城市园林落叶废弃物回收绿化装置设计与研究

摘要：基于中国特色社会主义事业提出的生态文明建设的战略决策，我国绝大部分地区对枝条落叶处理时造成了严重的环境污染和资源的浪费。针对目前落叶资源处理方式的现状以及相关落叶清理装置的现有产品分析，设计了一种集吸入、粉碎、压缩、封装于一体的城市园林落叶废弃物回收绿化装置，并对双重粉碎系统进行了优化设计。通过3D打印制作样机并实验测试，达到了预期效果，满足了功能需求，可有效解决目前绿化废弃物清理回收过程中的环境污染、工人劳动强度大、贮存不便、运输成本高等问题，推动绿化废弃物的资源化再利用。

关键词：城市园林废弃物清理回收3D打印

中图分类号：X505;TH122

DesignandResearchonGreeningDeviceforRecyclingDeciduousWasteinUrbanGardens

ZHANGYanDUANLei*SUPengMAZhouCHENGHaoWANGJunboCHANGFei

TianjinUniversityofTechnologyandEducation，Tianjin，300222China

Abstract：BasedonthestrategicdecisionofecologicalcivilizationconstructionputforwardbythecauseofsocialismwithChinesecharacteristics，mostregionsinChinahavecausedseriousenvironmentalpollutionandwasteofresourceswhendealingwithbranchesandfallenleaves.Basedonthecurrentsituationofdeciduousresourcetreatmentmethodsandtheanalysisofexistingproductsrelatedtodeciduouscleaningdevices，anurbangardendeciduouswasterecyclingandgreeningdevicethatintegratessuction，crushing，compression，andpackagingisdesigned，andthedualcrushingsystemisoptimized.Theprototypeismadethrough3Dprintingandtestedexperimentally，theexpectedresultshavebeenachieved，andmeetingthefunctionalrequirements.Itcaneffectivelysolvetheproblemsofenvironmentalpollution，highlaborintensityofworkers，inconvenientstorage，andhightransportationcostsinthecurrentprocessofcleaningandrecyclinggreenwaste，andpromotetheresourceutilizationofgreenwaste.

KeyWords：Urbangarden;Waste;Cleaningandrecycling;3Dprinting

绿化废弃物主要指绿化植物在自然生长过程中产生的枯枝、落叶，也包括在园林维护中修剪掉的杂草枝叶等[1]。据国家林业和草原局统计，至2020年我国绿化覆盖率达41.1%，全国产生的绿化废弃物将达4000万t[2]，其资源化回收再利用价值相当可观，可用于生产制作土壤改良剂、有机化肥、栽培基质等[3-4]。目前，与发达国家相比[5-6]，我国对于绿化废弃物资源化回收与再利用的研究处于起步阶段。例如：沈阳建筑大学的王家生设计的一种新型落叶收集机[7]，其扫刷部分模拟的扫帚清扫，易产生粉尘污染，操作工人长期工作下易患呼吸道疾病；北部湾大学的王海霞设计的落叶清扫机[8]，采用的真空泵压缩原理对落叶进行了压缩处理，工作过程中，空气中夹杂着落叶碎末，易造成真空泵堵塞。

结合相关文献可知，目前绿化废弃物的清理回收依然存在着粉尘污染大、枝叶粉碎不均匀、压不实，以及回收物运输成本高、储存占地空间大等问题，通常被视为绿化垃圾而采用焚烧或者就近填埋等低成本方式处理，从而导致严重的空气污染、土壤板结等问题，也造成资源的浪费[3，9]。因此，本文针对绿化废弃物的清理回收问题，设计研制了一种集吸入、粉碎、压缩、封装于一体的智能化控制的城市园林落叶废弃物回收绿化装置。

1机器整体方案

1.1清理回收流程

首先由机器内部负压吸入路面上的枝条、落叶等绿化废弃物，同时过滤排出空气，随后将收集的枝条落叶粉碎成碎末，之后将碎末压缩成块，最后对压缩块进行包装封口。清理回收流程如图1所示。

1.2结构设计

运用计算机软件UGNX建立机器三维数字化模型，设计尺寸为980mm´1030mm´1730mm，如图2所示。机器按功能划分为六大系统，由上到下依次为吸入过滤系统、双重粉碎系统、压缩系统、运动系统，由前到后依次为压缩系统、封装系统。

吸入过滤系统主要负责收集枝条落叶等绿化废弃物，并对排出的空气进行过滤。通过负压风机使该系统内部与外界形成足够的空气压力差，以吸筒为导向将路面上的枝条落叶等吸进机器。为杜绝负压风机对排出的空气伴随吸进的尘土而造成空气粉尘污染，该系统设置滤网过滤和离心力过滤两种方式相结合，滤网过滤细小颗粒，离心力分离空气与尘土。双重粉碎系统以打碎刀组和滚刀组相结合，增强粉碎效果，避免后续因粉碎不均而造成枝叶粉末密度大、压不实等问题。粉碎系统是基于剪刀叉机构对枝叶粉末进行挤压，达到一定压缩程度后由剪叉机构将压缩块推向封装系统进行包装封口。不同路段路况质量有所差异，为保证机器行走的平稳性，移动系统中设置有缓冲减震装置。

1.3控制系统

该机器控制核心以STM32作为主控芯片，其控制电路主要包含主控芯片、电源管理、热熔杆、按键电路、远程控制模块、继电器模块、电机驱动、执行电机，控制系统如图3所示。

通过远程控制终端对该机器进行控制。当主控芯片接收到远程控制终端信号时，其对应的驱动芯片将信号反馈给执行电机进行工作。

该装置兼有自动导航行驶和超声波避障功能，操纵人员在远程控制终端上规划好行驶路线后，机器可按照要求轨迹自动行驶，且在行驶过程中避障系统会在碰到障碍物之前进行干预，起到安全行驶的作用。此外，压缩系统中设置有红外线传感器，当粉碎的枝条落叶积攒到一定程度时，压缩系统接收到传感器信号后会进行压缩工作，随后压缩块由剪叉机构推送到封装系统进行封装，继电器闭合，热熔杆通电发热对打包袋封口并熔断，完成压缩封装的流程。

2机器关键结构

双重粉碎系统位于吸入过滤系统与压缩系统之间，主要工作是粉碎吸入机器内部的枝条落叶，其最终的粉碎效果直接决定了后续压缩系统能否将枝条落叶碎末压实，是整个机器的核心。该系统由粉碎装置和两处滑动门装置构成，如图4所示。

2.1粉碎装置

粉碎装置如图5所示，包括打碎刀组和滚刀组。打碎刀形状为四叶波浪形刀片，两处打碎刀水平转动且相错布置于打碎仓内。滚刀形状为斜齿刀盘，两处滚刀相错布置于粉碎仓内。打碎刀组传动轴端部安装有V带轮，滚刀传动轴端部安装有齿轮，且另一处滚刀同时安装有V带轮，粉碎仓外壁安装有电动机，整个粉碎装置以电动机为动力源，通过V带传动使打碎刀组工作，同样通过V带将动力传递给另一处滚刀传动轴，两处滚刀则依靠齿轮传动实现滚刀组的同步交互啮合粉碎工作。

若单独采用打碎刀组，虽效率高，但粉碎效果差且粉碎不均匀，不能满足处理要求；若单独采用滚刀组，虽粉碎效果好，但较大的枝条落叶进入滚刀组时与刀牙接触面积小，不能够及时进入滚刀组粉碎，同时伴有较大的落叶平铺于滚刀组入口，表面较为平整的落叶与工作中的滚刀组出现打滑现象，致使滚刀组空转而造成枝条、落叶的堆积堵塞。综合上述分析，故采用两种刀组相结合的双重粉碎方式，其优点在于粉碎效率高、粉碎均匀且细腻，有利于后续压缩处理。

2.2滑动门装置

双重粉碎系统中共有两处相互协作的滑动门装置，如图6所示，主要用于隔绝吸入过滤系统与双重粉碎系统的空气压力，同时延长枝条落叶在打碎刀组模块的停留时间。

该装置外壁开设有滑轨，两处门板安置于滑轨中，近程门板和远程门板均通过螺栓分别装配于近程丝杠与远程丝杠上，两处丝杠端部均固定有齿轮。以电动机为动力源，通过齿轮传动驱动丝杠转动，实现两门打开闭合的工作。

33D打印试制样机

3D打印又名增材制造，属于快速成型技术，与传统机加工相比，其优点在于通过材料堆积能够快速制作出复杂形状的非标零件。因机器设计尺寸较大，在确保机器功能不变的情况下，将样机的尺寸按一定比例缩小为400mm´470mm´700mm，并应用熔融沉积成型工艺（FusedDepositionModeling，FDM）[10]对机器的非标零部件进行3D打印制造。

以吸入过滤系统外壳为例，通过计算机软件UGNX将所需打印的零部件模型导出STL格式文件，并在UPStudio3.1.2软件中打开。通过“自动摆放模型”快速将模型置于工作台上方，随后通过“旋转”和“位移”摆正拾取模型到合适的位置，选择PLA为打印材料，喷嘴直径为0.4mm。进入“专家”模块设置打印参数：为改善斜面阶梯效应，设置动态层厚度，最小层厚度为0.15mm，最大层厚度为0.25mm，调整比例为1.5；顶部与底部层片均为2层，添加密集支撑，其角度为45°，层数为2，并添加底座；路径轮廓为2，填充密度为100%，支撑密度为20%，填充路径均选择ZigZag；设置轮廓起始点为Nearest，接头延伸为2mm，选择接头交叉以改善起始点对于模型表面质量的影响；其余参数默认，主要参数设置如图7所示，向UPBOX+提交打印任务进行3D打印制造，分层结果如图8所示。

打印完成后，对3D打印零部件进行支撑拆除、锉削、砂纸打磨等后处理。最后进行所有零部件的装配，得到了实物样机如图9所示。经绿化废弃物清理回收的实验测试，满足了所需功能要求，并与传统清理回收方式进行了结果对比，传统方式回收的枝叶密度为30～50kg/m³，该机器回收的枝叶粉末压缩块密度为900～1400kg/m³，达到了预期效果。

4结语

本文设计研制的城市园林落叶废弃物回收绿化装置在减少清理回收过程中人力、物力的前提下，还可有效推动绿化废弃物“变废为宝”的资源化再利用，同时避免了枝条落叶不合理方式处理所造成的环境污染，经过样机实验测试，该机器优势主要有：过滤系统中对排出的空气进行了滤网过滤和离心力尘土分离两种方式相结合的处理，杜绝了机器工作过程中造成的粉尘污染；粉碎系统中采用了双重粉碎的结构设计，使得枝条落叶等粉碎得更加细腻且均匀；压缩系统中对枝条落叶粉末压缩后，其密度由处理前的30～50kg/m3转变为了900～1400kg/m3，极大地减小了运输成本和贮存空间，降低了绿化废弃物的回收成本；封装系统中对枝条落叶压缩块进行打包封口，便于运输；移动系统中增添了缓冲减振装置，平稳行走适应于各种复杂路况；机器配有自动导航和超声波避障装置，操作简便，且行走安全可靠。

参考文献

[1]梁晶，吕子文，方海兰.园林绿色废弃物堆肥处理的国外现状与我国的出路[J].中国园林，2009，25（4）：1-6.

[2]黄沈诺，黄智超，高树梅.城市园林绿化废弃物资源化利用研究进展[J].清洗世界，2022，38（1）：141-143.

[3]刘瑜，赵佳颖，周晚来，等.城市园林废弃物资源化利用研究进展[J].环境科学与技术，2020，43（4）：32-38.

[4]晁夫奎.徐州市园林绿化废弃物资源化利用路径探析[J].中国资源综合利用，2022，40（3）：98-101.

[5]吕子文，方海兰，黄彩娣.美国园林废弃物的处置及对我国的启示[J].中国园林，2007（8）：90-94.

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[9]吉振，郭昱彤，何建勇.“枯枝落叶”如何变废为宝？北京每年300万吨园林废弃物何处安身？[J].绿化与生活，2017（3）：52-56.

[10]刘杰，孙令真，李映，等.3D打印技术的发展及应用[J].现代制造技术与装备，2019（3）：109-111.