高层住宅生活垃圾收运装置创新设计

文仁兴，任小鸿，张蔚，梅静

（四川化工职业技术学院，四川泸州646000）

2017年12月，住建部《关于加快推进部分重点城市生活垃圾分类工作的通知》中要求要加快推进生活垃圾分类处理系统和处理设施的建设。2019年6月，习近平总书记对垃圾分类工作作出重要指示，实行垃圾分类，关系广大人民群众生活环境、节约使用资源和社会文明水平的重要体现。随着城市人口的增加和经济水平的提高，我国每年城市生活垃圾的产生量也在逐年增多，2018年仅全国大、中型城市生活垃圾量已达到2.1亿吨[1]，特别是高层住宅中产生的大量生活垃圾更是直接影响着人们的生活和卫生环境[2]。通过调研发现，目前高层住宅中通常采用两种生活垃圾收运方式：一是由居民自行带到楼下统一垃圾投放点投放，但这对老人或需要晚上清除垃圾的人非常不便；二是在各层楼道里放置垃圾桶，但这样又造成容易滋生蚊虫、蟑螂和老鼠，散发出异味，传播疾病，严重影响人们的居住环境；且保洁员逐层收运垃圾时又会占用电梯，影响居民正常使用。高层住宅生活垃圾的收运已成为影响人们美好生活环境的重要问题。

1 城市生活垃圾收运装置发展现状

随着高层建筑的发展，国内外一些学者为解决楼层垃圾问题进行了相关研究。日本在楼层生活垃圾的倾倒及运送装置研究方面主要有三项成果[3]：一是采用背运送系统，家庭产生的生活垃圾装入专用的密闭容器，投入各楼层设置的垃圾倒口装置，通过背运送系统垂直管道内的空气压力，将密闭容器平稳落到底层进行回收。二是采用斗式运送系统，即住户将垃圾封装后从各楼层的投入口投到各楼层设置的垃圾斗内，垃圾斗通过控制装置依靠重力在垂直滑道内缓缓落到楼层底部，倾倒垃圾后借助空气压力沿返程滑道回到规定楼层。三是主要针对办公楼使用的垃圾分类收集运送系统，在斗式运送系统的基础上，增加了再生资源的识别、分类和回收功能。美国的麦克·尚斯针对高层住宅中的生活垃圾处理问题也发明了一种处理系统[4]，该系统在每层楼的垃圾投入口处设有“玻璃类”、“纸类”、“塑料类”及“不可回收类”等字样的按钮，按下不同按钮触发地下室垃圾通道出口处圆盘的旋转，进而使不同种类的垃圾进入圆盘下相应的收集容器，实现垃圾的分类回收。

国内学者研究高层住宅楼层生活垃圾处理的较少，而研究高层建筑施工时产生的建筑垃圾处理的较多。主要研究内容包括：一方面针对直井式垃圾通道的优化改造研究，为解决垃圾通道的堵塞，给清洁人员的清理造成较大困难。经过分析研究，发现主要问题在于垃圾暂存容积的估算没有解决，建议将垃圾通道的内截面尺寸修改为500 mm×500 mm，清运口的洞口尺寸修改为700 mm×500 mm（高x宽）。另一方面针对高层建筑的建筑垃圾垂直运输系统的优化设计研究，主要为实现绿色施工的要求，将钢锁链柔性连接技术和变截面运输装置技术运用于建筑垃圾的垂直清运处理施工系统[5]，实现不同种类垃圾的分类回收和破碎等。

通过对国内外已有研究文献的检索和市场应用的调研分析发现，高层住宅垃圾垂直运输系统不但已有研究成果较少，而且在现有建筑上很难适应现代高层住宅的生活需要。借鉴国内外高层垃圾垂直运输系统设计的先进经验，充分进行市场调研，创新设计出一种简便有效的高层住宅生活垃圾处理装置，在改善高层住宅环境，减少保洁人员劳动强度，提高废品回收率等方面，具有较高的市场应用价值。

2 楼层垃圾收运装置创新设计

垃圾收集运输装置紧贴高层建筑外墙体安装（如图1），不占用建筑内部空间，外壳采用与建筑风格相同样式图案，不影响建筑整体美观。在每层相同侧的公共墙体部位开设垃圾投倒口，分为可回收和不可回收两个入口，方便垃圾的分类回收。装置整体采用钢结构标准节设计，以适应不同高度居民建筑的安装。同时，为保证装置的整体稳定性，在安装时，根据建筑物的实际情况，每6 m内与建筑物的主体结构水平连接1次，保证装置的整体垂直度和稳定性要求。由于装置的整体受力在竖直方向，通过钢结构传到地基，故该装置对建筑物的受力影响很小。

图1 楼层垃圾运输装置安装效果图

2.1 传动装置设计分析

装置的传动系统采用结构简单且易维护的链传动方式（如图2），竖直方向平行布置两条环形平行链条，分别用来悬挂可回收垃圾桶和不可回收垃圾桶。垃圾桶根据楼层间距悬挂在链条特殊的链节上，实现楼层垃圾的收集。传动链采用一种导轨链条（如图3），它是一种受力状况良好且非常有效的链传动方式，链条通过导轨将大部分负载转移到钢结构骨架上，而导轨链条只承担了较小的负载，大大改善了链条的受力状态[6]。同时，导轨链条还具有较好的安全保护功能，当某个链节发生断裂时，由于链条与封闭导轨之间间隙较小，配合精确，断裂链条在导轨内能够自由移动的距离较小，减小了系统的制动惯性矩，不至于发生链条脱轨的安全事故[7]。

装置的动力采用两台同步电机带动2个链轮实现，由于整个循环链条顺时针转动，楼层侧满载垃圾桶的重力也转化成系统的转动动力，大大减小了电机的功率。制动装置通过主动链轮电机本身的刹车功能和另外2个制动链轮实现制动，两套制动装置相互配合，同时还具有调节链条转速的功能。

图2 楼层垃圾垂直运输原理图

图3 导轨链结构图

2.2 垃圾投料口设计分析

垃圾入口分主要包括垃圾入口门和溜槽两部分结构（如图4）。将可回收和不可回收2个入口并排设计，垃圾入口门安装有显示屏和触屏控制系统，一方面实现触屏控制入口门的开启，投到垃圾后自动关闭，避免了异味进入楼层；另一方面可以投放广告，提高经济效益。垃圾经过溜槽滑入垃圾桶内收集，待垃圾桶满后，转动链条将垃圾运至底层的集料斗内倾倒。溜槽采用可收起设计，当链条开始转动时，溜槽板向上收起，避免垃圾的再次放入；当链条转动将各层垃圾桶布置到位溜槽板打开，深入到垃圾桶上方，防止垃圾滑落到垃圾桶之外。

图4 楼层垃圾入口图

2.3 垃圾收运和控制系统设计分析

图5 智慧城市垃圾收运框架图

垃圾运输装置的两侧链条上根据楼层间距均悬挂相同数量的垃圾桶，在系统顺时针转动运行中，两侧垃圾桶轮流使用。当装置运转时，右侧垃圾桶均向下转动，经过底端开始卸料，到达右端时桶口变为竖直向下，桶内垃圾全部倒入下方的集料斗，右侧垃圾桶全部转动至左侧，完成1次卸料过程。与此同时，左侧垃圾桶向上运行，经过顶端转动到右侧，桶口变为竖直向上，布置在各个楼层，完成1次垃圾桶的更换。即装置每转动半周可完成1次卸料和各层垃圾桶的重新布置，而转动过程的动力，有一部分来自于桶内垃圾自身的重力，这不仅大大降低了装置运行能耗，缩短了卸料时间，还提高了垃圾收运效率。装置的运行控制主要有转动频率控制、转动速度控制和安全控制3种类型。装置的转动频率主要通过定时控制、料位传感控制和重量传感控制实现，满足任一条件，即可触发装置转动卸料。同时，在装置转动卸料时，还会触发投料口门锁定和溜槽板向上收起，防止在卸料过程中投放垃圾。转速控制主要通过制动链轮和主动链轮配合调节，在卸料开始阶段，由于右侧垃圾的重力较大，基本能够保证装置的顺时针转动，这时主要依靠制动链轮防止转速过快，随着卸料的进行，重力逐渐减小，速度降低，当速度降低到一定值时，主动链轮电机启动，继续带动装置转动，直到完成右侧所有垃圾桶的卸料和左侧垃圾桶的重新布置。安全控制装置，主要检测链条转动失速和链条断开生时，会触发链条安全钳将链条锁死同时转动系统断电，并发出报警，以保证系统的运行安全。

3 智慧城市垃圾收运设计分析

智慧环卫理念是一种将垃圾产生、设施设备、终端处置、环卫监管等环节的部件，通过互联和物联的方式联动起来，充分发挥配件组合优势，提高工作效率与服务质量的综合化解决方案，可较好地解决上述问题[8]。基于GIS系统和GSM短信服务平台实现生活垃圾压缩装备无人值守功能，可大大减少垃圾转运车的滞留时间与配置数量，从而减少了垃圾转运车辆的尾气排放，产生良好的环境效益。

智慧城市垃圾收运系统（如图5）将高层住宅生活垃圾的信息通过垃圾回收调度中心建立与垃圾回收处理站的联系，调度中心将住宅小区内的反馈信息，进行处理，规划出最优收运路线，推送给车辆调度中心[9]，安排车辆进行收运。大大减少了人工参与，减少了病毒传播，提高了收运效率。

4 市场前景展望

随着我国高层建筑的快速发展，人们物质生活水平的不断提高，居住环境和生活便利必将越来越受重视。高层住宅垃圾垂直运输设备的创新设计在收运高层生活垃圾中起着非常重要的作用，便利了生活，改善了居住环境，同时该设备为后续智能化生活也打下了基础，有较强的市场需求价值、实际应用价值和理论研究意义。

5 结语

城市住宅楼层垃圾收集运输装置采用结构简单、易维护的循环式导轨链条创新设计，并在运行过程中，巧妙利用垃圾自身的重力转化为装置运行的动力，大大降低了装置对能源的消耗。该装置投入使用不仅能大大减轻清洁人员的劳动强度，提升楼层垃圾收运效率，降低物业管理成本，还能提高居民居住环境质量，减少疾病传播。同时，基于城市住宅楼层垃圾收集运输装置的推广使用，提出智慧城市垃圾收运系统的设计框架，也为未来城市在垃圾处理方式的选择提出一种新理念，为同领域其他科研工作者在垃圾收运方面的研究提供参考。