塑料垃圾智能回收装置的设计研究

张雅楠 丁治中,2 舒诗琦 陈 俊 胡 娇

(1、河海大学 机电工程学院,江苏 常州213022 2、苏州大学 艺术学院,江苏 苏州215123)

随着我国电商行业的繁荣、快递业的不断发展,包装材料垃圾与日俱增。根据《2020 年11 月中国快递发展指数报告》显示,1-11 月,全国预计完成快递业务量742 亿件。如何对快递包装垃圾回收成为快递业的重要问题,也是现在社会亟待解决的重要问题。塑料垃圾是快递垃圾中除纸质垃圾外占比最大的垃圾种类,其主要体现在快递外包装捆绑用的胶带以及填充物。塑料垃圾存在污染性高、质感轻盈不便运输、体积过大导致垃圾回收装置空间利用率低、回收利用率低等问题。为解决塑料垃圾难处理的问题,推进行绿色转型,更好实现我国达成“碳中和”[1]的目标,本文设计一款专门处理塑料垃圾的智能垃圾回收装置。

1 塑料垃圾智能回收装置的功能分析

1.1 智能垃圾回收装置的相关研究

目前对智能垃圾回收装置的研究与设计有很多,多是集中在富有产品语义的垃圾回收装置形态设计[2]、机器视觉和互联网技术的垃圾回收装置及其系统的智能性[3]上,对于不同种类的垃圾还未有针对性的智能回收装置的研究。机器识别的智能性很高,但由于其操作时间较长,用户在使用过程中需要长时间等待,这造成了用户体验较差,不愿使用或尝试相似产品,装置难以在实际小区中得以推广。加上机器视觉学习技术的成本较高,在智能垃圾回收装置还未形成产业链之际,多数小区物业对于购进智能垃圾回收装置较为乏力,这也是难以在我国进行大范围应用的关键。目前我国的智能垃圾回收装置多针对可回收垃圾,采取互联网积分制,但是在采访中发现,显示屏常处于提示已满状态,后续用户无法继续投放垃圾,装置的空间利用率低,可回收垃圾清运频率低。

1.2 塑料垃圾智能回收装置的设计思路

基于市场调研与分析,本文主要决定从以下角度进行改良设计：

1.2.1 引导用户了解塑料垃圾回收,提高居民的参与度；

1.2.2 保证垃圾回收装置的洁净性及耐久度；1.2.3 增加塑料垃圾回收装置的空间利用率；1.2.4 将塑料垃圾打包处理,更加智能化；1.2.5 利用人机工程学讨论设备局部尺寸,提升用户体验。

1.2.6 选取合适技术,控制成本。根据设计角度,从设计需求出发,结合可能使用到的技术进行梳理,对应设计改良点对后续的装置设计进行更进一步的分析(表1)。

2 塑料垃圾智能回收装置设计

2.1 塑料垃圾智能回收装置的部分人机尺寸关系

要通过配置合理尺寸的塑料垃圾智能回收装置来提升用户参与度,依照站姿双臂作业近身空间的原则,取箱体高度为≤187.5cm,以保证箱体不会太高导致用户产生压迫感；取垃圾回收口的高度为100cm≤垃圾回收口的高度≤125cm；由于显示屏作为一种控制界面,属于视觉信息作业界面,本设备的显示屏应属于固定屏,俯首仰首最大角度不超过15°,以防止颈椎疲劳；取显示屏的高度为137.5cm≤显示屏的高度≤175cm。

表1 塑料垃圾智能回收装置的设计思路分析

2.2 塑料垃圾智能回收装置的内部原理设计

根据前文分析,对塑料垃圾智能回收装置的运行机理和流程可进行如下描述：用户可通过触摸屏登陆自己账号,选择投放垃圾后,投料口的电子锁处于开锁状态,此时用户可投入塑料垃圾。塑料垃圾被投入后由粉碎机构对其进行切割处理,为了保障用户使用的安全,需要粉碎机构与用户之间形成一定高度差,并形成塑料垃圾的临时存储空间。在机器开始粉碎之后,落入收纳粉碎后塑料垃圾的热压仓内,当热压仓处于满载状态时,通过横向和纵向的热压装置对塑料垃圾进行压缩并轻微加热至表面融化形成块状体。同时,下方与热压仓相连的柜门有电子锁,平时处于上锁状态,当回收人员进行回收身份验证时,柜门方可打开。由于塑料垃圾智能回收装置的设计有热压环节,因此有散热孔时必要的,如热量过大还可增加散热机构用风扇对装置进行降温。为避免用户在装置已满的状态下,仍走到装置前进行操作,在装置顶部设置有指示灯,当机器不能运作或容量已满状态时,会呈现红色。在热压仓已满时,会及时通过网络发送相关信息给回收人员,由回收人员根据具体装置满载情况进行针对性清运。具体塑料垃圾智能回收装置的运作流程如图1 所示。

根据运作流程的分析结果,对塑料垃圾智能回收装置的结构进行细化[4]：装置主要包括箱体、触摸显示屏、电子仓、投递临时存储仓、粉碎机构、热压仓、垃圾出口柜门以及散热口。触摸显示屏位于电子仓的外壁前端但处于内缩状态,避免雨水对电子部件的侵蚀；电子仓、投递临时存储仓、粉碎机构和热压仓均设置在箱体内部。电子仓位于箱体上部空腔；投递临时存储仓位于电子仓下方用于存储刚投入还未被粉碎的塑料垃圾；粉碎机构位于投递临时存储仓的下料口的下方并处于装置后端,避免垃圾投放者将手伸入造成不必要的安全隐患；热压仓设置在粉碎机构的出料口下方,可用于储存被粉碎的塑料垃圾,并对其进行压缩加热成块处理；垃圾出口柜门设置在箱体外壁的下部并于热压仓相连；箱体外壁上设有若干散热孔,箱体的外壁顶部设有指示灯。其中,电子仓内设有电源和中央处理器,电源与各用电装置电性连接,为各用电结构供电,以保证装置的正常运行。中央处理器安装在触摸显示屏背面主板上,通过数据接口与触摸显示屏连接,用于与触摸显示屏进行信息的接收与反馈,当触摸显示屏识别使用者身份之后,会发布指令打开不同的电子锁,此时用户方可进行下一步操作。对于垃圾投放者,投料口的电子锁上安装有感应器,当塑料垃圾被用户投入时,感应器向CPU 发出消息,此时CPU 对粉碎机构发布指令要求其开始进入粉碎待机状态,当塑料垃圾落入粉碎机构上方,用户合上投料板时,粉碎机构开始运行。另外,中央控制器会根据热压仓内的红外线感应装置反馈的信息判定热压仓内容量是否处于较慢状态需要进行压缩成块处理。中央控制器在塑料垃圾已压缩成块后会发出指令让指示灯的颜色发生改变,并同时通过网络对回收人员发布具体机型及所在地点已满的信息,及时告知回收人员对已压缩好的垃圾块进行回收,如图2。热压仓包括纵向热压装置、横向热压装置和块状垃圾重量传感器,纵向热压装置安装在热压仓顶部,横向热压装置安装热压仓后侧,重量传感器安装在热压仓底部。纵向热压装置、横向热压装置分别与所述中央处理器控制连接,由于粉碎机构在装置后方,塑料垃圾可能呈现前少后多的趋势。因此当每次粉碎机构粉碎完塑料垃圾停止运转时,CPU 会控制横向热压装置处于不发热状态将塑料垃圾推至垃圾块取出柜门附近,纵向热压装置会向下施力减少因塑料蓬松而导致的内部空间利用率低下。当被反复压缩后的塑料垃圾超过内部容量可压缩标度最大值时,CPU 会发布指令让热压装置对其进行加热融化表面并更进一步压缩,以保证塑料垃圾可以形成块体,便于回收人员车辆运输。针对用户的积分政策,为与热压仓底部的重量传感器与所述中央处理器连接,可进行每次投入垃圾的重量差额计算进行反馈,同时告诉用户减少的碳排放量,激发用户使用塑料垃圾智能回收装置的积极性。

图1 塑料垃圾智能回收装置运作流程图

3 结论

对比智能垃圾回收装置,可以看出本设计具备以下优势：(1)装置平时处于密闭状态,不会产生异味。(2)严格根据用户身份进行电子锁开合控制,保证装置的安全性和完好性。(3)装置将垃圾进行临时存储再进行粉碎保证用户投递缓冲时间,并减少因用户错误伸手进投料口而造成的安全事故。(4)装置对垃圾进行热压减小垃圾体积,增大装置的内部空间利用率且成为块状方便运输；(5)装置可与用户产生更多互动和反馈,调动用户的积极性,明确垃圾分类；(6)是针对塑料垃圾的一款针对性设计方案,从设施上实现垃圾分类,更具有切实可行性。

图2 塑料垃圾智能回收装置内部原理示意图

事实上,根据垃圾不同开始从垃圾回收装置地种类细分对于用户正确地投放垃圾具有引导作用,合理有针对性地设计方案能够更好地被用户所接受和使用。针对智能垃圾回收装置的研究和推广,还需要后续更多研究人员和相关厂家共同携手开发,为打好我国垃圾分类攻坚战献计献策,为实现我国可持续发展而奋斗。