可提升自動翻轉多用垃圾桶結構設計與動力分析

劉偉成，胡竟湘，李 臻，高 琛，溫軍泉

（湖南工程學院 工程訓練中心，湘潭 411101）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，生活垃圾造成的污染正嚴重地危害城市居民的生活，對此已引起政府的高度重視，環(huán)境保護已經(jīng)是我國的基本國策了，越來越多的人關注環(huán)境保護，垃圾箱不僅是保持城市環(huán)境衛(wèi)生的必備的公益設施，通過是市容市貌景觀的一部分，體現(xiàn)社會文明程度的關鍵［1］.現(xiàn)今，在國外已經(jīng)出現(xiàn)應用垃圾分選機器人將廢物從建設和拆遷工程中回收貴重的原材料，而不是直接垃圾填埋而造成資源浪費［2］；國內(nèi)已有很多種類型的垃圾分類機申請了專利，大部分垃圾分類機的分類原理主要是以生活垃圾的體積大小、輕重、軟硬上通過機械運動而分類，還有一些是基于全自動智能垃圾分類機的研究［5］.最常用的最簡單的垃圾分選設備就是和公眾接觸最為緊密的公共道具——垃圾桶，傳統(tǒng)垃圾桶都是通過環(huán)衛(wèi)工人打開垃圾箱的外蓋用手取出內(nèi)膽，通過手工的方式將垃圾倒入垃圾車內(nèi)，這樣做不僅十分耗費時間而且還十分消耗體力；一般垃圾桶沒有濾水功能，當雨水和垃圾混在一起時，散發(fā)出強烈的異味，影響環(huán)衛(wèi)工人的身體健康；現(xiàn)在大部分垃圾桶只有可回收和不可回收之分，卻忽略了電池的回收，電池是造成土壤和水污染的罪魁禍首，所以對電池的有效回收已經(jīng)是刻不容緩！

我們通過對市場上的現(xiàn)有垃圾桶的結構以及使用率進行了深入研究分析，對現(xiàn)有的垃圾桶進行了重新的結構設計、建立其運動學模型、進行仿真研究、并驗證了新型垃圾桶設計的合理性，為研制符合人性化要求的垃圾桶提供了依據(jù).

1 垃圾桶的結構設計及工作原理

1.1 垃圾桶的結構設計及結構分析

柄、T型支架、廣告牌、電池回收箱.結構形式的選擇取決于主桶的活動范圍、T型支架的靈活性、以及傾斜的位置精度、主桶的負荷能力和控制難度等因素和要求.整個運動過程中T型支架是新型垃圾桶的主要執(zhí)行部件，是其關鍵機構，它的主要任務就是將手柄上的軸1和主桶上的軸2連接在一起，形成一個省力杠桿（手柄和T型支架長度比55∶23）.通過作用手柄來帶動軸1旋轉，再由軸1帶動T型支架，此時與軸2連接的主桶隨著T型支架的轉動開始提升，當垃圾桶提升到一定高度時，T型架與軸3接觸，在T型支架的帶動下，此時主桶開始實現(xiàn)翻轉，最后主桶會翻轉到一定的傾斜度，從而達到主桶將垃圾自動倒進垃圾車的功能.

本文是針對現(xiàn)有垃圾桶存在的缺陷，利用機械原理和機械設計等相關知識，設計了可提升自動翻轉多用垃圾桶，并進行實物加工和實驗！可提升自動翻轉多用垃圾桶三維結構示意圖如圖1所示，它主要包括軸1、軸2、軸3、主桶、手柄該結構中T型支架的結構、自由度是直接影響主桶翻轉的過程中的靈活性、平衡性以及翻轉后的效果.

圖1 可提升自動翻轉多用垃圾桶總體結構

增加的電池回收箱內(nèi)部裝有濾水板（圖2），根據(jù)人機學工程原理和人的使用習慣將電池回收箱開口置于其頂端，回收箱利用電池和水兩種不同的特性，雨水會流入濾水板底部并經(jīng)由導管排出，電池沿濾水板斜面進入回收箱，從而實現(xiàn)電池和雨水的分離！

圖3是污水凈化裝置，該裝置是安裝在垃圾桶的下方，主桶內(nèi)的積水先通過筒底部的過濾網(wǎng)，進行第一次粗過濾.積水從桶內(nèi)流出，由漏斗式的接口接住，并通過導管進入到污水凈化裝置內(nèi)，用海綿進行再次凈化.在裝置內(nèi)部安裝了各種凈化物質(zhì)，對污水進行最后的細凈化，最終將污水凈化成干凈的水，并排出裝置，保護了垃圾桶周邊的環(huán)境.煙灰缸與桶蓋同體，并由斜槽和閥門共同組成.在人們使用過程中，閥門是處于關閉的狀態(tài).當環(huán)衛(wèi)工人進行清理垃圾時，只需打開閥門，煙灰會順著斜槽直接滑入到桶內(nèi).

1.2 垃圾桶的工作原理及優(yōu)點

新型垃圾桶通過驅動手柄帶動軸1的旋轉，再由軸1帶動T型支架，此時與軸2連接的主桶隨著T型支架的轉動開始提升，當垃圾桶提升到一定高度時，T型架與軸3接觸，在T型支架會帶動下，此時主桶開始實現(xiàn)翻轉，實現(xiàn)垃圾桶提升一定高度后自動傾斜，將垃圾倒出（該垃圾桶保留了原有垃圾桶內(nèi)膽可取出的優(yōu)勢，對于垃圾車不便進入的地方，可將垃圾桶取至垃圾車處）.

新型垃圾桶的優(yōu)點是讓環(huán)衛(wèi)工人在清潔垃圾時既省時又省力又能有效的改變其工作環(huán)境.充分利用了垃圾桶分布較廣的特點，在垃圾桶上進行廣告宣傳，公益廣告牌旨在宣傳節(jié)能環(huán)保等公益宣傳及教育，從而提高人們節(jié)能環(huán)保意識.新型垃圾桶結構簡單，實用性強.同時為了解決電池的有效回收，還增加了電池回收箱，其內(nèi)部裝有濾水板避免了下雨天時，電池浸泡在水中的情況.

2 運動分析

2.1 機構簡圖及受力分析

圖4 垃圾桶的結構簡圖

圖4為新型垃圾桶的結構簡圖，主桶以及手柄的受力情況決定了垃圾桶各個部位的運動狀態(tài)，正確的受力分析為主桶的靈活、平衡地翻轉提供了保障.

受力如圖4所示，其中G為垃圾桶自重，α為曲柄的最大轉角，q為任一時刻曲柄與初始位置所成的夾角，F(xiàn)為手施加到曲柄上的力，根據(jù)力矩平衡［6］［7］［8］［9］可得：

根據(jù)垃圾桶的整體結構設計可得，其手柄長度L＝500mm；T型支架長度為n＝240mm.由式（2）可以知道，當環(huán)衛(wèi)工人去取垃圾時候，垃圾桶總重量為G不變.所以由式（2）得出，曲柄的驅動力與曲柄的轉角成正比，當曲柄的轉角增加時候，驅動手柄的外力變大，到轉角達到整體結構設計的最大值α時候，此時外界對手柄施加的力最大且F的大小為：FMAX＝0.48×G×sinq，方向如圖4所示.從上述的分析結果可以看出：當在初始位置q＝0時，即使很小的驅動力都可以使垃圾桶產(chǎn)生位移；隨著轉角的增加，所需驅動力越來越大；當轉角q＝α時，此時所需的驅動力最大FMAX＝0.48×G×sinq；由于垃圾桶結構設計所致，即使再繼續(xù)增大驅動力F，垃圾桶也不會提升；從最大驅動力的表達式來看，本次垃圾桶的設計是一個省力裝置，大約只需要消耗物重的一半即可提升全部物重，這大大的減輕環(huán)衛(wèi)工人工作強度.雖然本次垃圾桶的結構設計考慮比較全面，但是還是存在某些不足和缺陷，如：當曲柄達到最大轉角α時，此時的環(huán)衛(wèi)工人需要的驅動力必須大于或者至少等于0.48×G×sinq時，才能阻止垃圾桶在重力作用下下降，但是此時環(huán)衛(wèi)工人還要去取內(nèi)膽，這多少給環(huán)衛(wèi)工人增加勞動強度，本次結構設計還需要一個鎖緊裝置，當曲柄轉角達到最大時候，利用機械鎖緊裝置阻止垃圾桶在重力作用下下降，更進一步達到減輕環(huán)衛(wèi)工人的強度，機械鎖緊裝置是下一步多功能垃圾桶結構優(yōu)化設計的方向.

2.2 桶的結構穩(wěn)定性計算

自由度越多，靈活性越好，但是會增加結構的復雜性和控制難度，而且為了使在傾倒的過程中垃圾不會撒出，而造成二次勞動，自由度的準確計算以及是否合理決定了桶在運動過程中是否穩(wěn)定，為此我們做了如下驗算：

（1）未接觸D時

F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－0＝2，此時垃圾桶在自由上升階段，在于重力作用下，可做小幅度的自由擺動，對主桶影響較小.

（2）接觸D后

F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1，此時機構有三個活動的構件，四個轉動移動副約束此機構，計算可得此時主桶只有一個自由度，故主桶穩(wěn)定上升.

3 結 論

根據(jù)垃圾桶的功能以及環(huán)衛(wèi)工人與垃圾桶之間的方便程度，提出可提升自動翻轉多用垃圾桶是具有極大方便性，和充分利用垃圾桶這資源給環(huán)衛(wèi)工作解決了很多問題.從而提高了環(huán)衛(wèi)工作人員的工作效率，以及工作環(huán)境.文中對垃圾桶的本體結構和受力分析都進行了初步分析，得出本次垃圾桶結構設計的優(yōu)點，同時也提出了不足，作為自動翻轉多用垃圾桶結構設計優(yōu)化提供的方向，本次結構設計為接下來為可提升自動翻轉多用垃圾桶的成品開發(fā)奠定了堅實的基礎.

［1］沈曉東，奚 純.城市分類垃圾箱設計研究［J］.機械工程師藝術與設計（理論），2008，62（4）：168－170.

［2］Zena lovino.Garbage－sorting Robot Gets its Hands dirty，Subscribe and Save.2011，26（8）：15－18.

［3］劉曉明.城市生活垃圾簡易分類裝置設計與研究［D］.福建師范大學碩士論文，2010.

［4］趙凱華，羅蔚茵.力學［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［5］于全訓，林明喜.力學概論［M］.北京：科學出版社，2000.

［6］梁昆淼.力學（上冊，第三版）［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［7］H.戈德斯坦.經(jīng)典力學（第二版）［M］.北京：科學出版社，1986.