一種新型智能地埋式垃圾分類收集站的設計

滕炫龍，徐 敏，陳安健

（中國重汽集團柳州運力專用汽車有限公司，廣西 柳州545112）

0 前言

隨著我國城市化進程加快，“垃圾圍城”的現象日益嚴重。據中國城市環境衛生協會的數據顯示，目前我國人均生活垃圾年產生量達440 kg，中國每年使用塑料快餐盒達40億個，方便面碗達7億個，一次性筷子數十億雙，并且在不斷增加，其中生活垃圾中約有30%是可以回收利用的，去掉能回收的、不易降解的物質，垃圾數量能減少達50%以上，因此生活垃圾收集、清理、分類日益為人們所重視[1]。由于現有的傳統垃圾桶都放置于地面上，生活垃圾每日投放量不規律，垃圾時常被拾荒人員向外扒拾，導致垃圾投放區周圍散落垃圾甚至堆滿垃圾，加之如果把亂七八糟的垃圾都混雜在一起會對可回收利用的垃圾造成二次污染。時間一長，如果環衛工作者未及時發現并清理，就會造成臭味熏天、污水橫流以及鼠蟲滋生的環境污染，破壞了垃圾收集點環境，嚴重影響了市民的生活環境，加重了環衛工人對垃圾二次分類的負擔。

本文在傳統垃圾桶的基礎上，充分利用地下封閉空間進行垃圾收集，采用“地埋式”、“以桶換桶”的垃圾收集方式，加裝實時監測裝置，建立智能物聯共享網絡，不僅實現了防雨水、防異味外泄、防鼠蟲的功能，杜絕了拾荒人員的“二次污染”，當垃圾桶滿載時通過物聯網快速尋找并通知收集點附近的環衛工人，解決了臟、亂、雜、臭的現象，更好地美化市容、凈化空氣、保護環境。除此之外，本裝置在地坑底部預挖蓄水池，預裝復合井蓋，預埋排污管，可蓄水量0.6 m3，通過自動抽水裝置外排污水直至路邊井蓋，有效避免了因內澇造成的設備損壞等問題，滿足環衛工人對設備進行定期沖洗及清淤。

1 總體方案設計

1.1 技術要求

本設計所要解決的是提供一種新型智能地埋式垃圾分類收集站，在剪叉式地埋垃圾收集站（專利號201810995404.7）的基礎上進行創新，需滿足以下技術要求：

（1）整機裝置包括景觀投料箱、外框總成、內收集總成、升降機構及垃圾桶；

（2）整機結構分為地上、地下兩部分，日常收集垃圾的情況下，地面上看到的僅為景觀投料箱；

（3）整機設備選用220 V城市用電，太陽能發電系統輔助智能模塊工作，地理位置較為偏僻的情況下選用車載24 V電源工作；

（4）整機設備采用垂直升降的形式，液壓系統壓力16 MPa，液壓站故障或油管爆管情況下可進行應急維修或臨時使用；

（5）腳踩踏板觸發行程開關開啟投放口，松開踏板自動回位；設備通電斷電、垃圾投放、設備故障、垃圾滿載時，以多種通知形式告知、提醒使用者及工作人員；

（6）配備超聲波探測器，當檢測到垃圾滿載時，行程開關自動斷電，自動鎖緊投放口，腳踩踏板以“踩空”的形式反饋；

（7）舉升高度≥1.25 m，舉升、下降時間≤25 s，舉升重量≥1 500 kg。

1.2 整機結構設計

整機結構如圖1所示，整機設備由投料箱、外框總成、內收集總成、升降機構及240 L垃圾桶等組成。投料箱安裝于內收集總成的頂蓋板上，內部配備有自鎖電機、LED顯示屏、行程開關及超聲波探測器，外部檢修門上配備有腳踏板，通過腳踩踏板電驅動投料口向內自動打開，進行垃圾的投放；當超聲波檢測到垃圾滿載時，采用自動斷電的方式，促使腳踩踏板失效并以“踩空”反饋。內收集總成由框架、可拆蓋板、底板、限位裝置、隔欄及附件組成，框架內空間可容納4個240 L的垃圾桶，頂部蓋板采用螺栓連接的方式，若出現油缸爆管或設備故障時，可進行應急維修；同時底板左右側各有一個檢修門，通過氣彈簧實現檢修門的開合，檢修門下方設有維修軟梯，可進行定期維護保養。除此之外，內部垃圾桶通過隔欄組件和鏈條進行位置對正限位，外部四角設有尼龍滑塊夾緊裝置，運動過程中可起限位作用，目的是為了減小運動過程中出現的晃動現象。外框總成由外框架、不銹鋼圍板、油缸、導軌組件及下油缸座等組成，油缸通過騎馬卡固定在外框架上，油缸兩頭通過銷軸與內收集總成上油缸座、下油缸座分別連接，安裝于內收集總成側面的升降機構采用“鐵碰鐵”的形式與導軌面直接接觸，升降機構運動間隙可調，拆裝調試方便。框架內側預裝有PVC管，外部引線通過PVC管與內部元器件相連接。

圖1 整機結構示意圖

1.3 整機外觀示意

日常進行垃圾收集狀態如圖2所示，地面上僅能看到整機設備的分類景觀投料箱[2]，其余部分都隱藏在地面下，景觀投料箱旁邊安裝有外置的電控柜，頂部安裝有太陽能光伏板，柜體中部可進行廣告出租或環衛知識宣傳，內置液壓系統、太陽能發電系統及智能總控系統。柜體側面設置有動作操縱面板，預裝有24 V外接電源接口，若安裝點較為偏遠，可通過車載電瓶或外置電瓶實現平臺升降動作。

圖2 整機外觀示意圖

與此同時，景觀投料箱上還設置有垃圾分類明顯標識和腳踏板指示語，整機設備實時狀態可通過投料箱上的圓形LED顯示屏查看。

1.4 工作原理分析

整機設備工作原理如上圖所示，分為垃圾收集、平臺舉升、垃圾回收、平臺下降四部分，采用油缸直頂垂直升降的方式，以“桶換桶”的形式實現垃圾不落地的多次循環收集。

如圖3（a）所示，日常進行垃圾的收集時，地面上看到的僅為四個分類投料箱，此時居民或路人可通過腳踩踏板電驅動打開投料口，并按照明顯標識對應投放垃圾，投放的垃圾沿投料箱內部落入地面下的內收集總成的240 L垃圾桶；松開腳踏板后，投料口自動回位關閉，超聲波探測器實時監測垃圾量，數據自動同步至APP。

如圖3（b）所示，當監測到垃圾桶內的垃圾量超過設定值時，投料口自鎖功能開啟，腳踏驅動裝置自動斷電，并發送短信通知就近的工作人員前來處理。工作人員通過操縱安裝于外置電控柜側面的控制面板，驅動液壓站工作，油缸直頂實現平臺垂直上升至指定位置。

如圖3（c）所示，平臺舉升到位后，工作人員解除限位裝置，將消毒好的新垃圾桶替換滿載的舊垃圾桶并放置指定位置，此時超聲波監測系統自動響應，投料口自動解鎖，可繼續進行垃圾的收集，滿載的垃圾桶通過特定車輛運至垃圾集中點。

如圖3（d）所示，垃圾桶更換完成后，工作人員操縱控制面板，此時設備依靠自重緩慢下降到位，循環收集垃圾。

圖3 整機工作原理圖

智能物聯模塊流程如圖4所示，設備工作可分為正常使用、設備故障及垃圾已滿三種狀態，分別對應綠、黃、紅三種顏色文字顯示，設備上電/斷電時工作人員人員會收到“XXX小區收集站已開啟/停用”的短信內容。

圖4 智能物聯模塊流程圖

當LED屏呈“歡迎使用”綠色字樣時，此時可通過腳踩踏板觸動觸發開關，投料口向內開啟的同時自動播報“歡迎使用智能垃圾桶”語音，投放的垃圾沿內部滑板直接落入收集總成內的垃圾桶里。

當LED屏呈“設備故障”黃色字樣時，喇叭會以1min/次的形式循環播報“設備故障，請及時處理！”的語音警示居民不能進行垃圾的投放，此時需檢查投料口是否有異物卡住，若有異物卡住并移除后，LED屏自動切換為“歡迎使用”字樣后可繼續進行垃圾的投放；若移除異物后，LED屏字樣仍保持不變，此時不能強制進行垃圾的投放，通訊模塊自動發送“XXX小區收集站出現故障，請處理！”短信內容通知工作人員前來處理后才能繼續使用。當超聲波探測垃圾高度達到預備值時，自動發送內容為“XXX小區垃圾量達80%，請注意！”的預警信息至工作人員；

當LED屏呈“垃圾已滿”紅色字樣時，說明探測高度達到設定值，垃圾量達100%，此時自鎖模塊開啟，投料口自動鎖緊，不能進行垃圾的正常投放，通訊模塊自動發送內容為“XXX小區垃圾量達100%，請清理！”的信息通知工作人員前來清理。與此同時，內置GPS定位模塊可通過手機APP進行實時狀態監測和查閱，物聯共享網絡自動通知離設備點最近的工作人員前來處理，保證了解決的時效性。

2 參數計算及選型

通過圖1整機結構示意圖可知，設備分為內外兩層，采用油缸直頂的垂直升降方式，設備完全安裝入地坑后，外框總成通過地腳螺栓固定于地面上，活動部件僅為內收集總成。由于城市生活垃圾密度為0.2～0.5 t/m3，為確保系統穩定性，計算系統最大壓力時按垃圾密度為1進行計算。

已知：選用單作用液壓缸，靠自重回程，缸徑D=63 mm、桿徑d=45 mm、油缸行程S=1 250 mm、負載m=1 800 kg、舉升所需時間t1≤ 25 s；

油缸垂直安裝，與運動方向夾角ɑ=0°單根油缸所承受負載的一半，此時壓力最大。

查表 21-6-3（1）[3]得：

查表21-2-11[3]知，該系統為低壓系統，考慮到后期維修及效率可靠性，故應選用齒輪泵。

已知舉升所需時間t1≤25 s，活塞桿完全伸出時，取最大值t1=25 s

即：液壓缸活塞桿外伸速度

查表 21-2-22（1）[3]知：

液壓缸需用流量Qgi=6viAij*104

代入數據得：

液壓缸需用流量Qmax=6v1A1*104=6*v1*

已知液壓缸需用流量選擇電動機型號：

根據公式21-2-4[3]知：

式中：Ψ為匹配系數，數值為1.1～1.3；大泵取1.1，小泵取 1.3；QN為液壓缸的需用流量，L/min；PN為液壓缸的工作壓力，MPa；ηP為液壓泵的總效率，取值為 0.8～0.85。

代入數據得：

即所選電動機功率P≤4 kW，根據標準電機功率表[3]查表得，選用功率為3 kW、額定轉速為2 000 r/min的YB2系列100L-1型電機，可滿足實際工作要求。

由表21-5-6[3]得，已知轉速可求泵最大排量，即

根據表21-5-7[3]齒輪泵選型標準知，可選用排量為14 ml/r的CBB系列外嚙合齒輪泵。

3 液壓原理圖

整機裝置液壓原理[4-5]如圖5所示，選用單作用液壓缸，依靠自重回油，電磁換向閥通電時打開回油路直通油箱。內部配備了單向節流閥，整機動作僅為上升和下降兩個動作，當上升至指定高度時，觸動行程開關，齒輪泵自動斷電停止工作。與此同時，為防止因液壓站故障或持續斷電導致的垃圾無法清理發臭等問題，整機液壓系統內單獨配備了手動舉升泵，搖動手柄可實現平臺的上升，人為操作手動回油閥可完成平臺下降的動作。

圖5 液壓原理圖

4 結束語

本文設計了一種新型智能地埋式垃圾分類收集站，本設計充分利用地下空間，采用投放收集分離、智能一體的形式，節省了地面上占地空間，地下收集更好地起到了防鼠防臭防扒拾，智能共享網絡更好地解決了垃圾滿載無人收的現象。該新型智能地埋式垃圾分類收集站：（1）利用垂直升降的方式，垃圾區集中于地下，更好地保護了投放點收集環境；（2）四分類垃圾收集，倡導居民形成垃圾分類意識，也極大地減輕了環衛工人二次分類負擔；（3）智能物聯模塊，區域網絡共享，滿載自動鎖緊，提高了工作效率。

因此，新型智能地埋式垃圾分類收集站有著廣闊的發展空間和應用前景，值得進一步開發和研究。