城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置設計與研究

摘要：基于中國特色社會主義事業提出的生態文明建設的戰略決策，我國絕大部分地區對枝條落葉處理時造成了嚴重的環境污染和資源的浪費。針對目前落葉資源處理方式的現狀以及相關落葉清理裝置的現有產品分析，設計了一種集吸入、粉碎、壓縮、封裝于一體的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置，并對雙重粉碎系統進行了優化設計。通過3D打印制作樣機并實驗測試，達到了預期效果，滿足了功能需求，可有效解決目前綠化廢棄物清理回收過程中的環境污染、工人勞動強度大、貯存不便、運輸成本高等問題，推動綠化廢棄物的資源化再利用。

關鍵詞：城市園林廢棄物清理回收3D打印

中圖分類號：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

綠化廢棄物主要指綠化植物在自然生長過程中產生的枯枝、落葉，也包括在園林維護中修剪掉的雜草枝葉等[1]。據國家林業和草原局統計，至2020年我國綠化覆蓋率達41.1%，全國產生的綠化廢棄物將達4000萬t[2]，其資源化回收再利用價值相當可觀，可用于生產制作土壤改良劑、有機化肥、栽培基質等[3-4]。目前，與發達國家相比[5-6]，我國對于綠化廢棄物資源化回收與再利用的研究處于起步階段。例如：沈陽建筑大學的王家生設計的一種新型落葉收集機[7]，其掃刷部分模擬的掃帚清掃，易產生粉塵污染，操作工人長期工作下易患呼吸道疾病；北部灣大學的王海霞設計的落葉清掃機[8]，采用的真空泵壓縮原理對落葉進行了壓縮處理，工作過程中，空氣中夾雜著落葉碎末，易造成真空泵堵塞。

結合相關文獻可知，目前綠化廢棄物的清理回收依然存在著粉塵污染大、枝葉粉碎不均勻、壓不實，以及回收物運輸成本高、儲存占地空間大等問題，通常被視為綠化垃圾而采用焚燒或者就近填埋等低成本方式處理，從而導致嚴重的空氣污染、土壤板結等問題，也造成資源的浪費[3，9]。因此，本文針對綠化廢棄物的清理回收問題，設計研制了一種集吸入、粉碎、壓縮、封裝于一體的智能化控制的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置。

1機器整體方案

1.1清理回收流程

首先由機器內部負壓吸入路面上的枝條、落葉等綠化廢棄物，同時過濾排出空氣，隨后將收集的枝條落葉粉碎成碎末，之后將碎末壓縮成塊，最后對壓縮塊進行包裝封口。清理回收流程如圖1所示。

1.2結構設計

運用計算機軟件UGNX建立機器三維數字化模型，設計尺寸為980mm′1030mm′1730mm，如圖2所示。機器按功能劃分為六大系統，由上到下依次為吸入過濾系統、雙重粉碎系統、壓縮系統、運動系統，由前到后依次為壓縮系統、封裝系統。

吸入過濾系統主要負責收集枝條落葉等綠化廢棄物，并對排出的空氣進行過濾。通過負壓風機使該系統內部與外界形成足夠的空氣壓力差，以吸筒為導向將路面上的枝條落葉等吸進機器。為杜絕負壓風機對排出的空氣伴隨吸進的塵土而造成空氣粉塵污染，該系統設置濾網過濾和離心力過濾兩種方式相結合，濾網過濾細小顆粒，離心力分離空氣與塵土。雙重粉碎系統以打碎刀組和滾刀組相結合，增強粉碎效果，避免后續因粉碎不均而造成枝葉粉末密度大、壓不實等問題。粉碎系統是基于剪刀叉機構對枝葉粉末進行擠壓，達到一定壓縮程度后由剪叉機構將壓縮塊推向封裝系統進行包裝封口。不同路段路況質量有所差異，為保證機器行走的平穩性，移動系統中設置有緩沖減震裝置。

1.3控制系統

該機器控制核心以STM32作為主控芯片，其控制電路主要包含主控芯片、電源管理、熱熔桿、按鍵電路、遠程控制模塊、繼電器模塊、電機驅動、執行電機，控制系統如圖3所示。

通過遠程控制終端對該機器進行控制。當主控芯片接收到遠程控制終端信號時，其對應的驅動芯片將信號反饋給執行電機進行工作。

該裝置兼有自動導航行駛和超聲波避障功能，操縱人員在遠程控制終端上規劃好行駛路線后，機器可按照要求軌跡自動行駛，且在行駛過程中避障系統會在碰到障礙物之前進行干預，起到安全行駛的作用。此外，壓縮系統中設置有紅外線傳感器，當粉碎的枝條落葉積攢到一定程度時，壓縮系統接收到傳感器信號后會進行壓縮工作，隨后壓縮塊由剪叉機構推送到封裝系統進行封裝，繼電器閉合，熱熔桿通電發熱對打包袋封口并熔斷，完成壓縮封裝的流程。

2機器關鍵結構

雙重粉碎系統位于吸入過濾系統與壓縮系統之間，主要工作是粉碎吸入機器內部的枝條落葉，其最終的粉碎效果直接決定了后續壓縮系統能否將枝條落葉碎末壓實，是整個機器的核心。該系統由粉碎裝置和兩處滑動門裝置構成，如圖4所示。

2.1粉碎裝置

粉碎裝置如圖5所示，包括打碎刀組和滾刀組。打碎刀形狀為四葉波浪形刀片，兩處打碎刀水平轉動且相錯布置于打碎倉內。滾刀形狀為斜齒刀盤，兩處滾刀相錯布置于粉碎倉內。打碎刀組傳動軸端部安裝有V帶輪，滾刀傳動軸端部安裝有齒輪，且另一處滾刀同時安裝有V帶輪，粉碎倉外壁安裝有電動機，整個粉碎裝置以電動機為動力源，通過V帶傳動使打碎刀組工作，同樣通過V帶將動力傳遞給另一處滾刀傳動軸，兩處滾刀則依靠齒輪傳動實現滾刀組的同步交互嚙合粉碎工作。

若單獨采用打碎刀組，雖效率高，但粉碎效果差且粉碎不均勻，不能滿足處理要求；若單獨采用滾刀組，雖粉碎效果好，但較大的枝條落葉進入滾刀組時與刀牙接觸面積小，不能夠及時進入滾刀組粉碎，同時伴有較大的落葉平鋪于滾刀組入口，表面較為平整的落葉與工作中的滾刀組出現打滑現象，致使滾刀組空轉而造成枝條、落葉的堆積堵塞。綜合上述分析，故采用兩種刀組相結合的雙重粉碎方式，其優點在于粉碎效率高、粉碎均勻且細膩，有利于后續壓縮處理。

2.2滑動門裝置

雙重粉碎系統中共有兩處相互協作的滑動門裝置，如圖6所示，主要用于隔絕吸入過濾系統與雙重粉碎系統的空氣壓力，同時延長枝條落葉在打碎刀組模塊的停留時間。

該裝置外壁開設有滑軌，兩處門板安置于滑軌中，近程門板和遠程門板均通過螺栓分別裝配于近程絲杠與遠程絲杠上，兩處絲杠端部均固定有齒輪。以電動機為動力源，通過齒輪傳動驅動絲杠轉動，實現兩門打開閉合的工作。

33D打印試制樣機

3D打印又名增材制造，屬于快速成型技術，與傳統機加工相比，其優點在于通過材料堆積能夠快速制作出復雜形狀的非標零件。因機器設計尺寸較大，在確保機器功能不變的情況下，將樣機的尺寸按一定比例縮小為400mm′470mm′700mm，并應用熔融沉積成型工藝（FusedDepositionModeling，FDM）[10]對機器的非標零部件進行3D打印制造。

以吸入過濾系統外殼為例，通過計算機軟件UGNX將所需打印的零部件模型導出STL格式文件，并在UPStudio3.1.2軟件中打開。通過“自動擺放模型”快速將模型置于工作臺上方，隨后通過“旋轉”和“位移”擺正拾取模型到合適的位置，選擇PLA為打印材料，噴嘴直徑為0.4mm。進入“專家”模塊設置打印參數：為改善斜面階梯效應，設置動態層厚度，最小層厚度為0.15mm，最大層厚度為0.25mm，調整比例為1.5；頂部與底部層片均為2層，添加密集支撐，其角度為45°，層數為2，并添加底座；路徑輪廓為2，填充密度為100%，支撐密度為20%，填充路徑均選擇ZigZag；設置輪廓起始點為Nearest，接頭延伸為2mm，選擇接頭交叉以改善起始點對于模型表面質量的影響；其余參數默認，主要參數設置如圖7所示，向UPBOX+提交打印任務進行3D打印制造，分層結果如圖8所示。

打印完成后，對3D打印零部件進行支撐拆除、銼削、砂紙打磨等后處理。最后進行所有零部件的裝配，得到了實物樣機如圖9所示。經綠化廢棄物清理回收的實驗測試，滿足了所需功能要求，并與傳統清理回收方式進行了結果對比，傳統方式回收的枝葉密度為30～50kg/m3，該機器回收的枝葉粉末壓縮塊密度為900～1400kg/m3，達到了預期效果。

4結語

本文設計研制的城市園林落葉廢棄物回收綠化裝置在減少清理回收過程中人力、物力的前提下，還可有效推動綠化廢棄物“變廢為寶”的資源化再利用，同時避免了枝條落葉不合理方式處理所造成的環境污染，經過樣機實驗測試，該機器優勢主要有：過濾系統中對排出的空氣進行了濾網過濾和離心力塵土分離兩種方式相結合的處理，杜絕了機器工作過程中造成的粉塵污染；粉碎系統中采用了雙重粉碎的結構設計，使得枝條落葉等粉碎得更加細膩且均勻；壓縮系統中對枝條落葉粉末壓縮后，其密度由處理前的30～50kg/m3轉變為了900～1400kg/m3，極大地減小了運輸成本和貯存空間，降低了綠化廢棄物的回收成本；封裝系統中對枝條落葉壓縮塊進行打包封口，便于運輸；移動系統中增添了緩沖減振裝置，平穩行走適應于各種復雜路況；機器配有自動導航和超聲波避障裝置，操作簡便，且行走安全可靠。

參考文獻

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