一种新型智能地埋式垃圾分类收集站的设计

滕炫龙，徐 敏，陈安健

（中国重汽集团柳州运力专用汽车有限公司，广西 柳州545112）

0 前言

随着我国城市化进程加快，“垃圾围城”的现象日益严重。据中国城市环境卫生协会的数据显示，目前我国人均生活垃圾年产生量达440 kg，中国每年使用塑料快餐盒达40亿个，方便面碗达7亿个，一次性筷子数十亿双，并且在不断增加，其中生活垃圾中约有30%是可以回收利用的，去掉能回收的、不易降解的物质，垃圾数量能减少达50%以上，因此生活垃圾收集、清理、分类日益为人们所重视[1]。由于现有的传统垃圾桶都放置于地面上，生活垃圾每日投放量不规律，垃圾时常被拾荒人员向外扒拾，导致垃圾投放区周围散落垃圾甚至堆满垃圾，加之如果把乱七八糟的垃圾都混杂在一起会对可回收利用的垃圾造成二次污染。时间一长，如果环卫工作者未及时发现并清理，就会造成臭味熏天、污水横流以及鼠虫滋生的环境污染，破坏了垃圾收集点环境，严重影响了市民的生活环境，加重了环卫工人对垃圾二次分类的负担。

本文在传统垃圾桶的基础上，充分利用地下封闭空间进行垃圾收集，采用“地埋式”、“以桶换桶”的垃圾收集方式，加装实时监测装置，建立智能物联共享网络，不仅实现了防雨水、防异味外泄、防鼠虫的功能，杜绝了拾荒人员的“二次污染”，当垃圾桶满载时通过物联网快速寻找并通知收集点附近的环卫工人，解决了脏、乱、杂、臭的现象，更好地美化市容、净化空气、保护环境。除此之外，本装置在地坑底部预挖蓄水池，预装复合井盖，预埋排污管，可蓄水量0.6 m3，通过自动抽水装置外排污水直至路边井盖，有效避免了因内涝造成的设备损坏等问题，满足环卫工人对设备进行定期冲洗及清淤。

1 总体方案设计

1.1 技术要求

本设计所要解决的是提供一种新型智能地埋式垃圾分类收集站，在剪叉式地埋垃圾收集站（专利号201810995404.7）的基础上进行创新，需满足以下技术要求：

（1）整机装置包括景观投料箱、外框总成、内收集总成、升降机构及垃圾桶；

（2）整机结构分为地上、地下两部分，日常收集垃圾的情况下，地面上看到的仅为景观投料箱；

（3）整机设备选用220 V城市用电，太阳能发电系统辅助智能模块工作，地理位置较为偏僻的情况下选用车载24 V电源工作；

（4）整机设备采用垂直升降的形式，液压系统压力16 MPa，液压站故障或油管爆管情况下可进行应急维修或临时使用；

（5）脚踩踏板触发行程开关开启投放口，松开踏板自动回位；设备通电断电、垃圾投放、设备故障、垃圾满载时，以多种通知形式告知、提醒使用者及工作人员；

（6）配备超声波探测器，当检测到垃圾满载时，行程开关自动断电，自动锁紧投放口，脚踩踏板以“踩空”的形式反馈；

（7）举升高度≥1.25 m，举升、下降时间≤25 s，举升重量≥1 500 kg。

1.2 整机结构设计

整机结构如图1所示，整机设备由投料箱、外框总成、内收集总成、升降机构及240 L垃圾桶等组成。投料箱安装于内收集总成的顶盖板上，内部配备有自锁电机、LED显示屏、行程开关及超声波探测器，外部检修门上配备有脚踏板，通过脚踩踏板电驱动投料口向内自动打开，进行垃圾的投放；当超声波检测到垃圾满载时，采用自动断电的方式，促使脚踩踏板失效并以“踩空”反馈。内收集总成由框架、可拆盖板、底板、限位装置、隔栏及附件组成，框架内空间可容纳4个240 L的垃圾桶，顶部盖板采用螺栓连接的方式，若出现油缸爆管或设备故障时，可进行应急维修；同时底板左右侧各有一个检修门，通过气弹簧实现检修门的开合，检修门下方设有维修软梯，可进行定期维护保养。除此之外，内部垃圾桶通过隔栏组件和链条进行位置对正限位，外部四角设有尼龙滑块夹紧装置，运动过程中可起限位作用，目的是为了减小运动过程中出现的晃动现象。外框总成由外框架、不锈钢围板、油缸、导轨组件及下油缸座等组成，油缸通过骑马卡固定在外框架上，油缸两头通过销轴与内收集总成上油缸座、下油缸座分别连接，安装于内收集总成侧面的升降机构采用“铁碰铁”的形式与导轨面直接接触，升降机构运动间隙可调，拆装调试方便。框架内侧预装有PVC管，外部引线通过PVC管与内部元器件相连接。

图1 整机结构示意图

1.3 整机外观示意

日常进行垃圾收集状态如图2所示，地面上仅能看到整机设备的分类景观投料箱[2]，其余部分都隐藏在地面下，景观投料箱旁边安装有外置的电控柜，顶部安装有太阳能光伏板，柜体中部可进行广告出租或环卫知识宣传，内置液压系统、太阳能发电系统及智能总控系统。柜体侧面设置有动作操纵面板，预装有24 V外接电源接口，若安装点较为偏远，可通过车载电瓶或外置电瓶实现平台升降动作。

图2 整机外观示意图

与此同时，景观投料箱上还设置有垃圾分类明显标识和脚踏板指示语，整机设备实时状态可通过投料箱上的圆形LED显示屏查看。

1.4 工作原理分析

整机设备工作原理如上图所示，分为垃圾收集、平台举升、垃圾回收、平台下降四部分，采用油缸直顶垂直升降的方式，以“桶换桶”的形式实现垃圾不落地的多次循环收集。

如图3（a）所示，日常进行垃圾的收集时，地面上看到的仅为四个分类投料箱，此时居民或路人可通过脚踩踏板电驱动打开投料口，并按照明显标识对应投放垃圾，投放的垃圾沿投料箱内部落入地面下的内收集总成的240 L垃圾桶；松开脚踏板后，投料口自动回位关闭，超声波探测器实时监测垃圾量，数据自动同步至APP。

如图3（b）所示，当监测到垃圾桶内的垃圾量超过设定值时，投料口自锁功能开启，脚踏驱动装置自动断电，并发送短信通知就近的工作人员前来处理。工作人员通过操纵安装于外置电控柜侧面的控制面板，驱动液压站工作，油缸直顶实现平台垂直上升至指定位置。

如图3（c）所示，平台举升到位后，工作人员解除限位装置，将消毒好的新垃圾桶替换满载的旧垃圾桶并放置指定位置，此时超声波监测系统自动响应，投料口自动解锁，可继续进行垃圾的收集，满载的垃圾桶通过特定车辆运至垃圾集中点。

如图3（d）所示，垃圾桶更换完成后，工作人员操纵控制面板，此时设备依靠自重缓慢下降到位，循环收集垃圾。

图3 整机工作原理图

智能物联模块流程如图4所示，设备工作可分为正常使用、设备故障及垃圾已满三种状态，分别对应绿、黄、红三种颜色文字显示，设备上电/断电时工作人员人员会收到“XXX小区收集站已开启/停用”的短信内容。

图4 智能物联模块流程图

当LED屏呈“欢迎使用”绿色字样时，此时可通过脚踩踏板触动触发开关，投料口向内开启的同时自动播报“欢迎使用智能垃圾桶”语音，投放的垃圾沿内部滑板直接落入收集总成内的垃圾桶里。

当LED屏呈“设备故障”黄色字样时，喇叭会以1min/次的形式循环播报“设备故障，请及时处理！”的语音警示居民不能进行垃圾的投放，此时需检查投料口是否有异物卡住，若有异物卡住并移除后，LED屏自动切换为“欢迎使用”字样后可继续进行垃圾的投放；若移除异物后，LED屏字样仍保持不变，此时不能强制进行垃圾的投放，通讯模块自动发送“XXX小区收集站出现故障，请处理！”短信内容通知工作人员前来处理后才能继续使用。当超声波探测垃圾高度达到预备值时，自动发送内容为“XXX小区垃圾量达80%，请注意！”的预警信息至工作人员；

当LED屏呈“垃圾已满”红色字样时，说明探测高度达到设定值，垃圾量达100%，此时自锁模块开启，投料口自动锁紧，不能进行垃圾的正常投放，通讯模块自动发送内容为“XXX小区垃圾量达100%，请清理！”的信息通知工作人员前来清理。与此同时，内置GPS定位模块可通过手机APP进行实时状态监测和查阅，物联共享网络自动通知离设备点最近的工作人员前来处理，保证了解决的时效性。

2 参数计算及选型

通过图1整机结构示意图可知，设备分为内外两层，采用油缸直顶的垂直升降方式，设备完全安装入地坑后，外框总成通过地脚螺栓固定于地面上，活动部件仅为内收集总成。由于城市生活垃圾密度为0.2～0.5 t/m3，为确保系统稳定性，计算系统最大压力时按垃圾密度为1进行计算。

已知：选用单作用液压缸，靠自重回程，缸径D=63 mm、杆径d=45 mm、油缸行程S=1 250 mm、负载m=1 800 kg、举升所需时间t1≤ 25 s；

油缸垂直安装，与运动方向夹角ɑ=0°单根油缸所承受负载的一半，此时压力最大。

查表 21-6-3（1）[3]得：

查表21-2-11[3]知，该系统为低压系统，考虑到后期维修及效率可靠性，故应选用齿轮泵。

已知举升所需时间t1≤25 s，活塞杆完全伸出时，取最大值t1=25 s

即：液压缸活塞杆外伸速度

查表 21-2-22（1）[3]知：

液压缸需用流量Qgi=6viAij*104

代入数据得：

液压缸需用流量Qmax=6v1A1*104=6*v1*

已知液压缸需用流量选择电动机型号：

根据公式21-2-4[3]知：

式中：Ψ为匹配系数，数值为1.1～1.3；大泵取1.1，小泵取 1.3；QN为液压缸的需用流量，L/min；PN为液压缸的工作压力，MPa；ηP为液压泵的总效率，取值为 0.8～0.85。

代入数据得：

即所选电动机功率P≤4 kW，根据标准电机功率表[3]查表得，选用功率为3 kW、额定转速为2 000 r/min的YB2系列100L-1型电机，可满足实际工作要求。

由表21-5-6[3]得，已知转速可求泵最大排量，即

根据表21-5-7[3]齿轮泵选型标准知，可选用排量为14 ml/r的CBB系列外啮合齿轮泵。

3 液压原理图

整机装置液压原理[4-5]如图5所示，选用单作用液压缸，依靠自重回油，电磁换向阀通电时打开回油路直通油箱。内部配备了单向节流阀，整机动作仅为上升和下降两个动作，当上升至指定高度时，触动行程开关，齿轮泵自动断电停止工作。与此同时，为防止因液压站故障或持续断电导致的垃圾无法清理发臭等问题，整机液压系统内单独配备了手动举升泵，摇动手柄可实现平台的上升，人为操作手动回油阀可完成平台下降的动作。

图5 液压原理图

4 结束语

本文设计了一种新型智能地埋式垃圾分类收集站，本设计充分利用地下空间，采用投放收集分离、智能一体的形式，节省了地面上占地空间，地下收集更好地起到了防鼠防臭防扒拾，智能共享网络更好地解决了垃圾满载无人收的现象。该新型智能地埋式垃圾分类收集站：（1）利用垂直升降的方式，垃圾区集中于地下，更好地保护了投放点收集环境；（2）四分类垃圾收集，倡导居民形成垃圾分类意识，也极大地减轻了环卫工人二次分类负担；（3）智能物联模块，区域网络共享，满载自动锁紧，提高了工作效率。

因此，新型智能地埋式垃圾分类收集站有着广阔的发展空间和应用前景，值得进一步开发和研究。