孫冬嬌,劉 琪
(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)
隨著科技的發(fā)展和環(huán)保理念的深入,人們對(duì)垃圾桶的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1]。市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了智能感應(yīng)開蓋式、智能充電式垃圾桶,為垃圾的投放和運(yùn)輸帶來(lái)了便利。目前,當(dāng)垃圾袋裝滿垃圾后,需要手工將垃圾袋封口,這不可避免地造成了人體與垃圾直接或間接的接觸,特別在醫(yī)院等公共場(chǎng)所,會(huì)給人帶來(lái)一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。因此,設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)將垃圾袋封口的垃圾桶具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[2]。然而,目前鮮有這方面的報(bào)道。
筆者采用電動(dòng)熱封口技術(shù),設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)熱封口式垃圾桶,以減少人體與垃圾的接觸,降低健康風(fēng)險(xiǎn)。
所設(shè)計(jì)的電動(dòng)熱封口式垃圾桶如圖1所示,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。垃圾桶的結(jié)構(gòu)主體為低成本的雙立式梯形絲桿。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與梯形絲桿相連。絲桿上裝有螺母,壓條裝置通過(guò)螺母孔與螺母相連。其中:壓條裝置由鋼條、鐵氟龍膠帶和封口壓條等組成,封口壓條用鐵氟龍膠帶包裹固定于鋼條;發(fā)熱裝置由鋼條、鐵氟龍膠帶、電熱絲和封口壓條等組成,緊固在桶口邊緣,其上下層電熱絲通過(guò)交錯(cuò)間隔包裹的方式穿插在鐵氟龍膠帶中。
圖1 電動(dòng)熱封口式垃圾桶Fig.1 Electric heat sealing garbage can
圖2 電動(dòng)熱封口式垃圾桶的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electric heat sealing garbage can
相比于傳統(tǒng)的自動(dòng)封口套袋垃圾桶、按壓式熱封口垃圾桶[2-3],電動(dòng)熱封口式垃圾桶簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu),使用時(shí)可省去繁瑣的塑料袋封口處理的步驟。其結(jié)構(gòu)對(duì)稱,桶身與地面采用面接觸的形式,由固定板通過(guò)2個(gè)支架固定,強(qiáng)化了其穩(wěn)定性。梯形絲桿、鋼條選用304不銹鋼材質(zhì),其硬度大、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好[4-6],可使垃圾桶在不同環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。
電動(dòng)熱封口式垃圾桶通過(guò)電動(dòng)熱封口的方式對(duì)塑料垃圾袋進(jìn)行封口。與傳統(tǒng)的穿繩式自動(dòng)收口、向中集結(jié)封口方式相比,其更為實(shí)用、方便和環(huán)保。垃圾桶工作原理如圖3 所示。采用超低功耗的MSP430F149單片機(jī)作為控制核心,控制垃圾桶封口單元穩(wěn)定運(yùn)行;采用3個(gè)相同的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為輔助控制器,用來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)和開閉繼電器的觸點(diǎn)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)梯形絲桿的傳動(dòng),進(jìn)而控制壓條裝置作直線往返運(yùn)動(dòng)。繼電器觸點(diǎn)的開閉決定電熱絲電源、電熱絲、繼電器所組成回路的開閉,進(jìn)而控制電熱絲是否加熱。當(dāng)壓條裝置移向發(fā)熱裝置時(shí),電熱絲加熱;將垃圾袋封口時(shí),電熱絲繼續(xù)加熱一段時(shí)間;當(dāng)封口完成,壓條裝置遠(yuǎn)離發(fā)熱裝置時(shí),電熱絲停止加熱。為了使整個(gè)封口過(guò)程更為直觀,選用LCD12864液晶顯示器顯示封口過(guò)程,使用語(yǔ)音單元播報(bào)封口過(guò)程,用按鍵控制整個(gè)封口過(guò)程的開啟。
封口溫度、封口時(shí)間、封口壓力是影響封口質(zhì)量的重要因素。須根據(jù)塑料垃圾袋的材質(zhì)、厚度、熔點(diǎn)設(shè)定合適的封口溫度、封口時(shí)間和封口壓力。垃圾袋封口完成后,須測(cè)試?yán)姆饪趶?qiáng)度,檢驗(yàn)封口質(zhì)量,進(jìn)而決定是否需要調(diào)整封口溫度、時(shí)間和壓力[7-8]。
圖3 垃圾桶工作原理示意Fig.3 Schematic of the working principle of garbage can
常用塑料袋的材質(zhì)有低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)、高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)、聚丙烯(polypropylene,PP)和聚氯乙烯(poly vinyl chloride,PVC),其對(duì)應(yīng)的熔點(diǎn)如表1所示[9-10]。
表1 塑料垃圾袋的材質(zhì)及對(duì)應(yīng)的熔點(diǎn)Table 1 Material and melting point of plastic garbage bag
LDPE 材質(zhì)的塑料袋常用于食品包裝,PP、PVC材質(zhì)塑料袋常用于紡織品和化妝品包裝。生活中塑料垃圾袋的材質(zhì)主要為HDPE??梢愿鶕?jù)需要,采用調(diào)節(jié)電壓的方式調(diào)節(jié)封口溫度,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)塑料垃圾袋的封口。
為了達(dá)到電動(dòng)熱封口的目的,封口時(shí)應(yīng)使垃圾袋處于熔融狀態(tài)。PVC 的熱穩(wěn)定性較差[11],其他材質(zhì)都具有一定的熔點(diǎn)范圍,如表1所示。當(dāng)加熱溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí),這些材質(zhì)會(huì)處于穩(wěn)定的熔融狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),封口溫度一般需高于材質(zhì)熔點(diǎn)溫度15~30 ℃[12]。因此,不同材質(zhì)塑料垃圾袋的封口溫度如表2所示。
表2 不同材質(zhì)塑料垃圾袋的封口溫度Table 2 Sealing temperature of plastic garbage bag with different materials
封口用電熱絲的材質(zhì)常為鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金[13-14]。由于鎳鉻合金的可塑性比鐵鉻鋁合金好,且其不易變形,不具備磁性,因此采用鎳鉻合金電熱絲。鎳鉻合金有多種類型,如Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35 和Cr20Ni30 等。Cr 含量越高,合金的高溫抗氧化性越好,且能夠提高合金的電阻率;Ni含量越高,合金的熔點(diǎn)越高,塑性越好,且能夠降低合金的電阻溫度系數(shù)。從表2可知,除PVC材質(zhì)外,其他垃圾袋的最高封口溫度均低于200 ℃,又因封口頻繁,所以對(duì)電熱絲的抗氧化性要求不高,對(duì)其塑性、熱穩(wěn)定性的要求較高[15-16]。經(jīng)綜合考慮,選用Ni含量較高的Cr20Ni80作為封口用電熱絲的材質(zhì)。
根據(jù)GB/T 1234—2012《高電阻電熱合金》,Cr20Ni80的基本特性參數(shù)及電阻溫度修正系數(shù)分別如表3、表4所示。
表3 Cr20Ni80的基本特性參數(shù)Table 3 Basic characteristic parameters of Cr20Ni80
表4 Cr20Ni80的電阻溫度修正系數(shù)Table 4 Resistance temperature correction coefficient of Cr20Ni80
Cr20Ni80 的最高使用溫度遠(yuǎn)大于200 ℃,符合封口的溫度要求。電阻溫度修正系數(shù)的表達(dá)式為:
式中:Rt、R20分別為溫度為t和20 ℃時(shí)Cr20Ni80 的電阻。
由表4 可知,Cr20Ni80 材質(zhì)的電熱絲熱穩(wěn)定性好,在加熱過(guò)程中其電阻不會(huì)急劇變化。
本設(shè)計(jì)采用雙層電熱絲結(jié)構(gòu)。電熱絲的總電阻Rd為:
式中:ρd為電熱絲的電阻率;Ld為電熱絲的長(zhǎng)度;Sd為電熱絲的橫截面積。
取Ld=20 cm,電熱絲直徑為0.6 mm,則在20 ℃時(shí),有:
為了進(jìn)一步分析Rd隨溫度的變化情況,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得出電熱絲在不同溫度下的電阻,如表5所示。
表5 不同溫度下Cr20Ni80電熱絲的電阻Table 5 Resistance of Cr20Ni80 wire at different temperatures
從表5可知,Cr20Ni80電熱絲的電阻隨溫度的升高逐漸減小,但變化范圍小,基本穩(wěn)定在1.54 Ω左右。
為了使Cr20Ni80電熱絲的發(fā)熱溫度達(dá)到垃圾袋封口溫度,須控制好加熱時(shí)間和電壓。
設(shè)加熱時(shí)間為t1,電壓為U1,環(huán)境溫度為T0,電熱絲的電熱轉(zhuǎn)換效率為η,則可根據(jù)式(3)得到電熱絲的發(fā)熱溫度T1。
式中:Cd為Cr20Ni80 比熱容;md為電熱絲質(zhì)量,md=2×Ld×Sd×ρ1,其中ρ1為電熱絲的密度,可得md=2 × 20 × π × 0.32× 10-2× 8.40 ≈0.95 g。
則:
因此,T1不僅與U1、t1、η有關(guān),還與T0有關(guān)。為了達(dá)到封口溫度,須根據(jù)T0調(diào)節(jié)U1。比如在冬天時(shí)須提高電壓,在夏天時(shí)應(yīng)降低電壓。另外,t1不宜太大,因?yàn)榧訜徇^(guò)程太長(zhǎng)的話,會(huì)降低垃圾桶的實(shí)用性。
電熱轉(zhuǎn)換效率η是衡量電熱絲電熱性能的重要指標(biāo)。本設(shè)計(jì)中將雙層電熱絲穿插包裹在鐵氟龍膠帶中,而發(fā)熱裝置暴露在空氣中,因此電熱絲會(huì)有一部分熱量損失。使用紅外線點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量在不同T0下電熱絲的發(fā)熱溫度,結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)式(4),結(jié)合圖4所示的測(cè)量結(jié)果,可知電熱絲的電熱轉(zhuǎn)換效率η=60%~70%。將電壓U1設(shè)定為6~9 V(用旋鈕可調(diào)),便可以達(dá)到PE、PP材質(zhì)垃圾袋的封口溫度。
鐵氟龍膠帶的主要材質(zhì)為聚四氯乙烯,具有耐高溫、耐腐蝕、絕緣、防粘的特性。其導(dǎo)熱性低,在250 ℃以下長(zhǎng)時(shí)間加熱的條件下能保持優(yōu)良的力學(xué)性能,對(duì)封口壓條不會(huì)產(chǎn)生影響。鐵氟龍膠帶主要用于電熱絲的固定和垃圾袋的防粘[17]。若將單層電熱絲直接固定在鐵氟龍膠帶上,如圖5(a)所示,會(huì)導(dǎo)致封口時(shí)垃圾袋所受熱量太大,塑料容易被熔斷;若將單層電熱絲采用等間隔包裹的方式固定在鐵氟龍膠帶上,如圖5(b)所示,可以對(duì)垃圾袋進(jìn)行封口,但封口不嚴(yán)密,有空隙;將雙層電熱絲采用交錯(cuò)等間隔包裹的方式固定在鐵氟龍膠帶上(即上層電熱絲等間隔包裹的位置對(duì)應(yīng)下層電熱絲暴露在空氣中的部分),如圖5(c)所示,則在一次封口的過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)垃圾袋的2 次密封,且封口部位上下互補(bǔ),保證了封口的密封性,能實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾袋無(wú)間隙封口。因此,采用第3種封口結(jié)構(gòu)。
圖5 垃圾桶封口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.5 Design of garbage can sealing structure
壓條裝置、發(fā)熱裝置、2 根右旋式梯形絲桿圍合成投放口。本設(shè)計(jì)中,壓條裝置和發(fā)熱裝置的長(zhǎng)度均為200 mm,2 根絲桿落在桶口的有效長(zhǎng)度均為235 mm,由此形成了235 mm×200 mm 的投放口,其周長(zhǎng)為:235×2+200×2=870 mm,可以固定市場(chǎng)上常見的口寬為900 mm左右的垃圾袋。
將垃圾袋固定在投放口時(shí),袋口的一邊用夾子固定在軸承座上,另一邊直接包裹在壓條裝置上。在投放垃圾時(shí),垃圾袋不會(huì)滑落;當(dāng)壓條裝置移向發(fā)熱裝置時(shí),垃圾袋可以穩(wěn)定地被推動(dòng)進(jìn)行封口;當(dāng)壓條裝置遠(yuǎn)離發(fā)熱裝置時(shí),由于發(fā)熱裝置采用圓角邊緣且其表面的鐵氟龍膠帶光滑防粘,垃圾袋可以很輕松地脫離發(fā)熱裝置。
可以根據(jù)垃圾袋的尺寸調(diào)整垃圾桶桶身及投放口的大小,滿足特定尺寸垃圾袋的封口要求。
電動(dòng)熱封口控制單元用來(lái)控制封口溫度、封口壓強(qiáng)和封口時(shí)間。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)在梯形絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)及其速度來(lái)控制封口壓強(qiáng)和封口時(shí)間,并可根據(jù)式(4)控制封口溫度。
采用一對(duì)無(wú)減速步進(jìn)電機(jī),其步距角為1.8°,額定工作電壓為+12 V。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和速度由核心控制器MSP430單片機(jī)控制。采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[18]。梯形絲桿的導(dǎo)程為8 mm;壓條裝置和發(fā)熱裝置的厚度分別為11 mm和12 mm,且其均裝有封口壓條,具有一定的彈性。
在實(shí)際操作中,僅僅控制封口壓力是不夠的,還須考慮封口的接觸面積,要控制封口接觸面積的壓力即壓力強(qiáng)度p。通常情況下,塑料垃圾袋的封口壓強(qiáng)p=0.1~0.3 MPa。因此,須合理設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)N,使壓條裝置每次平移的長(zhǎng)度略小于235 mm,為壓條裝置與發(fā)熱裝置的彈性碰撞及擠壓留下空間,以產(chǎn)生合理的封口壓強(qiáng)。
當(dāng)壓條裝置與發(fā)熱裝置剛好接觸時(shí),螺母移動(dòng)了235-11=224 mm,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了224/8=28 圈。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析在不同步進(jìn)電機(jī)圈數(shù)下垃圾桶的封口結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
表6 不同步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)下垃圾桶的封口結(jié)果Table 6 Sealing results under different number of rotationturns of stepping motor
從表6可知,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)28圈左右時(shí),對(duì)封口結(jié)果有較大影響。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不大于28時(shí),壓條裝置未與發(fā)熱裝置接觸,封口表面未產(chǎn)生封口壓力;當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)大于28時(shí),壓條裝置與發(fā)熱裝置發(fā)生擠壓,垃圾袋封口;當(dāng)壓條裝置與發(fā)熱裝置當(dāng)擠壓到一定程度時(shí),封口壓強(qiáng)過(guò)大,垃圾袋被熔斷,也不能進(jìn)行封口。
封口壓條的材質(zhì)為硅膠海綿,其彈性模量E=7.84 N/mm2;單層垃圾袋的厚度為d1,d1=0.006~0.04 mm;封口壓條的厚度為d2,d2=8 mm;封口壓條在垃圾袋封口時(shí)的橫向變形量為d3。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)完28+9°/360°圈時(shí),d3=d1×2+9°/360°×d2,則d3=0.212~0.280 mm。根據(jù)楊氏模量計(jì)算公式:p=E× [d3/(d2×2)],可得p=0.103 88~0.137 2 MPa,在常用塑料垃圾袋的封口壓強(qiáng)(0.1~0.3 MPa)范圍內(nèi)。
由圖4 可知,當(dāng)U1=9 V 時(shí),將加熱時(shí)間t1設(shè)定為2~3 s即可以達(dá)到垃圾袋的封口溫度。壓條裝置移動(dòng)到與發(fā)熱裝置接觸時(shí)所需的時(shí)間t2則不能低于加熱時(shí)間t1。根據(jù)表6的封口實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)t1=2.5 s時(shí),步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速理論上最高可以達(dá)到(28+9.0°/360°)/2.5×60=672.6 r/min。
盡管對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的上限沒(méi)有限制,但考慮到封口過(guò)程中的噪音情況,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)合理設(shè)置。封口的噪音主要由電機(jī)噪音和絲桿噪音組成。由于壓條裝置質(zhì)量較?。s為25 g),且步進(jìn)電機(jī)保持勻速運(yùn)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的噪音很小,封口噪音主要為絲桿噪音。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大,螺母在絲桿上的滑動(dòng)速度成正比例增大,噪音達(dá)到極大值后會(huì)隨著滑動(dòng)速度的增大而減?。?9]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速下封口噪音情況,如表7所示。
表7 不同步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速下封口噪音情況Table 7 Sealing noise under different speeds of stepping motor
由表7 可知,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為672.6 r/min時(shí),封口噪音將變得很小,基本可以達(dá)到無(wú)噪音封口的要求。此時(shí)若環(huán)境溫度為20 ℃,調(diào)節(jié)電壓旋鈕使U1=7.5 V,取η=60%~70%,則經(jīng)過(guò)2.5 s后,根據(jù)式(4)可得t1=145~166 ℃,達(dá)到了HDPE 材質(zhì)垃圾袋的封口溫度。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知,當(dāng)壓條裝置與發(fā)熱裝置接觸時(shí),在保持封口溫度的前提下,電機(jī)停止運(yùn)動(dòng),使電熱絲繼續(xù)加熱一段時(shí)間,垃圾袋的封口強(qiáng)度則更高。
此外,電機(jī)不是持續(xù)性地轉(zhuǎn)動(dòng),而是通過(guò)按鍵控制間歇性地轉(zhuǎn)動(dòng)。每完成一次封口,梯形絲桿和電機(jī)完成一次正反轉(zhuǎn)過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)了低功耗、重復(fù)封口的目的。
選用HK3FF-DC5V-SHG 型號(hào)的繼電器,同時(shí)將+5 V的供電電源與L298N的+12 V電源的輸入端相連,以增大輸出電流,達(dá)到繼電器吸合電流值。發(fā)熱裝置的電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。其中:IN1 端與MSP430 單片機(jī)的P40 口相連,通過(guò)P40 口控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出高低電平來(lái)控制繼電器觸點(diǎn)的閉合與斷開;二極管IN4007與繼電器并聯(lián),其在電路中起到續(xù)流作用,保護(hù)繼電器觸點(diǎn)不會(huì)因?yàn)殚]合或者斷開而損壞。
圖6 發(fā)熱裝置的電路設(shè)計(jì)Fig.6 Circuit design of heating device
語(yǔ)音模塊采用NY3P035 系列語(yǔ)音芯片,錄制了“開始封口”“正在封口”“封口完畢”三段語(yǔ)音,同時(shí)結(jié)合LCD12864液晶顯示器,用文字和聲音實(shí)時(shí)顯示封口過(guò)程。當(dāng)壓條裝置移向發(fā)熱裝置時(shí),語(yǔ)音播報(bào)“開始封口”,液晶顯示器顯示“開始封口”;當(dāng)垃圾袋封口時(shí),語(yǔ)音播報(bào)“正在封口”,液晶顯示器顯示“正在封口”;當(dāng)封口完成,壓條裝置遠(yuǎn)離發(fā)熱裝置而回到起始位置時(shí),語(yǔ)音播報(bào)“封口完畢”,液晶顯示器顯示“封口完畢”。封口完成3 s后,液晶顯示器自動(dòng)清除顯示內(nèi)容,為下一次封口過(guò)程的實(shí)時(shí)顯示作好準(zhǔn)備。
MSP430的程序設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)便,可以用匯編語(yǔ)言和C 語(yǔ)言進(jìn)行編程,其可移植性好。采用IAR Embedded Workbench 單片機(jī)開發(fā)環(huán)境,利用JTAG(joint test action group,聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)接口在PC(personal computer,個(gè)人計(jì)算機(jī))上實(shí)現(xiàn)程序的編寫、下載與調(diào)試。根據(jù)垃圾桶的電熱封口任務(wù)和電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)。垃圾桶電動(dòng)熱封口的流程如圖7所示,垃圾袋實(shí)際封口過(guò)程如圖8所示。
應(yīng)用熱封口技術(shù),設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)熱封口式垃圾桶。以封口時(shí)間短、封口效果好、封口噪音低為目標(biāo),結(jié)合熱封口材料的性能和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)塑料垃圾袋的電動(dòng)熱封口。
圖7 垃圾桶電動(dòng)熱封口的流程Fig.7 Electric heat sealing process of garbage can
圖8 垃圾袋實(shí)際封口過(guò)程Fig.8 Actual sealing process of garbage bag
電動(dòng)熱封口式垃圾桶具有功耗小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定和低碳環(huán)保等特點(diǎn)。合理控制封口溫度、封口時(shí)間等因素,可以改進(jìn)封口的綜合性能。采用電動(dòng)熱封口式垃圾桶,可以有效地減少垃圾對(duì)環(huán)境的污染,具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)2021年3期