基于垃圾房的同步帶升降投口設計分析

摘要：垃圾分類回收房是用于垃圾分類回收的容器，是一種方便人們投放垃圾的設備，能降低垃圾處理成本，但在實際使用中，存在將垃圾桶蓋掀起再投放垃圾不便而導致的垃圾隨意投放問題。針對此情況，設計了一種方便人們投遞的投口，當人走到垃圾房前時，投口能自動快速打開;當人們離開垃圾房后，投口能自動快速關閉。介紹了智能垃圾房的總體結構，對投口傳動機構選型和同步帶升降投口機構進行了詳細闡述，并設計了防夾手功能，安全可靠，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：垃圾分類;投口;同步帶升降投口

中圖分類號：TH122文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0266-05

Design and Analysis Garbage Inlet of Synchronous Belt Lifting Mechanism Based on Garbage House

Han Qingsheng

（ Jiangsu huazhan Environmental Art Co. ，Ltd. ，Nanjing 210019，China ）

Abstract：Garbage sorting and recycling room is a container for garbage sorting and recycling，it is a kind of equipment convenient for people toput garbage and can reduce the cost of garbage treatment. However，in actual use，there is the problem of random garbage placement caused bythe inconvenience of lifting the garbage can cover and putting garbage again. In view of this situation，a convenient delivery spout was designed， when people go to the garbage house，the spout could be opened automatically and quickly，when people leave the garbage room，the outlet couldbe closed automatically and quickly. The overall structure of intelligent garbage room was introduced，the selection of feeding transmissionmechanism and synchronous belt lifting feeding mechanism was expounded in detail，and the anti pinch function was designed. The equipment issafe and reliable，and has broad application prospects.

Key words：refuse classification;garbage inlet;garbage inlet of synchronous belt lifting mechanism

0 引言

2019年1月31日上海市第十五屆人民代表大會第二次會議通過《上海市生活垃圾管理條例》，自2019年7月1日起施行，“史上最嚴”的垃圾分類措施《上海市生活垃圾管理條例》正式實施[1]。條例將生活垃圾分為可回收垃、有害垃圾、濕垃圾、干垃圾，并作出如下規定：本市以實現生活垃圾減量化、資源化、無害化為目標，建立健全生活垃圾分類投放、分類收集、分類運輸、分類處置的全程分類體系，積極推進生活垃圾源頭減量和資源循環利用[2]。中國開始邁入“垃圾強制分類時代”。2020年11月1日開始，《南京市生活垃圾管理條例》實施，南京正式進入強制“垃圾分類”時代。南京執行“撤桶建房、定時定點”的垃圾分類方法。

生活垃圾分類，是指按垃圾的不同成分、屬性、利用價值、對環境的影響以及不同處理方式的要求，分成屬性不同的若干種類，以便于生活垃圾的回收利用與處理。具體而言，即在源頭將生活垃圾進行分類投放，并通過分類收集、分類運輸和分類處理，實現垃圾減量化、資源化和無害化。

為了響應垃圾分類回收的號召，筆者所在公司設計制造了基于物聯網大數據的智能垃圾分類回收房（簡稱智能垃圾房），積極配合區域城管局垃圾分類先行先試，全力為生活垃圾強制分類的到來做好預演工作。目前垃圾房已在多個區域多個小區投入使用，并持續獲得好評。

1 智能垃圾房的總體結構

如圖1所示，智能垃圾房骨架主要采用鋼管拼裝焊接，外面用鈑金焊接封邊。智能垃圾房可認為主要由6個箱體組成。中間為控制箱體，控制箱體中間安裝一塊15寸顯示屏，顯示屏后面安裝有控制系統，可以控制兩邊箱體投口的打開和關閉，也把可顯示的內容顯示在顯示屏上。中間箱體兩邊是投放垃圾的箱體，上面是垃圾投口，下面箱體里面安裝有垃圾箱。門上安裝有自動復位按鈕和超聲波感應器。當人們投

放垃圾時，上面的投口自動打開，人們投完垃圾后投放口可自動關閉。外側安裝有洗手池，如果人們投放垃圾后粘到臟東西，可以到洗手池旁清洗。智能垃圾房上面有一塊P6廣告字幕屏幕，P6廣告字幕屏幕上有“垃圾分一分，環境美十分”等標語。

2 智能垃圾房投口傳動機構選型分析

帶傳動根據傳動方式的不同分為摩擦傳動和嚙合傳動兩類。摩擦帶傳動包括平帶、V 帶、多楔帶等。嚙合傳動主要是同步帶。其中平帶由頂布、帶芯和底布組成。V 帶可分為包布帶和切邊帶。包布帶和切邊帶均有粘合膠、芯繩，包布帶外層為外包布，切邊帶頂層為頂布。多楔帶由粘合膠、芯繩、頂布和楔膠組成。同步帶則由背膠、芯繩、齒包布、齒膠組成[3]。由于同步帶傳動是一種嚙合傳動，因而帶和帶輪之間沒有相對滑動，從而使主、從輪間的傳動達到同步。同步帶傳動和V 帶、平帶相比具有以下優點：（1）傳動準確，無滑動，能達到同步傳動的目的;（2）傳動效率高，一般可達98%;（3）速比范圍大，允許線速度也高;（4）傳遞功率范圍大，從幾十W到幾百kW;（5）結構緊湊，適用于多軸傳動;（6）大中心距、定比傳動、低噪聲、不需要潤滑。

V 帶傳動屬于摩擦傳動，其輪徑不能過小，否則會因包角小而降低傳動效率，容易打滑。同步帶傳動屬于嚙合傳動，不會發生打滑，因此直徑可更小[4]。因此在一些場合同步帶取代了V 帶、鏈、齒輪傳動。圓弧齒同步帶是目前國內外較為先進的同步帶，理論分析表明，與梯形齒同步帶相比，其具有帶齒應力分布均勻、齒根應力集中小、牙齒強度高等優點，尤其適用于高速重載的機械傳動中，其應用前景十分廣泛[5]。綜合以上分析，智能垃圾房投口結構采用圓弧齒同步帶結構。

3 同步帶升降投口結構

同步帶升降投口結構如圖2所示。

門框架11上設有電機支架12，電機支架12上安裝有直流無刷電機21，直流無刷電機21的輸出軸上設有直流無刷電機同步輪22，直流無刷電機同步輪22通過上連接同步帶30與從動同步輪41連接，從動同步輪41安裝在上轉軸42上，上轉軸42通過T型軸承座43和T型軸承座44固定，驅動同步輪45安裝于上轉軸42上，同步惰輪61通過下轉軸62固定于固定座63上，同步惰輪61通過同步帶50和驅動同步輪45相連，防夾手門舌72通過線性滑軌74固定在所述門71上，左右兩端行程開關73固定在投口門71上，投口門71固定在對稱設置的傳動直線滑塊76上，直線滑塊設置于門框架11上相互平行的左右兩根導向軸75上，上限位光電開關81和下限位光電開關82固定在門框架11。

動力組件20中直流無刷電機11通過上連接同步帶30帶動主動組件40中的驅動同步輪45旋轉，驅動同步輪45通過從動組件60中的同步惰輪61帶動下連接同步帶50上下運動，通過下連接同步帶50的上下運動，帶動投口門組件70中的投口門71通過直線滑塊76在導向軸75上下滑動，投口門71通過遮擋上限位光電開關81和遮擋下限位光電開關82而確定上下位置;

當投口門71沿關門方向移動過程中，防夾手門舌觸碰到人手（或人手觸碰到防夾手門舌），防夾手門舌通過線性滑軌向上移動而觸發行程開關，行程開關由常開狀態變為常閉狀態，發出讓直流無刷電機21反轉信號，直流無刷電機21反方向轉動，以使投口門71變為上升運動。

4 同步帶升降投口設計分析

同步帶傳動是以帶齒與輪齒依次嚙合來傳遞動力的，達到同步傳動的目的。因此，在同步帶傳遞扭矩時，帶將受拉力作用，帶齒承受剪切，二帶齒的工作表面在進入和退出與輪齒嚙合的過程中將被磨損。因此同步帶的主要失效形式有如下3種：（1）同步帶承載繩（又稱骨架繩）的疲勞斷裂;（2）帶齒的剪切破裂;（3）帶齒工作表面磨損，失去原來的形狀[6]。同步齒形帶的主要失效形式是齒形帶疲勞斷裂、帶齒的剪切和壓潰以及同步帶兩側邊或帶齒的磨損[7]。帶輪最常見的失效形式是齒面磨損和點蝕。生產中常用的帶輪材料是各種牌號的優質碳素鋼、合金結構鋼、鑄鐵等，一般多用鍛件或軋制鋼材[8]。

在智能垃圾房中，投口門重量m =6 kg，上升高度H =200 mm，設計工作時間為t=2 s，則投口門速度v = H/t =100 mm/s，提升投口門需要的功率P=mgv =6 kg ×9. 8 m/s2 ×100 mm/s ≈6 W =0. 006 kW，根據已有的電機規格，選定直流無刷電機IG42-12-100，電機額定電壓為12 V，電機轉速n =100 r/min，額定負載1. 5 N ·m。

根據圓弧齒同步帶傳動設計原理[9-10]，根據使用工況，選定載荷修正系數KA =1. 2，設計功率Pd =KA P=1. 2×0. 006 kW≈0. 007 kW，根據圖3圓弧齒同步帶選型圖，選定5M 圓弧齒同步帶，節距Pb =5 mm。

投口門速度為100 mm/s，根據表1所示的圓弧齒同步帶輪最少齒的規定，則暫定小帶輪齒數z1=18。

小帶輪節圓直徑d1===28. 65 mm;

帶速v==≈150 mm/s，符合設計預期。

選定傳動比i=1. 5，大帶輪齒數z2= iz1 =1. 5×18=27，選定大帶輪齒數z2=28，大帶輪節圓直徑d2

==≈44. 56 mm。

根據投口門上升距離200 mm，先選定大小帶輪軸間距465 mm，則：

L0 =2a0+（d1 +d2）+≈1046. 36 mm

圓弧齒同步帶長度如表2所示，取標準節線長

圓弧齒同步帶長度如表2所示，取標準節線長Lp=1050 mm。圓弧同步帶齒數Z ==210。

為求大小帶輪軸實際中心距，先求中間參數：

則實際中心距a=[M+^ M2-32（d2 -d1）2]/16=

圓弧齒中心距安裝量和調整量如表3所示。

根據弧齒中心距安裝量和調整量查表得：I =

嚙合齒zm =ent （0. 5-），z1=9

當嚙合齒數系數zm ≥6時，Kz =1。

基本額定功率查表P0=0. 03 kW，要求帶寬bs ≥

選取標準帶寬bf =9 mm。

緊邊張力F1 ==50 N;

計算小帶輪上的包角：

根據圖4所示的矢量相加修正系數，取KF =0. 98。

計算壓軸力FQ = KF （ F1+ F2）=58. 8 N。

根據以上的計算結果，選定合適的圓弧齒同步帶和同步輪，經實際運行符合設計預期。

在投口門下部安裝線性滑軌和行程開關，行程開關的兩條信號線采用常開接法，一端接低電平，一端接單片機的IO 口。正常關閉投口門過程中，行程開關不受力觸發，兩條信號線電壓狀態不變，系統不做處理，當投口門向下關閉過程中，人投遞垃圾觸碰防夾手門舌時，防夾手門舌沿著線性滑軌向上運動，行程開關受力觸發，兩條信號線由常開變為常閉，行程開關發信號給單片機，IO 口正常情況下是高電平上拉輸入，一旦觸發開關，與低電平導通將IO 口電平信號拉低，單片機檢測到電平變化，立刻執行驅動直流無刷電機反轉動作，同步帶升降投口會向上運動，防止夾到人手，提高人們投遞垃圾的安全性，其結構簡單，成本低廉，解決了死角盲區無法防夾手的問題。

根據以上分析計算，最終確定同步帶升降投口的結構。

5 結束語

垃圾分類回收房能讓更多的居民參與垃圾分類回收，能加快完善生活垃圾分類收集，關系到城市的精細化管理，關系到建設城市美麗文明。垃圾分類回收房的投口非常重要，通過以上同步帶升降投口設計，當人走到垃圾房前時，投口能自動快速打開;當人們離開垃圾房后，投口能自動快速關閉。在投遞過程中不會夾到人手，安全可靠。當夾到人手時，投口能自動上升，確保人的安全，其安全性高、反應速度快且性能可靠。該產品在垃圾分類行業垃圾房中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]奚慧. 上海市生活垃圾全程分類體系建設現狀分析及對策建議[J ]. 環境衛生工程，2020，28（3）：80-85.

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[3]阪東化學株式會社. 阪東傳動帶綜合設計手冊[Z]. 2011. ?[4]霍俊超，鄧浩斌. 淺談齒形同步帶在電梯門系統的應用[J ]. 機電工程技術，2014，43（12）：233-236.

[5]姜洪源，吳偉光. 新型圓弧齒同步帶基礎理論的研究[J]. 哈爾濱工業大學報，1991，8（4）：78-85.

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[8]樊智敏，李進寶. 圓弧齒同步齒形帶傳動的應用研究[J]. 太原理工大學報，1998，11（6）：573-576.

[9]閻邦椿. 機械設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[10]濮良貴，紀名剛. 機械設計[M ]. 北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：韓慶勝（1987-），男，山東菏澤人，工程師，研究領域為機電一體化技術。

（編輯：王智圣）