摘 要：【目的】為有效解決城市化進(jìn)程推進(jìn)帶來的垃圾清運(yùn)問題，提出了面向區(qū)域化管理的垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案?！痉椒ā繛榇蛟旄咝阅艿睦鴧^(qū)域化管理網(wǎng)絡(luò)，通過SolidWorks軟件對(duì)垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)的主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，利用Simulation模塊對(duì)平臺(tái)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性?！窘Y(jié)果】計(jì)算結(jié)果顯示，裝置性能滿足設(shè)計(jì)要求?！窘Y(jié)論】該平臺(tái)的設(shè)計(jì)將為現(xiàn)代城市和社區(qū)的垃圾管理提供清潔、綠色和智能化的解決方案，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：區(qū)域化管理；垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)；Simulation模塊；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH137.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）17-0024-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.005

Design of Garbage Transfer Platform for Regional Management

HU Yi1 WANG Yuqin1 ZHOU Luxiang1，2 SHAO Jiale1 ZHU Qingzhuo1

（1.School of Mechanical Engineering， Chaohu University，Hefei 238024， China;

2.School of Mechanical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

Abstract： [Purposes] In order to effectively solve the problem of garbage removal caused by urbanization， a design scheme of garbage transfer platform oriented to regional management is proposed. [Methods] In order to build a high-performance garbage regional management network， the main institutions of the garbage transfer platform were modeled by SolidWorks software. The Simulation module is used to analyze the key components of the platform by finite element method to verify the rationality of the design. [Findings] The calculation results show that the performance of the device meets the design requirements. [Conclusions] The design of this platform will provide a clean， green and intelligent solution for waste management in modern cities and communities， which has a good application prospect.

Keywords： regional management; garbage transfer platform; Simulation module; finite element analysis

0 引言

由于城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，城市生活垃圾持續(xù)增加，而垃圾處理能力卻相對(duì)不足，導(dǎo)致一些地區(qū)面臨“垃圾圍城”的困境［1］。同時(shí)，現(xiàn)有的垃圾處理設(shè)施普遍存在建設(shè)水平偏低、運(yùn)行質(zhì)量較差、配套設(shè)施不齊全等問題，存在一定的污染隱患。如何高效地開展垃圾清運(yùn)和回收工作已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)面臨的一個(gè)重要問題［2-3］。

隨著科技的不斷發(fā)展，清潔行業(yè)也逐步向智能化轉(zhuǎn)變，研究的方向也主要集中在高性能、自動(dòng)化的清潔裝置開發(fā)上。甘天祥［4］基于Wi-Fi自組網(wǎng)技術(shù)搭建設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)，提出分類運(yùn)輸和清運(yùn)監(jiān)管的垃圾智能清運(yùn)模式；余贊等［5］基于Android系統(tǒng)開發(fā)出垃圾分類管理操作平臺(tái)；王珺等［6］利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)高校園區(qū)垃圾集中處理站點(diǎn)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)垃圾站點(diǎn)自動(dòng)滿桶更換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)管理等功能；王聰［7］結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一套城市生活垃圾管理系統(tǒng)，能夠有效應(yīng)對(duì)城市生活垃圾回收處理難的困境。這些研究在垃圾清運(yùn)、回收、管理的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面取得了一定的進(jìn)展，并為該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供了重要的參考價(jià)值。

鑒于當(dāng)前社會(huì)對(duì)垃圾清運(yùn)管理網(wǎng)絡(luò)和智能化清潔設(shè)施的迫切需求，本研究開發(fā)了一個(gè)基于區(qū)域化管理的垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)。該平臺(tái)由智能化垃圾清運(yùn)硬件設(shè)施和管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，并結(jié)合了視覺圖像處理技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)垃圾的自主分類與收集，并合理規(guī)劃垃圾運(yùn)輸路徑，為高效率、低成本的垃圾清運(yùn)管理提供了有效的解決方案。

1 工作原理

當(dāng)垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)開始運(yùn)行時(shí)，視覺識(shí)別模塊可以實(shí)時(shí)捕捉垃圾收集點(diǎn)的圖像，并識(shí)別不同類型的垃圾。垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車對(duì)垃圾進(jìn)行分類，機(jī)械臂自動(dòng)抓取垃圾并將其放置到垃圾倉中［8-9］。通過采集垃圾收集點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，利用路徑規(guī)劃技術(shù)，可以生成最佳的垃圾收集路徑，使垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車按照優(yōu)化后的路徑依次前往目標(biāo)中轉(zhuǎn)站。當(dāng)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車到達(dá)中轉(zhuǎn)站時(shí)，根據(jù)垃圾類型進(jìn)行分類投放。智能中轉(zhuǎn)站配備了數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)記錄垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車的位置信息、站內(nèi)垃圾箱的填充情況及站內(nèi)空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。根據(jù)檢測到的垃圾填充數(shù)據(jù)，平臺(tái)可以為垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車設(shè)計(jì)出最佳運(yùn)輸路線。除此之外，中轉(zhuǎn)站可根據(jù)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)反饋的空氣質(zhì)量信息，適時(shí)開啟站內(nèi)凈化裝置，通過UV-C紫外線照射燈和活性炭過濾器對(duì)站內(nèi)進(jìn)行殺菌消毒，從而去除異味。經(jīng)過這一系列流程，就可以高效地完成垃圾的處理工作。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)主要由基于視覺識(shí)別的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車和智能垃圾中轉(zhuǎn)站構(gòu)成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車由六自由度總線機(jī)械臂、麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)底盤、視覺識(shí)別模組和傳感器模組等組成。智能垃圾中轉(zhuǎn)站由智能垃圾箱、凈化裝置和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)組成。

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2.2 六自由度總線機(jī)械臂設(shè)計(jì)

六自由度總線機(jī)械臂是一種基于通信技術(shù)，可以在三維空間進(jìn)行靈活運(yùn)動(dòng)和操作的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。六自由度總線是一種用于機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)的通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)高速傳輸和控制。六自由度總線機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z軸方向的平移運(yùn)動(dòng)和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而確保機(jī)械臂能夠在三維空間內(nèi)進(jìn)行精確的位置控制和姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)操作［10］。機(jī)械臂搭載了總線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊通過UART串口信號(hào)即可完成電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制；單總線通信協(xié)議則可以實(shí)現(xiàn)一根信號(hào)，完成對(duì)所有設(shè)備的控制。

2.3 驅(qū)動(dòng)底盤設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)底盤采用麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，配備了超聲波傳感器、循跡傳感器和光敏傳感器等模塊，從而具備環(huán)境感知和導(dǎo)航能力 ［11］。麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該驅(qū)動(dòng)底盤具有良好的操控性和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)移動(dòng)和精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向。底盤上安裝有電機(jī)、減速器和控制器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件，并搭載傳感器套組，可以實(shí)現(xiàn)智能避障、智能循跡、定距跟隨等功能。超聲波傳感器用于測量底盤與障礙物之間的距離，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和避障功能。傳感器通過發(fā)射超聲波脈沖，可以精準(zhǔn)測量障礙物的距離。循跡傳感器通過感知地面上的特定標(biāo)記或線路來確定位置。底盤上的循跡傳感器會(huì)跟隨標(biāo)記或線路進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整底盤的運(yùn)動(dòng)方向和速度，其檢測原理如圖4所示。

底盤控制系統(tǒng)由中央控制器和分布式控制器組成。中央控制器負(fù)責(zé)規(guī)劃設(shè)備整體的運(yùn)動(dòng)路徑。各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和傳感器由對(duì)應(yīng)的分布式控制器單獨(dú)控制。底盤控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程如圖5所示。

2.4 智能垃圾中轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)

智能垃圾中轉(zhuǎn)站是由智能垃圾箱、凈化裝置和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

智能垃圾箱配備了視覺識(shí)別模組，可根據(jù)識(shí)別算法，提取物品關(guān)鍵特征，從而判斷是否有垃圾被投放，并確定出投放位置。中轉(zhuǎn)站擁有一套獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)，用于控制合蓋的打開和關(guān)閉。當(dāng)視覺識(shí)別模組檢測到有垃圾投放時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)電機(jī)打開合蓋，垃圾投放完成后關(guān)閉合蓋。為確保垃圾投放的及時(shí)性，可以調(diào)節(jié)合蓋動(dòng)作的靈敏度。

為解決智能中轉(zhuǎn)站中產(chǎn)生的異味和細(xì)菌滋生的問題，中轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)了凈化裝置。凈化裝置主要由UV-C紫外線照射燈和活性炭過濾器組成。UV-C紫外線照射燈利用輻射紫外線照射垃圾站內(nèi)的空氣和表面，殺死細(xì)菌和病毒，達(dá)到消毒的效果。在站內(nèi)布置活性炭過濾器可以吸附和中和異味分子，減少站內(nèi)的異味。同時(shí)，凈化裝置配備了定時(shí)功能，可以按照預(yù)設(shè)的時(shí)間自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉。為了降低能耗，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)可以對(duì)垃圾站內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)檢測到異味或污染物超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)消毒除味裝置。

3 有限元分析評(píng)估

承重板是輪式運(yùn)輸車重要的載荷部件，承重板在負(fù)載狀態(tài)下的位移、變形、屈服極限和固有頻率等結(jié)構(gòu)性能必須符合設(shè)計(jì)要求。利用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)承重板進(jìn)行靜力學(xué)性能分析。

3.1 建立分析模型

選取材料：承重板使用合金鋼材質(zhì)，該材料具耐腐蝕、韌性強(qiáng)和強(qiáng)度高等特性，其主要材料屬性見表1。

設(shè)置約束條件：約束條件主要包括零件固定和施加載荷。對(duì)承重板中心圓孔內(nèi)壁采用固定約束，并在承重板內(nèi)腔底面及四周分別施加800 N的力。

網(wǎng)格規(guī)劃：對(duì)承重板模型進(jìn)行高品質(zhì)實(shí)體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的單元總數(shù)為7 486，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15 946，雅可比點(diǎn)數(shù)為4。其中，單元大小設(shè)置為2.079 39 mm，公差設(shè)置為0.103 969 mm。承重板網(wǎng)格劃分如圖7所示。

3.2 靜應(yīng)力模組求解

通過應(yīng)用赫茲接觸理論可以計(jì)算得到承重板的最大位移量和最大應(yīng)力［12］。將計(jì)算結(jié)果與軟件求解結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，即可判斷承重板是否滿足設(shè)計(jì)要求。靜應(yīng)力的計(jì)算見式（1）。

[σmax=0.578FR21-V21E1+1-V22E223δmax=0.826F2R1-V21E1+1-V22E223] （1）

式中：[σmax]表示最大應(yīng)力值；[δmax]表示最大位移量；[F]表示法向力；[R]表示曲率半徑；[V1]和[V2]表示泊松比；[E1]和[E2]表示彈性模量。

通過Simulation模塊的靜應(yīng)力分析模組，求解得到承重板應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由式（1）計(jì)算得到σmax為6.204e+008 N/m2，δmax為3.667e+002 mm。靜應(yīng)力分析模組運(yùn)算所得最大應(yīng)力值為1.613e+007 N/m2，最大位移量為2.917e+002 mm。承重板的最大應(yīng)力數(shù)值和最大位移量模擬運(yùn)算結(jié)果均在設(shè)計(jì)許用范圍內(nèi)，故承重板應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 頻率分析模組求解

為避免運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)裝置和承重板在工作過程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞和功能失效，需計(jì)算承重板固有頻率［13］。承重板1～4階的固有頻率計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，承重板1～4階的固有頻率分別為1 463.9 Hz、1 470.1 Hz、1 472.5 Hz和1 473.9 Hz。當(dāng)設(shè)備工作時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)頻率只要保持在這一范圍內(nèi)，就可以有效避免發(fā)生共振現(xiàn)象，從而降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

本研究提出了一種面向區(qū)域化管理的高性能垃圾清運(yùn)、回收、管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。該方案涵蓋了清運(yùn)硬件設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)性能服務(wù)，融合了視覺圖像處理和路徑規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了垃圾的自動(dòng)分類收集和運(yùn)輸路徑的智能規(guī)劃，旨在提高清運(yùn)效率并降低成本。并且，本研究構(gòu)建了垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)模型，并針對(duì)主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用SolidWorks的Simulation模塊對(duì)承重板進(jìn)行了靜應(yīng)力分析。結(jié)果表明，承重板的最大應(yīng)力值和最大位移量均在合理范圍內(nèi)，其結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求。此外，通過頻率分析模塊，計(jì)算得出了承重板工作時(shí)的固有頻率范圍，為設(shè)計(jì)提供了重要參考。路徑規(guī)劃模塊的設(shè)計(jì)有效解決了垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車輛在收集點(diǎn)和中轉(zhuǎn)站間的行駛混亂問題，進(jìn)一步提升了清運(yùn)效率。垃圾中轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅為現(xiàn)代城市和社區(qū)的垃圾管理提供了一種先進(jìn)的解決方案，而且對(duì)建設(shè)清潔、綠色、智能化的城市環(huán)境具有重要意義，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2024-07-25

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“面向區(qū)域化管理的智能垃圾中轉(zhuǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)”（202410380030）；安徽省傳統(tǒng)專業(yè)改造提升項(xiàng)目“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)改造提升”（2021zygzts039）；安徽省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”（2021xnfzxm070）。

作者簡介：胡毅（2004—），男，本科生，研究方向：機(jī)械制造。

通信作者：王玉勤（1985—），男，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)測試與控制。