廚房食物垃圾處理裝置—食品垃圾處理器的設計【23張CAD圖紙、說明書】

廚房食物垃圾處理裝置—食品垃圾處理器的設計【23張CAD圖紙、說明書】,23張CAD圖紙、說明書,廚房,食物,垃圾處理,裝置,食品,垃圾,處理器,設計,23,CAD,圖紙,說明書 　畢業設計說明書（論文）中文摘要 本設計依據我國實際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預處理裝置——食物垃圾處理器。垃圾處理器的驅動電機和粉碎刀盤為機器的關健部分，直接影響機器的使用效果，所以本設計著重對粉碎刀盤和驅動電機進行設計論述。對于粉碎刀盤和刀片，先對工作載荷進行力學分析，計算流體阻力，進而選擇材料及對刀盤、刀片進行強度校核。根據我國食物垃圾的特點，設計采用組合刀盤式粉碎刀。設計中驅動電機的運行特征為時間短，啟動頻繁，斷續工作，其性能直接影響著廚房食物垃圾處理器質量的好壞，本設計采用電機為永磁直流電動機，它的優點是結構簡單、體積小、出力大、效率高。此次設計的食物垃圾處理器，避免了目前同類產品完全采用交流電機、選用昂貴材料的做法，使機器的制造和使用成本降低。 關鍵詞：食物；垃圾；刀盤；永磁電機 畢業設計說明書（論文）外文摘要 According to the characters of food garbage, the paper design a new device一kitchen food garbage disposal. For the kitchen food garbage disposal, the motor and cutters are crucial parts, so the paper mainly discusses them.Through analyzing mechanical, the article figures out liquid resistance and liquid pressure; we obtain resistance of trash when it be smashed. because the garbage in our country own different rigid and stickiness, so the cutter is made up by fasten-cutter, swing-cutter and rotation cutters .In this paper, electric machine has features that it star frequency and work intermittence. For it is crucial for the device, so it is important to choose a appropriate motor. Now, we decide to apply permanent magnet direct current motor, the magnetic pole of permanent magnet direct current motor is a permanent magnet material, it is excellent in simple structure: small volume, powerful output and high efficiency.In this paper, Compared to foreign machine, improve crush efficiency through alter the structure of combination cutters, then, decrease the cost . Key words：food; garbage; cutters; permanent magnet motor 目　錄 1　緒論 - 1 - 1.1　廚房食物垃圾處理的緊迫性 - 1 - 1.2　廚房食物垃圾的特征及其危害 - 2 - 1.2.1　廚房食物垃圾的特征 - 2 - 1.2.2　廚房食物垃圾的危害 - 3 - 1.3　食物垃圾處理的方法 - 3 - 1.3.1　衛生填埋 - 3 - 1.3.2　焚燒 - 4 - 1.3.3　堆肥 - 4 - 1.3.4　作牲畜飼料 - 5 - 1.4　食物垃圾處理器的發展及應用現狀 - 5 - 1.5　課題目的和研究意義 - 6 - 1.5.1　課題目的 - 6 - 1.5.2　研究的意義 - 6 - 1.6　方案論證 - 7 - 2　廚房食物垃圾處理器的設計 - 9 - 2.1　廚房食物垃圾處理器的可行性分析 - 9 - 2.2　廚房食物垃圾處理器的工作原理及組成 - 10 - 2.2.1　廚房食物垃圾處理器的工作原理 - 10 - 2.2.2　廚房食物垃圾處理器的組成 - 11 - 2.3　粉碎刀盤組合刀具結構設計 - 12 - 2.3.1　刀具基本尺寸的確定 - 12 - 2.3.2　粉碎刀盤的力學分析及材料的選擇 - 12 - 2.3.3　粉碎刀盤的強度校核 - 15 - 2.3.4　刀片的強度校核 - 17 - 2.3.5　粉碎刀盤的結構設計 - 18 - 2.4　驅動電機的選擇 - 19 - 2.4.1　電動機種類的選擇 - 19 - 2.5　其它部分設計 - 21 - 2.6　廚房食物垃圾處理器的裝配 - 22 - 3　結論 - 23 - 參 考 文 獻 - 25 - 謝　辭 - 27 - - 28 - 1　緒論 1.1　廚房食物垃圾處理的緊迫性 隨著我國經濟的發展，城市生活水平的提高和人口的增長，人們在不斷美化居室的同時，也在追求廚房的整潔、衛生和科學化。然而，人們在廚房精工細作時，往往會忽略一個嚴重的問題，即食物垃圾或下角料的處理，從而造成生活垃圾的排放量急劇增長。據建設部調查統計，2001年我國城市生活垃圾清運量為1.35億噸/年，占世界總量的四分之一以上[1]，各種生活垃圾的排放量每年仍以8-10%的速度增加。由于垃圾產量的快速增加和我國垃圾處理能力的不足，給人民生存環境和日常生活帶來危害。目前，我國生活垃圾日處理量僅占垃圾生產總量的45%，有近一半的生活垃圾不能及時處理而隨意堆置，剩飯和剩菜以及下角料等常常倒入洗滌盆的下水管內，如不及時處理，這些食物垃圾就會堵塞下水道并在下水道內腐爛、發臭，造成細菌滋生、老鼠橫行、污水橫流，嚴重污染家庭和公共場所環境，夏天尤其嚴重，由此給生活帶來許多麻煩，嚴重的影響著人們的生活環境和身體健康。同時，中國的人均耕地面積不足，遠遠低于世界人均的水平，可全國未經處理而堆存的垃圾達60億噸，占用土地約50萬，在大量浪費土地資源的同時也對土地產生污染[2-9]。有資料表明，1節一號電池可使1平方米的土地失去其使用價值。在水資源方面，中國是世界上13個貧水國之一，全國668座城市中有400多座城市缺水，其中110座城市嚴重缺水，而歷年堆放垃圾中的重金屬以及在垃圾腐爛過程中產生的病原微生物，使一些城市的水源遭到污染。 在我國，垃圾處理主要采用填埋技術，但填埋的技術不過關，在耗費大量財力的同時產生垃圾的二次污染，嚴重影響著人們的正常生活環境。垃圾產量的迅速增長，己經制約了城市的發展，我國政府對垃圾處理問題高度重視，在不斷的增大投資力度，加強垃圾的處理。同時，還制定了一系列相關政策及規范，提出了“以減量化為基礎，以無害化為主體，以資源化為目標”的方針。目前，結合我國生活垃圾的特點，開發較為有效的處理技術已成為當務之急。 近幾年來，由于人們生活水平的提高，生活結構的改變，生活垃圾的成分也發生了很大變化。集中供熱和煤氣的廣泛應用，使垃圾成分中煤灰的比例大為減少，而食物垃圾的數量越來越大，占城市生活垃圾總量的50%，并呈上升趨勢。在上海，每天產生生活垃圾約1.3萬噸，其中70%為食物垃圾，每年處理的總量達300萬噸。在北京，每天產生的剩飯、剩菜就達1600多噸，每月回收饅頭20噸左右，相當于140人一年的口糧，而且春節期間至少增加50%以上[9]。從環境衛生角度看，食物垃圾是一種污染，但從資源角度看，它也是一種再生資源，這些被丟棄的有機物可通過生物技術變為優質的有機肥，而去掉有機物的生活垃圾用來焚燒發電，可有效的緩解能源危機，具有生態環境效益和社會效益[8]。表1為上海市1988-2000年生活垃圾成分調查統計以及2005—2015年預測值[l0]。 表1　1988-2000年上海市生活垃圾成分調查統計及2005-2015年預測值 年份 產生量 有機垃圾（％） 無機垃圾（％） 紙類 塑料 竹木 布類 廚余 果類 金屬 玻璃 渣石 1988 240 4.30 2.99 1.94 1.68 70.61 10.94 1.02 2.91 3.61 1990 301 4.26 4.19 1.44 1.14 70.05 12.04 0.10 3.74 2.91 1993 335 8.36 7.54 1.89 1.97 61.09 11.08 0.72 4.74 1.86 1995 372 6.50 11.21 1.47 2.17 56.66 11.99 0.91 3.81 2.29 1997 454 8.05 11.78 1.44 2.24 58.06 12.03 0.58 4.00 1.82 2000 641 8.02 13.93 1.43 2.81 54.66 12.84 0.85 4.15 1.26 2005 709 10.83 13.21 1.93 3.21 62.37 0.83 5.45 2.70 2010 863 12.82 12.98 2.49 4.41 58.76 0.98 5.64 1.92 2015 1050 15.44 12.6 2.86 5.28 55.78 0.87 5.36 1.79 通過該表可見，在上海市的生活垃圾中，有機易腐敗的垃圾成分(廚房垃圾)和可燃成分(紙張、塑料橡膠、織物等)占有很大比例，其中廚余為生活垃圾中有機垃圾的主要成分，而無機垃圾成分是在持續下降的。 1.2　廚房食物垃圾的特征及其危害 1.2.1　廚房食物垃圾的特征 食物垃圾主要是指在食物加工和飲食消費過程中產生的易腐爛、易生物降解的廢棄物，是城市生活垃圾的主要組成部分[10]，在城市垃圾中所占比例北京37%，天津54%，上海59%，沈陽62%，深圳57%，廣州57%，濟南41%。與其他垃圾相比，具有含水量、有機物含量、油脂含量及鹽分含量高，營養元素豐富等特點，具有很大的回收利用價值。[24]一般在食品加工過程中產生的食物殘余稱為廚余，飲食消費后的食物殘渣稱為浴腳，從化學成分上看主要是淀粉、纖維素、蛋白質、脂類和無機鹽等[11-16]。 食物垃圾的來源比較集中，主要是城鎮菜場垃圾、餐館飲食垃圾、家庭廚房垃圾及各種市場的瓜果皮等城鎮垃圾。我國食品結構復雜，食物垃圾呈現多、硬、雜、粗等特點[17]。 1.食物垃圾具有較低的發熱值 發熱值又稱發熱量，是指1的垃圾完全燃燒后所釋放出的熱量，人們常用發熱值來衡量或表示垃圾作為燃料的價值和能力。由于食物垃圾的水分含量很高，所以其單位質量的低位熱值在2100-3100左右，(當垃圾的平均低位熱值高于3349時，焚燒過程不用添加任何助燃劑，高于4180時可進行余熱利用如發電)故需加入燃油或煤等助燃，增加成本，同時要注意控制溫度，防止灰塵、二惡英等有害物質產生[15]。 2.營養元素高，可實施資源化 食物垃圾中營養元素含量高，干物料中粗脂肪約為29%，是大豆的1.5倍；粗蛋白約占20%，是玉米的2倍，有實驗表明粗脂肪消化率為88.26%，粗蛋白消化率為89.63%，其消化率與常規飼料相近，是生產綠色飼料最理想的原料。但是由于我國垃圾不是分類處理，各種垃圾都混合在一起，導致大量營養元素的浪費。 1.2.2　廚房食物垃圾的危害 廚房食物垃圾中含有大量易腐物質，而我國垃圾收集容器和運輸車輛對其并不適宜，從而帶來在垃圾收集和運輸過程中的二次污染。同時，食物垃圾因其含水量大，又是垃圾填埋場的滲濾液的主要來源。由于食物垃圾易腐爛，產生臭氣污染大氣的同時還使蒼蠅，嶂螂等害蟲橫行，傳播疾病。加之人們環保意識比較薄弱，在一些城郊結合區，可以看見餐廚垃圾被隨意倒入陰溝、路邊，嚴重影響了市容環境衛生。再者，我國有把餐廚垃圾作為牲畜飼料的習慣，一些垃圾的細菌、重金屬會通過牲畜的內臟危害人體的健康，更有甚者，有一些不法之徒為了謀求暴利，降低成本，甚至用“浴水油”提煉色拉油來加工食品，毒害百姓。廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細菌、招引小蟲，成為揮之不去的家庭污染源。食物垃圾占50%左右。解決食物垃圾對家庭的污染已成為提高家庭生活質量的標志之一。近幾年，食物垃圾處理器在韓、日等國也得到了高速發展。在北京一些大批量高檔精裝修房已使用了食物垃圾處理器，業內人士表示，食物垃圾處理器與微波爐等家用電器一樣，將成為家居廚房的標準配置。 1.3　食物垃圾處理的方法 由于我國垃圾沒實行分類管理，所以廚房食物垃圾混合在城市生活垃圾中做一般常規處理。 1.3.1　衛生填埋 此特點是操作簡單，可處理多種類型的垃圾，但投資大，占地多，垃圾處理沒有減量化和資源化。填埋場受容量的限制，有一定的使用期限，一個填滿后，又要重新征地新建，而我國耕地面積小，這樣就出現了“人與垃圾爭地”的局面。另外，由于衛生填埋產生的滲濾液能使周圍的地下水及土壤受到污染(美國就曾發生過花費數百億美元治理被垃圾填埋場滲漏液污染的地下水事件)，故國外一些國家規定填埋的垃圾中有機質含量不能超過5%。我國在有機垃圾的含量持續升高的同時，真正達到要求的填埋廠卻并不多，有關部門對我國298個垃圾填埋場調查后得知有191個填埋場滲濾液無任何處理或防護措施直接外排，對107個垃圾填埋場的濾液進行監測，有86個超標，占81.4%，故我國垃圾填埋場附近的環境狀況并不樂觀[11-12]。垃圾填埋后，會釋放大量甲烷等溫室氣體，污染空氣產生溫室效應的同時也易引起爆炸，威脅著周圍居民的安全。再者，根據物質不滅和能量守恒定律，垃圾是物質循環和能量流動的一種形式，其內部蘊藏著巨大的能量和價值。食物垃圾中含有更加豐富的有機物質，可回收再利用的成分很高，卻被直接的丟棄，造成能源的浪費[13-14]。所以填埋雖然現在是垃圾處理的主要方法，但今后會不斷的減少。 1.3.2　焚燒 焚燒是在高溫下燃燒垃圾,達到大量削減固體的目的，能迅速實現垃圾的“減量化”，焚燒后的體積僅為原來的5%-15%[16]，同時焚燒產生的余熱還可以發電和供熱，對于土地面積比較小的國家，此種方法受到青睞。在日本，垃圾焚燒量超過66%[17]。其缺點是產生煙塵污染，投資大。我國引進的垃圾焚燒設備，若處理100垃圾，其建設成本接近1億元人民幣口[18]，中等城市的財政難以承受。另外，我國的垃圾結構也不適合焚燒，表2和表3為長春市主城區生活垃圾的三種成分和垃圾各組分的含水率調查統計。 表2　生活垃圾成分的百分數（％） 表3　垃圾各組分的含水率（％） 成分 朝陽區 二道區 平均值 含水率 朝陽區 二道區 平均值 含水率 68.5 63.2 65.85 紙 68.6 71.3 69.95 可燃分 20.6 22.3 21.45 纖維 67.3 57.8 62.55 灰分 10.9 14.5 12.7 塑料 46.8 53 49.9 橡膠 20.6 48.9 34.75 廚余 71.5 76.2 73.85 金屬 0 0 0 通過表2和表3的分析可知：在長春市區內的垃圾含水率較高，平均為65.85%,正是由于垃圾的含水率高，因而降低了垃圾的熱值，增加了垃圾的焚燒難度。在各種垃圾組分中，廚房殘余垃圾的含水率最高，而且它的組分含量也最大，所以，影響生活垃圾焚燒效果的主要因素為廚房殘余垃圾。因此，要想對垃圾采用焚燒的處理方式，最好是首先把廚房殘余垃圾解決好。 1.3.3　堆肥 堆肥適合于食物垃圾，我國常采用傳統的厭氧堆肥，但其周期長，常為3-6個月，并受季節性影響。由于垃圾的混合收集[13]，垃圾中的重金屬(Pb，Cd，Hg)等在雨水的作用下滲到有機肥中，用這種肥種出的食品其重金屬含量必定會超標，危害人體健康[17-19]。資料表明，1顆紐扣電池可以污染60萬升的水[16]，1節一號電池可以使的土地失去其使用價值[20]。所以，無法對重金屬含量進行嚴格控制的堆肥必須慎用。另外，由于化肥的低廉價格及廣泛應用，使堆肥的前景并不樂觀。 1.3.4　作牲畜飼料 由于食物垃圾中含有豐富的有機物質，長久以來，許多農民到各飯店、餐館收集泔水，然后未經任何處理直接運回喂豬生產垃圾豬。另外，泔水在運輸途中容易變質，嚴重的影響著人們以及牲畜的身體健康。歐洲在1997-1998年間就發生過因垃圾飼料引起的Swine Fever疾病，導致家畜集體死亡的事件。在我國，北京、上海等地也都先后明令禁止運用此類垃圾喂牲畜[16][20]。 由此可見，食物垃圾因其特有的性質以及傳統的不合理的處理方法，給人們造成危害的同時也使資源白白的浪費，故找尋合適的處理食物垃圾方式是一項緊迫的任務。 1.4　食物垃圾處理器的發展及應用現狀 目前，世界各國尋求的方法各不相同，在加拿大，政府向居民免費或低價提供堆肥桶，鼓勵居民將廚房垃圾在自己家進行處理，而美國則鼓勵居民采用食物垃圾處理器，一種可以安裝在水槽下面的小型機器。廚房中產生的食物垃圾可以被其快速粉碎為小顆粒，隨流水一起進入排水管道。食物垃圾處理器起源于美國。據有關資料記載，在上個世紀30年代，一位名叫約翰·海墨的設計師在自己的地下室設計出了世界上第一臺食物垃圾處理器，這一富于想象力的設計目的是為了減輕自己妻子廚房事務的負擔，并且使廚房環境更干凈一些。產品最初的設計十分簡單。只有一臺用電動機驅動的滾刀式粉碎機。隨后的幾十年，該產品得到了不斷的改進和提高，逐步被消費者所接受，在上個世紀的60年代，開始在美國市場上形成批量銷售，之后，該產品的實用價值及其優點得到了政府和有關部門的認可，為全面考察食物垃圾處理器可能造成的影響，20世紀80年代紐約市政府曾聯合美國環保局、城市管道部門、國家衛生部等多方面力量，進行了一項為期三年的聯合調查，試圖從多角度來評估食物垃圾處理器對城市周圍水質、城市管道、污水處理廠、耗水量和耗電量的影響，結果表明，食物垃圾處理器的應用對城市水質沒有任何影響，城市管道不被堵塞，增加污水處理的負擔，耗電量及耗水量有所增加，但可大大降低城市中食物垃圾數量。由于固體垃圾的處理費用遠遠高于廢水的處理費用，所以綜合全面因素進行核算，應用食物垃圾處理器可以為國家節約成本[20-26]。通過倡導安裝，實現了減少生活垃圾及排放物，從源頭抓起的目的，進而達到了垃圾的減量化、資源化、無害化的效果。這種食物垃圾處理器目前在美國的家庭中使用率已很高，并由此波及至其他國家[25]。目前，這一機器在美國家庭普及率為95%以上，居世界首位，并波及世界其它國家，像瑞典、澳大利亞、法國、日本等都相繼研究和應用食物垃圾處理器，其中日本普及率達到35%以上。 在上世紀九十年代末，食物垃圾處理器進入中國?，F在，美國艾默生電氣公司的工SE系列、美國通用電器的Dispose系列、美國摯通公司的U系列等幾種品牌的食物垃圾處理器壟斷中國，但中國自行研制的適合我國的食物垃圾處理器卻仍為空白，相關資料很少。由于直接照搬國外產品，它不適合中國的住房特點和飲食結構。首先，國外機器采用交流電動機，交流電動機的特點是結構簡單，轉速范圍廣，維護方便，但它噪音大，體積大且笨重，歐美國家廚房的水槽偏厚，可以承受住大壓力，可中國水槽薄，食物垃圾處理器很容易把水槽壓壞。同時，機器使用中產生的大噪音也是不容忽視的因素。另外，國外機器價格太高，一般百姓難以承擔。像美國摯通公司生產的U-308型食物垃圾處理器價格為1580元，而insinkerator公司生產的同規格產品價格竟為2500多元，如此高的價格為食物垃圾處理器在中國的廣泛推廣設置了障礙。 鑒于以上因素，研制一款適合我國國情的食物垃圾處理器十分必要。 1.5　課題目的和研究意義 1.5.1　課題目的 依據我國的實際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預處理裝置——廚房食物垃圾處理器，使居民在家中可以直接對廚房垃圾進行初步處理，處理掉的食物垃圾通過下水管路排到陰井中。這樣就在源頭上避免了食物垃圾造成的污染，同時實現了城市生活垃圾的減量化之目的。 1.5.2　研究的意義 國外成功的應用食物垃圾處理器來減少食物垃圾的經驗，為我們處理日益增加的食物垃圾開辟了一條新途徑，從而呼喚適合我國的食物垃圾處理器。另外，從源頭解決處理廚房食物垃圾污染的研究還是有很多優點： 1 減少易腐垃圾數量，提高環境質量 目前，國家對生活垃圾的處理原則是垃圾的減量化、無害化和資源化。而減量化位居第一位，可見其重要性。廚房垃圾處理器為食物垃圾的破碎預處理裝置，可對廚房垃圾進行初步處理，不但減少垃圾的堆放量，同時確保人們有一個健康、整潔的生活環境，進而減少疾病的傳染。 2 于垃圾的再處理 由于廚房垃圾含有大量的水分，給垃圾的焚燒帶來很大的困難，上海浦東垃圾焚燒廠現在就是依靠添加輔助燃料如油進行垃圾焚燒，這樣一方面增加垃圾成本，另一方面在能源緊缺的中國還造成能源的大量浪費。但是若把廚房垃圾在源頭切斷，則可大大的提高生活垃圾的焚燒熱值，同時對垃圾填埋產生的滲漏問題也可大大改觀。 3 有經濟、社會效益 由于我國經濟與科技水平還不十分發達，高額投入垃圾處理有較大困難，許多固體垃圾處理廠在引進國外先進技術后，由于缺乏科學的管理和資金的支持，處于半停產狀態；一些小區雖然引進廚房垃圾的生化處理機，但其使用成本太高，己經超出百姓的支付能力范圍。擬研制的食物垃圾處理器作為一種面向家庭、賓館及飯店的小型機器，突有體積小，成本底，經濟耐用的特點，可以被人們所接受。加上政府在政策和輿論大力宣傳引導，實行鼓勵政策，一方面提高了百姓的環境參與意識，充分調動社會力量保護環境。另一方面，政府還可把節省下來的大量開支(例：二次污染治理費、城市生活垃圾運輸費)用來研制、開發垃圾處理的新項目。 廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細菌、招引小蟲，成為揮之不去的家庭污染源。食物垃圾占50%左右。解決食物垃圾對家庭的污染已成為提高家庭生活質量的標志之一。近幾年，食物垃圾處理器在韓、日等國也得到了高速發展。在北京一些大批量高檔精裝修房已使用了食物垃圾處理器，業內人士表示，食物垃圾處理器與微波爐等家用電器一樣，將成為家居廚房的標準配置。 食物垃圾處理器是一種現代化的廚房電器，通過改變食物垃圾的形態來進行及時的食物垃圾無害化處理，能夠將食物垃圾粉碎成漿狀液體或極小顆粒直接從下水管道排出，可輕松實現即時、方便、快捷的廚房清潔，避免食物垃圾因儲存而滋生病菌、蚊蟲和異味，從而有效優化家居環境，并徹底解決下水道容易堵塞的問題。 家庭食物垃圾處理器可以解決家庭垃圾的煩惱--輕松處理食物殘渣、剩余物，讓廚房生活更輕松;使家庭環境得到改善--解決垃圾變質引發的環境污染，讓家庭和社區不再存放食物垃圾;由此讓家庭告別臟、亂的垃圾環境，遠離病菌、蚊蟲、蟑螂的困擾。 食物垃圾處理器在歐美國家使用率非常高，一些國家已經立法推廣。這種設備給家庭帶來了舒適健康的生活空間。食物垃圾通過處理后排放，不會對下水管道產生影響，更不會堵塞下水道。其帶來的社會效益和經濟效益驚人，前景十分看好。 1.6　方案論證 方案一：設計的機器利用活動齒盤和固定齒盤間的高速相對運動，使被粉碎物經齒沖擊、磨擦及物料彼此間沖擊等綜合作用獲得粉碎。這種機器結構簡單、堅固、運轉平穩、粉碎效率良好，被粉碎物可直接由主機磨腔中排出，粒度大小通過更換不同孔徑的篩網獲得。機殼內壁全部經機加工達到表面平整光滑，改變了老機型內壁粗糙、粉塵堆積的現象，但是作為食物垃圾處理器我們需要的是占地面積小，便于連接，同時耗電量能被一般家庭所接受。 方案二：設計的機器采用刀片切割和高速氣流沖擊，碰撞雙重粉碎功能于一體，在刀片切割粉碎過程中，轉子產生高速氣流隨刀片切割方向旋轉，物料在氣流中加速，并反復沖擊使物料同時受到雙重粉碎，加速物料的粉碎率。被粉碎的物料隨氣流進入分級室，由于分級轉子的高速旋轉，粒子既受到分級轉子產生的離心力作用，又受到氣流粘性作用產生向心力作用，當粒子受到的離心力大于向心力時，既分級徑上的粗粒子返回粉碎室繼續粉碎分級徑以下的細粒子隨氣流進入集粉器收集。這種機器具有能耗低，工藝流程短，占地面積小，無粉塵污染，產生熱量小，成品粒度細，粉碎范圍廣，物料含水量不限，進料粒度不限等特點。但是這種機器由于有風機，所以不能粉碎剛從水池中流下的食物垃圾，并且此種方案設計的機器噪音大、占地面積大，不能滿足家庭的使用要求。 方案三：設計的機器工作原理在刀盤高速旋轉時，被處理物不會與刀盤同步旋轉，從而產生一個速度差，加上離心力對被處理物的作用，使被處理物與刀盤的運動又不同向，這樣，依靠內齒環和端齒環及高速旋轉刀共同對被處理物的破碎，撕拉等作用，使食物垃圾迅速變為3-5mm顆粒。垃圾處理器由投入口、粉碎室、驅動電機和排污口四部分組，驅動電機為處理器提供動力來源，粉碎室內裝有多重多向粉碎功能的粉碎刀盤，是食物垃圾進行粉碎的場所，驅動電機和粉碎刀盤是垃圾處理器的關鍵部分，直接影響垃圾處理器的使用效果，這種機器更加適合我國的食物結構和住宅特點。避免了目前同類產品完全采用交流電機、國外進口電機、選用昂貴材料的做法，使機器的制造和使用成本降低，滿足一般家庭的使用需要。因此，我們決定采用第三個方案。 2　廚房食物垃圾處理器的設計 2.1　廚房食物垃圾處理器的可行性分析 固體垃圾的破碎裝置有碾磨、剪切、粉碎等多種方式，這是固體垃圾處理的預處理階段。本文所要設計的廚房食物垃圾處理器就是利用粉碎、剪切等方法把廚房食物垃圾快速粉碎成的顆粒狀，通過下水裝置排入污水管道系統。 排入污水管道的垃圾，其顆粒越小或密度越接近于水的密度，則顆粒不會沉淀。據上海市環境研究所和美國賓夕法尼亞的環境工程研究院最近聯合調查顯示，經美國摯通公司的U系列食物垃圾處理器處理過的食物垃圾在單位體積內的分子數平均低于水分子的含量，食物垃圾的沉淀量少。廢水由高處依靠重力作用以一定的流速流入污水管道系統。由于在進行污水管道的水力學設計時，其原則是：不沖刷、不淤積、不溢流、要通風。所以在我國規定，污水溝道的最小流速為。被粉碎到一定粒度的顆粒進入下水道后，在此流速下完全可隨水流沿城建管道送入生活污水處理廠進行處理[21]。食物垃圾處理器的工藝流程圖如圖1所示。 220V交流電源 水 旋轉電機 食物垃 圾 食物垃圾處理器粉碎室 粉碎刀 組 ≤5㎜的 顆粒流入 下水道 污水處理廠 圖1　食物垃圾處理器的工藝流程圖 荷蘭有研究人員在荷蘭選取一些老城區做的研究表明：在設計的城市管道容量下，不會堵塞排水管道，而且我國現在正在增加城建管道的容量，廣泛使用塑料管道，增加管道的抗腐蝕性，加大污水廠的處理能力等各項措施，都有利于食物垃圾處理器進入千家萬戶[22]。但是，由于國外情況與我國并不完全相同而且食物垃圾處理器對人們來說還是一個新事物，所以它能否被人們所接受，大量使用后的狀況如何等問題還需要進一步去驗證。 廚房食物垃圾破碎后的顆粒在隨水流動的過程中，有可能被管道上的淤泥所阻擋而滯留，這時有機顆粒依靠厭氧菌群和兼性菌群進行厭氧發酵。由于參加反應的微生物種類多，這一過程很復雜。一般可分為酸性發酵和堿性發酵兩個階段。在酸性發酵的過程中，纖維素、淀粉等碳水化合物水解成單糖，蛋白質水解成氨基酸，再經脫氨基作用形成有機酸和氨。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并進一步降解形成各種低級的有機酸。產氫和產乙酸菌群把上述水解發酵產物進一步分解為乙酸、氫和二氧化碳。在產甲烷菌群的作用下，生成甲烷和二氧化碳，完成對廚房垃圾有機廢物顆粒的消化過程。流入生活污水處理廠的有機顆?？勺鳛闋I養元為污泥提供營養，也可提取作為肥料再利用，這里不加以詳細論述。 2.2　廚房食物垃圾處理器的工作原理及組成 2.2.1　廚房食物垃圾處理器的工作原理 廚房食物垃圾處理器就是把廢棄食物倒入水池，隨水流下，落入粉碎室內腔的轉盤1上。盤中短柱軸2上裝有兩只可動破碎角爪3，盤上下各有一把三角形粉碎刀4，其根部相連。前部短片呈齒爪狀，位于垂直方向有夾角的個平面內。盤上可動破碎角爪與盤下粉碎刀組成旋轉刀組如圖2所示。粉碎室內壁由兩個半圓圈組合成一體，并且包裹住轉盤，但留有一定的間隙。它與轉盤之間有一定間隙。半圓圈如圖3所示。 旋轉刀組圖2 半圓圈圖3 轉盤由下部高啟動轉矩永磁電機驅動高速旋轉，依靠內齒環和端齒環及高速旋轉的刀共同對被處理物進行破碎，撕拉等作用，通過固定刀組與旋轉刀組實現多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、魚肉碎骨、果殼、蛋殼、剩飯、剩菜、蔬菜皮、咖啡渣、茶葉等廢棄物通過切、敲、磨、搗、撕等多重機械粉碎迅速變成微小顆粒,與水混合成糊狀漿液，使食物垃圾迅速變為顆粒，隨水流沖入下水道。這種垃圾處理方式不會阻塞化糞池，使食物殘渣容易清理，廚房環境更加清潔[23]。 2.2.2　廚房食物垃圾處理器的組成 設計的廚房食物垃圾處理器主要有入口部分、粉碎室、驅動電機和排污管組成，食物垃圾處理器工作原理如圖4所示。 圖4　食物垃圾處理器工作原理圖 粉碎室下部側壁設有排污管(出水彎管)，室內裝有多重多向粉碎功能的固定刀組和旋轉刀組，旋轉刀組由安裝在帶孔轉盤上下兩面的粉碎刀組成。 當水池內的食物垃圾，經入口進入粉碎室，隨水流下，便落入粉碎室內腔的轉盤上盤中短軸上裝有兩只可動錐形破碎角爪，盤上有菱形粉碎刀，盤上可動破碎角爪與固定粉碎刀組成旋轉刀組。粉碎室內壁四周嵌有套裝成一體的由內齒環和端齒圈組成，作為固定刀組的齒形碾磨環，它與轉盤之間有一間隙，轉盤由永磁電機驅動高速旋轉，通過固定刀組與旋轉刀組實現多重多向粉碎功能。 落入粉碎室的水果皮、魚刺、碎骨、蛋殼、剩飯菜等廢物通過切、撕、磨等多種刀具粉碎迅速變成小于的微小顆粒，隨水流沖入下水管，這樣就避免了下水管的堵塞。其中驅動電機和粉碎刀盤為垃圾處理器的關鍵部分，它們的好壞直接影響食物垃圾處理器的使用效果。 2.3　粉碎刀盤組合刀具結構設計 2.3.1　刀具基本尺寸的確定 食物垃圾研磨機的最關鍵部件是粉碎刀盤的結構設計，由于它獨特的位置和功能,在設計時必須保證它既耐腐蝕、不容易生銹，又要滿足一定的強度和剛度，根據這些特點，我們選取1Cr13不銹鋼材料，其材料參數為：彈性模量，泊松比，密度。 接口及刀盤尺寸的確定是參考我國廚房洗滌盆下水口的結構尺寸及食物垃圾多、硬、雜、粗等特點，目前我國廚房洗滌盆下水口的結構尺寸基本上是統一的，直徑為，只是在輪廓上有大小、深淺之分。經計算確定了刀盤的直徑：，厚度：[23]。 2.3.2　粉碎刀盤的力學分析及材料的選擇 １.粉碎刀盤工作的載荷： 組合刀盤工作時需克服阻力，為確保刀盤有足夠的強度，設計刀盤時首先應對刀盤所承受的載荷進行分析。我們把刀盤理想為一個繞中心軸旋轉的一塊薄板，在它上面作用流體旋轉阻力矩以及破碎食物垃圾(削、撕、磨)時的阻力。 (1) 流體旋轉阻力矩 設一個半徑為R的圓盤，在本來靜止的流體中旋轉，轉軸通過圓盤的中心且與圓盤垂直。由于圓盤旋轉時，緊靠圓盤的流體層被圓盤上的摩擦阻力帶動作圓周運動，受慣性力的作用流體層往外流，并在圓盤的外緣處離開圓盤；而新的流體層則逼近圓盤，并依次外拋。這樣，經過一個短暫的起始階段后，便建立了一個定常流動，它對圓盤的旋轉施加了相當大的阻力。 設：圓盤上單位體積的流體，切應力的方向與圓盤成角。 切應力的徑向分量 (2-1) 徑向動量的增長同被圓盤帶著轉動的流體的離心力相平衡， (2-2) 為被帶著轉動的流體層的厚度的量度,為圓盤旋轉的角速度，r為圓盤半徑，故切應力的徑向分量與r成比例，即： (2-3) 即： 應力的周向分量 (2-4) 按其量級可表示為 (2-5) 圓盤的旋轉速度等于旋轉角速度乘以圓盤的半徑 所以 (2-6) 將式(2-3)代入式(2-6)得： 由實驗可知：與半徑無關，為一個常量，則化簡上式得： (2-7) 根據運動粘性系數定義： (2-8) 為運動粘性系數，為粘性系數，為密度 將式(2-8)代入式(2-7)得： (2-9) 將式(2-9)代入式(2-3)得： 由于為常量，所以 轉矩與面積力臂成比例 對于半徑為r和周向速度為V的圓盤，其系數為，且，故阻力矩為 依據食物垃圾迅速變為顆粒的設計結果要求。在實驗基礎之上，設計中選取刀盤的轉速為 23.1430000.057/60 使用計算旋轉圓盤上流體阻力矩的公式： (2-10) 由此可以得出，流體阻力矩 由公式 (2-11) 得： 所以流體阻力為： (2) 垃圾形成的阻力 由于食物垃圾為軟垃圾，粉碎時產生很小的阻力，在對食物垃圾(不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛)中常見的魚刺、剩菜等進行破碎測試時得到阻力大約為 ２.粉碎刀盤、粉碎刀材料的選擇： 前面我們已經就材料作出選擇，下面我們就材料的選擇過程進行描述：廚房食物垃圾處理器的關鍵部件之一是組合刀盤及刀片。 在材料的選擇上必須保證它既耐腐蝕、不生銹、滿足一定的強度和剛度，同時要考慮其機械加工性和經濟性。 為此，我們在1Cr13和9Cr18兩種材料中參考表4進行選擇。 (1) 材料中C的含量越高，其耐腐蝕性越差； (2) 在鋼中加入Cr能顯著提高鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，并能提高鋼的強度和耐磨性，從而能顯著提高鋼的力學性能和物理、化學性能，因而在各種用途的鋼中普遍加入數量不等的Cr。但由于我國Cr資源稀少，故應盡量節約使用，少用或不用。 根據表4的分析可以看出，在滿足使用要求的前提下，1Cr13比9Cr18易加工，C，Cr的含量低，價位大體相當，所以，本文所用機器的刀盤及刀片選用1Cr13作為材料來加工。 表4　材料1Cr13,9Cr18參數表 參數名稱 1Cr13 9Cr18 化學成分（質量數%） C0.15 Cr11.50～13.50 C0.90～1.00 Cr17.00～19.00 密度() 7.75 7.8 硬度(HBS) 159 255 屈服強度 345 —— 抗拉強度 540 —— 加工性能 普通材料，稍難切削 難加工材料 價格(千元/噸) 5 5 用途 具有良好的耐腐蝕性，機械加工性，一般用在刃具制造上 一般用作不銹切片、機械刃具、剪切刀具、手術刀片及高耐磨設備零件 2.3.3　粉碎刀盤的強度校核 粉碎刀盤受到循環載荷的作用，能發生疲勞破壞。刀盤是決定粉碎機壽命長短的因素之一，因此，按無限壽命設計，即要求各部件在工坐載荷作用下具有無限長的疲勞壽命。 金屬材料在交變應力下的強度常用曲線或疲勞極限來衡量。曲線如圖5 所示。 圖5　-N曲線 對于鋼材來說，曲線有一條水平漸近線，這意味著當時，試件經受有限循環會發生疲勞破壞；當時，試件則能經受無限次循環而不發生破壞。為此，設計時應力水平應該很低，以便有足夠的應力儲備。 疲勞極限與抗拉強度之間的關系如下： 材料1Cr13的抗拉強度 進行保守估計，我們取的下限： 即：的最小值為 計算： 設在距圓心為處取一微面積，其上內力對X軸之矩為，將所有內力矩求和即得到截面上的力矩： (2-12) 圖5　橫截面應力示意圖 其中A為橫截面面積。 根據虎克定律： (2-13) 將式(2-13)代入式(2-12)中，并注意到為常數，于是有 其中是與圓截面有關的一個幾何量，以極慣性矩表示，所以 (2-14) 將式(2-14)代入式(2-13)得： 圓盤上最大的應力應在截面周邊各點，故代入： (2-15) 根據材料力學知識，對于實心圓軸的極慣性矩： 其中為圓軸橫截面的直徑。 　 　　 　　　　 　　　 將公式 (2-16) 代入式(2-15)得： 　　　　 可見 即 依據曲線，當，時，試件則能經受無限次循環而不發生破壞，設計中刀盤滿足強度要求。 2.3.4　刀片的強度校核 由于刀片與刀盤都繞固定軸旋轉，運動形式相同，所以校核方法相同。依據曲線，只要當刀片的時，刀片滿足強度要求。 設計中，刀片的半徑 速度 則依據公式(2-10) 　　　　　　　　　　 　 因為： 故流體對刀片阻力： 又因為： 　　　　　　　　　　　 將公式 代入式(2-15)得： 因為 所以 可見，設計中刀片滿足強度要求。 2.3.5　粉碎刀盤的結構設計 根據我國食物垃圾種類多，硬度、粘性差別大的特點，采用組合刀盤式粉碎刀，由固定刀組和旋轉刀組組成，結構為： 旋轉刀組由刀盤組成。刀盤為組合刀盤，上面有菱形塊、擺動刀及直徑為3mm的小孔，擺動刀可繞固定軸做的擺動，實現粉碎垃圾。組合刀盤在電動機的帶動下高速旋轉；粉碎室內壁四周嵌有套裝成一體的內齒環和端齒環作為固定刀組，內齒環和端齒環與粉碎刀盤有一間隙，利用間隙對食物垃圾進行切、撕、磨等破碎操作。組合刀盤式粉碎刀具有以下作用： ① 對于硬度較小、粘性較大的食物垃圾，在可隨電機高速旋轉的刀盤上設置兩個擺動刀，與粉碎室內部的端齒環共同作用，實現對食物垃圾進行剪切和機械撕裂破碎功能。 ② 對于硬度較大、粘性較小的食物垃圾在轉盤上設置了兩個棱形固定刀，在離心力的作用下，食物垃圾很容易運動到轉盤的邊緣，為此，在粉碎室內壁四周設置了平齒環。平齒環和端齒環共同作用，對食物垃圾進行切、撕、磨等破碎操作。 ③ 在旋轉刀盤上分布著許多直徑為3mm的小孔，這些小孔一方面用來排泄破碎后的顆粒和污水，另一方面可以在保證轉盤足夠強度時減輕自重。 2.4　驅動電機的選擇 驅動電機是食物垃圾處理器工作能量的提供源，也是關鍵部件之一，其性能直接影響著廚房食物垃圾處理器質量的好壞。在設計中，電動機運行特征為時間短，啟動頻繁，斷續工作。圖6為永磁電機的結構簡圖。 我們選用永磁電機,因為其定子為永磁鋼勵磁無需勵磁線圈，即省電又不發熱。磁路結構經精心選擇，使電機具有啟動轉矩大，過載能力強、響應速度快、嘈聲低及轉動平衡等特點，電機設計時采用了一些特殊技術。但是本次設計所用的電機是自己設計制造的。 (1) 磁鋼徑向、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密，從而提高出力和快速響應能力。 (2) 采用不均勻氣隙設計和磁鋼極尖削角來保證對負載電流引起的電樞反應有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。 (3) 利用電機槽和換向片及極弧寬度和齒槽的合理配合達到減小轉矩波動、嘈聲，保證平穩運行要求。 圖6　永磁電機的磁路結構和磁場分布 2.4.1　電動機種類的選擇 目前，電動機的種類繁多，價格、性能差別比較大，本著經濟、實用的指導思想對電動機類型及型號進行優化選擇是十分重要的。選擇電動機種類應在滿足生產機械對拖動性能的要求下，優先選用結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜的電動機。電動機種類選擇時應考慮的主要內容有： （1）電動機的機械特性應與所拖動生產機械的機械特性相匹配； （2）電動機的調速性能（調速范圍、調速的平滑性、經濟性）應該滿足生產機械的要求。對調速性能的要求在很大程度上決定了電動機的種類、調速方法以及相應的控制方法； （3）電動機的啟動性能應滿足生產機械對電動機啟動性能的要求，電動機的啟動性能主要是啟動轉矩的大小，同時還應注意電網容量對電動機啟動電流的限制； （4）電源種類 在滿足性能的前提下應優先采用交流電動機； （5）經濟性 一是電動機及其相關設備（如：啟動設備、調速設備等）的經濟性；二是電動機拖動系統運行的經濟性，主要是要效率高，節省電能。 根據機械的負載性質和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求選擇電動機的類型。直流電動機可實現快速頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；具有過載能力大、能承受頻繁的沖擊負載，優良的調速性能，調速平滑、精確、方便和范圍廣等特點。 電動機的工作環境是由生產機械的工作環境決定的。在很多情況下，電動機工作場所的空氣中含有不同分量的灰塵和水分，有的還含有腐蝕性氣體甚至含有易燃易爆氣體；有的電動機則要在水中或其他液體中工作?；覊m會使電動機繞組黏結上污垢而妨礙散熱；水分、瓦斯、腐蝕性氣體等會使電動機的絕緣材料性能退化，甚至會完全喪失絕緣能力；易燃、易爆氣體與電動機內產生的電火花接觸時將有發生燃燒、爆炸的危險。因此，為了保證電動機能夠在其工作環境中長期安全運行，必須根據實際環境條件合理地選擇電動機的防護方式。電動機的外殼防護方式有開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種。 設計中，食物垃圾處理器電動機的特征為頻繁短時運行、快速啟動，無調速要求。依據直流電動機具有的特點，設計選取電機類型為直流電動機。 在直流電動機中，有一種電機的磁極是用永磁材料(或加上鐵磁材料)提供電動機所需要的勵磁源，從而代替了電磁式直流電動機中的線圈式磁極。這種電機為永磁直流電動機。由于無需勵磁線圈，故省電且不發熱，磁路結構精心設計，使電動機過載能力強、響應速度快、噪聲低及轉速平穩?；谏鲜鎏攸c，設計中選用永磁直流電動機。 永磁材料的種類很多，有鋁鎳鉆系列磁鋼、鐵氧體永磁、稀土永磁等。表征永磁材料性能的主要因素：矯頑力、剩余磁感應強度Br、最大磁能面積以及磁穩定性。選用永磁材料要求最大，溫度系數小，磁穩定性高。永磁材料的磁穩定性對于永磁直流電動機至關重要，若磁穩定性差，則永磁直流電動機壽命短。 外界因素能引起磁性能不可逆變化，影響磁穩定性的因素有： ① 內因包括組織變化和磁后效。鋁鎳合金、鐵氧體、鐵鉻鉆等不會發生組織的變化。但鐵硼易氧化且產生組織的變化。各種永磁材料除各向異性外，都會產生磁后效，它們對時間的退磁率隨時間的對數變化。 ② 外因包括溫度、干擾磁場、機械力、接觸強磁性物質、高能粒子輻照等。使磁能變化。 a.由于溫度可引起永磁體的材質和尺寸比的變化，因而在選用具有低溫退磁性質的永磁體時，應使永磁體在最低使用溫度下工作。在尺寸比相同的情況下，各種永磁體的退磁率隨外磁場增大而增加，隨矯頑力提高、尺寸比增大而變小，若工作點選在膝點之上，則受外磁場的影響很小。 b.機械振動和沖擊力引的退磁率一般不大，磁體尺寸越大、矯頑力越高。顯著的退磁一般發生在多次沖擊和較長時間振動的初期，以后趨于穩定。 為使永磁材料在使用時磁性穩定，對材料必須預先進行穩定化處理；高溫或低溫退磁，不同溫度范圍的溫度循環強制退磁、交流或直流退磁等。 選擇電動機時，應在電動機能夠勝任生產機械負載要求的前提下，最經濟、最合理的選擇電動機的功率。若功率選得過大，設備投資過大，造成浪費，且電動機經常欠載運行，效率較低；反之，若功率選得過小，電動機將過載運行，造成電動機的過早損壞。為此，選擇電動機容量應進行一些必要的分析和計算，具體可按以下三個步驟進行： ① 計算負載功率 ② 根據負載功率，預選電動機的額定功率，使，盡量接近 ③ 校驗預選電動機的發熱、過載能力和啟動能力。校驗的方法較多，工作量很大，而且準確度也很難把握。 在實際工作中常采用統計分析法和類比法。類比法就是在調查同類機械所采用電機容量的基礎上，對主要參數和工作條件進行類比，從而確定電機所采用的容量。本次論文設計就采用此方法。 根據前面計算，粉碎刀盤在工作時，需克服的阻力為： 刀盤的線速度 負載功率： 電動機的額定功率，且留有余量取 按以上參數的選擇，我們最終選取電機的技術數據如下：轉速：，功率：，電壓：，電流：，重量：。 這種永磁直流電動機采用鐵氧體永久磁鐵激磁，鐵氧體的化學組成用MonFe2O3。表示，其中M為Ba,Sr,Pb中的一種或兩種以上的二價金屬離子，，材料分為各向同性和各向異性兩類。它的矯頑力高，時效變化少，不含鎳、鉆等元素，價廉，原材料豐富。 永磁直流電動機設計時采用了一些特殊技術： ① 磁鋼徑、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密，從而提高出力及快速響應能力。 ② 采用不均勻氣隙設計和磁鋼極尖削角來保證對負載電流引起的電樞反應有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。 ③ 電機槽和換向片，極弧寬度和齒槽的合理配合以達到減小轉矩波動、噪聲，保證平穩運行。 本此設計的電機體積小，重量輕，壽命長、噪聲低，有換向性能，零部件通用化程度強等特點，系封閉自冷式。而目前在市場上的同類產品都為國外進口電動機，不僅價格昂貴，而且零部件配套難，維修困難，給顧客的使用帶來不便。 2.5　其它部分設計 食物垃圾處理器其它部分的設計為非主要部件，主要包括：投入口、排污口等。由于我們為實驗產品，沒有自行加工模具生產的能力和必要，所以非主要部件的制作主要選用標準件。 排污口由排水彎管、彎管法蘭和橡膠密封圈組成。彎管法蘭把排水彎管固定在處理器上，橡