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标题

绿色设计在垃圾分类回收系统中的应用

范文

陈兴义杨锦陇

关键词：绿色设计分类垃圾桶模块化设计 TRZI 分类运输车

引言

伴随着工业化和城镇化的不断推进，人们生产和生活中产生的垃圾不断增多，垃圾围城的现象已经屡见不鲜。据有关资料显示，中国城市垃圾清运量从1979到2015年增长了七倍多，达到19142117;5吨，约2/3的城市被垃圾围城，累计占用的土地超过5亿平方米，每年造成3000亿元的经济损失。目前，收集之后的垃圾处理方式为填埋、焚烧和回收利用三种方式，其中我国以垃圾填埋为主。垃圾采用填埋方式会占用大量的土地资源、污染土壤和地下水，而焚烧会对大气造成污染。理想的处理方式是回收利用，一方面可以减少垃圾处理的总量，另—方面有利于提高资源循环利用率。目前国内的垃圾分类工作进展缓慢，一方面是人们分类意识差和垃圾分类方式不清晰;另一方面主要是没有专门的垃圾分类运输车，垃圾随意混装造成的结果是从源头的垃圾分类将失去其意义。只有站在系统的角度去考虑整个过程，才能保证实施的可能性。基于以上情况，从提高人们垃圾分类意识和分类方式辨识性的角度出发，提出分类垃圾桶的垃圾分类方式;从解决垃圾分类运输的实际问题出发，提出分类垃圾运输车的设计方案和分类运输概念。

一、基于绿色设计理念的垃圾回收系统设计

绿色设计是实现社会可持续发展的一种手段，是未来科技发展的必然趋势。绿色设计是一个综合考虑环境影响和资源效率的可持续发展模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现;绿色设计是可持续发展观念在设计科学中的合理延伸。要将绿色设计的理念融入到产品的设计、制造、使用和回收等整个生命周期中，以减少污染物的产生和节约资源。绿色设计并不是单纯的产品材料可回收Ⅲ，简化复杂的机构、提高使用效率和减少不必要的使用功能等都是绿色设计的内容，针对目前市场上的垃圾清运车存在的问题，结合垃圾清运的实际情况和垃圾分类运输的需求，对现有垃圾清运车进行优化设计。

（一）垃圾分类存放方式设计

建立需求分析模型，应用需求分析方法获取用户潜在需求，为产品创新设计提供理论依据。获取用户需求，将用户需求转化为创新设计的需求，提高产品的适应能力。通过问卷调查法、现场调研、现有产品的竞争分析等方法，获取实际用户需求，运用功能一行为一结构（FBS）进行产品需求分析，从而获得用户需求的最优解。通过设计引导行为而减少后续的工作，是绿色设计理念的重要体现。在垃圾分类回收系统设计方面，由于不同地区的垃圾种类差别较大，因此要针对不同地区进行差别化设计，但其设计理念基本相同。本研究选取某大学校园的垃圾分类回收为例，对垃圾分类回收进行设计。

1.实际调研：现有的大部分垃圾分类方式为分两类一可回收垃圾和不可回收垃圾，对用户进行调查，大部分用户都会出现无法分辨垃圾的种类进行准确投放。此外，对于废旧电池、电子产品等的回收沒有专门的装置，易污染环境。对垃圾桶内的垃圾进行种类统计发现垃圾随意混装，不利于绿色回收，其统计结果和资源回收处理方式如表1。

2.分类垃圾桶设计：国内外研究人员对垃圾分类方式中分类垃圾桶的研究较多，参考谭巍对分类垃圾桶的设计，结合实际需求，提出分类垃圾桶的垃圾分类方式。其具体方案为依据垃圾的同类性，不同类垃圾放在不同的桶内，按照垃圾桶的种类引导性作用进行垃圾分类。以此解决用户面对垃圾分类时无法准确判定垃圾投放位置。其分类方式具有以下优点：（1）同类垃圾同类存放，减少垃圾分拣的工作;（2）由于同类垃圾的处理方式大致相同，减少了挑选分拣的工作量，降低回收利用成本;（3）便于废弃资源绿色可回收。

（二）垃圾分类运输方式设计

垃圾的分类运输按照传统的运输方式，出现的结果为垃圾随意混装运输，垃圾从源头分类将失去其作用。同类垃圾单一运输又会造成运输效率低、占用大量的运输车辆;不同类垃圾的运输预处理方式是存在差异性，此需求将增加运输车辆的种类。基于以上需求，单一的运输方式不符合绿色设计的理念，不利于资源的有效利用。将模块化设计的理念运用到垃圾运输车设计中，以不同功能模块之间的相互组合满足不同的运输需求，模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。运用模块化设计理论，按照实际使用需求进行功能模块的划分，扩展了产品的使用范围;标准模块之间的通用性设计保准了功能模块之间的兼容性，选择实际需求的功能模块可以减少资源的浪费和能源的消耗。

1.实际需求调查：通过实际调查和访谈的方式是直接获取用户需求的方式，而根据使用功能需求分析可以挖掘和丰富产品功能。—方面对现有垃圾运输车的使用情况进行调查，通过与环卫司机的访谈，了解产品的优势和不足，如表2。另一方面，结合分类垃圾桶的垃圾存放方式和资源回收利用的预处理方式，进行使用功能的需求分析，如表3。

2.功能模块划分：进行功能模块的划分，为方案的整体设计提供划分依据。模块化设计通过对目标用户群体进行调研，了解客户需求，确定产品的总功能，将总功能分解成若干功能元，得到功能结构模型，最后对模块进行划分。产品模块化缩短产品的革新周期，丰富产品种类，减少工业加工工作量，提高生产效率。在综合分析表1、表2和表3的基础上，得出垃圾清运车应该具备装载、粉碎、压缩、密闭运输的总体功能。但存在不同种类的垃圾处理方式也存在差异的问题。除此之外，要降低分类垃圾运输车的总量，实现一车多用的要求，满足多样化的运输需求。考虑到以上情况，进行分析整理，使这些模块之间具有良好的兼容性和通用性且具有独立的工作能力，得出功能结构模型，如图1。

类型1只具备装载功能模块，运输无需粉碎和压缩的垃圾，例如剩饭菜、废弃玻璃等;

类型2具备装载功能模块和压缩功能模块，运输无需粉碎的垃圾，如易拉罐、铝合金等;

类型3具备装载功能模块、粉碎功能模块和压缩功能模块，运输需要经过装载、粉碎和压缩的垃圾，如废弃纸质品、塑料瓶等。

3.运输方式划分：通过垃圾运输车的模块化设计，扩展了车辆的用途，同时也降低了整体运输成本。若垃圾运输量较大或要求清运速度快，可以依照各类垃圾的日运输量配备三种类型的垃圾运输车，划分依据为相同处理方式的垃圾同类型垃圾运输车进行运输;若垃圾运输量较小或者要求资金投入较小，通过功能模块之间的自由组合，实现“一车变三车”的要求，满足不同处理方式的垃圾运输需求。此外，由于废旧电池和电子产品的收集量较小，因此在垃圾运输车的尾部设置专门的收集装置。

二、技术方案创新设计

TRIZ为产品的创新设计提供了新思路，主要优势在于它是基于技术的发展演化规律去研究产品的整个设计过程，而不是随机的行为。Lee CKM，Tai M J E提出TRIZ是綠色工程产品设计的有力工具，它消除了猜测和随机产生想法来解决问题的本能行为;Ya-chieh Li，Chen-Yeon Chu指出应用TRIZ的主要目的是在概念设计阶段有效和高效地支持创新产品设计理念。运用TRIZ解决方案设计过程中遇到的问题，其主要作用不是提供具体的解决方案，而是为方案的解决提供了方向，有利于方案的创新设计。把TRIZ理论运用到垃圾运输车的绿色设计中，为绿色设计提供了新的创新思路。

（一）冲突矛盾解决

1.问题描述与问题分析

（1）问题描述：在粉碎模块设计方面，通过访谈和实际调研发现，若采用传统的粉碎装置，粉碎效果好的装置体积大，不适合车载使用;采用简易的粉碎装置，其机构简单，体积小，但是其粉碎效果差，粉碎速度慢，对于长度较长的物体无法自行切断。

在压缩模块设计方面，传统的压缩方式由于采用整体粗放式的压缩，造成部分垃圾受到压缩，而其他未受到压缩，因此压缩不彻底。

以上问题是此次技术方案设计过程中需解决的主要问题。

（2）问题分析：在粉碎模块的设计方面，传统的粉碎装置在粉碎时，没有考虑到被粉碎物体的形状对粉碎效果的影响，造成了粉碎过程不连续，另外，有效粉碎接触面积小造成粉碎效率低;在压缩模块的设计方面，传统的压缩方式只是考虑到挤压，没有考虑挤压的程度和方式。因此，提高垃圾运输车的工作效率，必须改变其原有的工作方式。

2.冲突确定与解决思路

（1）技术矛盾：为了解决以上问题，将TRIZ理论中的矛盾矩阵引入其中，以寻找解决思路。根据以上问题的描述与分析，发现其粉碎模块设计方面的技术矛盾双方为生产率和功率，待改善参数为39号（生产率）和恶化参数为21号（功率），根据阿奇舒勒矛盾矩阵采用的原理为35、20、10，如表4所示。通过分析垃圾运输车的设计要求，采用发明原理20（有效作用的连续性），其原理解释为：（1）连续工作，物体的所有部件均应一直满负荷工作，（2）消除运动过程中的中间间歇。具体在设计方案中的应用为，为保证粉碎过程的连续性，将原有的粉碎滚子变成三个，其中两侧滚子同时向内转动，在固定位置上与固定不动的中间滚轮形成一定的倾斜角即三个滚轮形成凹型，即有利于垃圾的向下运动和粉碎，又增加了粉碎的接触面积，同时产生切断力，其具体工作方式如图2所示。

（2）物理矛盾：物理矛盾是指系统为了达到某种性能，要求子系统应该具备某种特性，但同时出现与该特性相反的特性。在解决压缩模块的设计方面，压缩设备的型号选用上，一方面想通过选用更大规格的压缩设备体高压缩强度，但另—方面不希望压缩设备占用太大的车厢空间，出现“大与小”的矛盾。解决物理矛盾的常用方式为空间分离、时间分离、条件分离、整体与部分的分离4个分离原理，解决该问题采用整体与部分的分离原理，其原理解释为：所谓整体与部分分离，是将矛盾双方在不同的系统级别分离出来，已获得问题的解决或降低解决问题的难度。传统的压缩方式将车厢作为一个整体或者将局部作为一个整体，没有考虑到压缩过程的体积变化和压力变化，其具体解决措施为将原来与车厢一体的压缩设备从车厢中分离出来，做成独立的压缩功能模块安装在车厢前部，使“—次压缩”变为“多次精确压缩”，提高垃圾压缩的效果。

具体方案设计

在TRIZ理论的帮助下，为技术方案的创新设计提供了解决思路，结合具体的结构设计，其具体设计方案如图3、4所示。粉碎功能模块和压缩功能模块的创新性设计即解决了运输效率低的问题，又降低了运输过程中的能源消耗，符合绿色设计的理念。

三、垃圾回收系统设计方案

（一）分类垃圾桶

按照分类垃圾桶的设计思想对现有垃圾进行改进设计目的是方便垃圾的清运过程和增强垃圾分类识别的准确性。在结构设计方面，在两侧增加便于装载功能模块夹持的沟槽，其作用是保证垃圾桶在上升和倾倒过程中的稳定性;在分类识别方面，采用形象、真实的图片来作为垃圾种类的识别，使其便于接受，增强垃圾分类投放的准确性。其设计方案如图5所示。

（二）分类垃圾运输车

分类垃圾运输车是在传统垃圾运输车的基础上重新进行功能模块的划分和设计以需要装载、粉碎、压缩的垃圾运输过程为例，其工作过程如下：装载功能模块自动装载垃圾→粉碎功能模块粉碎垃圾→压缩功能模块压缩垃圾成块→密闭运输。整个运输过程只需司机一个人就能完成，无需垃圾中转站二次压缩，可以直接送往工厂作为原料利用。其设计方案如图6所示。

总结

绿色设计思想在产品设计中的应用是对“产品一人一环境”三者关系的全局思考，体现了设计师对产品生态型的关注，其核心思想是符合生态系统的闭环系统原理。垃圾的分类回收是对资源回收利用的重要形式，是绿色设计对产品生命周期循环实现的重要途径，是可持续发展理念在产品设计中的重要体现。采用分类垃圾桶的垃圾分类方式可以引导和实现垃圾分类的投放，垃圾分类运输的方式有利于提高运输效率和资源的综合性利用。本文以校园垃圾回收系统设计为例，尽管尤其局限性，但为其他回收系统的设计提供借鉴。

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