可提升自动翻转多用垃圾桶结构设计与动力分析

刘伟成，胡竟湘，李 臻，高 琛，温军泉

（湖南工程学院 工程训练中心，湘潭 411101）

0 引 言

随着我国经济的持续发展，生活垃圾造成的污染正严重地危害城市居民的生活，对此已引起政府的高度重视，环境保护已经是我国的基本国策了，越来越多的人关注环境保护，垃圾箱不仅是保持城市环境卫生的必备的公益设施，通过是市容市貌景观的一部分，体现社会文明程度的关键［1］.现今，在国外已经出现应用垃圾分选机器人将废物从建设和拆迁工程中回收贵重的原材料，而不是直接垃圾填埋而造成资源浪费［2］；国内已有很多种类型的垃圾分类机申请了专利，大部分垃圾分类机的分类原理主要是以生活垃圾的体积大小、轻重、软硬上通过机械运动而分类，还有一些是基于全自动智能垃圾分类机的研究［5］.最常用的最简单的垃圾分选设备就是和公众接触最为紧密的公共道具——垃圾桶，传统垃圾桶都是通过环卫工人打开垃圾箱的外盖用手取出内胆，通过手工的方式将垃圾倒入垃圾车内，这样做不仅十分耗费时间而且还十分消耗体力；一般垃圾桶没有滤水功能，当雨水和垃圾混在一起时，散发出强烈的异味，影响环卫工人的身体健康；现在大部分垃圾桶只有可回收和不可回收之分，却忽略了电池的回收，电池是造成土壤和水污染的罪魁祸首，所以对电池的有效回收已经是刻不容缓！

我们通过对市场上的现有垃圾桶的结构以及使用率进行了深入研究分析，对现有的垃圾桶进行了重新的结构设计、建立其运动学模型、进行仿真研究、并验证了新型垃圾桶设计的合理性，为研制符合人性化要求的垃圾桶提供了依据.

1 垃圾桶的结构设计及工作原理

1.1 垃圾桶的结构设计及结构分析

柄、T型支架、广告牌、电池回收箱.结构形式的选择取决于主桶的活动范围、T型支架的灵活性、以及倾斜的位置精度、主桶的负荷能力和控制难度等因素和要求.整个运动过程中T型支架是新型垃圾桶的主要执行部件，是其关键机构，它的主要任务就是将手柄上的轴1和主桶上的轴2连接在一起，形成一个省力杠杆（手柄和T型支架长度比55∶23）.通过作用手柄来带动轴1旋转，再由轴1带动T型支架，此时与轴2连接的主桶随着T型支架的转动开始提升，当垃圾桶提升到一定高度时，T型架与轴3接触，在T型支架的带动下，此时主桶开始实现翻转，最后主桶会翻转到一定的倾斜度，从而达到主桶将垃圾自动倒进垃圾车的功能.

本文是针对现有垃圾桶存在的缺陷，利用机械原理和机械设计等相关知识，设计了可提升自动翻转多用垃圾桶，并进行实物加工和实验！可提升自动翻转多用垃圾桶三维结构示意图如图1所示，它主要包括轴1、轴2、轴3、主桶、手柄该结构中T型支架的结构、自由度是直接影响主桶翻转的过程中的灵活性、平衡性以及翻转后的效果.

图1 可提升自动翻转多用垃圾桶总体结构

增加的电池回收箱内部装有滤水板（图2），根据人机学工程原理和人的使用习惯将电池回收箱开口置于其顶端，回收箱利用电池和水两种不同的特性，雨水会流入滤水板底部并经由导管排出，电池沿滤水板斜面进入回收箱，从而实现电池和雨水的分离！

图3是污水净化装置，该装置是安装在垃圾桶的下方，主桶内的积水先通过筒底部的过滤网，进行第一次粗过滤.积水从桶内流出，由漏斗式的接口接住，并通过导管进入到污水净化装置内，用海绵进行再次净化.在装置内部安装了各种净化物质，对污水进行最后的细净化，最终将污水净化成干净的水，并排出装置，保护了垃圾桶周边的环境.烟灰缸与桶盖同体，并由斜槽和阀门共同组成.在人们使用过程中，阀门是处于关闭的状态.当环卫工人进行清理垃圾时，只需打开阀门，烟灰会顺着斜槽直接滑入到桶内.

1.2 垃圾桶的工作原理及优点

新型垃圾桶通过驱动手柄带动轴1的旋转，再由轴1带动T型支架，此时与轴2连接的主桶随着T型支架的转动开始提升，当垃圾桶提升到一定高度时，T型架与轴3接触，在T型支架会带动下，此时主桶开始实现翻转，实现垃圾桶提升一定高度后自动倾斜，将垃圾倒出（该垃圾桶保留了原有垃圾桶内胆可取出的优势，对于垃圾车不便进入的地方，可将垃圾桶取至垃圾车处）.

新型垃圾桶的优点是让环卫工人在清洁垃圾时既省时又省力又能有效的改变其工作环境.充分利用了垃圾桶分布较广的特点，在垃圾桶上进行广告宣传，公益广告牌旨在宣传节能环保等公益宣传及教育，从而提高人们节能环保意识.新型垃圾桶结构简单，实用性强.同时为了解决电池的有效回收，还增加了电池回收箱，其内部装有滤水板避免了下雨天时，电池浸泡在水中的情况.

2 运动分析

2.1 机构简图及受力分析

图4 垃圾桶的结构简图

图4为新型垃圾桶的结构简图，主桶以及手柄的受力情况决定了垃圾桶各个部位的运动状态，正确的受力分析为主桶的灵活、平衡地翻转提供了保障.

受力如图4所示，其中G为垃圾桶自重，α为曲柄的最大转角，q为任一时刻曲柄与初始位置所成的夹角，F为手施加到曲柄上的力，根据力矩平衡［6］［7］［8］［9］可得：

根据垃圾桶的整体结构设计可得，其手柄长度L＝500mm；T型支架长度为n＝240mm.由式（2）可以知道，当环卫工人去取垃圾时候，垃圾桶总重量为G不变.所以由式（2）得出，曲柄的驱动力与曲柄的转角成正比，当曲柄的转角增加时候，驱动手柄的外力变大，到转角达到整体结构设计的最大值α时候，此时外界对手柄施加的力最大且F的大小为：FMAX＝0.48×G×sinq，方向如图4所示.从上述的分析结果可以看出：当在初始位置q＝0时，即使很小的驱动力都可以使垃圾桶产生位移；随着转角的增加，所需驱动力越来越大；当转角q＝α时，此时所需的驱动力最大FMAX＝0.48×G×sinq；由于垃圾桶结构设计所致，即使再继续增大驱动力F，垃圾桶也不会提升；从最大驱动力的表达式来看，本次垃圾桶的设计是一个省力装置，大约只需要消耗物重的一半即可提升全部物重，这大大的减轻环卫工人工作强度.虽然本次垃圾桶的结构设计考虑比较全面，但是还是存在某些不足和缺陷，如：当曲柄达到最大转角α时，此时的环卫工人需要的驱动力必须大于或者至少等于0.48×G×sinq时，才能阻止垃圾桶在重力作用下下降，但是此时环卫工人还要去取内胆，这多少给环卫工人增加劳动强度，本次结构设计还需要一个锁紧装置，当曲柄转角达到最大时候，利用机械锁紧装置阻止垃圾桶在重力作用下下降，更进一步达到减轻环卫工人的强度，机械锁紧装置是下一步多功能垃圾桶结构优化设计的方向.

2.2 桶的结构稳定性计算

自由度越多，灵活性越好，但是会增加结构的复杂性和控制难度，而且为了使在倾倒的过程中垃圾不会撒出，而造成二次劳动，自由度的准确计算以及是否合理决定了桶在运动过程中是否稳定，为此我们做了如下验算：

（1）未接触D时

F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－0＝2，此时垃圾桶在自由上升阶段，在于重力作用下，可做小幅度的自由摆动，对主桶影响较小.

（2）接触D后

F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1，此时机构有三个活动的构件，四个转动移动副约束此机构，计算可得此时主桶只有一个自由度，故主桶稳定上升.

3 结 论

根据垃圾桶的功能以及环卫工人与垃圾桶之间的方便程度，提出可提升自动翻转多用垃圾桶是具有极大方便性，和充分利用垃圾桶这资源给环卫工作解决了很多问题.从而提高了环卫工作人员的工作效率，以及工作环境.文中对垃圾桶的本体结构和受力分析都进行了初步分析，得出本次垃圾桶结构设计的优点，同时也提出了不足，作为自动翻转多用垃圾桶结构设计优化提供的方向，本次结构设计为接下来为可提升自动翻转多用垃圾桶的成品开发奠定了坚实的基础.

［1］沈晓东，奚 纯.城市分类垃圾箱设计研究［J］.机械工程师艺术与设计（理论），2008，62（4）：168－170.

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

［3］刘晓明.城市生活垃圾简易分类装置设计与研究［D］.福建师范大学硕士论文，2010.

［4］赵凯华，罗蔚茵.力学［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［5］于全训，林明喜.力学概论［M］.北京：科学出版社，2000.

［6］梁昆淼.力学（上册，第三版）［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［7］H.戈德斯坦.经典力学（第二版）［M］.北京：科学出版社，1986.