一种安全型医用自动垃圾桶的设计

医疗垃圾是指医疗机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或间接感染性、毒性以及其他危害性的废物，具体包括感染性、病理性、损伤性、药物性、化学性废物。这些废物含有大量的细菌性病毒，而且有一定的空间污染、急性病毒传染和潜伏性传染的特征，如不加强管理、随意丢弃，任其混入生活垃圾、流散到人们生活环境中，就会污染大气、水源、土地以及动植物，造成疾病传播，严重危害人民群众的身心健康.
2003年6月4日国务院第十次常务会议通过《医疗废物管理条例》，由温家宝总理签发并公布，自公布之日起施行，加强医疗废物的安全管理，防止疾病传播，保护环境，保障人体健康。
但据作者亲自调查了解，目前医疗垃圾的处理在多个环节存在卫生安全隐患。以浙江大学校医院为例，该院的垃圾桶有两种，一种盛放一般生活垃圾，垃圾桶套黑色垃圾袋；另一种盛放医疗垃圾，垃圾桶套淡黄色专用垃圾袋（由杭州大地维康公司提供）。在调研时发现，医院大部分盛放医疗垃圾的垃圾桶用也是一般家用的最简单的那一种，无盖，医疗垃圾长期暴露在流动的空气中。尤其在化验室，装有残余血液的针筒暴露在简易的垃圾桶中，由于不是专用垃圾桶，很容易导致在扔垃圾的时候血液飞溅，一眼就可以看到白色的墙上密密麻麻的血斑。另外由于换袋比较麻烦，环卫工人在清理垃圾的时候竟然不更换垃圾袋，而是把医疗垃圾直接倒到一个新的袋中，原来的袋子套在桶中继续使用，因此套在桶中使用的垃圾袋破旧肮脏，加重了传染的可能性。
由此可见，现实的需要亟待新型安全垃圾桶的面世。在这种背景下，本文拟采用机械和电子的原理对垃圾桶进行安全性设计，以达到帮助医院自动密封已满的垃圾袋和套入新垃圾袋以此保证安全的目的。
由于本垃圾桶的设计是从市场的需要出发，故有一定推广的价值，未来市场空间较大。
1主要原理和结构
1.1基本工作参数
垃圾桶的基本工作参数为：
总功率：P≤20W；
适合垃圾袋：通孔长筒形，直径d＝200～250mm；
密封后的垃圾包长度：l＝300mm；
适合垃圾：各种医疗垃圾，直径d1≤150mm。
1.2整体结构和工作过程
垃圾桶整体结构如图1所示。

1－底板，2－抽取箱，3－固定块，4－竖直导轨（含弹簧），5－水平导轨，6－竖直滑块，7－锁扣1，8－固定夹板，9－桶盖，10－叶片（由小电机驱动），11－锁扣2，12－口颈，13－活动夹板，14－支承板，15－支承板导轨，16－电机支架（含轴承），17－钢丝轮，18－轴，19－电机，其中驱动叶片的小电机、桶身、钢丝、传感器等结构没有画出。
图1垃圾桶整体结构图
产品的结构是由功能决定的，而产品的功能又来源于市场的要求。针对目前我们了解的情况及实地调查研究，我们将该垃圾桶定位为：适合于盛放含有易传播感染的物质的医用垃圾；能自动开盖；自动密封切断；自动换袋；出袋方便。
图1所示结构的垃圾袋通过以下过程实现这些功能：
自动开盖：当有人走近垃圾桶扔垃圾时，由装在桶盖〔9〕上的传感器感应信号，驱动单片机给小电机发出逆时针转动的信号，从而驱动叶片〔10〕逆时针转动，两叶片通过齿轮的啮合作用同时转动，达到打开垃圾箱的效果。经延时2s在顺时针转回，将桶盖关闭。
自动密封切断：采用热封的结构，可以实现密封切断合而为一，而且过程简单，可靠性高。当清洁工人按下密封切断按钮时，电机〔19〕顺时针转动，拉动钢丝从而牵引活动夹板〔13〕沿着水平导轨〔5〕向固定夹板〔8〕运动，将垃圾袋夹紧，在某一时刻（时间在后面有说明，主要是为了考虑各个运动之间的配合关系）通电，则电阻丝通电，开始密封切断。在经过某个时间密封切断完毕，断电，电机逆时针方向转动，活动夹板〔13〕和固定夹板〔8〕分离，复位以实现循环动作。
自动换袋：主要通过储袋机构－口颈〔12〕来实现。首先由清洁工人将一卷长筒形的垃圾袋全部套在口颈〔12〕上，即先将垃圾袋储存起来。使用时，如上所述，活动夹板〔13〕和固定夹板〔8〕先将垃圾袋夹紧，此时不立即通电，此时触动锁扣1〔7〕。锁扣的作用主要是控制竖直滑块〔6〕能否在竖直导轨〔4〕上滑动以及支承板〔14〕能否沿支承板导轨〔15〕的运动。在钢丝的作用下，固定夹板〔8〕和活动夹板〔13〕连同水平导轨〔5〕、竖直滑块〔6〕一起沿着竖直导轨〔4〕向下运动，行程为300mm，同时支承板〔14〕（有两块）分开，从而把套在口颈〔12〕上的垃圾袋拉下300mm。其他功能实现后，各部分复位，实现了自动胡安袋功能。一般来说，垃圾袋的总长度可满足套袋一次连续使用一个月左右。

出袋方便：通过抽屉式的结构－抽取箱〔2〕，清洁工人用手将垃圾袋很方便的取出。
1.3各功能的协调关系
总体功能的实现，需要各个功能之间巧妙的配合，而在本设计中，开盖、出袋部分都是相对独立的，可不考虑它们之间的协调关系。主要的协调关系为密封切断和换袋部分之间（前面也有论述）。
自动换袋功能和自动密封切断功能是本设计的最重要的两个功能，这里的组合运动关键要实现的是：
第一步，要先收缩，再下降。且未夹紧时支撑板不能移开，因为此时还不能让垃圾袋掉下去。否则，不但不能实现自动换袋功能（即将空白垃圾袋拉下），而且会使密封的部位出现偏差。其中收缩是指活动夹板和固定夹板相互夹紧。
第二步，返回的时候最好是先松开，再上升。否则会将装满垃圾而且密封好的垃圾袋重新提上去（当然，上去后由于重力它还会掉下来），而且会使拉下来的空白垃圾袋发生折皱，对下次的密封可能产生不利影响。
本设计中，从生活中常见的小结构－雨伞上的锁扣得到启发，设计如图2所示的结构，便可满足上述要求。图1中的竖直滑块〔6〕和支承板〔14〕的运动都要受锁扣1〔7〕和锁扣2〔11〕的控制。

1－内圈，2－外圈，3－锁棒，4－弹簧。状态A：锁扣处于锁住状态，外圈不能在内圈上滑动；状态B：锁扣处于打开状态，外圈可以在内圈上滑动。
图2锁扣结构示意图
从侧视图中可以看出其工作过程如图3所示。

1－锁扣1，2－锁扣2。状态A：最初的状态；状态B：活动夹板触动锁扣2。
图3密封切断、换袋运动示意图
在图3－A所示的位置，只有当左边的夹板（即活动夹板）向右移动，触动锁扣１〔1〕上的开关时（即收缩完毕时），导轨才可以向下移动，同时支持板开始张开；在图3－B所示的位置，只有当左边的夹板向左移动，触动锁扣2〔2〕上的开关时（即松开完毕时），导轨才可以向上移动，同时支持板开始靠拢。这样便实现了预定的目的。
2控制部分
控制部分用光电传感器、接触传感器和单片机实现，要实现自动控制的部分有开盖和密封切断两部分。主要原理过程如下所述。
2.1自动开盖
如图4所示。

图4自动开盖控制原理图
2.2密封切断、换袋部分
如图5所示。

图5自动密封切断、换袋控制原理图
3设计总结
根据上述原理，作者对该垃圾桶进行了详细设计，绘制出各个零件的零件图，并依据零件图进行制作，最终制造出了垃圾桶的模型，工作情况总的来说较顺利，但由于制造精度不够等原因动作不是很流畅。对该垃圾桶可进行如下改进：
1. 用滑块式的滑轨代替本设计中的圆柱形导轨，会使运动更流畅，成本降低；
2. 采用链传动或同步带代替钢丝牵引传动，可以使运动更加精确、平稳，性能更好；
5参考文献
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计.第八版.北京：高等教育出版社，2006.
[2]陈秀宁，施高义.机械设计课程设计.第二版.杭州：浙江大学出版社，2004.
[3]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006.
[4]机械设计手册委员会.机械设计手册.第三版.北京：机械工业出版社.2004.