深埋式垃圾桶内桶自动开启机构研制

朱芒，高翔

（1.上海龙澄环境集团有限公司，上海 201707；2.武汉龙澄环境装备有限公司，武汉 430400）

0 引言

深埋式垃圾桶直收直运模式起源于欧洲，在欧洲及全球范围内已广泛使用近30 a，21世纪初期被引进国内使用。该模式打破了传统垃圾收运模式的固化思维，通过深埋式垃圾桶、自装卸式垃圾车和智慧环卫系统的功能组合，将垃圾直接从垃圾收集点进行压缩处理后运送至终端处理场所，全程无任何抛洒滴漏现象，既简化了垃圾收运环节，又能有效避免二次环境污染。该模式无需通水通电，适用于各类社区、居民小区、公园、景点垃圾收集及公路清扫保洁的定点收集。

深埋式垃圾桶是生活垃圾直收直运系统的核心组成部分，主要对生活垃圾起到分类、收集、储存作用。深埋式垃圾桶主要由外桶体、内桶体、桶盖3部分组成。内桶体由桶身、底盖和开启机构组成。桶身和底盖一侧通过铰接方式进行连接，另一侧通过开启机构实现开合。

现有结构中大多采用手动方式实现内桶的开合，将拉绳一端与开启机构进行连接，另一端握在操作者手中，通过人力将开启机构打开。该种作业方式作业强度大，工作人员需要近距离接触内桶，工作环境恶劣，自动化程度低，不利于以后智慧环卫升级改造。

本文以深埋式垃圾桶内桶开启机构为研究对象，针对内桶开启方式进行执行机构的选择；根据选择执行机构进行初步理论力学计算，确定执行机构主要参数；运用计算机辅助设计进行开启机构的优化设计，结合计算机辅助设计确定具体设计方案；进行样机制作和设计验证，按照设计参数模拟实际工作环境，通过可靠性试验验证产品的可靠性。

1 执行机构的选择

深埋式垃圾桶内桶开启机构采用的是杠杆原理，为保持原有主要结构一致性，将原有手动方式转换为自动方式。通过查阅相关资料[1]，电动推杆作为一种新型的直线型电动执行机构，其工作原理是由电动机旋转蜗杆或齿轮改变为直线运动，通过推拉往返使某一装置完成往复动作，可以实现远距离控制、集中控制、自动控制等。电动推杆具有体积小、安装方便、使用稳定可靠、推力大、环境适应性强、安装方便等诸多优点，目前已在我国电力、化工、冶金、汽车等行业得到大量应用。

电动推杆按照外观可以分为L型（如图1）、直线型（如图2）等，结合深埋式垃圾桶内桶开启机构，直线型电动推杆适合于该应用场合。直线型电动推杆具有体积小、推力大、防尘防水、环境温度承受能力强等优点。根据要求我们选用上海舜拓电机有限公司生产的“安迪特”牌直线型电动推杆。该公司生产的ANT系列电动推杆，推力为0～6000 N，速度为0～55 mm/s，行程为10～700 mm，多种规格型号可供选择。

图1 L型电动推杆

图2 直线型电动推杆

1.1 设计要求

1）承载能力。深埋式垃圾桶内桶额定承载为1000 kg，在实际使用过程中需要考虑实际工作情况下极限载荷，安全系数按照1.5倍计算，承载需要达到1500 kg。

2）开启时间。开启时间决定了工作的效率，结合以前人工开盖操作所需时间，底盖开启时间需要不大于10 s。

3）锁钩开启角度。锁钩开启角度越大，可以保证锁钩与锁轴之间无干涉，通过图样模拟可得出为保证有效开启，锁钩开启角度不小于20°。

1.2 未知参数

1）电动推杆行程s。根据产品结构图，使用CAD辅助软件按照设计要求绘制锁钩关闭状态和开启25°状态。通过内桶推杆开启和关闭结构示意图（如图3）可知，电动推杆行程越大，锁钩开启角度越大。

图3 内桶推杆开启和关闭结构示意图

如图3所示，oa为电动推杆初始安装距离，oa′为电动推杆最大伸出距离，电动推杆行程s为oa′-oa。

根据三角形三边定理关系的应用[2]，任意两边之差小于第三边，可知oa′-oa=s＜aa′，由图3可知，aa′=169 mm，则可知电动推杆行程s＜169 mm。

为确保开启角度大于20°，则行程需要尽可能大，为降低执行机构采购成本，尽量选择标准行程。参照图4电动推杆行程参数，选取标准行程为150 mm。

图4 电动推杆行程参数

2）电动推杆所需推力F推。为方便受力分析，需要简化模型。现假定内桶为固定不动的结构。则铰链处的轴、锁钩腰型孔处的轴、锁板旋转的轴均固定。内桶底盖可以看作以铰链为旋转中心的杠杆，分别受内桶底盖重物的重力和锁轴的拉力，锁钩和锁板也可以看作是杠杆，所以其简化受力结构如图5所示。

图5 内桶底盖受力结构简图

F推为所求电动推杆推力。已知参数：L1=1290 mm；L2=673.5 mm；L3=111.3 mm；L4=L5=50 mm；L6=303.5 mm；G=15000 N。上述距离参数都是在CAD设计软件上测量得到的尺寸。为保证锁钩与锁轴的有效闭合，锁钩与锁轴接触的面有一向上倾斜5°的夹角，如图6所示。

图6 锁钩详图

根据力矩平衡原理[3]，以e为平衡点建立力矩平衡方程式：

锁钩与锁轴接触面的摩擦为滑动摩擦，其中锁钩选用材质为铝合金，锁轴选用材料为304不锈钢。根据相关数据[4]，可以得知摩擦因数μ=0.02。f钩=μN钩=157 N。

3）电动推杆与锁板夹角α（如图7）。

a.α最大值确定。通过分析可知的初始安装距离oa在150 mm至+∞之间。利用CAD模拟，以a点位圆心直径300 mm画圆，与推杆铰接点所在线的交点为b点，连接ab线段，ab线段与推杆铰接点所在线的夹角为α最大值，如图7所示，在CAD中测量α最大值为28°（包含28°）。

图7 电动推杆与锁板夹角图

b.α最小值确定。假设电动推杆长度为+∞时，ab线与推杆交界线平行，结合实际情况可以判定α理论最小值为0°（不包含0°）。

4）电动推杆负载速度V推。由前面所述已知参数，根据已知开启时间t＜10 s，行程s=150 mm，得出电动推杆在负载状态下的速度为V推＞s/t，即V推＞15 mm/s。

根据电动推杆行程、所需推力、负载速度3项主要参数，结合图8产品选型手册对电动推杆进行选型。ANT-45型号符合要求，最大负载为1000 N，速度为16 mm/s，行程为150 mm，初始安装距离为398 mm。

图8 产品选型手册

2 方案具体设计

按照选定的参数确定好执行机构后，利用CAD辅助软件进行设计图的完善，根据选定的参数对细节部分进行运动模拟验证，确保设计方案完整性。

CAD辅助软件进行设计模拟验证后，采用SolidWorks软件进行三维建模，修改完善原有三维模型图，完成三维建模后的模型如图9所示。

图9 内桶自动开启三维模型图

3 试验验证

按照方案图要求进行样机制作。样机装配完成后检查各零部件的安装情况，并进行开启和关闭检测，检验能否达到理论设计要求。

检验合格后分别安排进行空载试验，1 t模拟垃圾额定载荷负载试验和1.5 t模拟垃圾极限负载试验并进行空载试验。检验整个运转过程是否存在卡滞、停顿等问题。

改制好样品如图10所示，模拟垃圾如图11所示。

图10 改制好样品

图11 模拟垃圾1.5 t

试验过程如表1所示。

表1 试验过程

按照上述试验过程，分别进行500次操作，观察试验过程是否有异样。根据以上验证结果可知：该套自动开启机构能够在6 s内正常开启载有1 t的模拟垃圾；该套自动开启机构能够在8 s内正常开启载有1.5 t的模拟垃圾。通过一系列可靠性验证，证明产品运行良好，未出现任何问题。

4 结论

采用电动推杆作为执行机构，将原有深埋式垃圾桶手动开启方式升级为自动开启方式，使用稳定可靠，自动化程度高，能够大大降低工作人员劳动强度。通过可靠性试验可知，负载越重，内桶底盖自动开启的时间越长。利用CAD设计辅助设计和理论计算，可以实现产品的快速设计，缩短了产品的开发周期，降低企业的生产成本。