xiàn)其工作時間的控制.

2.1.4 清除機構

清除機構是清除器主要工作機構，由驅動電機、齒輪傳動系統(tǒng)、兩個四連桿機構、刮鏟、鋼絲刷和兩個回位彈簧組成，如圖2所示.

圖2 清除機構工作圖

兩四連桿機構均為曲柄滑塊機構，由電機Ⅱ驅動，工作時電機帶動主動齒輪(滑移齒輪)，滑移齒輪通過軸向移動切換嚙合從動齒輪，從而實現(xiàn)工作機構的轉換.滑移齒輪與齒輪1嚙合時，帶動第一個曲柄滑塊機構工作，與滑塊相連的刮鏟緊貼地面作往復運動，對口香糖殘留進行第一次清除;滑移與齒輪2嚙合時，齒輪1同時脫開，第二個曲柄滑塊機構開始工作，滑塊下的鋼絲刷緊貼地面作往復運動，對口香糖殘留進行第二次清除.兩四連桿機構設計參數(shù)相同，刮鏟與鋼刷最大行程均為55mm，設計往復工作頻率為6次/s.兩滑塊公用一個導軌，刮鏟與鋼刷工作部位相同，位置相對，工作交替進行.為確保刮鏟與鋼刷運動互不阻礙，分別設計回位彈簧與滑塊相連，以便在從動齒輪與主動齒輪脫開后，迫使滑塊回到初始位置，保證另一滑塊運動不受干涉.另外，為保證滑塊運動平穩(wěn)，在滑塊上部兩側開設滑槽，用雙導軌導向，確?；瑝K滑行阻力小、運動平穩(wěn).清除機構傳動原理如圖3所示.

圖3 清除機構傳動原理圖

2.1.5 回收機構

回收機構類似于吸塵器，主要由吸氣口、吸氣扇、集塵箱等部分組成.吸氣口安裝在刮鏟清除區(qū)域左上方，在刮鏟開始工作的同時吸塵器電路開通，鋼刷停止工作后電路延時關閉，以此保證被清理下的口香糖殘渣被及時吸走，使清理更為有效.為防止殘留物飛濺造成二次殘留，在底盤后部裝有毛刷，以阻擋殘留物外濺，確保最終被吸塵口吸走.收集箱安裝在清除器的上部，集塵盒采用鑲嵌抽拉設計，以方便及時傾倒垃圾.

2.2 電路設計

清除器電路分為主電路和控制電路兩部分.主電路包括驅動電機Ⅰ(M1)、驅動電機Ⅱ(M2)、吹風機M3、電熱絲(R)、吸氣扇(M4)及組合開關等元件構成，用于實現(xiàn)清除器的前進、加熱、清除以及回收動作;控制電路主要由前進開關(QS1)、工作開關(QS2)、電磁繼電器(KM1、KM2)、時間繼電器(KT)、限位開關(SQ1、SQ2)等組成，用于協(xié)調和控制主電路，使之動作更加精確.清除器電路設計如圖4所示.

圖4 清除器工作電路圖

2.3 清除器工作過程

清除器由蓄電池提供的48V的直流電源作為動力.操作人員按下前進開關按鈕，驅動電機Ⅰ送電，清除器前進，待顯示屏顯示口香糖殘渣信號時，再按下工作開關按鈕(前進開關同時斷開機器停止前進)，加熱機構開始工作，將地面上處于加熱口的口香糖殘留加熱軟化，計時器5秒計時后自動切斷電源;之后驅動電機Ⅱ與吸塵器同時送電，四連桿刮鏟機構開始工作，吸塵器開始工作，計時器10秒報時后操作者拉動手柄切換嚙合從動齒輪，鋼絲刷開始工作，計時器10秒后自動切斷電機Ⅱ電源，之后操作者按下工作開關吸塵器斷電，完成口香糖殘留清除與收集的一個工作周期.工作流程見圖5所示.

圖5 清除器工作流程框圖

2.4 外觀設計

清除器外形結構如圖6所示，整機外殼箱設計為封閉式，既美觀又安全.箱體采用0.6mm的鋼板制作，箱體在前下端與車架鉸接，實現(xiàn)翻轉開合，便于機器的檢查與維修.把手采用直柄抽拉式結構，考慮到個體身高與習慣不同，把手高度設計為可調節(jié)式，調節(jié)范圍為920～1100mm;車把手寬度設計為440mm;整機外形尺寸為1500mm×500mm×1000mm.

圖6 清除器的外形結構

2.5 技術指標與參數(shù)

本清除器設計總功率為500W;清除速度26s/塊;清除費用約0.04元/塊;車體總重量約30㎏;造價約為1500元/臺.

3 主要設計特點

該款口香糖清除器主要由以下特點:①勞動強度低，工作效率高.整個清除過程全部由機械完成，極大地改善了環(huán)衛(wèi)工人的勞動環(huán)境和強度，平均每清除一塊口香糖的時間由原來的50～90秒降為15～20秒.②清除徹底，效果好.由于增加了加熱環(huán)節(jié)，克服了直接使用鐵鏟鐵刷清除總會有殘留的缺點，使清除更加徹底.收集裝置的增加，及時吸納殘留物，避免了殘留渣滓四處飛濺而形成二次污染.③該清除器的整體體積小，重量輕，控制系統(tǒng)簡單，便于操作，適用于廣大環(huán)衛(wèi)工作者使用.④該清除器結構簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)產品的生產與推廣.既能提高城市環(huán)衛(wèi)事業(yè)的機械化水平，又能提高城市環(huán)衛(wèi)事業(yè)的社會形象.

4 結語

目前我國的口香糖清除機械的設計研發(fā)還處于初級階段，本款口香糖清除器的設計研發(fā)填補了國內該類機械的空白，更為口香糖殘留這一“城市牛皮癬”的清除提供了簡便可行的方法.該裝置將加熱軟化、機械清除和吸氣收集三大功能結合在一起，設計上將機械結構與電路控制相結合，具有清除效率高、使用成本低、操作方便、清除徹底、社會形象好等優(yōu)點，具有良好的市場前景.該機器的使用與推廣必將帶來良好社會效益.

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