羅萱格

摘 要：提出了一種用于收集可壓縮生活垃圾、完全無人工干預(yù)的智能氣動(dòng)生活垃圾桶，設(shè)計(jì)了智能化氣壓傳動(dòng)垃圾桶總體方案，介紹了其機(jī)械、氣動(dòng)、電氣等系統(tǒng)的方案。分析和試驗(yàn)表明，智能垃圾處理柜噪聲不超過30 dB，表明氣動(dòng)系統(tǒng)平順性好、無噪聲。滿足了居民區(qū)環(huán)保、便利的生活需要，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)，垃圾桶，氣壓驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TH122；X70 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

傳統(tǒng)的生活垃圾收集方式對(duì)環(huán)境的污染，困擾著人們的日常生活和健康。

其一，無蓋的垃圾桶雖然方便人們投送垃圾，但是存在衛(wèi)生問題，垃圾的各種難聞的氣味特別容易通過空氣傳播，而細(xì)菌的感染間接地給人們帶來了種種疾病的隱患，影響人們的生活；

其二，有蓋的垃圾桶相對(duì)衛(wèi)生但是很不方便，而且必須通過自己親手開啟垃圾桶的蓋子才能扔垃圾，這樣就容易造成接觸感染，既不衛(wèi)生又影響心情。

同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)的環(huán)衛(wèi)垃圾桶而言，換袋、打包、裝車等動(dòng)作必須由環(huán)衛(wèi)工人來完成，既增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度又不衛(wèi)生。

為此，不少科技工作者設(shè)計(jì)了半自動(dòng)或全自動(dòng)垃圾收集裝置[ 1-3 ]，但均難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的全自動(dòng)智能化控制，仍然需要扔垃圾者、收垃圾者，以及垃圾箱管理者進(jìn)行人工干預(yù)，人們難以適應(yīng)，因此一直難以推廣[ 1 ]。

氣動(dòng)技術(shù)、PLC控制在機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用[ 4 ]，因此，作者提出一種用于收集可壓縮生活垃圾、完全無人工干預(yù)的智能氣動(dòng)生活垃圾桶。

一、總體方案

（一）選用氣動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)

與電動(dòng)和液動(dòng)相比，氣動(dòng)具有如下顯著優(yōu)勢(shì)，因此，這種驅(qū)動(dòng)方式最適合本設(shè)備：

1）由于空氣的粘度只有液壓油的萬分之一，流動(dòng)阻力小，有利于介質(zhì)的集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送；

2）氣源集中供應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，使得這個(gè)系統(tǒng)不需要高壓電，不但安全，而且容易實(shí)現(xiàn)集成化、網(wǎng)絡(luò)化；

3）由于其壓縮性好，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)最柔和，沖擊小；

4）介質(zhì)為空氣，清潔安全、獲取簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本最低廉、尤其無任何環(huán)境污染；

5）能量存儲(chǔ)最方便；

6）系統(tǒng)構(gòu)造最簡(jiǎn)單、最可靠、使用維護(hù)保養(yǎng)最方便。

（二）實(shí)現(xiàn)如下功能：

人接近垃圾柜后，感應(yīng)開關(guān)控制氣缸將垃圾桶蓋2打開→人往垃圾柜內(nèi)丟可壓縮垃圾后，氣缸壓實(shí)垃圾一次并收回到初始位置→人離開后，垃圾桶蓋2在氣缸驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)關(guān)閉→如果檢測(cè)到垃圾壓實(shí)后已經(jīng)到達(dá)設(shè)定的高度，則一個(gè)氣缸推動(dòng)加熱器的砧座，從一個(gè)方向把垃圾袋推往中心位置；另一個(gè)氣缸推動(dòng)加熱器的熱阻絲座，從另一個(gè)方向把垃圾袋推往中心位置，將垃圾袋壓緊在電熱阻絲座與砧座之間→垃圾袋被壓緊后，電熱阻絲自動(dòng)給電，對(duì)袋口加熱一定時(shí)間，然后冷卻；然后上述兩個(gè)氣缸分別帶著砧座和電阻絲縮回到初始位置→之后，氣缸使垃圾柜的側(cè)門打開→之后，氣缸伸出推動(dòng)裝滿垃圾的垃圾袋，推出使之離開垃圾柜，然后氣缸收回至初始位置→之后，氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)卷紙筒，將新垃圾袋運(yùn)送到中間位置→最后，氣缸推動(dòng)垃圾柜的側(cè)門關(guān)上，同時(shí)將新垃圾袋壓緊。

總之，垃圾柜可實(shí)現(xiàn)柜體開閉、垃圾壓縮、垃圾袋封口、垃圾推送和換袋步驟的全自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)了扔垃圾者、收垃圾者永遠(yuǎn)不需要接垃圾柜、管理者也常年不需要開箱、而自動(dòng)包裝后的垃圾自動(dòng)整齊排放于地面的“超級(jí)懶人”效果，設(shè)備不帶強(qiáng)電、無污染、可抵抗日曬風(fēng)吹雨淋。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

如圖1～8所示，垃圾桶的總體尺寸為：長450，寬440，高470。

本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)智能垃圾桶，包括桶體1、設(shè)于桶體1上方的桶蓋2以及設(shè)于桶體1內(nèi)部的內(nèi)膽3，該桶體1內(nèi)裝設(shè)有桶蓋2開閉裝置、垃圾壓縮機(jī)構(gòu)、垃圾袋25封口裝置、垃圾推送機(jī)構(gòu)、換袋裝置，所有運(yùn)動(dòng)都采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和PLC控制。

圖1為本文全自動(dòng)智能垃圾桶的45°俯視示意圖；

圖2為本文全自動(dòng)智能垃圾桶的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本文全自動(dòng)智能垃圾桶的后視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3中A-A處的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖4中B處的局部放大圖；

圖6為本文全自動(dòng)智能垃圾桶的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本文全自動(dòng)智能垃圾桶中垃圾袋卷展開后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本文全自動(dòng)智能垃圾桶中垃圾袋卷換袋時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1～ 8中：

1、桶體；2、桶蓋2；3、內(nèi)膽；4、紅外傳感器；5、橡膠坐墊；6、桶蓋氣缸；7、垃圾壓縮氣缸；8、壓縮踏板；9、封口氣缸；10、位置傳感器；11、側(cè)板；12、背板；13、底板；14、垂直門；15、垂直門驅(qū)動(dòng)氣缸；16、推送氣缸；17、垃圾推送架；18、氣動(dòng)馬達(dá)；19、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸；20、顏色傳感器；21、從動(dòng)轉(zhuǎn)軸；22、垃圾袋25卷；23、背景布；24、垃圾袋25放置孔；25、垃圾袋；26、顏色識(shí)別帶；27、上夾板；28、下夾板。

桶蓋2開閉裝置包括：設(shè)于所述桶蓋2上方的紅外傳感器4，用于檢測(cè)垃圾桶周圍是否有垃圾投放者；安裝于桶體1內(nèi)壁的橡膠座墊和橡膠，用于桶蓋2關(guān)閉時(shí)緩沖；裝設(shè)于橡膠座墊上的桶蓋2氣缸，用于驅(qū)動(dòng)桶蓋2啟閉，該桶蓋2氣缸的一端與橡膠座墊連接，另一端與桶蓋2的內(nèi)壁相連。

垃圾壓縮機(jī)構(gòu)包括安裝于桶蓋2上的垃圾壓縮氣缸7，該垃圾壓縮氣缸7的活塞桿伸入桶體1內(nèi)，活塞桿伸入桶體1內(nèi)的一端連接一壓縮踏板8。

垃圾袋25封口裝置包括：兩個(gè)分別設(shè)置于桶體1的桶口處相對(duì)兩側(cè)的封口氣缸9；其中一個(gè)封口氣缸9的活塞桿通過絕緣材料連接一加熱元件；另一個(gè)封口氣缸9的活塞桿連接一絕緣木墊，該絕緣木墊上包裹有絕熱布，加熱元件與絕緣木墊平行設(shè)置；內(nèi)膽3的上部?jī)?nèi)側(cè)安裝有位置傳感器10，檢測(cè)氣缸的位置，通過PLC控制氣缸的運(yùn)動(dòng)啟、停。

智能垃圾桶的內(nèi)膽3用于盛放垃圾，它包括：兩塊側(cè)板11、一塊背板12、一塊底板13，內(nèi)膽3的兩塊側(cè)板11與桶體1的正面內(nèi)側(cè)連接，桶體1的正面開口，開口處滑設(shè)一垂直門14，桶體1內(nèi)安裝有驅(qū)動(dòng)該垂直門14升降的垂直門14驅(qū)動(dòng)氣缸。

智能垃圾桶的垃圾推送機(jī)構(gòu)包括：安裝于內(nèi)膽3下方的推送氣缸16，該推送氣缸16的活塞桿連接一L形的垃圾推送架17，內(nèi)膽3的底板13置于該垃圾推送架17上。

智能垃圾桶的換袋裝置包括：a.裝設(shè)于桶體1一側(cè)外壁上的氣動(dòng)馬達(dá)18，氣動(dòng)馬達(dá)18連接一驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸19。b.垃圾桶的桶體1與裝有氣動(dòng)馬達(dá)18相對(duì)的一側(cè)外壁上安裝有從動(dòng)轉(zhuǎn)軸21，從動(dòng)轉(zhuǎn)軸21上卷設(shè)有垃圾袋25卷22。c.桶體1的外壁上于桶壁與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸19之間安裝有顏色傳感器20，顏色傳感器20通過垃圾袋25上的顏色帶來檢測(cè)垃圾袋25，通過PLC控制器使得馬達(dá)將垃圾袋25運(yùn)送到內(nèi)膽3中央。d.垃圾袋25卷22，包括長條形的背景布23，背景布23上均勻開設(shè)有多個(gè)垃圾袋25放置孔24，垃圾袋25放置孔24內(nèi)設(shè)有垃圾袋25，垃圾袋25的袋口與垃圾袋25放置孔24的外周粘貼，背景布23上于相鄰的垃圾袋25放置孔24之間設(shè)置有顏色識(shí)別帶26。

垃圾桶桶體1的桶口處設(shè)有上夾板27和下夾板28，上夾板27的下沿和下夾板28的上沿均設(shè)有橡膠墊29，上夾板27長于下夾板28，垂直門14的兩側(cè)設(shè)有上搭扣和下搭扣31，垂直門14升起時(shí)，下搭扣31將上夾板27和下夾板28分開，垂直門14降下時(shí)，上搭扣將上夾板27和下夾板28壓合。

氣動(dòng)控制系統(tǒng)包括安裝于桶體1內(nèi)的空氣壓縮機(jī)、電磁換向閥、壓力調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)閥，空氣壓縮機(jī)與壓力調(diào)節(jié)閥連接，壓力調(diào)節(jié)閥與流量調(diào)節(jié)閥相連，流量調(diào)節(jié)閥連接電磁換向閥。

三、氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖如圖9所示。

1）空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)1、4：為系統(tǒng)動(dòng)力源裝置，包括氣泵和氣罐。氣泵采用單泵無油靜音氣壓源，體積小巧，工作安靜，獨(dú)立垃圾柜單元所需氣壓源規(guī)格為8 m3，而其最大壓力則參考國家標(biāo)準(zhǔn)，選取系統(tǒng)安全壓力1 MPa。氣罐4為消除氣壓源排出的氣流脈動(dòng)，同時(shí)穩(wěn)定壓縮空氣氣源系統(tǒng)管路和負(fù)載壓力，確保氣缸、氣馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)平順性，此外，因氣罐本身就是輔助動(dòng)力源裝置，它可以降低氣壓源流量配置、減少氣壓源啟動(dòng)頻率。

2）氣動(dòng)馬達(dá)19和氣缸10、12～16：由氣動(dòng)馬達(dá)19執(zhí)行垃圾袋的運(yùn)送，由氣缸10、12～16執(zhí)行桶蓋開閉等6個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。其中，開蓋缸10的缸徑32，行程50；壓縮缸12的缸徑20，行程125；垂直門缸13的缸徑20，行程300；打包缸14、15分別用于驅(qū)動(dòng)封口用的加熱元件和絕緣木墊，缸徑20，行程125；推送缸16用于推動(dòng)垃圾桶的內(nèi)膽3，以將打包后的垃圾袋推出垃圾桶，推送缸16的缸徑20，行程300。

3）節(jié)流閥5：本系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，氣動(dòng)馬達(dá)19所需流量最大，并且速度不能太快以免扯壞圖3所示的垃圾袋卷22，因此，節(jié)流閥5首要功能是調(diào)節(jié)氣動(dòng)馬達(dá)19的速度，節(jié)流閥5的第二個(gè)功能是，提高各氣缸、氣馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)平順性，以避免氣流過大導(dǎo)致沖擊和噪聲。

4）氣動(dòng)換向控制閥8、9：三位五通電磁換向閥9共6件，分別用于控制執(zhí)行氣缸的動(dòng)作方向，實(shí)現(xiàn)開關(guān)門、封口、壓縮推送等動(dòng)作。手動(dòng)換向閥8用于維修時(shí)，將垃圾柜與氣動(dòng)動(dòng)力源斷開，同時(shí)將內(nèi)部管路氣體排掉。

5）減壓閥3：用于使系統(tǒng)壓力適應(yīng)負(fù)載需要，同時(shí)提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的平順性，以避免氣流過大導(dǎo)致沖擊和噪聲。

四、電控系統(tǒng)

本裝置采用熱融封口，即用電阻絲通電發(fā)熱融化塑料，然后冷卻，使塑料垃圾袋口固結(jié)。本裝置選用市面上可以買得到的成熟手壓塑料薄膜封口機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝。塑料薄膜封口機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

電源電壓220 V，脈沖功率400 W，加熱時(shí)間0.2～1.5 s可調(diào)。

電熱封口布局方案如圖10所示，將封口機(jī)的電阻絲加熱器和起墊塊作用的絕緣木墊拆分開來，絕緣木墊和和電阻絲加熱器分別被兩個(gè)氣缸控制，氣缸的到位換向由SQ1～SQ4等4個(gè)行程開關(guān)檢測(cè)。

垃圾柜的電氣控制采用通用的PLC程序控制[ 4 ]，其順序動(dòng)作程序如圖11所示。據(jù)此設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的功能圖，并轉(zhuǎn)換成梯形圖，就可以成為PLC控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾柜順序動(dòng)作過程的控制。

控制電路中，由PLC把脈沖信號(hào)CP、方向信號(hào)DIR等開展信號(hào)發(fā)送給電磁換向閥，來控制方向閥的位置、從而控制氣缸的運(yùn)動(dòng)方向。

五、結(jié)語

1）通過采用多種傳感器檢測(cè)相應(yīng)的控制信號(hào)，配合PLC控制器和氣動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了桶蓋開閉、垃圾壓縮、垃圾袋封口、垃圾推送和換袋操作的全自動(dòng)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的真正的全自動(dòng)智能化，與普通垃圾桶相比，避免了工作人員與垃圾的直接接觸，更加衛(wèi)生，工作人員只需隔一段時(shí)間安放垃圾袋卷并提走打包好的垃圾袋，省時(shí)省力。

2）本文所有操作均采用氣動(dòng)控制系統(tǒng)，相對(duì)于電動(dòng)控制系統(tǒng)，成本更低、故障更少、可靠性更高、維修方便、能在惡劣環(huán)境下工作；同時(shí)，由于控制系統(tǒng)以空氣為工作介質(zhì)，可直接從周圍環(huán)境中獲取，該垃圾桶對(duì)環(huán)境友好，符合綠色設(shè)計(jì)、綠色制造的要求。

3）本文的垃圾桶采用垃圾袋上端固定狀態(tài)下的熱封口技術(shù)，相對(duì)于現(xiàn)有的皮筋封口及金屬絲封口等技術(shù)，垃圾袋封口的成功率更高，封口質(zhì)量更好。

本文研制成功的全自動(dòng)智能垃圾柜，經(jīng)過試驗(yàn)表明，智能垃圾處理柜噪聲不超過30 dB，表明氣動(dòng)系統(tǒng)平順性好、無噪聲。分析和試驗(yàn)表明，該裝置具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（指導(dǎo)老師：蔣志武）

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

羅萱格 （1999-），女，漢族，湖南長沙人，高中學(xué)生。

指導(dǎo)老師簡(jiǎn)介：

蔣志武（1973-），男，漢族，湖南長沙人，本科，中教一級(jí)/教師，研究方向：物理教育學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)。