一种智能垃圾回收处理装置

盛 丹，高昕欣，郭禹城，胡臻祺

（武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430061）

1 项目背景

可再生资源产业不断发展，已成为中国新兴的绿色、环保产业。国家“十三五”规划指出“加强生活垃圾分类回收和再生资源回收的衔接”。随着中国经济发展与人们生活习惯的改变，各种可回收的材质如塑料瓶、易拉罐，利包盒等已成为大家日常消费品，消耗量巨大。但是在公园、街道、闹市区等随处可见的废弃的可回收材料，不仅带来了环境污染，也造成了资源的浪费。合理回收资源再生可以用来做包装材料、日用品、工业用品等。因此可再生资源的回收不仅可以保护环境，还能有效节约资源，促进能源的可再生利用。

虽然可再生资源的回收已引起全民关注，很多公共场所都设置了可回收垃圾箱，分类投放垃圾，但是由于诸多原因，人们往往将其与其他生活垃圾混合投放难于区分，可再生资源的回收往往需要二次分拣。

为节省人力物力，解决以上问题，本装置计划研究一种智能识别可再生资源材质自动分类并做压缩粉碎处理收集装置，提高可再生资源的回收率。

2 系统设计

设计了一种可以智能识别投入垃圾材质自动分类并做压缩粉碎处理收集装置。基于传感器识别材质，能够自动识别金属类、塑料类、纸质类等可回收垃圾，对投入可回收垃圾进行挤压破碎处理后自动分类并分区储存，定期由回收厂家来取走收集并处理的可回收材料。本回收装置的外观包含一个投放口，由此口投入可回收材质的垃圾，设备机械部分主要包含刺破挤压装置、多自由度过滤收集装置、分拣模块；电子部件主要包含机器视觉传感器，控制挤压破碎装置的电机、电路、电源等。

当垃圾被投入之后，投瓶口处的传感器装置首先识别投入的物品是否为可挤压破碎的材质，如果是无法破碎的材质，比如玻璃瓶等，将直接传送到玻璃瓶收集箱；如果是金属类、塑料类、纸质类其中一类，则直接进入刺破挤压装置，而分拣模块根据第一次识别直接给机械臂下达命令，投入相应的分类箱。刺破压缩后的余液则流入密封的有机箱中避免产生异味。

2.1 电器控制

2.1.1 机器视觉识别模块

机器视觉识别模块采用图像传感器来识别投入物材质，图像传感器是利用光电器件的光电转换功能。将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。图像传感器将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

本装置中，机器视觉识别模块图像传感器利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，以此来识别易拉罐、饮料瓶、利包盒、玻璃瓶等可再生资源的材质。根据不同回收物品的材质进行不同的处理以及分类。

2.1.2 电机驱动模块

在本装置中采用直流电机为挤压破碎装置和分拣模块提供动力，直流电机是指能将直流电能转换成机械能的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，可将电能转换为机械能。在本装置中，直流驱动电机与挤压破碎装置相连接，直接为挤压破碎装置提供动力。

2.2 机械部分设计

2.2.1 挤压破碎装置

经过传感器识别的可回收材质继续向下，进入电机驱动的挤压破碎装置。经过粉碎处理后落入过滤网，并由分拣模块分拣出其不同材质。挤压破碎装置采用齿辊剪切刀辊结构。这种结构巧妙地结合了挤压、剪切、敲击等多种作用力共同作用，大大降低了能耗，提高了破碎效率。刀辊转速只有20～60 r/min，不用飞轮，机器可以随时关停，特别适合于间歇式作业。低转速使得刀辊扭矩大，无需配置大转动惯量的飞轮，这样机器不会空转而浪费能量。刀辊转速低还带来了噪声低和粉尘低等优点，均匀的破碎作用力使得破碎后物料的颗粒度十分均匀。

2.2.2 分拣模块

当不同材质的垃圾通过挤压破碎装置进行粉碎处理后，分拣装置根据机器视觉识别结果，由分拣装置分出不同的材质并将其投入相应材质的回收箱中。

分拣模块可前后左右上下六个面全方位旋转，有伸缩、旋转、升降三个运动，能将不同的材质颗粒投入到相应的垃圾回收箱中。分拣模块能够接受传感器指令，精确地定位到三维空间上的某一点进行作业。底座上对应有不同的卡座，可以对每个回收箱起到固定作用。当装置工作一段时间，回收箱处于蓄满状态时，工作人员可以将回收箱拆卸下来，进行不同的后续处理。回收箱底部有滤网结构，可以将回收的材质中含有的少量废液进行滤出收集处理，废液会被滤至中空的底层结构中，收集一段时间后，工作人员可以拆卸底座对废液进行相应处理。

装置底部有可伸展的轮子结构。整个装置可以移动搬运至不同的地方使用。当装置需要移动时，轮子伸展至工作状态，操作者可以将整个装置推送至所需要的工作地点。达到目的地时，操作者可将轮子收起，将装置安放在所需地点，正常工作，等待下一次的搬运。

3 理论设计计算

3.1 作品规格尺寸

装置整体体积为1 m×1 m×1.2 m=1.2 m3，占地面积不大，和普通垃圾箱相比具有体积小、效率高、可回收垃圾的优点。

3.2 对辊式破碎机相关参数

3.2.1 主要技术参数

主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

3.2.2 正常破碎工况下辊齿受力计算

计算公式为：

式（1）中：f为物料与侧壁的摩擦系数；σ为物料破碎挤压强度；E为物料的弹性模量。

代入参数数值计算求得Fe=51.46 kN，足以破碎常见饮料瓶（盒）。

3.3 收集箱容纳量

以饮料瓶为例，每个饮料瓶（盒）收集箱体积为底面积0.09 m2×0.6 m=0.054 m3，每个饮料瓶（盒）被破碎后体积约为6×10-4m3，每个收集箱可收集约0.054/（6×10-4）=90个瓶（盒）子。

4 总结

可回收垃圾有多种材质，以常见的饮料瓶为例，有金属材质、塑料材质、纸质。人们日常消费品中有大量可回收垃圾，消耗量庞大。这些废弃可回收物不仅带来了环境污染，也造成了资源浪费。本装置采用传感器识别投入物品是否为可回收材质，如果识别为非可回收垃圾，则将其投放于其他垃圾收集箱；如果识别为可回收材质垃圾，进一步识别其材质，即金属类、塑料类、纸质类，通过对辊式破碎机将其破碎，破碎物落入半圆式漏网，废液流入含有有机层的废液收集箱，破碎物投放入相应类别的收集箱中。每次投放垃圾装置都会高效有序地进行分类处理操作。操作过程简单有效，可以快速地分类处理每次收集到的垃圾，对于回收再利用有很高的处理效率。

目前国内大中城市中，相似的智能垃圾分类装置较少，但对可回收垃圾的回收利用需求较高。目前可再生资源的分类回收，主要靠人工回收、分拣，存在回收效率低、易造成二次污染等问题。本装置针对可回收垃圾分类回收存在的问题，设计一种基于材质识别的不同材质的可回收垃圾自动回收、分类装置。能够自动识别金属材质、塑料材质、纸质的可回收垃圾，并对垃圾进行挤压、粉碎等预处理后，分类分区储存。