城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置設(shè)計(jì)與研究

摘要：基于中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)提出的生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略決策，我國(guó)絕大部分地區(qū)對(duì)枝條落葉處理時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)。針對(duì)目前落葉資源處理方式的現(xiàn)狀以及相關(guān)落葉清理裝置的現(xiàn)有產(chǎn)品分析，設(shè)計(jì)了一種集吸入、粉碎、壓縮、封裝于一體的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置，并對(duì)雙重粉碎系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)3D打印制作樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期效果，滿足了功能需求，可有效解決目前綠化廢棄物清理回收過(guò)程中的環(huán)境污染、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、貯存不便、運(yùn)輸成本高等問(wèn)題，推動(dòng)綠化廢棄物的資源化再利用。

關(guān)鍵詞：城市園林廢棄物清理回收3D打印

中圖分類號(hào)：X505;TH122

DesignandResearchonGreeningDeviceforRecyclingDeciduousWasteinUrbanGardens

ZHANGYanDUANLei*SUPengMAZhouCHENGHaoWANGJunboCHANGFei

TianjinUniversityofTechnologyandEducation，Tianjin，300222China

Abstract：BasedonthestrategicdecisionofecologicalcivilizationconstructionputforwardbythecauseofsocialismwithChinesecharacteristics，mostregionsinChinahavecausedseriousenvironmentalpollutionandwasteofresourceswhendealingwithbranchesandfallenleaves.Basedonthecurrentsituationofdeciduousresourcetreatmentmethodsandtheanalysisofexistingproductsrelatedtodeciduouscleaningdevices，anurbangardendeciduouswasterecyclingandgreeningdevicethatintegratessuction，crushing，compression，andpackagingisdesigned，andthedualcrushingsystemisoptimized.Theprototypeismadethrough3Dprintingandtestedexperimentally，theexpectedresultshavebeenachieved，andmeetingthefunctionalrequirements.Itcaneffectivelysolvetheproblemsofenvironmentalpollution，highlaborintensityofworkers，inconvenientstorage，andhightransportationcostsinthecurrentprocessofcleaningandrecyclinggreenwaste，andpromotetheresourceutilizationofgreenwaste.

KeyWords：Urbangarden;Waste;Cleaningandrecycling;3Dprinting

綠化廢棄物主要指綠化植物在自然生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的枯枝、落葉，也包括在園林維護(hù)中修剪掉的雜草枝葉等[1]。據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局統(tǒng)計(jì)，至2020年我國(guó)綠化覆蓋率達(dá)41.1%，全國(guó)產(chǎn)生的綠化廢棄物將達(dá)4000萬(wàn)t[2]，其資源化回收再利用價(jià)值相當(dāng)可觀，可用于生產(chǎn)制作土壤改良劑、有機(jī)化肥、栽培基質(zhì)等[3-4]。目前，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比[5-6]，我國(guó)對(duì)于綠化廢棄物資源化回收與再利用的研究處于起步階段。例如：沈陽(yáng)建筑大學(xué)的王家生設(shè)計(jì)的一種新型落葉收集機(jī)[7]，其掃刷部分模擬的掃帚清掃，易產(chǎn)生粉塵污染，操作工人長(zhǎng)期工作下易患呼吸道疾??；北部灣大學(xué)的王海霞設(shè)計(jì)的落葉清掃機(jī)[8]，采用的真空泵壓縮原理對(duì)落葉進(jìn)行了壓縮處理，工作過(guò)程中，空氣中夾雜著落葉碎末，易造成真空泵堵塞。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前綠化廢棄物的清理回收依然存在著粉塵污染大、枝葉粉碎不均勻、壓不實(shí)，以及回收物運(yùn)輸成本高、儲(chǔ)存占地空間大等問(wèn)題，通常被視為綠化垃圾而采用焚燒或者就近填埋等低成本方式處理，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染、土壤板結(jié)等問(wèn)題，也造成資源的浪費(fèi)[3，9]。因此，本文針對(duì)綠化廢棄物的清理回收問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制了一種集吸入、粉碎、壓縮、封裝于一體的智能化控制的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置。

1機(jī)器整體方案

1.1清理回收流程

首先由機(jī)器內(nèi)部負(fù)壓吸入路面上的枝條、落葉等綠化廢棄物，同時(shí)過(guò)濾排出空氣，隨后將收集的枝條落葉粉碎成碎末，之后將碎末壓縮成塊，最后對(duì)壓縮塊進(jìn)行包裝封口。清理回收流程如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件UGNX建立機(jī)器三維數(shù)字化模型，設(shè)計(jì)尺寸為980mm′1030mm′1730mm，如圖2所示。機(jī)器按功能劃分為六大系統(tǒng)，由上到下依次為吸入過(guò)濾系統(tǒng)、雙重粉碎系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由前到后依次為壓縮系統(tǒng)、封裝系統(tǒng)。

吸入過(guò)濾系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集枝條落葉等綠化廢棄物，并對(duì)排出的空氣進(jìn)行過(guò)濾。通過(guò)負(fù)壓風(fēng)機(jī)使該系統(tǒng)內(nèi)部與外界形成足夠的空氣壓力差，以吸筒為導(dǎo)向?qū)⒙访嫔系闹l落葉等吸進(jìn)機(jī)器。為杜絕負(fù)壓風(fēng)機(jī)對(duì)排出的空氣伴隨吸進(jìn)的塵土而造成空氣粉塵污染，該系統(tǒng)設(shè)置濾網(wǎng)過(guò)濾和離心力過(guò)濾兩種方式相結(jié)合，濾網(wǎng)過(guò)濾細(xì)小顆粒，離心力分離空氣與塵土。雙重粉碎系統(tǒng)以打碎刀組和滾刀組相結(jié)合，增強(qiáng)粉碎效果，避免后續(xù)因粉碎不均而造成枝葉粉末密度大、壓不實(shí)等問(wèn)題。粉碎系統(tǒng)是基于剪刀叉機(jī)構(gòu)對(duì)枝葉粉末進(jìn)行擠壓，達(dá)到一定壓縮程度后由剪叉機(jī)構(gòu)將壓縮塊推向封裝系統(tǒng)進(jìn)行包裝封口。不同路段路況質(zhì)量有所差異，為保證機(jī)器行走的平穩(wěn)性，移動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置有緩沖減震裝置。

1.3控制系統(tǒng)

該機(jī)器控制核心以STM32作為主控芯片，其控制電路主要包含主控芯片、電源管理、熱熔桿、按鍵電路、遠(yuǎn)程控制模塊、繼電器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行電機(jī)，控制系統(tǒng)如圖3所示。

通過(guò)遠(yuǎn)程控制終端對(duì)該機(jī)器進(jìn)行控制。當(dāng)主控芯片接收到遠(yuǎn)程控制終端信號(hào)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片將信號(hào)反饋給執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行工作。

該裝置兼有自動(dòng)導(dǎo)航行駛和超聲波避障功能，操縱人員在遠(yuǎn)程控制終端上規(guī)劃好行駛路線后，機(jī)器可按照要求軌跡自動(dòng)行駛，且在行駛過(guò)程中避障系統(tǒng)會(huì)在碰到障礙物之前進(jìn)行干預(yù)，起到安全行駛的作用。此外，壓縮系統(tǒng)中設(shè)置有紅外線傳感器，當(dāng)粉碎的枝條落葉積攢到一定程度時(shí)，壓縮系統(tǒng)接收到傳感器信號(hào)后會(huì)進(jìn)行壓縮工作，隨后壓縮塊由剪叉機(jī)構(gòu)推送到封裝系統(tǒng)進(jìn)行封裝，繼電器閉合，熱熔桿通電發(fā)熱對(duì)打包袋封口并熔斷，完成壓縮封裝的流程。

2機(jī)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

雙重粉碎系統(tǒng)位于吸入過(guò)濾系統(tǒng)與壓縮系統(tǒng)之間，主要工作是粉碎吸入機(jī)器內(nèi)部的枝條落葉，其最終的粉碎效果直接決定了后續(xù)壓縮系統(tǒng)能否將枝條落葉碎末壓實(shí)，是整個(gè)機(jī)器的核心。該系統(tǒng)由粉碎裝置和兩處滑動(dòng)門(mén)裝置構(gòu)成，如圖4所示。

2.1粉碎裝置

粉碎裝置如圖5所示，包括打碎刀組和滾刀組。打碎刀形狀為四葉波浪形刀片，兩處打碎刀水平轉(zhuǎn)動(dòng)且相錯(cuò)布置于打碎倉(cāng)內(nèi)。滾刀形狀為斜齒刀盤(pán)，兩處滾刀相錯(cuò)布置于粉碎倉(cāng)內(nèi)。打碎刀組傳動(dòng)軸端部安裝有V帶輪，滾刀傳動(dòng)軸端部安裝有齒輪，且另一處滾刀同時(shí)安裝有V帶輪，粉碎倉(cāng)外壁安裝有電動(dòng)機(jī)，整個(gè)粉碎裝置以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)V帶傳動(dòng)使打碎刀組工作，同樣通過(guò)V帶將動(dòng)力傳遞給另一處滾刀傳動(dòng)軸，兩處滾刀則依靠齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾刀組的同步交互嚙合粉碎工作。

若單獨(dú)采用打碎刀組，雖效率高，但粉碎效果差且粉碎不均勻，不能滿足處理要求；若單獨(dú)采用滾刀組，雖粉碎效果好，但較大的枝條落葉進(jìn)入滾刀組時(shí)與刀牙接觸面積小，不能夠及時(shí)進(jìn)入滾刀組粉碎，同時(shí)伴有較大的落葉平鋪于滾刀組入口，表面較為平整的落葉與工作中的滾刀組出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，致使?jié)L刀組空轉(zhuǎn)而造成枝條、落葉的堆積堵塞。綜合上述分析，故采用兩種刀組相結(jié)合的雙重粉碎方式，其優(yōu)點(diǎn)在于粉碎效率高、粉碎均勻且細(xì)膩，有利于后續(xù)壓縮處理。

2.2滑動(dòng)門(mén)裝置

雙重粉碎系統(tǒng)中共有兩處相互協(xié)作的滑動(dòng)門(mén)裝置，如圖6所示，主要用于隔絕吸入過(guò)濾系統(tǒng)與雙重粉碎系統(tǒng)的空氣壓力，同時(shí)延長(zhǎng)枝條落葉在打碎刀組模塊的停留時(shí)間。

該裝置外壁開(kāi)設(shè)有滑軌，兩處門(mén)板安置于滑軌中，近程門(mén)板和遠(yuǎn)程門(mén)板均通過(guò)螺栓分別裝配于近程絲杠與遠(yuǎn)程絲杠上，兩處絲杠端部均固定有齒輪。以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩門(mén)打開(kāi)閉合的工作。

33D打印試制樣機(jī)

3D打印又名增材制造，屬于快速成型技術(shù)，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，其優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)材料堆積能夠快速制作出復(fù)雜形狀的非標(biāo)零件。因機(jī)器設(shè)計(jì)尺寸較大，在確保機(jī)器功能不變的情況下，將樣機(jī)的尺寸按一定比例縮小為400mm′470mm′700mm，并應(yīng)用熔融沉積成型工藝（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）[10]對(duì)機(jī)器的非標(biāo)零部件進(jìn)行3D打印制造。

以吸入過(guò)濾系統(tǒng)外殼為例，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件UGNX將所需打印的零部件模型導(dǎo)出STL格式文件，并在UPStudio3.1.2軟件中打開(kāi)。通過(guò)“自動(dòng)擺放模型”快速將模型置于工作臺(tái)上方，隨后通過(guò)“旋轉(zhuǎn)”和“位移”擺正拾取模型到合適的位置，選擇PLA為打印材料，噴嘴直徑為0.4mm。進(jìn)入“專家”模塊設(shè)置打印參數(shù)：為改善斜面階梯效應(yīng)，設(shè)置動(dòng)態(tài)層厚度，最小層厚度為0.15mm，最大層厚度為0.25mm，調(diào)整比例為1.5；頂部與底部層片均為2層，添加密集支撐，其角度為45°，層數(shù)為2，并添加底座；路徑輪廓為2，填充密度為100%，支撐密度為20%，填充路徑均選擇ZigZag；設(shè)置輪廓起始點(diǎn)為Nearest，接頭延伸為2mm，選擇接頭交叉以改善起始點(diǎn)對(duì)于模型表面質(zhì)量的影響；其余參數(shù)默認(rèn)，主要參數(shù)設(shè)置如圖7所示，向UPBOX+提交打印任務(wù)進(jìn)行3D打印制造，分層結(jié)果如圖8所示。

打印完成后，對(duì)3D打印零部件進(jìn)行支撐拆除、銼削、砂紙打磨等后處理。最后進(jìn)行所有零部件的裝配，得到了實(shí)物樣機(jī)如圖9所示。經(jīng)綠化廢棄物清理回收的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，滿足了所需功能要求，并與傳統(tǒng)清理回收方式進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比，傳統(tǒng)方式回收的枝葉密度為30～50kg/m3，該機(jī)器回收的枝葉粉末壓縮塊密度為900～1400kg/m3，達(dá)到了預(yù)期效果。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置在減少清理回收過(guò)程中人力、物力的前提下，還可有效推動(dòng)綠化廢棄物“變廢為寶”的資源化再利用，同時(shí)避免了枝條落葉不合理方式處理所造成的環(huán)境污染，經(jīng)過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該機(jī)器優(yōu)勢(shì)主要有：過(guò)濾系統(tǒng)中對(duì)排出的空氣進(jìn)行了濾網(wǎng)過(guò)濾和離心力塵土分離兩種方式相結(jié)合的處理，杜絕了機(jī)器工作過(guò)程中造成的粉塵污染；粉碎系統(tǒng)中采用了雙重粉碎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得枝條落葉等粉碎得更加細(xì)膩且均勻；壓縮系統(tǒng)中對(duì)枝條落葉粉末壓縮后，其密度由處理前的30～50kg/m3轉(zhuǎn)變?yōu)榱?00～1400kg/m3，極大地減小了運(yùn)輸成本和貯存空間，降低了綠化廢棄物的回收成本；封裝系統(tǒng)中對(duì)枝條落葉壓縮塊進(jìn)行打包封口，便于運(yùn)輸；移動(dòng)系統(tǒng)中增添了緩沖減振裝置，平穩(wěn)行走適應(yīng)于各種復(fù)雜路況；機(jī)器配有自動(dòng)導(dǎo)航和超聲波避障裝置，操作簡(jiǎn)便，且行走安全可靠。

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