張 浩，李淑青，杜澤英，孫 悅，李鑫瑞，張宇華

(1.太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008；2.太原工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系，山西 太原 030008；3.太原工業(yè)學(xué)院 電子工程系，山西 太原 030008)

近年來(lái)，隨著人口的增長(zhǎng)與人們生活水平的提高，城市生活垃圾產(chǎn)生量也在逐年增加，全世界垃圾年均增長(zhǎng)速度為8.42%，而中國(guó)垃圾增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上，大量城市垃圾的產(chǎn)生，不僅引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，也會(huì)對(duì)人們的健康造成威脅。在建造無(wú)污染城市和美麗中國(guó)建設(shè)的推動(dòng)下，城市生活垃圾的處理勢(shì)在必行[1-3]。盡管城市垃圾的成分復(fù)雜，且受城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、能源結(jié)構(gòu)、自然條件等多種因素的影響，但垃圾處理目的的無(wú)害化、資源化以及減量化是不變的[4-5]。在巨大的垃圾壓力下，2019年1月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《“無(wú)廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》中指出，“無(wú)廢城市”是以創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的新發(fā)展理念為引領(lǐng)，通過(guò)推動(dòng)形成綠色發(fā)展方式和生活方式，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市固體廢物產(chǎn)生量最小、資源化利用充分、處置安全的目標(biāo)[4]。而市場(chǎng)上現(xiàn)有的垃圾分類裝置并不完全適合現(xiàn)代社會(huì)的垃圾分類與處理需求，都存在一些弊端：一些裝置成本極高，而有些裝置則使對(duì)垃圾的分類不能達(dá)到要求。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的社會(huì)調(diào)查及研究，在市場(chǎng)現(xiàn)有垃圾分類裝置的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了一種新型的垃圾智能分類及后期處理，這一裝置在成本低的基礎(chǔ)上極大程度地對(duì)垃圾進(jìn)行了細(xì)致的分類，同時(shí)對(duì)分類好的垃圾集中進(jìn)行處理，生活垃圾中熱值較高的為塑料，貢獻(xiàn)了發(fā)電量的52.3%。因此，在對(duì)城市垃圾進(jìn)行處理時(shí)，將塑料用于發(fā)電處理。堆肥法是處理有機(jī)垃圾最有效、最適宜的技術(shù)手段之一。廚余垃圾平均熱值較低，并不適合焚燒發(fā)電，其主要用于填埋堆肥[6-7]。而分離出來(lái)的金屬類垃圾可以與相關(guān)的能源公司進(jìn)行合作，對(duì)金屬類的垃圾進(jìn)行二次回收利用。對(duì)不同種類垃圾進(jìn)行不同的處理，盡可能地使其利用最大化，便于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)垃圾處理的需求。

1 垃圾智能分類裝置的設(shè)計(jì)

垃圾智能分類裝置的流程圖如圖1所示。首先，運(yùn)用鏟車將垃圾送入破碎機(jī)中，通過(guò)控制鏟車運(yùn)作次數(shù)來(lái)控制一次放入處理池中的垃圾量。然后，該裝置利用破碎機(jī)將大尺寸的固體原料分割成邊長(zhǎng)約為2 cm的小碎塊。破碎機(jī)完成破碎操作后通知CPU。隨后向分離罐注水(利用紅外光電液位傳感器控制注水量并通知CPU，CPU控制進(jìn)水管的電磁閥停止注水[8]。)，因?yàn)榇蟛糠炙芰厦芏刃∮陲柡凸I(yè)鹽水的密度，通過(guò)渦輪的攪拌加速浮沉分離該系統(tǒng)自動(dòng)分離出上浮的塑料，關(guān)閉攪拌渦輪后再經(jīng)由抬升裝置和分離裝置分離至塑料回收斗；下一步將分離罐中的水排出，隨后將分離罐底部垃圾倒出(分離罐底部為自動(dòng)開(kāi)合裝置)，通過(guò)間隔排隊(duì)系統(tǒng)依次從傳送帶傳到達(dá)金屬檢測(cè)區(qū)，利用金屬檢測(cè)儀器檢測(cè)此垃圾是否為金屬，若是金屬則金屬指示燈亮起，金屬被推桿分離出去；若不是金屬，其余垃圾包含廚余垃圾，可用于堆肥或產(chǎn)生沼氣。

圖1 垃圾智能分類裝置的流程圖

圖2 垃圾分類裝置的設(shè)計(jì)圖

垃圾智能分類裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。垃圾通過(guò)破碎機(jī)，進(jìn)行破碎處理后，進(jìn)入分離罐主體；注水后，使用攪拌裝置加速垃圾浮沉，結(jié)束攪拌后，過(guò)濾網(wǎng)通過(guò)翻轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)豎置到水平放置，然后左右兩個(gè)液壓桿將濾網(wǎng)帶著浮于水的塑料類垃圾，抬升至分離罐主體的頂部，由塑料分離推臂推進(jìn)一個(gè)塑料存放斗。分離塑料后，排水，排水后打開(kāi)分離罐底蓋，沉底的垃圾滑入間隔排隊(duì)裝置，然后流水線式的進(jìn)入傳送帶，經(jīng)金屬識(shí)別裝置，分離出金屬類垃圾和其他垃圾，完成一個(gè)處理流程。處理后的垃圾可分為塑料垃圾、金屬、廚余垃圾三類，達(dá)到分類的目的。

2 各個(gè)環(huán)節(jié)的具體設(shè)計(jì)說(shuō)明

2.1 攪拌和抬升裝置詳細(xì)說(shuō)明

圖3所示為分離罐的正面及背面示意圖，利用分離罐可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料垃圾進(jìn)行分離。

(a)正面圖

(b)背面圖圖3 分離罐示意圖

在分離罐的中下部安裝有一個(gè)渦輪攪拌裝置，它由圖中的渦輪、電機(jī)和電機(jī)支架組成[4]，渦輪設(shè)計(jì)為“六后彎葉開(kāi)啟渦輪槳”，六后彎葉開(kāi)啟渦輪槳是由六個(gè)葉片組成的開(kāi)啟式渦輪，攪拌時(shí)罐內(nèi)的浮沉物質(zhì)需要分離，開(kāi)啟式不會(huì)阻擋罐內(nèi)液體的上下循環(huán)，停止運(yùn)轉(zhuǎn)也不會(huì)阻礙物塊沉底。

分離罐內(nèi)攪拌裝置的上面設(shè)有抬升裝置。抬升裝置由濾網(wǎng)板，液壓桿和翻轉(zhuǎn)舵機(jī)組成。其中液壓桿和翻轉(zhuǎn)舵機(jī)被放置在罐體兩邊的方形槽內(nèi)；兩個(gè)方形槽和圓柱罐共同組成了分離罐主體，濾網(wǎng)板的軸通過(guò)圓柱罐和方形槽連接處的開(kāi)槽和翻轉(zhuǎn)舵機(jī)連接。

經(jīng)注水口B注水后，紅外液位傳感器A檢測(cè)到水位達(dá)標(biāo)后停止注水，接著攪拌裝置開(kāi)始運(yùn)行；攪拌完畢后，原本豎置處于罐體中部的濾網(wǎng)板由翻轉(zhuǎn)舵機(jī)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)到水平，再由液壓桿抬升到指定高度，完成抬升的操作。

2.2 傳送裝置詳細(xì)說(shuō)明

分離罐分離塑料后，剩下的垃圾通過(guò)一個(gè)自動(dòng)開(kāi)合的底蓋進(jìn)入到傳送裝置中，如圖4(a)所示。傳送裝置由無(wú)底容器、傳送帶、電機(jī)和旋轉(zhuǎn)門組成。分離塑料后的經(jīng)過(guò)自動(dòng)開(kāi)合底蓋進(jìn)入無(wú)底容器后，再由傳送帶拖動(dòng)沉底垃圾通過(guò)縮頸口，縮頸口的大小設(shè)計(jì)為僅允許少量碎塊依次通過(guò)，碎塊依次通過(guò)后，再使用一個(gè)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)每間隔一定的時(shí)間通過(guò)一定量的碎塊，方便金屬識(shí)別。

(a)底蓋和傳送裝置

(b)傳送裝置詳圖圖4 傳送裝置

2.3 金屬檢測(cè)模塊

圖5所示為金屬檢測(cè)模塊原理圖，利用金屬傳感器 E30-15AO，工作時(shí)與一個(gè)STM32相連。當(dāng)金屬類垃圾接近金屬傳感器前方探頭時(shí)，金屬傳感器向STM32發(fā)送一個(gè)信號(hào)。經(jīng)過(guò) STM32 處理，LED被點(diǎn)亮，指示此物體為金屬。利用STM32和電機(jī)作為控制執(zhí)行系統(tǒng)，通過(guò)金屬傳感器1發(fā)出指令和反饋信息，達(dá)到自動(dòng)控制目的。

圖5 金屬分離裝置電路圖

圖6所示為金屬分離裝置，它主要由金屬傳感器和控制推桿及滾筒組成。通過(guò)旋轉(zhuǎn)門的定量碎塊通過(guò)傳送裝置輸送至金屬檢測(cè)區(qū)，物體屬性信息由金屬檢測(cè)儀采集到STM32中，分離用的皮帶傳送機(jī)由鏈條牽引，在分離軌道上移動(dòng)，待金屬傳感器檢測(cè)到金屬后，依賴于傳送帶系統(tǒng)，借鑒郵包分揀流水線的原理，在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)算出郵包到達(dá)指定金屬區(qū)所需要的時(shí)間，以便郵包到達(dá)金屬區(qū)時(shí)STM32發(fā)出信號(hào)，通過(guò)控制推桿及滾筒的電動(dòng)機(jī)把金屬類垃圾分揀到金屬區(qū)。

圖6 金屬分離裝置

3 總 結(jié)

垃圾的智能分類裝置結(jié)合城市垃圾的現(xiàn)狀，利用渦輪攪拌裝置、抬升裝置、金屬檢測(cè)裝置以及間隔排隊(duì)系統(tǒng)等從源頭解決城市垃圾的分類問(wèn)題，有效減少城市垃圾的分類成本，節(jié)能減排，使資源得到充分利用，降低資源的浪費(fèi)。裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，全程機(jī)械化、自動(dòng)化，能夠滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)大量城市垃圾分類處理的要求。