沈阳工业大学机械工程学院 王洪明，潘飞，程金鹏，龚晨星，徐敏 110870
摘要：为完善家用垃圾桶的垃圾处理方式,避免人与待处理的垃圾袋直接接触,提出一种利用蜗杆电机驱动热熔叶片对垃圾袋进行收口打结的方法。通过理论分析，采用丝杠螺母将垃圾送出垃圾桶外,依据垃圾桶的实用要求设计出整体机械结构,并对主要部件进行有限元分析校核,最终设计出了可在30s内完成套袋、收口打结、自动抬升功能的垃圾桶。
关键词：多功能垃圾桶；转动叶片热熔装置；机械结构；有限元分析
0引言
在日常生活中，垃圾桶是垃圾处理中一个必不可少的环卫设施，而目前市场上大部分垃圾桶在使用前都需要人为进行套袋打包，费时费力。很多企业及个人都对垃圾桶功能进行了探究。
李蓓[1]运用绿色设计相关方法理论，结合材料工艺技术等要素，从中总结分析出绿色环境理念下现代设计的创新方法；祁轩[2]提出的重新审视绿色环境、生态环保、绿色设计和持续发展等概念；在此基础上，参考刘维维[3]等设计并研制的一款集高效省力清理垃圾、电池回收、公益广告牌于一体的新型翻转式垃圾桶。
本文提出一种基于自动套袋、收口打结并抬升垃圾的新型多功能垃圾桶机械结构。经计算和对桶身的重要部件进行分析验证，该设计可行性好，运行可靠稳定，能更好的服务民众，具有一定的使用价值。
1总体方案设计
本文所设计的是集自动套袋、打结于一身的多功能垃圾桶，该垃圾桶主要由本体结构、驱动系统、热熔装置及控制系统组成。可完成袋子打开、垃圾袋底部打结、顶部打结以及托盘抬升四个过程。装置首次运行前，将折叠好的垃圾袋套过上托盘3和下托盘4，手动将其打开抻出，固定在垃圾桶顶部；上托盘3上方设置的热熔封口装置通过蜗杆电机驱动内部包裹有热阻丝的转动叶片汇聚至一个点进行收口打结后电机反转复位；在垃圾袋装满后，需要更换时，内筒2顶部设置的热熔封口装置以同样的方式进行顶部打结并复位；进行托盘抬升，电机10驱动丝杠6转动，在滑轨架5的限位作用下，螺母7带动下托盘4和上托盘3沿着丝杠6向上运动，推动已装满的垃圾袋，将这袋垃圾送出垃圾桶外的同时，将连接着的下一个垃圾袋带到垃圾桶顶部。此时人为的通过手或者剪刀等断开垃圾袋底部热熔凝固的结点，从而实现装满垃圾的袋子与下一个新袋子的分离。最后，手动将下一个已经到达垃圾桶顶部的垃圾袋展开固定于垃圾桶边缘，电机10反转，上托盘3沿着丝杠6向下运动复位。这样完成了一次循环，就可以进行下一个垃圾袋的底部打结、顶部打结、托盘抬升等过程。其总体结构如图1所示。
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1-外筒；2-内筒；3-上托盘；4-下托盘；5-滑轨架；6-丝杠；7-螺母；8-热熔转动体；9-环形滑轨；10-电机
图1 垃圾桶总体结构图
2垃圾桶主要参数设计
家庭垃圾里最具代表性的饮料瓶高约18cm，考虑桶结构性能与经济性要求，选取桶高42cm，直径23cm即可。为满足垃圾桶可方便移动和结构需求，桶材质选择100 %高密度聚乙烯（HDPE），桶壁厚度：≥3.6mm，桶净重量：≤1.4kg?，底座高3cm，连轴采用45#中碳钢，实心轴，表面电镀锌防锈。
在垃圾桶工作过程中，底部电机驱动丝杠转动，在滑轨架的限位作用下，螺母带动下托盘和上托盘沿着丝杠向上运动，向上推动已装满的垃圾袋，由于该运动是采用伺服电机驱动凸轮转动带动该连杆，所以该摩擦阻力可以近似为０，当装满垃圾时，垃圾与托盘等最大总质量取2.5kg。则总力矩,同时，托盘往复运动周期t为12s，则总功率约为0.4w。
3转动叶片螺旋闭合式热熔封口装置设计
在垃圾桶自动封袋过程中，位于桶内的两个转动叶片热熔装置起着决定性作用，热熔封口装置包括环形滑轨和热熔转动体，环形滑轨上设置有凸起的轨道，环形滑轨内周圈一体设置有限位柱，当环形滑轨和热熔转动体发生相对转动时，限位柱用于压制转动叶片，使垃圾桶呈敞开状态，热熔转动体下方设置的槽体与轨道滑动连接。热熔转动体要厚于扎带的厚度，厚度约为8mm，即刚性更强，其中转动叶片由根部至尖部逐渐变细，具有一定的柔性，热熔装置为电磁感应加热节电器，是一种利用电磁感应原理将电能转换为磁能的装置。
4有限元仿真分析
垃圾桶在运行过程中，主要靠抬丝杠装置带动托盘将装满垃圾送出桶外，根据设计要求并考虑模块组合，将抬升装置直径定位0.23m，厚度为0.005m。抬升装置部分材料选择铝合金。托盘及丝杠等受到推力以均布力来处理，然后用有限元软件分析得出以下结果，如图2所示。
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图2总变形云图
由图2可知：结果显示最大变形仅为0.0189mm，该变形非常小，几乎可以忽略不计。
5结论
垃圾桶作为人类生活中不可或缺的必需品，它伴随着人类走过了每一个时代。本文主要对多功能垃圾桶进行设计分析，详细阐述了垃圾桶的各个部件，并对重要部件进行强度校核和力学分析，最后进行了有限元分析，结果表明垃圾桶满足可靠性、实用性的要求。
参考文献
[1]李蓓.绿色环境理念指导下的现代设计应用[D].贵阳：贵州师范大学,2014.
[2]祁轩.一种多功能环保垃圾桶[J].科技创新导报,2013(15):233.
[3]刘维维,张耀娟,李彭辉,周海洋.一款新型翻转式垃圾桶的设计[J].吉林化工学院学报,2020,37(03):59-62.
作者简介：王洪明（2000-），男，汉族，河北唐山人，沈阳工业大学机械工程学院本科在读。通信作者：潘飞（1984-），女，辽宁凌海人，沈阳工业大学机械工程学院讲师，硕士，主要从事车辆造型方面教学及科研工作。