基于可壓縮可拆卸太陽(yáng)能智能垃圾桶的研究①

李烯 胡勇 袁濤

（西南石油大學(xué)工程訓(xùn)練中心 四川成都 610500）

目前，國(guó)內(nèi)人口數(shù)量龐大，垃圾桶分布廣泛，不利于人工集中清理運(yùn)輸和維護(hù)，且垃圾桶需求大。而傳統(tǒng)的垃圾桶功能形式單一，功能性無(wú)法滿足垃圾分類需求，空間利用率低，垃圾不能真正投放與回收[1]。隨著人們生活質(zhì)量的提高和科技的進(jìn)步，智能垃圾桶應(yīng)勢(shì)而生，智能垃圾箱的性能和價(jià)格優(yōu)于其他同類產(chǎn)品，徹底取代傳統(tǒng)的手動(dòng)垃圾箱的繁雜，技術(shù)領(lǐng)先，對(duì)社會(huì)富余勞動(dòng)力，智能垃圾箱作為生活必需品屬于循環(huán)消費(fèi)，特定的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)使它研究?jī)r(jià)值很高[2]。由于垃圾智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較專業(yè)，已有的智能垃圾桶造價(jià)高、布線繁瑣、功能不穩(wěn)定等原因沒(méi)有被廣泛使用。為了解決以上存在的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)一種新型實(shí)用的太陽(yáng)能智能垃圾桶，不僅具備了傳統(tǒng)垃圾桶投放垃圾的功能和智能垃圾桶的特點(diǎn)，也彌補(bǔ)了一些智能垃圾桶的不足，提高了環(huán)衛(wèi)工人的工作效率，同時(shí)節(jié)約了成本，真正做到了節(jié)能環(huán)保。

圖1 實(shí)際設(shè)計(jì)流程圖

1 工作原理

一種以電動(dòng)剪式壓縮機(jī)構(gòu)為主要工作系統(tǒng)的智能垃圾桶，其主要結(jié)構(gòu)包括有：太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能控制器、紅外線傳感器、信號(hào)處理器、蓄電池、電機(jī)、剪式結(jié)構(gòu)、活動(dòng)門、可拆卸體等，上述結(jié)構(gòu)組成了該垃圾桶的五大工作系統(tǒng)：能源系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)，壓縮系統(tǒng)和可拆卸體系統(tǒng)。五個(gè)系統(tǒng)相互配合工作使垃圾桶的正常工作運(yùn)行智能統(tǒng)一并且更加高效[3]。

智能垃圾桶依靠信號(hào)處理器給各系統(tǒng)下達(dá)工作的指令，利用紅外線傳感器、壓縮系統(tǒng)和可拆卸體之間的配合進(jìn)行主要工作。當(dāng)紅外線傳感器檢測(cè)到垃圾桶主箱體內(nèi)桶裝滿時(shí)，信號(hào)處理器會(huì)接受到信號(hào)并發(fā)出指令使齒輪電機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)垃圾桶頂蓋下降蓋住垃圾投放口，目的是防止垃圾桶在進(jìn)行壓縮工作時(shí)有垃圾被誤丟入垃圾桶主箱體內(nèi)桶之外的地方，造成垃圾桶故障，垃圾桶頂蓋下降時(shí)，可拆卸體活動(dòng)擋板同時(shí)打開(kāi)。頂蓋與活動(dòng)門都就位后，壓縮系統(tǒng)開(kāi)始工作，電機(jī)傳動(dòng)帶動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)的工作，左側(cè)壓縮裝置將垃圾壓縮到右側(cè)后，前部右方的壓縮裝置再將垃圾推入可拆卸體腔體內(nèi)，接著可拆卸體內(nèi)的壓縮裝置將可拆卸體的內(nèi)部活動(dòng)腔體運(yùn)送到可拆卸體固定擋板一側(cè)，然后前部右方的壓縮裝置復(fù)位、左側(cè)壓縮裝置復(fù)位，最后活動(dòng)門復(fù)位、垃圾桶頂蓋復(fù)位，垃圾桶完成一次壓縮工作。下一次壓縮時(shí)，少去“可拆卸體內(nèi)的壓縮裝置將可拆卸體的內(nèi)部活動(dòng)腔體運(yùn)送到可拆卸體固定擋板一側(cè)”這一步，其余整個(gè)過(guò)程與第一次壓縮工作過(guò)程一致，兩次壓縮工作完成后，可拆卸體腔體便滿載了?？刹鹦扼w腔體滿載后由信號(hào)處理器將信息發(fā)送至工人手機(jī)，可拆卸體即等待被處理和更換。新拆卸體未更換之前，若垃圾主箱體垃圾再次滿載，則進(jìn)行第三次壓縮工作，第三次壓縮工作與第二次壓縮工作相比，少去活動(dòng)門開(kāi)與關(guān)這兩個(gè)步驟，其余整個(gè)過(guò)程與第二次壓縮工作過(guò)程一致。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種可壓縮可拆卸的太陽(yáng)能智能垃圾桶，是由能源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、可拆卸體系統(tǒng)組成，其五個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征為：

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 垃圾桶結(jié)構(gòu)三視圖

（1）能源系統(tǒng)是由太陽(yáng)能板、垃圾桶頂板、太陽(yáng)能控制器、方形支撐柱、“凸”字形支撐柱、蓄電池組成，太陽(yáng)能板安裝在垃圾桶頂板上方，垃圾桶頂板與三根方形支撐柱和一根“凸”字形柱相連接。太陽(yáng)能板通過(guò)導(dǎo)線與垃圾桶箱體內(nèi)的太陽(yáng)能控制器、蓄電池連接，垃圾桶前部的小方形柱內(nèi)部中空，方便導(dǎo)線從頂板聯(lián)通到垃圾桶內(nèi)部。蓄電池通過(guò)垃圾桶內(nèi)部線路與紅外線傳感器、信號(hào)處理器、電機(jī)相連。另外，蓄電池還通過(guò)導(dǎo)線連接了位于垃圾桶主箱體后部的彈簧插座，彈簧插座可與可拆卸體的固定插頭配合，蓄電池可通過(guò)此配合給可拆卸體壓縮系統(tǒng)供電。

（2）控制系統(tǒng)是由紅外線傳感器、太陽(yáng)能控制器和信號(hào)處理器配合構(gòu)成。主箱體外箱前部箱口檐左下方安裝有紅外線傳感器，紅外線傳感器下方安裝信號(hào)處理器。主箱體外箱左下方最底部安裝有蓄電池與太陽(yáng)能控制器。信號(hào)處理器包含有微電腦控制芯片，處理紅外線傳感器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)作、通信等任務(wù)[4]。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)是由“凸”字型柱、電機(jī)齒輪、齒條、電動(dòng)推桿、固定擋板、活動(dòng)擋板組成?！巴埂弊中椭巴埂弊窒掳氩糠痔幵诶爸飨潴w外箱外部，“凸”字上半部分處在主箱體外箱內(nèi)部，處在內(nèi)部的凸字型柱的下半部分上安裝有齒條，電機(jī)齒輪與齒條嚙合。垃圾桶主箱體外箱后部左邊安裝雙層固定擋板，右邊安裝單層活動(dòng)擋板，單層活動(dòng)擋板與雙層擋板過(guò)盈配合，活動(dòng)擋板可向左滑動(dòng)至雙層擋板間的間隙內(nèi)。主箱體的活動(dòng)擋板右端有卡條，可拆卸體的活動(dòng)擋板右端有卡條卡槽，卡條卡條卡槽配合，實(shí)現(xiàn)兩處活動(dòng)擋板聯(lián)動(dòng)的功能。垃圾桶主箱體外箱左后部安裝電動(dòng)推桿，電動(dòng)推桿與活動(dòng)擋板連接。

（4）壓縮系統(tǒng)由桿、絲桿、螺母、軸承、電機(jī)、導(dǎo)軌、活動(dòng)擋板共同組成。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝有一根絲桿，兩根桿一端連接絲桿，兩根桿中部可旋轉(zhuǎn)地固定連接，形成剪式結(jié)構(gòu)，其中一根桿的一端固定在垃圾桶外箱上，固定住可旋轉(zhuǎn)，另一端端末設(shè)置有輪子，輪子一端在對(duì)應(yīng)的活動(dòng)擋板上設(shè)置有導(dǎo)軌，輪子與導(dǎo)軌相配合；另一根桿一端固定在活動(dòng)擋板上，固定住可旋轉(zhuǎn)，另一端末有螺母，螺母與絲桿配合安裝，絲桿始端與電機(jī)連接，絲桿末端與軸承連接，軸承固定安裝在箱體上。壓縮機(jī)構(gòu)共有3個(gè)，一個(gè)位于主箱體外箱前部右方，一個(gè)位于主箱體外箱左側(cè)，一個(gè)位于可拆卸體左側(cè)。主箱體外箱內(nèi)部壓縮機(jī)構(gòu)的電機(jī)和軸承均固定于垃圾桶外箱上；可拆卸體內(nèi)左部的壓縮裝置剪式結(jié)構(gòu)的兩端分別與絲桿和可拆卸體箱體相連，另外兩端與可拆卸體內(nèi)部活動(dòng)腔體相連。

（5）可拆卸體系統(tǒng)外部安裝有4個(gè)輪子，左端前部中間位置有一固定插頭；內(nèi)部有壓縮裝置和活動(dòng)腔體，壓縮裝置與活動(dòng)腔體相連，可拆卸體左前部有雙層固定擋板，右前部有單層活動(dòng)擋板，單層活動(dòng)擋板與雙層固定擋板過(guò)盈配合，活動(dòng)擋板可向左滑動(dòng)至雙層擋板的間隙內(nèi)。輪子的直徑與垃圾桶主箱體外箱的導(dǎo)軌內(nèi)徑相同，使外箱體與可拆卸體之間配合連接。

3 系統(tǒng)工作實(shí)施方式分析

智能垃圾桶各系統(tǒng)的零件和結(jié)構(gòu)布局基本確定，其各系統(tǒng)的具體實(shí)施方式如下:

（1）在能源系統(tǒng)中，位于垃圾桶頂板上的太陽(yáng)能板將收集到的太陽(yáng)能通過(guò)隱藏在小方形柱內(nèi)的導(dǎo)線輸送到太陽(yáng)能控制器當(dāng)中，由太陽(yáng)能控制器對(duì)能量進(jìn)行整理后再輸送到蓄電池中，最后由蓄電池通過(guò)導(dǎo)線將能量輸送到各個(gè)用電裝置中，蓄電池保證垃圾桶的隨時(shí)供電。此外，蓄電池還可通過(guò)可拆卸體固定插頭與主箱體帶彈簧插座的配合將電能輸送到可拆卸體壓縮裝置中。

（2）在控制系統(tǒng)中，紅外線傳感器實(shí)時(shí)對(duì)垃圾桶的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)垃圾滿了，便將信號(hào)發(fā)送至信號(hào)處理器，信號(hào)處理器便控制傳動(dòng)系統(tǒng)下降垃圾桶頂板并打開(kāi)垃圾桶外箱活動(dòng)擋板，再控制壓縮裝置運(yùn)動(dòng)把垃圾進(jìn)行壓縮和運(yùn)送到可拆卸體內(nèi)儲(chǔ)存，再控制垃圾桶頂板打開(kāi)和垃圾桶外箱活動(dòng)擋板關(guān)閉，準(zhǔn)備下一次壓縮和儲(chǔ)存。當(dāng)可拆卸體裝滿或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，則發(fā)信息告知工人更換可拆卸體或進(jìn)行維修，若只是可拆卸體滿載，則還可以進(jìn)行一次主箱體內(nèi)的壓縮。

（3）在傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動(dòng)齒條的移動(dòng)使垃圾桶頂板升降[5]。電動(dòng)推桿工作帶動(dòng)垃圾桶主箱體外箱活動(dòng)擋板移動(dòng)，垃圾桶主箱體外箱活動(dòng)擋板移動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)橹飨潴w活動(dòng)門和可拆卸體活動(dòng)擋板之間的卡條卡槽配合帶動(dòng)可拆卸體活動(dòng)擋板的同時(shí)移動(dòng)。

（4）在壓縮系統(tǒng)中，壓縮系統(tǒng)的電機(jī)連接的絲桿上固定有剪式結(jié)構(gòu)的兩端，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)的壓縮或拉伸。主箱體左側(cè)壓縮裝置首先運(yùn)動(dòng)將垃圾壓縮到右側(cè)，主箱體前部右方的壓縮裝置再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將垃圾運(yùn)送到可拆卸體的活動(dòng)腔體內(nèi)，可拆卸體內(nèi)的壓縮系統(tǒng)又將垃圾從左部運(yùn)送到右部，然后前部右方的壓縮裝置復(fù)位、左側(cè)壓縮裝置復(fù)位、活動(dòng)門復(fù)位、垃圾桶頂蓋復(fù)位，所有結(jié)構(gòu)全部復(fù)位后，壓縮工作完成，準(zhǔn)備下一次壓縮[6]。

（5）在可拆卸體中，首次壓縮垃圾時(shí)，垃圾桶主箱體外箱的活動(dòng)擋板和可拆卸體活動(dòng)擋板組成的活動(dòng)門首先打開(kāi)，可拆卸體剪式結(jié)構(gòu)處于拉伸狀態(tài)，活動(dòng)腔體位于可拆卸體活動(dòng)擋板一側(cè)，垃圾桶主箱體的壓縮后的垃圾運(yùn)送到腔體內(nèi)后，剪式結(jié)構(gòu)進(jìn)行收縮，將活動(dòng)腔體移動(dòng)到可拆卸體固定擋板一側(cè)，留空可拆卸體活動(dòng)擋板一側(cè)，保證本次壓縮垃圾不泄露的同時(shí)，給下次壓縮垃圾的進(jìn)入留出空間，然后可拆卸體活動(dòng)擋板向右滑動(dòng)到最大位置關(guān)閉，下一次壓縮垃圾時(shí)，兩活動(dòng)擋板組成的活動(dòng)門打開(kāi)，垃圾被送到可拆卸體活動(dòng)擋板一側(cè)，后活動(dòng)門關(guān)閉，此時(shí)可拆卸體儲(chǔ)存兩次的壓縮垃圾，達(dá)到滿載狀態(tài)。在進(jìn)行更換時(shí)，可拆卸體通過(guò)輪子在主箱體的導(dǎo)軌上移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)可拆卸體與主箱體的拆卸與配合的功能，工人處理起來(lái)更加方便快捷，并且可拆卸體上的固定插座與主箱體上的彈簧插頭的配合方式更加方便主箱體與可拆卸體之間的拆卸與配合。

4 設(shè)計(jì)新型壓縮裝置

當(dāng)垃圾桶的垃圾滿了，只有人工及時(shí)清理之后才能垃圾桶繼續(xù)正常使用，因?yàn)槔袄锩娲蠖嗍羌堫?，軟塑料類等可壓縮物品，這些東西放在里面很占用了垃圾桶的空間，降低垃圾桶的儲(chǔ)存率；雖然現(xiàn)在已經(jīng)有可以壓縮垃圾的垃圾桶，但這些垃圾桶機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高，不利于這一類垃圾桶的普遍使用。為此我們?cè)O(shè)計(jì)用兩根中部旋轉(zhuǎn)固定的連桿組成剪式結(jié)構(gòu)，電機(jī)連接的絲桿上固定剪式結(jié)構(gòu)一側(cè)的兩端，另一側(cè)一端固定在擋板上，一端在擋板上可活動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)的壓縮或拉伸，剪式結(jié)構(gòu)的壓縮和拉伸推動(dòng)擋板實(shí)現(xiàn)垃圾桶壓縮垃圾和復(fù)位的功能[6]。當(dāng)紅外線傳感器檢測(cè)垃圾桶內(nèi)桶裝滿時(shí)，其壓縮系統(tǒng)就可開(kāi)始工作；當(dāng)不工作時(shí)剪式結(jié)構(gòu)處拉伸狀態(tài)，空間占有率小。其采用剪式壓縮的方法，整個(gè)壓縮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于維護(hù)，在不占用垃圾桶的空間的同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)壓縮垃圾的訴求，大大提高了垃圾桶的垃圾儲(chǔ)存率。

5 增加可拆卸體

由于垃圾桶分散范圍大，工作人員清理維護(hù)這些垃圾桶時(shí)成本就很高，增加儲(chǔ)存率降低清理頻率是一個(gè)降低成本的行之有效的方法，于是我們?cè)谕ㄟ^(guò)壓縮垃圾提高儲(chǔ)存率的同時(shí)增加了可拆卸體這一創(chuàng)新性元素進(jìn)一步提高垃圾桶的儲(chǔ)存率，有了可拆卸體，垃圾桶可以再多儲(chǔ)存兩次壓縮垃圾。主箱體可拆卸體外部有4個(gè)輪子可與外箱的4個(gè)輪子導(dǎo)軌相配合，可拆卸體左端前部中間位置有固定插頭，固定插頭的位置與主箱體主箱體彈簧插座的位置相對(duì)應(yīng)，可拆卸體與垃圾桶主箱體之間通過(guò)活動(dòng)擋板配合，其可拆卸體內(nèi)也設(shè)計(jì)一壓縮機(jī)構(gòu)對(duì)垃圾進(jìn)行處理，當(dāng)可拆卸體滿時(shí)就會(huì)由信號(hào)處理器發(fā)送信息至工人手機(jī)等待更換。在輪子和導(dǎo)軌的配合下，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶可拆卸體與主箱體的快速組裝或拆卸，可拆卸體的輪子設(shè)計(jì)還能保證運(yùn)輸方便，解決人工傾倒的不便。

6 容量檢測(cè)與能源設(shè)計(jì)

在智能垃圾桶上端安裝紅外線感應(yīng)器, 通過(guò)紅外線感應(yīng)技術(shù),不僅測(cè)量范圍廣，而且響應(yīng)時(shí)間短，實(shí)時(shí)感應(yīng)垃圾狀態(tài)。信號(hào)處理器采用微機(jī)控制芯片，是一種工作性能高、耗電低、穩(wěn)定的微控制器集成電路，自動(dòng)控制各系統(tǒng)的工作，向工人的手機(jī)發(fā)送信息，進(jìn)行垃圾箱的收集和維護(hù)工作。系統(tǒng)的能源是新能源供給，使用太陽(yáng)能電池供電，降低環(huán)境污染，內(nèi)部?jī)?nèi)置有鋰電池，太陽(yáng)光照射后可以儲(chǔ)存來(lái)自太陽(yáng)電池面板的電能[4-6]。

7 實(shí)物設(shè)計(jì)圖

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完成對(duì)垃圾桶的Solid Works模型設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示，具體見(jiàn)圖2和圖3。

8 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款利用剪式結(jié)構(gòu)自動(dòng)壓縮垃圾、可拆卸體增加存儲(chǔ)率、太陽(yáng)能充電及蓄能、容量自動(dòng)檢測(cè)的垃圾桶，可以大大地提高垃圾儲(chǔ)存率，提高垃圾運(yùn)輸效率，減少垃圾傾倒的次數(shù)又便于維護(hù)，節(jié)省了人力財(cái)力。這樣一個(gè)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的智能垃圾桶放在城鄉(xiāng)街道和社區(qū)不僅方便了大家，也維持了環(huán)境的整潔干凈[3]。