机械创新设计课程设计-厨余垃圾自动粉碎打包机设计.doc

各专业全套优秀毕业设计图纸 mou mou 学 院 机械创新设计课程设计 设计题目 厨余垃圾自动粉碎机设计 系 部 专 业 机械设计制造及其自动化 班 别 姓 名 学 号 指导老师（签名） 完成时间 2014 年 3 月 I 摘要 论文主要对厨余垃圾的粉碎及打包进行了研究。论述了厨余垃圾粉碎打包 机打包的总体结构的设计、工作原理、操作方法。其中包括硬件的机械结构和 软件的控制原理。硬件的机械结构主要介绍了机械结构的设计及工作原理、操 作方法等。包括了带轮、交流电机、液压缸的选择，及这些元件在工作过程中 各数据的计算，另外还有对各材料的选取原因及优越性做了详细的说明。同时， 还用红外线感应器和压力传感器对垃圾进行检测和信息反馈，实现对厨余垃圾 粉碎机打包动作的单片机控制。 论文还对国内外对厨余垃圾的二次应用的研究、分类及处理方法进行了介 绍及评价。同时对厨余垃圾自动粉碎打包机的应用场合、市场推广价值及前景 做了介绍。并对该作品各部分机械结构的设计的优越性、工作原理及操作方法 做了详细的介绍。 关键字：厨余垃圾； 重力检测； 垃圾粉碎打包； 液压缸； 单片机控 制 II 目录 第一章 前言1 1.1 本课题的选题背景 .1 1.2 本课题研究意义 .2 1.3 垃圾桶发展状况和存在问题 .2 第二章 主要机构的设计4 2.1 外支撑架的设计 .4 2.2 绞碎机构的设计 .5 2.3 绞龙的设计 .6 2.4 垃圾袋固定机构设计 .7 2.5 托盘设计 .8 2.6 垃圾袋打包机构设计 .9 2.7 电机的固定设计 10 2.8 称重机构的设计 11 2.9 外壳设计 12 第三章 控制系统的设计14 3.1 检测电路的设计 14 3.2 称重电路的设计 15 第四章 电动机及液压缸的选择 17 4.1 粉碎电机的选择 17 4.2 液压缸的选择 18 第五章 带轮与轴的选择及计算 22 5.1 带轮的选择 22 5.2 带轮的计算 23 5.3 轴的选择 26 5.4 轴的计算 26 III 第六章 产品使用方法及结构爆炸图28 6.1 产品使用方法 28 6.2 总体结构爆炸图 29 第七章 总结与展望30 7.1 全文总结 30 7.2 展望 30 参考文献32 致谢33 1 第一章第一章 前言前言 1.1 本设计的选择背景 随着全球经济的发展，人们生活水平的提高，城市的规模的不断扩大，世 界各国城市人口的数量占全国人口数量的比重急剧增加，怎样让人们的生活环 境保持清洁、健康，让我们的家园可持续发展、宜居，成为了一个全球性的问 题及挑战。最近几年来，世界各国对厨余垃圾的回收、处理有了高度重视，如 何将其有效的进行回收及再利用已成为现在的热点话题。 英国是世界上最早推行城市化的国家。刚开始，他们对厨余垃圾的处理很 简单，主要将其当做一般的生活垃圾埋藏在地底下通过微生物分解处理。随着 城市人口的增加，城市厨余垃圾的急剧增多，提倡低碳环保的英国人发现这些 厨余垃圾就这么被微生物简单处理实在是浪费，他们想办法让这里面的有用物 质进行二次利用。 他们把这些厨余垃圾二次利用，重新实现价值的方法很简单，就是把厨余 垃圾收集在一起，使用微生物分解，然后成为对农作物有用的有机肥料。这种 新理念很快被民众广泛接受，同时后来也带动了两个市场的发展。一是厨余垃 圾处理设备制造企业雨后春笋般地出现，他们的目标客户群是大型酒店、饭店、 食品连锁店，这些客户把厨余垃圾收集起来，通过设备处理后生产出有机肥料， 在市面出售后作为他们的二次收入。二是英国的一些闲置土地被投资开发利用。 在我国，最先对厨余垃圾进行管理的城市是上海。上海市针对各单位回收 的厨余垃圾处理方法主要有：堆肥、加工宠物饲料、微生物处理等。根据 2005 年的统计表明，除填埋外，上海市利用厨余垃圾堆肥、加工宠物饲料等资源化 处置厂的处置能力约为 700t/d，实际资源化处置约 250t/d。产生的废弃食用 油脂每天约 40t，其中超过 20t 已纳入有关部门组织的回收系统，主要用于制 造肥皂、硬脂酸等化工产品的原料。 由此可见，不管是在国内还是国外，厨余垃圾的利用空间非常的大，也有 不同寻常的意义，为了普及厨余垃圾的利用，以及更加方便的处理及加工厨余 垃圾，有一款可以适合于小区、酒店及连锁店等厨余垃圾比较多的地方的厨余 2 垃圾自动粉碎机具有很大的发展前景及意义。 1.2 本设计研究目的 依据我国的实际情况，研制适合本国的厨余垃圾自动粉碎机，使居民在家 中可以直接对厨余垃圾进行初步处理，处理掉的食物垃圾通过下水管道排到阴 井中。这样就在源头上避免了食物垃圾造成的污染，同时实现了城市生活垃圾 的减量化之目的。 1.3 研究的意义 国外成功应用食物垃圾粉碎机来减少食物垃圾的经验，为我们吃力日益增 加的食物垃圾开辟了一条新途径，从而呼唤适合我国的厨余垃圾自动粉碎机。 另外，从源头解决处理厨房食物垃圾污染的研究还是有很多优点： （1） 大量减少易腐垃圾数量，提高环境质量 目前，国家对生活垃圾的处理原则是垃圾的减量化、无害化和资源化。而减 量化位居第一位可见其重要性。厨房垃圾粉碎机为食物垃圾的破碎预处理装置， 可对厨房垃圾进行初步处理，不但减少垃圾的堆放量，同时确保人民有一个健 康、整洁的生活环境，进而减少疾病的传染。 （2） 易于垃圾的再处理 由于厨房垃圾含有大量的水分，给垃圾的粉碎带来很大的困难，上海浦东 垃圾焚烧厂现在就是依靠添加辅助燃料如油进行垃圾焚烧，这样一方面增加垃 圾成本，另一方面在能源紧缺的中国还造成能源大量浪费。但是若把厨房垃圾 在源头切断，则可大大的提高生活垃圾的焚烧热值，同时对垃圾填埋产生的渗 3 漏问题也可大大改观。 （3） 具有经济、社会效益 由于我国经济与科技水平还不十分发达，高额投入垃圾处理有较大的困难， 许多固体垃圾处理厂在引进国外先进技术后，由于缺乏科学的管理和资金的支 持，处于半停产状态；一些小区虽然引进厨房垃圾的生化处理机，但其使用成本 太高，已经超出百姓的支付能力范围。拟研制的食物垃圾粉碎机作为一种面向 家庭、宾馆及饭店的小型机器，使有体积小，成本低，经济耐用的特点，可以被 人们接受。加上政府在政策和舆论打击宣传引导，实行鼓励政策，一方面提高了 百姓的婚嫁参与意思，充分调动社会力量保护环境。另一方面，政府还可把节省 下来的大量开支用来研制、开发垃圾处理的新项目。 4 厨余垃圾自动粉碎机的设计 厨房食物垃圾粉碎机的可行性分析 固体垃圾的破碎装置有碾磨、剪切、粉碎等多种方式，这是固体垃圾处理的 预处理阶段。本文所要设计的厨余垃圾自动粉碎机就是利用方式、剪切等方法 把厨房食物垃圾快速粉碎成 3-5mm 的颗粒状，通过下水装置排入污水管道系统。 图 1 为食物垃圾粉碎机的工艺流程图。 排入污水管道的垃圾，其颗粒越小或密度越接近于水的密度，可颗粒不会 沉淀。据上海市环境研究所和美国宾夕法尼亚的环境工程研究院最近联合调查 显示，经美国挚通泔水的 U 系列食物垃圾粉碎机处理过的食物垃圾在点位体积 内的分子数平均低于水分子的含量，食物垃圾的沉淀量少。废水由高处依靠重 力作用以一定的流速流入污水管道系统。由于在进行污水管道的力学设计时， 其原则是：不冲刷、不淤积、不溢流、要通风。所以在我国规定，污水沟道的最小 流速为 0.6m/s。被分散到一定的颗粒进入下水道后，在此流速系下完全可随水 5 流沿城建管道送入生活污水处理厂进行处理。荷兰有研究人员在荷兰选取一些 老城区做的研究表明：在设计的城市管道容量下，不会堵塞排水管道，而且我国 现在正在增加城建管道的容量，广泛使用塑料管道，增加管道的抗腐蚀性，加大 污水厂的处理能力等各项措施，都有利于食物垃圾粉碎机进入千家万户。但是， 由于国外情况与我国并不完全相同而且食物垃圾粉碎机对人们来说还是一个新 事物，所以它能否被人们所接受，大量使用后的状况如何等问题还需要进一步 去验证。 厨房食物垃圾破碎后的颗粒在随流水流动的过程中，有可能被管道上的淤 泥所阻挡而滞留，这时有机颗粒依靠厌氧菌群和兼性菌群进行厌氧发酵。由于 参加反应的微生物种类多，这一过程很复杂。一般可分为酸性发酵和碱性发酵 两个阶段。在酸性发酵的过程中，纤维素、淀粉等碳水化合物水解成甘油和脂肪 酸，并进一步降解形成各种低级的有机酸。产氢和产已酸菌群把上述水解发酵 产物进一步分解为乙酸、氢和二氧化碳。在产甲烷菌群的作用下，生成甲烷和二 氧化碳，完成对厨房垃圾有机废物颗粒的消化过程。流入生物污水处理厂的有 机颗粒可作为营养元为污泥提供营养，也可提取作为肥料在利用. 6 图 1 食物垃圾粉碎机的工艺流程图 厨房食物粉碎机的工作原理及组成 厨房食物垃圾粉碎机的工作原理 厨房食物垃圾粉碎机就是把食物垃圾从投物口投到机器内，在刀盘高速旋 转时，被处理无与刀盘同步旋转，从而产生一个速度差，加上离心力对被处理 无的作用，使被处理物与刀盘的运动不同向，这样，依靠内齿环和端齿环及高 速旋转的刀共同对被处理物进行破碎，撕拉等作用，是食物垃圾迅速变为 3 5mm 颗粒，在流水的作用下通过下水管道排走 厨房食物垃圾粉碎机的组成 设计的厨房食物垃圾粉碎机由投入口、粉碎室、驱动电机和排污口四部分 组成。见图 2 所示。驱动电机为粉碎机提供动力来源，粉碎室内装有多重多向 的粉碎刀组，是对事物垃圾进行粉碎的主要元件。粉碎室上部与投入口相连， 与洗涤盆相接，是垃圾开始投入的地方。粉碎室下部侧壁设计有排污口，当食 物垃圾在粉碎室被粉碎刀盘粉碎后，在水流的作用下排走。其中驱动电机和粉 碎刀盘为垃圾粉碎机的关键部分，他们的好坏直接影响食物垃圾粉碎机的使用 效果。 7 图 2 厨房食物垃圾粉碎机结构简图 粉碎刀盘组合刀具结构设计 8 9 第二章第二章 主要机构的设计主要机构的设计 厨余垃圾自动粉碎打包机主要由绞龙、外支撑架、机身、垃圾袋固定圈、 带轮、垃圾桶、压力传感器、电动机、液压缸等部分组成。下面进行对各部分 进行详细介绍，内部整体结构三维图如图 2 -1 所示。 图 2 -1 厨余垃圾自动粉碎打包机内部整体结构图 2.1 外支撑架的设计 外支撑架结构图如图 2-2 所示。按 1:1 比例画出，其高度为 0.8m、宽为 0.5m、长为 0.6m 的长方体。由于粉碎机工作时会产生的震动，为了防止主体 震动太大，为此，选用规格为 30303mm 的角钢，以增加总体的稳定性。因 外支撑架的精度要求不高，所以采用焊接的方式连接。这样不但让产品的制造 成本降低，而且可以使主体的稳定性更高。 10 图 2-2 外支撑架结构图 2.2 绞碎机构的设计 如图 2-3 所示，绞碎机构主要由绞龙、红外线感应器、螺母、机身、垃圾 入口、垃圾口盖、从动轮、钩头楔键等构成。 图 2-3 绞碎机构设计图 11 当有人打开垃圾口盖，向里面扔垃圾时，垃圾进入垃圾口往下掉，此时红 外线感应器就能感应垃圾的存在。此时，从动轮就会在主动轮的带动下开始转 动。从动轮会带动绞龙，从而将垃圾粉碎。该粉碎机构是参考市场上手动绞肉 机（如图 2-4）设计而成。其工作原理是利用绞龙的高速转动，使垃圾在机身 内腔和绞龙之间摩擦，从而将垃圾粉碎。在内腔里设计了必要的凸起，能更好 的让垃圾与内腔摩擦，将垃圾更有效的粉碎。 为了能更好的拆装带轮和绞龙，在固定主动轮时，采用了钩头楔键。因为 钩头楔键主要用于紧键连接，在这里能更好的承受载荷。另外钩头楔键的抗冲 击力也比较高，在有振动的工作环境下也能很好的工作。 螺母的设计是为了能让绞龙能更方便的从机身的内腔里取出。因绞龙在工 作时对螺母有一定的切向力，能使螺母有较小的转动。为了能让螺母能更好的 固定在机身上，在设计时，将螺母的旋向与绞龙的转向一样。这样就能使螺母 朝着被拧紧的方向受力，但是这个力很小，所以，这既不会使螺母拧松，也不 是把螺母拧的太紧。从而更好的将螺母固定在机身上。 图 2-4 手动绞肉机 12 2.3 绞龙的设计 绞龙的设计，至关重要（如图 2-5） 。在设计粉碎机构时主要想到了用叶片 式和绞龙式。由于考虑到厨余垃圾的体积一般比较小，且有一些比较硬的东西 如骨头等，叶片式的设计很难粉碎比较小的垃圾，即使能粉碎，也不会有太好 的效果，在粉碎骨头方面更是起不到任何作用，所以，最终选择了绞龙式。 设计的蛟龙不仅要将垃圾粉碎，还要将粉碎的垃圾输送到垃圾的出口。绞 龙直径太大会影响垃圾的粉碎的效果，直径太小会影响刚度。所以绞龙选择的 小径为 35mm，大径为 155mm。绞龙的两端是用轴承支撑，这保证了同轴度。为 了防止粉碎后的垃圾进入轴承的空隙部分，影响轴承的工作和使用寿命，在绞 龙的两端分别装上了挡板。挡板的直径比绞龙的直径大，并且是同绞龙一起转 动的，两边和轴承贴紧，防止轴向移动。这不仅有效的防止垃圾进入轴承而且 还防止垃圾沿着绞龙轴从旁边缝隙漏出。 图 2-5 绞龙机构设计图 2.4 垃圾袋固定机构设计 垃圾袋固定机构设计如图 2-6 所示，主要由转动轴、垃圾袋固定圈、垃圾 袋承载圈、和轴承组成。垃圾袋套在垃圾袋承载圈上，由于垃圾有一定的重量， 垃圾袋很容易向下掉，垃圾得不到很好的装载。所以在承载圈上用销连接了一 个垃圾固定圈。当垃圾袋套在承载圈上后，将固定圈也放下，与承载圈扣紧在 13 一起，这样就能有效地固定垃圾袋了。因为固定圈的外径要比承载圈的内径小， 所以在固定圈扣紧时只会将垃圾袋固定，而不会将其损坏。同理，当垃圾装满 并打包以后，只要将垃圾固定圈抬起就可以很方便的将垃圾给取走。因为垃圾 袋的重量只要是由底下的称重板支撑，所以轴承圈的实际受力是很小的。其主 要作用是将垃圾袋张开，便于粉碎后的垃圾掉入垃圾袋中。当垃圾取走后需要 更换垃圾袋时，只需将转动轴向外转出，就可以很方便的套到垃圾承载圈上。 转动轴下面的轴承的作用除了承载固定圈的全部受力外，还能更好的固定转动 轴并减小转动轴转动时所受的摩擦力，使其能更加自如的转动。 图 2-6 垃圾袋固定机构设计图 为了使转动轴在不需要转动时能稳定不动，设计时下方留有弹簧固定孔。 要使其稳定不动，弹簧的位置设置要极其巧妙，因为它不仅要在转动轴没有转 动出来时能起到固定作用，而且在传动轴转动出,换垃圾袋时也要起到固定作 用。所以，在设计时将转动轴转动出来时在中间的地方停止，在弹簧固定孔与 转动轴的轴心的连线的方向上设置了弹簧的另一个弹簧固定孔。在转动轴转到 一半的位置时弹簧处于最长状态，也就是受力最大时，当往两边转动时弹簧会 越来越短，也就是受力越来越小，所以当弹簧在初始状态和转出后都处于最短 的状态，所以都能将垃圾袋固定机构给固定。 14 2.5 托盘设计 因为提倡节能减排，所以目前市场上的垃圾袋大多比较薄的，不能长时间 的承受垃圾的重量，所以在垃圾袋的下边设计了一个托盘，其设计如图 2-7 所 示。它不但能减轻垃圾袋所承受的重量，而且还能使垃圾袋不向四周倾斜。托 盘上面留有一个缺口，方便垃圾袋的安装和取出。 图 2-7 托盘的设计图 2.6 垃圾袋打包机构设计 垃圾袋打包部分的设计是本课题的关键之一，其机构设计如图 2-8 所示。 主要由液压缸、旋转臂、发热片、发热片固定螺钉等组成。其主要工作原理是 当垃圾袋达到设定的重量时，由压力传感器检测，并发出信号，此时单片机会 控制液压缸启动。在液压缸的驱动下，旋转臂会绕着销旋转，此时就能把张开 的垃圾袋慢慢的开始拧紧，当液压缸运动到一定程度时（如图 2-9） ，就能把垃 圾给彻底拧紧。此时，在单片机的控制下，发热片就会接通电源，接通后的发 热片开始发热，并会慢慢的将垃圾袋与发热片接触的部分熔化。达到设定的时 间后，垃圾袋熔化到恰到好处，此时，发热片将会断电，随着发热片的温度降 低，熔化垃圾袋也会降温，开始凝固。因为垃圾袋与发热片的接触部分是外面 部分，所以熔化的是垃圾袋拧紧处的外表部分，里面部分没有影响。熔化的垃 圾袋在凝固时会围绕里面没有熔化的部分，这样就能将里面部分给包裹住，从 而达到封口的作用。在垃圾袋凝固的同时，旋转臂也开始张开为初始状态，以 15 便于取走和更换垃圾袋。 为了让新套好的垃圾袋能完全进入旋转臂的内腔，同时能更好的将垃圾袋 拧紧，在设计旋转臂时，将旋转臂内腔的直径设计的比垃圾袋承载圈大，长度 也比较恰当。从而使在人工更换垃圾袋时更方便简捷。因为发热片需要用到低 压电，考虑到安全问题，所以再设计旋转臂时所用的材料是塑料，这样能更好 的绝缘。发热片与旋转臂之间也是用螺钉连接，具有较高的强度从而提高了安 全系数。 图 2-8 旋转臂初始状态 图 2-9 垃圾袋拧紧时旋转臂状态 2.7 电机的固定设计 在粉碎装置中，带轮的动力由电动机提供，电动机的固定关系到 V 带的张 紧与防护问题。V 带运转一定时间以后，带会发生塑性变形和因磨损而松弛， 为了保证带的正常工作，应定期检查带的松弛程度，采取相应的补救措施。在 该设计中针对这一问题采用的是定期张紧装置（如图 2-10） 。 16 图 2-10 带的定期张紧装置 如图 2-10 所示，交流电机的是由 6 的螺栓的稳固在电动机固定板上的， 而电动机固定板是由螺杆和螺母稳固在外支撑架上的。因为 V 带在工作时，会 因为受力而会变长，为了 V 带能更好的工作，可以将螺杆上电动机固定板下方 的螺母向下微调，此时，固定板也会跟着向下移动，从而将 V 带张紧。同理， 若要将 V 带调松，只需将电动机固定板下的螺母向上微调。 为了能让电动机上的主动轮能跟好的和从动轮更好的配合，在电动机固定 板的下的电动机外支撑架上设计有 U 型槽（如图 2-11） 。这样就能更简单、方 便的让电动机左右调动。这样不但能使带轮之间更好的配合，还能调节 V 带的 松紧，更好的提高工作效率。 17 图 2-11 U 型槽的设计图 2.8 称重机构的设计 如图 2-12 所示，称重机构的设计主要由托盘、底板、压力传感器、固定 板组成。因为压力传感器工作时，是靠变形测量数据，为了能使压力传感器更 好的测量，在设计时将压力传感器的一头固定到了固定板上，固定板是水平的， 传感器另一头上面安装的是托盘，托盘里面试放垃圾袋的，具有一定的重量， 这样就有效地形成了杠杆原理，所以压力传感器能有效地变形。因考虑到托盘 下面与传感器的接触部分比较小，托盘装垃圾袋变形是会影响到传感器的称重， 所以在托盘下面安装了一个底板，底板能有效地提高托盘与传感器接触部分的 强度，能有效地控制好托盘变形，所以不会影响到传感器的称重，同时在拆、 装传感器时也比较的方便。 图 2-12 称重机构的设计图 2.9 外壳设计 如图 2-13 所示，厨余垃圾自动粉碎打包机的整体外部结构如下。其中包 括外壳、垃圾口盖、门。外壳全部为木板，木板上有孔，用螺钉在外支撑架上 固定。外壳之所以用木板是因为木板成本低，抗冲击力强，能吸震，也不易变 形、开裂，质量轻。外部可以选择不同的墙纸贴上，美观大方，能适用于不同 18 的场合使用，也易更换。 2-13 外壳设计图 垃圾口盖也是用木板做成，当需要扔垃圾时，将垃圾口盖掀开，就能将垃 圾扔入其中。垃圾口盖不但能有效地防止垃圾在绞碎是飞溅出来，而且也是安 全保障的必要设计。门的材料也是木板，平时门都是出于关闭状态，当需要取 垃圾袋或者是更换垃圾袋时，只需要将门打开即可。门上面可以安装门扣，在 关闭时时可以加锁，对于有小孩的场所特别必要，同时也能防止非工作人员打 开，出现安全事故。垃圾口盖和门的设计不但能有效地防止人们将手伸入其中， 出现安全事故，也能防止猫、老鼠进入里面破坏里面线路，同时还能将里面垃 圾产生的臭味与外面隔离，保持垃圾打包机外面环境的空气卫生。 19 第三章第三章 控制系统的设计控制系统的设计 控制系统主要元件有主控板（AT89S52 单片机）红外线感应器压力传 感器。红外线感应器用于检测是否有垃圾进入垃圾口，压力传感器主要用于检 测垃圾的重量。当检测到相应数据后，会将信号返回到主控板，主控板会发出 相应的信号，从而控制电机的运行及发热片的通电情况。其控制电路的简图如 下图 3-1 所示。 图 3-1 控制电路流程图 3.1 检测电路的设计 红外传感器安装在垃圾入口上，因为垃圾可能从各个角度、位置进入垃圾 口，所以，在垃圾袋入口上从上到下依次安装了三个红外线感应器，从而更好 的检测垃圾。当检测到有垃圾从垃圾口进入后，会立即将检测的信息返回单片 机，进而控制交流电机的工作，从而绞碎垃圾。红外传感器的控制电路设计图 如下图 3-2 所示。 主控板 （AT89S52 单片机） 粉碎电机（停 止） 液压电机（启 动） 控 制 粉碎电机（启 动） 红外 传感器检 测到垃圾 进入 返回 状态 重力 传感器称 重（达到 重量） 返回 状态 主控板 （AT89S52 单片机） 控制 20 3.2 称重电路的设计 重力传感器装在托盘下方，用于检测垃圾袋内垃圾的重量。当垃圾达到一 定的重量时，会将检测到的信息返回单片机处理，进而控制液压缸电机工作。 压力传感器检测的重量值可根据实际需要来调节，因为，在不同的场合所用的 垃圾袋大小、型号不同，所以垃圾袋能长装的垃圾也不相同，从而更加方便的 适用于不同的场合。重力传感器的控制电路设计图如下图 3-2 所示。 图 3-2 主控板电路设计图 在该电路图中设计有提示灯，当垃圾还没有达到设定的重量时，会有一个 绿灯一直亮着，提示工作人员垃圾还没满可以继续扔垃圾。当达到设定的重量， 垃圾袋已经打好包后，此时绿灯会灭，同时会有一个红灯亮，并伴有提示音， 红灯亮代表垃圾袋已经装满急需更换。在垃圾袋打好包后，再向垃圾箱口扔垃 21 圾时，红外线检测后电动机不会启动，取而代之的是更加强烈的提示音，从而 不让垃圾弄脏垃圾袋，更加卫生。为了更好地让工作人员了解垃圾的重量情况， 在垃圾的重量达到设定重量的 80%以后，绿灯会一直闪烁，当绿灯闪烁是代表 垃圾即将满，提示工作人员需做好更换垃圾袋的准备。考虑到工作人员下班或 者是需要更换垃圾袋而此时垃圾没达到设定重量，垃圾袋还没有打包，所以设 计了一个自动打包按钮，当按钮后在单片机的控制下就会开始打包，从而使其 更加人性化。 22 第四章第四章 电动机及液压缸的选择电动机及液压缸的选择 4.1 粉碎电机的选择 粉碎电机的选择整个设计的重点之一，选的功率太小，厨余垃圾不能被充 分的粉碎，而且容易损坏电机，选的功率过大，会浪费很多的电源。厨余垃圾 的主要成分为剩菜剩饭，其中最难粉碎的该属骨头鱼刺之类比较硬的东西。 图 4-1 多功能自动绞肉机图 表 4-1 多功能自动绞肉机参数 电机类型交流电机 项目参数项目参数 额定电压 220V50-60HZ 额定转速 1600r/min 额定功率 750W 额定扭矩 18 生产能力 120kg/h 在选择粉碎电机时，参考了目前市面上用于食品垃圾处理器，即多功能自 动绞肉机，如图 4-1 所示。其基本参数如表 4-1 所示。在参照多功能自动绞肉 机的各项参数时，发现其额定功率在 750W，额定转速在 1600rmin，额定电 23 压为 220v 的交流电源。所以粉碎电机选择了 220V 卧式交流电机，具体参数如 下表 4-2 所示： 表 4-2 粉碎电机参数 电机类型交流电机 项目参数项目参数 额定电压 220V 额定转速 1400r/min 额定电流 3.6A 额定扭矩 18 额定功率 750W 4.2 液压缸的选择 液压缸是将液压能转换为机械能，并做直线往复运动（或摇摆运动）的液 压致动器。它的结构简单、工作可靠。往复运动时，用它来实现可避免的减速 齿轮装置，以及没有传输间隙，平滑移动，因此广泛用于各种机械液压系统中。 在该设计中液压缸的作用是使旋转臂旋转，拧紧袋口，并固定拧紧的袋口。 因为在该过程中的受力很小，且在机构中的行程为 60mm95mm。因此在选择型 号时其主要考虑的行程所以最终选的液压缸的型号为 MAL-CA2050。 MAL-CA2050 型号的是单活塞杆液压杆，它只有一端有活塞杆。其主要数 据参照图 4-2，及表 4-3。 24 图 4-2 MAL-CA2050 单活塞杆液压杆简略图 表 4-3 MAL-CA2050 单活塞杆液压杆参考数据表 内径 AA1A2BCDD1EFG 2013112211040702112281216 LMPQRR1SUVWH M22 1. 5 10816191212298620 如图 4-3 所示，单活塞液压杆式液压缸的只有一端有活塞杆，即两边的面 积不等。当两边同时分别输入相同的压力和流量时，液压缸在左、右边的pq 力、和速度、均不相等。即 1 F 2 F 1 V 2 V 6 211 10)( m pApAF (N) （4-1） 62 00 2 10 4 m dpppD 10-3 (m/s) （4-2） 1 V 1 60A q 3 2 10 15 D q （4-3） 6 1022 10 m AppAF （N） 62 0 2 10 4 m pdppD （m/s） （4-4） 2 V 3 2 10 60 A q 3 22 10 )d-(15 D q 式中，为液压缸左腔的有效面积（m2）；为液压缸右腔的有效面积1A2A 25 （m2）；为液压缸活塞直径（m）；为液压缸活塞杆直径（m）；为液压Ddp 缸进油腔的压力（MPa）；为液压缸回油腔的压力，回油腔直接接油箱时可 0 p 计为 0（MPa）;为液压缸输入的流量（L/min）；为液压缸的机械效率；q m 为液压缸的容积效率。 v 图 4-3 液压缸原理图 由式（4-1）（4-4）可以看出，液压缸左右两腔在同时加载相同的和p 的情况下，两边的 F 和 V 是完全不同的。当有杆腔和无杆腔同时输入压力油q 时，活塞杆能够快速伸出，这种方式称为差动连接，常用于空行程式的快进， 如图 4-4 所示，此时缸的推力 F3和速度 V3分别为 （N） 626 213 10 4 10)( mm pdAApF （m/s） 3 21 3 10 )(60 AA q V 3 2 10 15 d q 26 图 4-4 差动连接的单活塞杆液压缸图 图 4-5 电机控制电路图 粉碎电机和液压缸的控制都是由主控板（单片机）控制，具体控制电路图 设计如上图 4-5 所示。 27 第五章第五章 带轮与轴的选择及计算带轮与轴的选择及计算 5.1 带轮的选择 在该设计中，因需要电机带动绞龙，所以必须选择一种传动方式来实现该 功能。而在一般的传动中主要有链条传动、齿轮传动、带轮传动。以下为这几 种传动的优缺点： 链条转动的优点有：传动比相对准确；传递力大；没有整体的打滑现象； 缺乏弹性滑动，主要缺点有：传动噪音大；传动阻力大，传动惯性也大，一定 程度来说，会增加油耗，减低性能；更换也比较困难；需要经常更换润滑油。 齿轮转动的优点有：使用的圆周速度和功率范围广；效率高且寿命长；转 动平稳运行可靠性高，主要缺点有：制造和安装精度都比较高，成本较高；不 适宜远距离两轴之间传动。 带轮转动主要优点有：带有弹性，能缓冲减震，运动平稳，噪音小；容易 更换；传动阻力小，传动惯性小；能提高发动机的动力性及加速性能；过载时 可打滑，以保护其他零件；结构简单，成本低；主要缺点有：皮带容易打滑， 传动比不准确；抗热性差，抗过载能力差，易衰老；传动阻尼大；使轴承侧向 受力过大。 综合以上各机构的优缺点，而在本设计中传动的中心距比较大，所以不能 使用齿轮传动。又由于，该产品适用地方为室内，噪音要有一定的控制，而链 传动噪音较大，即不能使用链传动。又考虑到制造成本不能太高，所以最终选 择了以带轮传动的方式。 在设计中主动轮的基准直径初选为 120mm，从动轮的基准直径初选为 250mm。通过在带轮设计标准手册中查得在主动轮和从动轮在这一直径下应选 择 B 带型。由此得该带轮的基准宽度 bd(bp)=14.0mm，基准线上槽深 hamin=3.5mm，基准线下槽深 hfmin=10.8mm 和 14.0mm，e =190.4mm，f =12+2 -1mm，轮槽角 =。 38 28 5.2 带轮的计算 在带轮的直径确定后，查表可得其余各项标准数据，由此可以计算出带轮 的宽度 B。 由带轮宽公式 为轮槽数 （5-1）feZB2) 1(Z 所以有： feZB2) 1( （11）15+212mm 24.0mm 所以，带轮的宽为 24.0mm。 由公式 为带轮基准直径 （5-2） ada hdd2 a d 所以有： ada hdd 120+23.5mm 127.0mm 同理： ada hdd2 22 250+23.5mm 257.0mm 所以在带轮设计国家标准中查表可得主动轮的外径为 125mm，从动轮的基 准外径为 250mm。 由此可确定带轮的基准直径 aad hdd2 11 12523.5mm 118.0mm 同理： aad hdd2 22 25023.5mm 243.0mm 所以主动轮的基准直径最终确定为 118.0mm，从动轮的基准直径最终确定 29 为 243.0mm。 主从动轮参数的确定，进一步可以算出该机构的中心距 a0的范围，由公式 可得：)(2)(7 . 0 21021dddd ddadd （5-3）)(2)(7 . 0 21021dddd ddadd 0.7（118+243）mm 2（118+243）mm 0 a 所以有：252.7mm 722mm。 0 a 因在该设计中实际中心距 a=700mm 在 a0范围内，所以主从动轮的参数不用 做修改。 当带轮的功率恒定时，将转送带的速度增加，可以降低带的有效拉力，总 体上减少带传动的尺寸；提高传送带的速度，同时也提高了带的离心力，增加 了单位时间内带的循环周期数，不利于提高带的疲劳强度和使用寿命。所以带 速不能太高或太低，一般为=525m/s，最高不能超过 30m/s。V 在该设计中，带的速度 （5-4） 11 ndV d 3.14118mm1400r/min 8.65m/s 因带速=8.65m/s 在 525m/s 的范围内，符合设计机械设计标准，所以主V 动轮和从动轮的基准直径不用做修改。 因为粉碎电动机的规格为，因主动轮的转速与电动机的转min/1400 1 rn 速相同，由此可得主动轮的转速。min/1400 1 rn 由公式 （5-5） 1221 / dd ddnn 可得： 2112 / dd dndn 118.01400/243.0 0r/min 679.8r/min 所以，从动轮的转速为 679.8r/min。 粉碎电动机的扭矩为 12kg/cm。 30 因电机与主动轮之间转速是一样的，所以主动轮的扭矩 和分别为电动机的轴径和扭矩 （5-6） 1 1 D DT T D T kg/cm 0 . 118 1828 4.2kg/cm 所以，小带轮的扭矩为 4.2kg/cm。 在两个带轮传动过程中，不变的是两个带轮的线速度，所以从动轮的扭矩 2 211 2 n nT T kg/cm 8 . 679 14002 . 4 8.7 kg/cm 所以，从动轮的最终扭矩为 8.7kg/cm。 带传动的有效拉力 Fe等于传动带工作表面上的总摩擦力 Ft，于是 te FF 而有效拉力与带转动所传递的功率 P 的关系为 （5-7） 1000 vF P e 式中，功率的单位为 KW,有效拉力的单位为 N，转动带的速度 v 的单P e F 位为 m/s。 所以由上式可得 1000 vF P e e F v P1000 N 60 1 1400118 . 0 75 . 0 1000 31 84N 所以，带的有效拉力为 84N。 5.3 轴的选择 在选择绞龙的材料时，考虑到厨余垃圾的主要成分为剩菜和剩饭，最硬的 莫过于骨头，所以将绞龙的材料选择为铝。因为铝比一般金属的密度小，所以 同等条件下要轻一些，能使产品的质量得到一定的控制。同时铝型材料的延展 性能好，且铝的化学性能稳定，无磁性，具有很强的腐蚀性，不用但心厨余垃 圾里面的可腐蚀性的物质（如醋） 。铝的表面可以抗氧化，不用担心厨余垃圾 里面的水分使其生锈。因为绞龙的材料为铝，为了加工方便，所以轴的材料也 同为铝。其轴的直径为 20mm。 5.4 轴的计算 因在该设计中轴的受力主要为扭转力，所以在校核时，主要考虑的是扭转 强度。由查表得铝的许用扭转应力=60Mpa，轴的扭转强度条件为 t （5-8） t T W T 3 2 . 0 9550000 d n P t 式中： 为扭转切应力，Mpa； t 为轴所受的扭矩，Nmm；T 为轴的扭转截面系数，mm3 T W 为轴的转速，r/min；n 为轴传递的功率，KW；P 为计算截面处轴的直径，mm；d 由上式可得轴的直径 32 9.56mmd 3 T 0.2 9550000 n p 3 680602 . 0 75 . 0 9550000 有上式可得，当轴的最小直径大于 9.56mm 时，就能满足轴的扭转强度。 图 5-1 绞龙轴的设计图 如上图 5-1 所示，轴的最脆弱的地方在有键槽处，所以在这个地方，轴是 最容易断裂的，应计算该处的扭转强度。考虑键槽对轴的强度的削弱，对于直 径100mm 的轴，有一个键槽时，轴径增大 5%7% 。然后将轴径圆整为标准d 直径。 因为，算得轴的最小直径为 9.56mm，所以要增加 7%，增加后的直径应该 为 9.5617%mm10.24mm。因 20mm10.24mm，所以该轴的直径取为 20mm 满足该设计中的扭转强度。 33 第六章第六章 产品使用方法及结构爆炸图产品使用方法及结构爆炸图 6.1 产品使用方法 该设计的主要创新点就是将传统的垃圾桶，利用机电结合技术使之成为具 有粉碎、红外感应、称重和自动打包的多功能厨余垃圾处理机。垃圾桶为封闭 状态，具有较好的防臭功能，能良好的保持周围空气卫生。 当需要向里面扔垃圾是，只需打开垃圾口盖，将垃圾扔进里面即可。垃圾 桶的上方有红外线感应器，会自动感应到垃圾的进入，并将信号返回到单片机， 此时单片机会启动垃圾粉碎电机，从而将垃圾粉碎。粉碎后的垃圾会掉入到下 面放好的垃圾袋里，但垃圾达到设定的重量时，重力传感器会将信号反馈到单 片机，从而使单片机控制液压缸，使垃圾袋打包。当垃圾装满，需要更换垃圾 袋时，只需将门打开将转动轴转出外面，即可以方便、快捷的更换垃圾袋。 为了使该设计更加的人性化，在外壳上装有两个灯和一个按钮。当垃圾还 没有达到设定的重量时，会有一个绿灯一直亮着，提示工作人员垃圾还没满可 以继续扔垃圾。当达到设定的重量，垃圾袋已经打好包后，此时绿灯会灭，同 时会有一个红灯亮，并伴有提示音，红灯亮代表垃圾袋已经装满急需更换。在 垃圾袋打好包后，再向垃圾箱口扔垃圾时，红外线检测后电动机不会启动，取 而代之的是更加强烈的提示音，从而不让垃圾弄脏垃圾袋，更加卫生。为了更 好地让工作人员了解垃圾的重量情况，在垃圾的重量达到设定重量的 80%以后， 绿灯会一直闪烁，当绿灯闪烁是代表垃圾即将满，提示工作人员需做好更换垃 圾袋的准备。考虑到工作人员下班或者是需要更换垃圾袋而此时垃圾没达到设 定重量，垃圾袋还没有打包，所以设计了一个自动打包按钮，当按钮后在单片 机的控制下就会开始打包。 34 6.2 总体结构爆炸图 图 6-1 总体结构爆炸图 图 6-2 粉碎机构爆炸图 35 第七章第七章 总结与展望总结与展望 7.1 全文总结 地球是我们的一个大家庭， “家庭”的环境问题容不得任何一个人的忽视。 世界上各国都在厨余垃圾的处理上奋发图强，我国也不能落后于人。一款适合 于酒店、餐馆等厨余垃圾比较集中地方的厨余垃圾自动粉碎打包机应运而生。 它不但能更好的收集厨余垃圾，同时也减少了垃圾产生恶臭和健康问题，而且 也能使厨余垃圾的二次应用更加方便、简捷。全文总结如下： 1.第一章主要简单的介绍了厨余垃圾处理技术在国内外的发展状况及、选 题的背景意义及目前市场上的垃圾桶的种类和主要存在问题。 2. 第二章主要介绍了主要零件与机构的设计及使用方法。并用 proe 画出 了这些零件，以图片的形式展示出来。在介绍这些机构的设计的同时也详细介 绍了各机构的运动方式、功能。 3. 第三章主要介绍了单片机控制系统的设计。其中包括了检测电路的设 计、称重电路的设计。在介绍各电路的同时也详细介绍了各电路的工作原理、 各种显示提示的意义、操作方法等，并附带了各控制电路的电路图。 4. 第四章主要介绍了电动机的选择。其中包括了粉碎电机的选择、液压 缸的选择及计算，同时给出了各参数或型号，以及选择的依据和参考。 5. 第五章主要介绍了带轮及轴的选择和计算。其中带轮的选择为初步选 择，然后经过对带轮的计算得出带轮的精确尺寸，并附带的算出了带轮的其余 转动参数。轴的选择首先是确定其材料为铝，直径为 20mm，然后再凭借带轮的 数据计算其抗扭矩强度。 6. 第六章主要对产品的总体使用方法做了详细介绍，并把产品总体结构 的爆炸图展示出来。 7.2 展望 1、该产品主要用于酒店等厨余垃圾比较多的场合，考虑到这些地方的厨 余垃圾比较多，要经常更换垃圾袋。我希望在以后的研究中能让其自动更换垃 36 圾袋，从而更加智能化，减少劳动力。 2、该产品的体积和造价不适合一般家庭使用。我希望在以后的研究中能 减小其体积和造价，使其能普及到普通家庭。 37 参考文献 1 陈晓勇.城市袋装生活垃圾选择性破碎研究J. 机械传动,2006,30(1): 67-68. 2鞠茂伟，李爱民，马蒸钊.城市生活垃圾机械生物预处理技术研究进展 J.化工进展，2010.2 3汪群惠，马鸿志，王旭明，汲永臻，厨余垃圾资源化技术，现代工业， 2004.2 4 岳荣刚.机械设计M.北京：电子工业出版社，2007 5 毛平淮.互换性与测量技术基础M.北京：机械工业出版社，2006.7 6 濮良贵，纪名刚.机械设计.八版.北京：高等教育出版社，2006.5 7 王巍，钱可强.机械工程图学 M.北京：机械工业出版社，2000.8 8 霍从浩.AUTOCAD 绘图技法M.北京：电子工业出版社，2008 9 林清安.完全精通 Pro/ENGINEER 野火 5.0 中文版零件设计基础入门M. 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然后，我对全体机械专业的老师深表感谢！同时，我也希望我们机械专业 的同学都能够找到一份满意的工作。 最后，我要感谢我的父母、家人和朋友，正是由于他们在我生活和学习上 给予物质和精神上的鼓励和支持，我才能够克服各种困难并顺利地完成学业。 同时也祝他们身体健康、万事如意！