可回收垃圾分类装置设计中SolidWorks的应用

西安工业大学机电工程学院 邵林鹏 钟文瀚 万宏强 李 欢

针对可回收垃圾分类中人工投入大、分拣效率低的问题，本文设计了一款垃圾分类装置，可对废铁、塑料瓶、废纸等几类垃圾进行分类，该装置由进料装置、风选装置、磁选装置、传送带、光电传感器分选装置五部分组成，整个装置结合机械学、光学、电学原理，利用PLC控制。本装置降低了劳动成本，提高了分拣效率。

随着城市化的发展，人们生活水平不断提高，所制造的垃圾也越来越多，其中大量的可回收垃圾在无分拣的情况下被随意丢弃倾倒，造成了资源的浪费。我国的可回收垃圾主要包括塑料瓶、易拉罐，包装盒等,目前主要通过人工分拣的方式对可回收垃圾进行分类，不仅投入大量人工，而且效率低下。因此，国内外学者针对可回收垃圾设备进行了一系列研究,盛丹设计了一种基于传感器识别材质，从而实现识别投入垃圾材质自动分类；刘宁设计了一款塑料垃圾风选装置，能够对塑料等轻质垃圾进行分类。国内外的可回收垃圾分类设备仅仅只能对少数垃圾进行分类，而且结构复杂、占地面积大、分类准确性低，因此需要设计一款高效、快捷、分拣效率高的可回收垃圾分类设备。

本文介绍一款利用风能、电能、磁能、机械能等多种能量，结合传感、控制技术等学科的可回收垃圾分类回收设备，其可对塑料瓶、易拉罐、塑料等多种垃圾进行高效分类。

1 总体设计

本装置由进料装置、风选装置、传送带、磁选装置和光电传感分选装置五部分组成。待回收垃圾进入进料箱，在重力的作用下会自由下落，进料箱的出口处设计有拨页，可以防止垃圾在进料箱的出口发生堵塞，实现垃圾均匀的下落，避免出现堆积，有助于接下来的垃圾分类。垃圾由进料箱下落后，经过风选装置，该装置的风力可以将垃圾中的废纸、塑料瓶等轻质垃圾吹出，从而实现分拣废纸与塑料瓶。其余垃圾则是落在传送带上，随着传送带运动，垃圾经过磁选装置，由于磁力的存在，垃圾中的废铁等铁制品被吸附出来，由另一侧落下，从而实现废铁拣出。剩余垃圾再进入光电传感分拣装置，光电传感器对传送带上的垃圾进行识别，当有玻璃瓶经过时，则会发出信号，PLC收到信号后，传递给步进电机信号，将传送带上的玻璃瓶推下来，达到分拣玻璃瓶的目的。本装置分拣流程如图1所示，其结构如图2所示。

图1 分拣流程图

图2 结构图

2 各装置设计

2.1 进料装置设计

进料装置主要包含四个部分：箱体、V带传动、电机、拨叶。选取电机型号为Y-90S-6，拨叶每次带动的垃圾约为1kg，轴半径为100mm。箱体形状为楔形，垃圾由上口进入，其尺寸为长550mm，宽400mm。在重力的作用下，垃圾向下移动，到达下口，其尺寸为长550mm，宽250mm。V带为A型，小带轮的基准直径为100mm，大带轮的基准直径为300mm，V带的基准长度为2240mm。

2.2 风选装置设计

风选装置的作用是分选垃圾中的塑料、废纸等质量较轻的垃圾，其主要部件为风机，其原理是利用风力对物体的作用。风机的电机型号为S9I90GT，得到风量为3177.9m3/h。

2.3 磁选装置设计

磁选装置主要是通过两个物理现象来进行分类：即时间不同磁场感应能力也不同，这种规律称之为电磁感应定律。通有电流的导体能激发出磁场，这类现象被叫做毕奥-萨伐尔定律。在选择磁场装置时也要参考不同的原理，其主要原理如图3所示，按照相关规定交替安置磁铁，并让其在高速旋转的状态中进行工作，在运行过程中也会产生不同方向的磁场，在金属经过该磁场时，会根据金属不同的属性产生不同形状的涡流。在涡流内也会产生一个小磁场，其方向与磁场装置的磁场方向相反，在相互作用力下，可以实现废弃金属的再回收利用。磁选装置的磁筒根据需要设计其转速为60r/min，磁筒的重量为150kg，选取电机型号为Y132S-8。

图3 磁选原理图

2.4 传送带设计

传送带的主要作用是承载运输垃圾，并使其便于分类。传送带主要包括传送支架、电机、主动滚筒、从动滚筒、传送带、张紧装置等（图4）。传送与分拣部分正常工作时，主动滚筒所受的圆周力为283N，主、从动滚筒的中心距2338mm，传送带宽400mm，厚4mm。堆积的垃圾最多为50kg，电机型号Y80M1-4。

图4 传送带

3 光电装置与PLC控制

光电传感器的作用是识别传送带上途经识别区垃圾中的玻璃瓶。垃圾经过风选装置、磁选装置，已经分选出了塑料瓶、废纸和废铁等垃圾，此时传送带上的剩余垃圾较少，便于光电传感器识别。

垃圾经由传送带上的识别区域，光电传感器对垃圾里面的玻璃瓶进行识别，当检测到有玻璃瓶存在时，立即向PLC传递电信号，PLC收到信号后，控制步进电机旋转，对垃圾里面的玻璃瓶进行分拣。其具体工作流程如图5所示。

图5 光电传感分拣装置工作流程

PLC的主要功能是接收来自光电传感器的电信号，控制分拣装置对传送带上垃圾中的玻璃瓶进行分拣。分拣装置为双向作用，即每次PLC收到光电传感器的信号，步进电机作用一次，通过丝杠将分拣从传送带的一端滑到另一端。当第二个信号到来时步进电机反向作用，实现玻璃瓶的分拣。

结论：本装置每部分功能分别是：进料装置的作用是将堆积在一起的垃圾分离开来，使其可以较为分散的分布传送带上，有利于后面的垃圾分类；传送带起到一个运输承载的作用，并便于可回收垃圾的分类；风选装置是利用风机提供的力，将垃圾中的轻质垃圾即废纸、塑料瓶分拣出来；磁选装置则是通过电磁装置去吸引垃圾中的铁质物品，从而分拣废铁；光电传感分拣装置利用传感器与PLC控制，将识别出来的塑料瓶从垃圾中分拣出来。本装置结构简单，效率高，并可以对其进行拓展，设计更加完善的垃圾分类装置，在垃圾分类方面具有极高的应用前景。