张佳伟 董春芳 杨霄 薛明 刘晓

摘要：指出了目前市场上的垃级箱主要是敞开式垃极箱和可闭合式垃极箱，但它们的垃圾处理能力已经不能满足社会的需求。基于此，设计了一种公共智能粉碎压缩垃圾箱。该设计实现了垃圾箱的自动粉碎压缩功能，增大了垃圾箱的利用效率，省时省力;此外垃圾箱上的太阳能电池板收集的太阳能提供粉碎压缩所需要的能量，能量自给，绿色环保。

关键词：粉碎;压缩;太阳能

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）04-0185-03

1 引言

目前，生活中的垃圾箱，只是对垃圾进行简单的收集。各式的垃圾箱收集垃圾通过垃圾车进行粉碎压缩送至中转站进行最终处理。其中常用的有敞开式垃圾箱、可闭合式垃圾箱，虽然都可以进行垃圾收集工作，但是都存在垃圾箱清理不方便，容易散发臭味，滋生病菌，给环卫人员的整理收集带来不便等问题[1]。传统的垃圾处理模式，既费时费力，需要清洁工人进行定时处理，又浪费成本，需要大型垃圾车的粉碎压缩。没有及时清理，很容易对周围环境和人们的生活造成影响[2]。

若能直接在垃圾箱内进行粉碎、压缩，会更大程度地提高垃圾箱的利用效率，也能更好地进行后续的回收工作。因此，本项目旨在设计出一种利用太阳能对垃圾进行先粉碎后压缩并且实现自动控制的垃圾箱，以实现高效、智能的目标，并切合绿色环保的理念[3]。

2 整体方案设计

公共智能粉碎压缩垃圾箱主要包括太阳能自供电、粉碎装置、压缩装置、传感部分等多种功能模块。该垃圾箱以粉碎压缩装置为核心，将通过太阳能装置收集的能量为粉碎压缩提供电量来源，并结合传感装置实现智能控制。不仅实现了垃圾在垃圾箱内的粉碎压缩，方便清运，也达到了绿色环保的目的。设计的智能粉碎压缩垃圾箱考虑到投入的垃圾并非都可进行粉碎，因此分为粉碎压缩垃圾箱和压缩垃圾箱。粉碎压缩垃圾箱可以通过粉碎装置将可粉碎垃圾进行粉碎，然后在将满溢的粉碎垃圾进行压缩。而压缩垃圾箱仅将满溢后的垃圾进行压缩。

整体的设计思想是当垃圾进入垃圾箱时，立刻触发粉碎装置，利用带传动传递动能（带轮竖向放置于侧壁），进行粉碎，太阳能提供粉碎所需要的能源。粉碎垃圾满载后再通过满溢感应装置将压缩命令传递给压缩装置，触发弹簧装置进行压缩。反复几次，压缩的垃圾满载后再通过满溢提醒装置提醒环卫工人处理垃圾。满溢感应装置是提醒压缩装置进行压缩的，满溢提醒装置是提醒环卫工人进行处理，垃圾满载后，自动锁住垃圾投放口，通过显示装置，提醒不得投放，需要的能源均有太阳能提供。具体结构如图1所示。

动力单元由太阳能电池板、蓄电池、电动机组成。它的作用原理是位于垃圾箱顶部的太阳能电池板收集太阳能，不断将能量储存在蓄电池中，在粉碎过程中为电动机提供能量，通过带传动带动刀片旋转进行粉碎。在压缩过程中为控制电路提供能量，实现弹簧装置压缩以及回收的控制。

3 执行单元

3.1 粉碎装置设计

粉碎压缩垃圾箱中的粉碎装置是由电动机、传动机构（链条和齿轮）、粉碎机构如图2所示（主轴和钝刀刀片）、控制电路组成的.当垃圾进入粉碎压缩垃圾箱时，通过放置于投放口处的传感器感应，立刻触发粉碎装置。太阳能电池中存储的能量驅动垃圾箱底部电机转动，通过位于垃圾箱侧壁的皮带进行传动，将动力传递给万向节结构，万向节结构带动刀杆转动。弹簧保护装置连接在万向节上，可以保证当弹簧把粉碎杆拉向侧壁（弹簧刀杆将拉向侧壁，结构如图3所示），皮带位置不变，防止压缩的弹簧装置将刀杆撞坏。万向节带动刀杆上的钝刀刀片旋转，刀片旋转的位置覆盖整个垃圾箱，将落下的垃圾进行粉碎。

根据强度理论，画出受力图，如图4所示，对刀杆主轴的强度进行校核[4]，结果如表1所示。

设计的轴的加工材料为45钢，进行调质处理。查阅机械手册可知许用对称循环应力[σ_-1w]取60MPa，通过计算可得主轴直径最小值为25mm，这样轴的度足够。

3.2 压缩装置设计

压缩装置是由粉碎压缩垃圾箱的弹簧装置[5]（即纵向挤压板如图3所示：弹簧从上往下压缩，横向挤压板如图5所示：弹簧从左往右压缩）、压缩垃圾箱的弹簧装置（只有纵向挤压板：弹簧从上往下压缩）、控制电路、位置感应器（即满载感应装置：设定的垃圾满载的位置，通过位置感应器发出命令）、继电器组成。

粉碎压缩垃圾箱中，当粉碎的垃圾达到设定的满载位置后，满载感应装置产生感应，发出压缩的命令，先通过控制电路立即触发纵向压缩装置，继电器断电，失去吸力（继电器装在弹簧装置的上下板上），纵向挤压板向下压缩。再通过控制电路立即触发横向压缩装置，继电器断电，失去吸力（继电器装在弹簧装置的左右板上），横向挤压板向右压缩，实现全方位压缩。当压缩完毕后，满载感应消失，继电器通电，弹簧装置回弹到一定的位置，会被继电器吸住，回到原来的位置（垃圾箱的正视图中有继电器的具体位置）。

3.3 传动装置

由于V带传动平稳，噪声小，适合公共场所。因此采用带传动，表2为带传动设计参数[6]。

2.4 满载提醒装置

提醒装置如图6所示是由红外传感器、LED显示灯组成的。它实现的功能是粉碎压缩垃圾箱中，当垃圾箱进行粉碎压缩反复几次后，垃圾满载，满载提醒装置即红外传感器，感应到压缩几次后的垃圾到达预先设定的垃圾满溢位置，发出命令，通过控制电路使投放口处的LED显示装置从绿灯变成红灯（LED显示灯有两种状态，红灯表示不得投放，绿灯表示可以投放，并且在红绿灯下有文字声明，提醒路人）。压缩垃圾箱则是压缩几次后的垃圾到达预先设定的垃圾满溢位置即会触发。任意一个垃圾箱满载后，只需要等待清运工人进行转运垃圾即可。LED显示装置实现两种功能，一是提醒环卫工人处理垃圾，二是提醒路人不得投放[7]。

4 结语

目前市场上的垃圾箱主要有两种，其一是敞开式垃圾箱，二是可闭合式垃圾箱。但这两种垃圾箱的垃圾处理能力和效果，已经不能满足社会的需求。本文设计的这款公共智能粉碎压缩垃圾箱不但能实现前端对可粉碎垃圾的智能粉碎压缩以及不可粉碎垃圾的智能压缩，还能解决存在的人力、物力、成本浪费问题。此外本产品的设计采用了太阳能装置进行供电，绿色环保，符合节能减排的理念，也符合国家倡导的低碳环保的要求。

参考文献：

[1]牛新章.处理、处置城市生活垃圾的思路与方法[J].河南农业，2014（7）：22.

[2]冯喆文.新型绿色环保垃圾箱的推广和应用[J].化学工程与装备，2015（6）：280～282.

[3]曹彦鹏，潘旺，郭志伟，等.可压缩式智能垃圾箱设计[J].湖北农机化，2019（5）：53.

[4]周振强，王开宝，陈玉田，等.可回收垃圾粉碎装置的设计及动力学特性分析[J].吉林化工学院学报，2018，35（3）：31-35.

[5]马宗正，彭劲周，王清臣，等.移动式垃圾压缩站控制系统设计[J].制造业自动化，2019，41（1）：122～126

[6]程友联.吴晓红.普通v带传动的无校核设计方法[J].机械科学与技术，2010，29（2）：270～274，280.

[7]佚名.智能垃圾箱实现自动分类[J].绿色包装，2019（9）：25～26

收稿日期：2019-12-28

基金项目：大学生创新创业训练计划项目

作者简介：张佳伟（1999-），男，东北林业大学工程技术学院学生。

通讯作者：董春芳（1975-），女，副教授，博士，研究方向为工业工程。