食物垃圾处理器设计

目录1绪论- 1 -1.1厨房食物垃圾处理的紧迫性- 1 -1.2厨房食物垃圾的特征及其危害- 2 -1.2.1厨房食物垃圾的特征- 2 -1.2.2厨房食物垃圾的危害- 3 -1.3食物垃圾处理的方法- 3 -1.3.1卫生填埋- 3 -1.3.2焚烧- 4 -1.3.3堆肥- 4 -1.3.4作牲畜饲料- 5 -1.4食物垃圾处理器的发展及应用现状- 5 -1.5课题目的和研究意义- 6 -1.5.1课题目的- 6 -1.5.2研究的意义- 6 -1.6方案论证- 7 -2厨房食物垃圾处理器的设计- 9 -2.1厨房食物垃圾处理器的可行性分析- 9 -2.2厨房食物垃圾处理器的工作原理及组成- 10 -2.2.1厨房食物垃圾处理器的工作原理- 10 -2.2.2厨房食物垃圾处理器的组成- 11 -2.3粉碎刀盘组合刀具结构设计- 12 -2.3.1刀具基本尺寸的确定- 12 -2.3.2粉碎刀盘的力学分析及材料的选择- 12 -2.3.3粉碎刀盘的强度校核- 15 -2.3.4刀片的强度校核- 17 -2.3.5粉碎刀盘的结构设计- 18 -2.4驱动电机的选择- 19 -2.4.1电动机种类的选择- 19 -2.5其它部分设计- 21 -2.6厨房食物垃圾处理器的装配- 22 -3结论- 23 -参 考 文 献- 25 -谢辞- 27 - 29 -1绪论1.1厨房食物垃圾处理的紧迫性随着我国经济的发展，城市生活水平的提高和人口的增长，人们在不断美化居室的同时，也在追求厨房的整洁、卫生和科学化。然而，人们在厨房精工细作时，往往会忽略一个严重的问题，即食物垃圾或下角料的处理，从而造成生活垃圾的排放量急剧增长。据建设部调查统计，2001年我国城市生活垃圾清运量为1.35亿吨/年，占世界总量的四分之一以上1，各种生活垃圾的排放量每年仍以8-10%的速度增加。由于垃圾产量的快速增加和我国垃圾处理能力的不足，给人民生存环境和日常生活带来危害。目前，我国生活垃圾日处理量仅占垃圾生产总量的45%，有近一半的生活垃圾不能及时处理而随意堆置，剩饭和剩菜以及下角料等常常倒入洗涤盆的下水管内，如不及时处理，这些食物垃圾就会堵塞下水道并在下水道内腐烂、发臭，造成细菌滋生、老鼠横行、污水横流，严重污染家庭和公共场所环境，夏天尤其严重，由此给生活带来许多麻烦，严重的影响着人们的生活环境和身体健康。同时，中国的人均耕地面积不足，远远低于世界人均的水平，可全国未经处理而堆存的垃圾达60亿吨，占用土地约50万，在大量浪费土地资源的同时也对土地产生污染2-9。有资料表明，1节一号电池可使1平方米的土地失去其使用价值。在水资源方面，中国是世界上13个贫水国之一，全国668座城市中有400多座城市缺水，其中110座城市严重缺水，而历年堆放垃圾中的重金属以及在垃圾腐烂过程中产生的病原微生物，使一些城市的水源遭到污染。在我国，垃圾处理主要采用填埋技术，但填埋的技术不过关，在耗费大量财力的同时产生垃圾的二次污染，严重影响着人们的正常生活环境。垃圾产量的迅速增长，己经制约了城市的发展，我国政府对垃圾处理问题高度重视，在不断的增大投资力度，加强垃圾的处理。同时，还制定了一系列相关政策及规范，提出了“以减量化为基础，以无害化为主体，以资源化为目标”的方针。目前，结合我国生活垃圾的特点，开发较为有效的处理技术已成为当务之急。近几年来，由于人们生活水平的提高，生活结构的改变，生活垃圾的成分也发生了很大变化。集中供热和煤气的广泛应用，使垃圾成分中煤灰的比例大为减少，而食物垃圾的数量越来越大，占城市生活垃圾总量的50%，并呈上升趋势。在上海，每天产生生活垃圾约1.3万吨，其中70%为食物垃圾，每年处理的总量达300万吨。在北京，每天产生的剩饭、剩菜就达1600多吨，每月回收馒头20吨左右，相当于140人一年的口粮，而且春节期间至少增加50%以上9。从环境卫生角度看，食物垃圾是一种污染，但从资源角度看，它也是一种再生资源，这些被丢弃的有机物可通过生物技术变为优质的有机肥，而去掉有机物的生活垃圾用来焚烧发电，可有效的缓解能源危机，具有生态环境效益和社会效益8。表1为上海市1988-2000年生活垃圾成分调查统计以及20052015年预测值l0。表11988-2000年上海市生活垃圾成分调查统计及2005-2015年预测值年份产生量 有机垃圾（）无机垃圾（）纸类塑料竹木布类厨余果类金属玻璃 渣石19882404.302.991.941.6870.6110.941.022.913.6119903014.264.191.441.1470.0512.040.103.742.9119933358.367.541.891.9761.0911.080.724.741.8619953726.5011.211.472.1756.6611.990.913.812.2919974548.0511.781.442.2458.0612.030.584.001.8220006418.0213.931.432.8154.6612.840.854.151.26200570910.8313.211.933.2162.370.835.452.70201086312.8212.982.494.4158.760.985.641.922015105015.4412.62.865.2855.780.875.361.79通过该表可见，在上海市的生活垃圾中，有机易腐败的垃圾成分(厨房垃圾)和可燃成分(纸张、塑料橡胶、织物等)占有很大比例，其中厨余为生活垃圾中有机垃圾的主要成分，而无机垃圾成分是在持续下降的。1.2厨房食物垃圾的特征及其危害1.2.1厨房食物垃圾的特征食物垃圾主要是指在食物加工和饮食消费过程中产生的易腐烂、易生物降解的废弃物，是城市生活垃圾的主要组成部分10，在城市垃圾中所占比例北京37%，天津54%，上海59%，沈阳62%，深圳57%，广州57%，济南41%。与其他垃圾相比，具有含水量、有机物含量、油脂含量及盐分含量高，营养元素丰富等特点，具有很大的回收利用价值。24一般在食品加工过程中产生的食物残余称为厨余，饮食消费后的食物残渣称为浴脚，从化学成分上看主要是淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等11-16。食物垃圾的来源比较集中，主要是城镇菜场垃圾、餐馆饮食垃圾、家庭厨房垃圾及各种市场的瓜果皮等城镇垃圾。我国食品结构复杂，食物垃圾呈现多、硬、杂、粗等特点17。1.食物垃圾具有较低的发热值发热值又称发热量，是指1的垃圾完全燃烧后所释放出的热量，人们常用发热值来衡量或表示垃圾作为燃料的价值和能力。由于食物垃圾的水分含量很高，所以其单位质量的低位热值在2100-3100左右，(当垃圾的平均低位热值高于3349时，焚烧过程不用添加任何助燃剂，高于4180时可进行余热利用如发电)故需加入燃油或煤等助燃，增加成本，同时要注意控制温度，防止灰尘、二恶英等有害物质产生15。2.营养元素高，可实施资源化食物垃圾中营养元素含量高，干物料中粗脂肪约为29%，是大豆的1.5倍；粗蛋白约占20%，是玉米的2倍，有实验表明粗脂肪消化率为88.26%，粗蛋白消化率为89.63%，其消化率与常规饲料相近，是生产绿色饲料最理想的原料。但是由于我国垃圾不是分类处理，各种垃圾都混合在一起，导致大量营养元素的浪费。1.2.2厨房食物垃圾的危害厨房食物垃圾中含有大量易腐物质，而我国垃圾收集容器和运输车辆对其并不适宜，从而带来在垃圾收集和运输过程中的二次污染。同时，食物垃圾因其含水量大，又是垃圾填埋场的渗滤液的主要来源。由于食物垃圾易腐烂，产生臭气污染大气的同时还使苍蝇，嶂螂等害虫横行，传播疾病。加之人们环保意识比较薄弱，在一些城郊结合区，可以看见餐厨垃圾被随意倒入阴沟、路边，严重影响了市容环境卫生。再者，我国有把餐厨垃圾作为牲畜饲料的习惯，一些垃圾的细菌、重金属会通过牲畜的内脏危害人体的健康，更有甚者，有一些不法之徒为了谋求暴利，降低成本，甚至用“浴水油”提炼色拉油来加工食品，毒害百姓。厨房的食物垃圾易腐烂、有异味、滋生细菌、招引小虫，成为挥之不去的家庭污染源。食物垃圾占50%左右。解决食物垃圾对家庭的污染已成为提高家庭生活质量的标志之一。近几年，食物垃圾处理器在韩、日等国也得到了高速发展。在北京一些大批量高档精装修房已使用了食物垃圾处理器，业内人士表示，食物垃圾处理器与微波炉等家用电器一样，将成为家居厨房的标准配置。 1.3食物垃圾处理的方法由于我国垃圾没实行分类管理，所以厨房食物垃圾混合在城市生活垃圾中做一般常规处理。1.3.1卫生填埋此特点是操作简单，可处理多种类型的垃圾，但投资大，占地多，垃圾处理没有减量化和资源化。填埋场受容量的限制，有一定的使用期限，一个填满后，又要重新征地新建，而我国耕地面积小，这样就出现了“人与垃圾争地”的局面。另外，由于卫生填埋产生的渗滤液能使周围的地下水及土壤受到污染(美国就曾发生过花费数百亿美元治理被垃圾填埋场渗漏液污染的地下水事件)，故国外一些国家规定填埋的垃圾中有机质含量不能超过5%。我国在有机垃圾的含量持续升高的同时，真正达到要求的填埋厂却并不多，有关部门对我国298个垃圾填埋场调查后得知有191个填埋场渗滤液无任何处理或防护措施直接外排，对107个垃圾填埋场的滤液进行监测，有86个超标，占81.4%，故我国垃圾填埋场附近的环境状况并不乐观11-12。垃圾填埋后，会释放大量甲烷等温室气体，污染空气产生温室效应的同时也易引起爆炸，威胁着周围居民的安全。再者，根据物质不灭和能量守恒定律，垃圾是物质循环和能量流动的一种形式，其内部蕴藏着巨大的能量和价值。食物垃圾中含有更加丰富的有机物质，可回收再利用的成分很高，却被直接的丢弃，造成能源的浪费13-14。所以填埋虽然现在是垃圾处理的主要方法，但今后会不断的减少。1.3.2焚烧焚烧是在高温下燃烧垃圾,达到大量削减固体的目的，能迅速实现垃圾的“减量化”，焚烧后的体积仅为原来的5%-15%16，同时焚烧产生的余热还可以发电和供热，对于土地面积比较小的国家，此种方法受到青睐。在日本，垃圾焚烧量超过66%17。其缺点是产生烟尘污染，投资大。我国引进的垃圾焚烧设备，若处理100垃圾，其建设成本接近1亿元人民币口18，中等城市的财政难以承受。另外，我国的垃圾结构也不适合焚烧，表2和表3为长春市主城区生活垃圾的三种成分和垃圾各组分的含水率调查统计。表2生活垃圾成分的百分数（）表3垃圾各组分的含水率（）成分朝阳区二道区平均值含水率朝阳区二道区平均值含水率68.563.265.85纸68.671.369.95可燃分20.622.321.45纤维67.357.862.55灰分10.914.512.7塑料46.85349.9橡胶20.648.934.75厨余71.576.273.85金属000通过表2和表3的分析可知：在长春市区内的垃圾含水率较高，平均为65.85%,正是由于垃圾的含水率高，因而降低了垃圾的热值，增加了垃圾的焚烧难度。在各种垃圾组分中，厨房残余垃圾的含水率最高，而且它的组分含量也最大，所以，影响生活垃圾焚烧效果的主要因素为厨房残余垃圾。因此，要想对垃圾采用焚烧的处理方式，最好是首先把厨房残余垃圾解决好。1.3.3堆肥堆肥适合于食物垃圾，我国常采用传统的厌氧堆肥，但其周期长，常为3-6个月，并受季节性影响。由于垃圾的混合收集13，垃圾中的重金属(Pb，Cd，Hg)等在雨水的作用下渗到有机肥中，用这种肥种出的食品其重金属含量必定会超标，危害人体健康17-19。资料表明，1颗纽扣电池可以污染60万升的水16，1节一号电池可以使的土地失去其使用价值20。所以，无法对重金属含量进行严格控制的堆肥必须慎用。另外，由于化肥的低廉价格及广泛应用，使堆肥的前景并不乐观。1.3.4作牲畜饲料由于食物垃圾中含有丰富的有机物质，长久以来，许多农民到各饭店、餐馆收集泔水，然后未经任何处理直接运回喂猪生产垃圾猪。另外，泔水在运输途中容易变质，严重的影响着人们以及牲畜的身体健康。欧洲在1997-1998年间就发生过因垃圾饲料引起的Swine Fever疾病，导致家畜集体死亡的事件。在我国，北京、上海等地也都先后明令禁止运用此类垃圾喂牲畜1620。由此可见，食物垃圾因其特有的性质以及传统的不合理的处理方法，给人们造成危害的同时也使资源白白的浪费，故找寻合适的处理食物垃圾方式是一项紧迫的任务。1.4食物垃圾处理器的发展及应用现状目前，世界各国寻求的方法各不相同，在加拿大，政府向居民免费或低价提供堆肥桶，鼓励居民将厨房垃圾在自己家进行处理，而美国则鼓励居民采用食物垃圾处理器，一种可以安装在水槽下面的小型机器。厨房中产生的食物垃圾可以被其快速粉碎为小颗粒，随流水一起进入排水管道。食物垃圾处理器起源于美国。据有关资料记载，在上个世纪30年代，一位名叫约翰海墨的设计师在自己的地下室设计出了世界上第一台食物垃圾处理器，这一富于想象力的设计目的是为了减轻自己妻子厨房事务的负担，并且使厨房环境更干净一些。产品最初的设计十分简单。只有一台用电动机驱动的滚刀式粉碎机。随后的几十年，该产品得到了不断的改进和提高，逐步被消费者所接受，在上个世纪的60年代，开始在美国市场上形成批量销售，之后，该产品的实用价值及其优点得到了政府和有关部门的认可，为全面考察食物垃圾处理器可能造成的影响，20世纪80年代纽约市政府曾联合美国环保局、城市管道部门、国家卫生部等多方面力量，进行了一项为期三年的联合调查，试图从多角度来评估食物垃圾处理器对城市周围水质、城市管道、污水处理厂、耗水量和耗电量的影响，结果表明，食物垃圾处理器的应用对城市水质没有任何影响，城市管道不被堵塞，增加污水处理的负担，耗电量及耗水量有所增加，但可大大降低城市中食物垃圾数量。由于固体垃圾的处理费用远远高于废水的处理费用，所以综合全面因素进行核算，应用食物垃圾处理器可以为国家节约成本20-26。通过倡导安装，实现了减少生活垃圾及排放物，从源头抓起的目的，进而达到了垃圾的减量化、资源化、无害化的效果。这种食物垃圾处理器目前在美国的家庭中使用率已很高，并由此波及至其他国家25。目前，这一机器在美国家庭普及率为95%以上，居世界首位，并波及世界其它国家，像瑞典、澳大利亚、法国、日本等都相继研究和应用食物垃圾处理器，其中日本普及率达到35%以上。在上世纪九十年代末，食物垃圾处理器进入中国。现在，美国艾默生电气公司的工SE系列、美国通用电器的Dispose系列、美国挚通公司的U系列等几种品牌的食物垃圾处理器垄断中国，但中国自行研制的适合我国的食物垃圾处理器却仍为空白，相关资料很少。由于直接照搬国外产品，它不适合中国的住房特点和饮食结构。首先，国外机器采用交流电动机，交流电动机的特点是结构简单，转速范围广，维护方便，但它噪音大，体积大且笨重，欧美国家厨房的水槽偏厚，可以承受住大压力，可中国水槽薄，食物垃圾处理器很容易把水槽压坏。同时，机器使用中产生的大噪音也是不容忽视的因素。另外，国外机器价格太高，一般百姓难以承担。像美国挚通公司生产的U-308型食物垃圾处理器价格为1580元，而insinkerator公司生产的同规格产品价格竟为2500多元，如此高的价格为食物垃圾处理器在中国的广泛推广设置了障碍。鉴于以上因素，研制一款适合我国国情的食物垃圾处理器十分必要。1.5课题目的和研究意义1.5.1课题目的依据我国的实际情况，研制适合本国的厨房食物垃圾预处理装置厨房食物垃圾处理器，使居民在家中可以直接对厨房垃圾进行初步处理，处理掉的食物垃圾通过下水管路排到阴井中。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。1.5.2研究的意义国外成功的应用食物垃圾处理器来减少食物垃圾的经验，为我们处理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食物垃圾处理器。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 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。厨房垃圾处理器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，同时确保人们有一个健康、整洁的生活环境，进而减少疾病的传染。2 于垃圾的再处理由于厨房垃圾含有大量的水分，给垃圾的焚烧带来很大的困难，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的大量浪费。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漏问题也可大大改观。3 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，己经超出百姓的支付能力范围。拟研制的食物垃圾处理器作为一种面向家庭、宾馆及饭店的小型机器，突有体积小，成本底，经济耐用的特点，可以被人们所接受。加上政府在政策和舆论大力宣传引导，实行鼓励政策，一方面提高了百姓的环境参与意识，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(例：二次污染治理费、城市生活垃圾运输费)用来研制、开发垃圾处理的新项目。厨房的食物垃圾易腐烂、有异味、滋生细菌、招引小虫，成为挥之不去的家庭污染源。食物垃圾占50%左右。解决食物垃圾对家庭的污染已成为提高家庭生活质量的标志之一。近几年，食物垃圾处理器在韩、日等国也得到了高速发展。在北京一些大批量高档精装修房已使用了食物垃圾处理器，业内人士表示，食物垃圾处理器与微波炉等家用电器一样，将成为家居厨房的标准配置。 食物垃圾处理器是一种现代化的厨房电器，通过改变食物垃圾的形态来进行及时的食物垃圾无害化处理，能够将食物垃圾粉碎成浆状液体或极小颗粒直接从下水管道排出，可轻松实现即时、方便、快捷的厨房清洁，避免食物垃圾因储存而滋生病菌、蚊虫和异味，从而有效优化家居环境，并彻底解决下水道容易堵塞的问题。 家庭食物垃圾处理器可以解决家庭垃圾的烦恼-轻松处理食物残渣、剩余物，让厨房生活更轻松;使家庭环境得到改善-解决垃圾变质引发的环境污染，让家庭和社区不再存放食物垃圾;由此让家庭告别脏、乱的垃圾环境，远离病菌、蚊虫、蟑螂的困扰。 食物垃圾处理器在欧美国家使用率非常高，一些国家已经立法推广。这种设备给家庭带来了舒适健康的生活空间。食物垃圾通过处理后排放，不会对下水管道产生影响，更不会堵塞下水道。其带来的社会效益和经济效益惊人，前景十分看好。 1.6方案论证方案一：设计的机器利用活动齿盘和固定齿盘间的高速相对运动，使被粉碎物经齿冲击、磨擦及物料彼此间冲击等综合作用获得粉碎。这种机器结构简单、坚固、运转平稳、粉碎效率良好，被粉碎物可直接由主机磨腔中排出，粒度大小通过更换不同孔径的筛网获得。机壳内壁全部经机加工达到表面平整光滑，改变了老机型内壁粗糙、粉尘堆积的现象，但是作为食物垃圾处理器我们需要的是占地面积小，便于连接，同时耗电量能被一般家庭所接受。方案二：设计的机器采用刀片切割和高速气流冲击，碰撞双重粉碎功能于一体，在刀片切割粉碎过程中，转子产生高速气流随刀片切割方向旋转，物料在气流中加速，并反复冲击使物料同时受到双重粉碎，加速物料的粉碎率。被粉碎的物料随气流进入分级室，由于分级转子的高速旋转，粒子既受到分级转子产生的离心力作用，又受到气流粘性作用产生向心力作用，当粒子受到的离心力大于向心力时，既分级径上的粗粒子返回粉碎室继续粉碎分级径以下的细粒子随气流进入集粉器收集。这种机器具有能耗低，工艺流程短，占地面积小，无粉尘污染，产生热量小，成品粒度细，粉碎范围广，物料含水量不限，进料粒度不限等特点。但是这种机器由于有风机，所以不能粉碎刚从水池中流下的食物垃圾，并且此种方案设计的机器噪音大、占地面积大，不能满足家庭的使用要求。方案三：设计的机器工作原理在刀盘高速旋转时，被处理物不会与刀盘同步旋转，从而产生一个速度差，加上离心力对被处理物的作用，使被处理物与刀盘的运动又不同向，这样，依靠内齿环和端齿环及高速旋转刀共同对被处理物的破碎，撕拉等作用，使食物垃圾迅速变为3-5mm颗粒。垃圾处理器由投入口、粉碎室、驱动电机和排污口四部分组，驱动电机为处理器提供动力来源，粉碎室内装有多重多向粉碎功能的粉碎刀盘，是食物垃圾进行粉碎的场所，驱动电机和粉碎刀盘是垃圾处理器的关键部分，直接影响垃圾处理器的使用效果，这种机器更加适合我国的食物结构和住宅特点。避免了目前同类产品完全采用交流电机、国外进口电机、选用昂贵材料的做法，使机器的制造和使用成本降低，满足一般家庭的使用需要。因此，我们决定采用第三个方案。2厨房食物垃圾处理器的设计2.1厨房食物垃圾处理器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。本文所要设计的厨房食物垃圾处理器就是利用粉碎、剪切等方法把厨房食物垃圾快速粉碎成的颗粒状，通过下水装置排入污水管道系统。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，则颗粒不会沉淀。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，经美国挚通公司的U系列食物垃圾处理器处理过的食物垃圾在单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水力学设计时，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。被粉碎到一定粒度的颗粒进入下水道后，在此流速下完全可随水流沿城建管道送入生活污水处理厂进行处理21。食物垃圾处理器的工艺流程图如图1所示。220V交流电源水旋转电机食物垃 圾食物垃圾处理器粉碎室粉碎刀 组5的颗粒流入下水道污水处理厂图1食物垃圾处理器的工艺流程图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，都有利于食物垃圾处理器进入千家万户22。但是，由于国外情况与我国并不完全相同而且食物垃圾处理器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单糖，蛋白质水解成氨基酸，再经脱氨基作用形成有机酸和氨。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并进一步降解形成各种低级的有机酸。产氢和产乙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。流入生活污水处理厂的有机颗粒可作为营养元为污泥提供营养，也可提取作为肥料再利用，这里不加以详细论述。2.2厨房食物垃圾处理器的工作原理及组成2.2.1厨房食物垃圾处理器的工作原理厨房食物垃圾处理器就是把废弃食物倒入水池，随水流下，落入粉碎室内腔的转盘1上。盘中短柱轴2上装有两只可动破碎角爪3，盘上下各有一把三角形粉碎刀4，其根部相连。前部短片呈齿爪状，位于垂直方向有夹角的个平面内。盘上可动破碎角爪与盘下粉碎刀组成旋转刀组如图2所示。粉碎室内壁由两个半圆圈组合成一体，并且包裹住转盘，但留有一定的间隙。它与转盘之间有一定间隙。半圆圈如图3所示。旋转刀组图2半圆圈图3转盘由下部高启动转矩永磁电机驱动高速旋转，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，通过固定刀组与旋转刀组实现多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、鱼肉碎骨、果壳、蛋壳、剩饭、剩菜、蔬菜皮、咖啡渣、茶叶等废弃物通过切、敲、磨、捣、撕等多重机械粉碎迅速变成微小颗粒,与水混合成糊状浆液，使食物垃圾迅速变为颗粒，随水流冲入下水道。这种垃圾处理方式不会阻塞化粪池，使食物残渣容易清理，厨房环境更加清洁23。2.2.2厨房食物垃圾处理器的组成设计的厨房食物垃圾处理器主要有入口部分、粉碎室、驱动电机和排污管组成，食物垃圾处理器工作原理如图4所示。图4食物垃圾处理器工作原理图粉碎室下部侧壁设有排污管(出水弯管)，室内装有多重多向粉碎功能的固定刀组和旋转刀组，旋转刀组由安装在带孔转盘上下两面的粉碎刀组成。当水池内的食物垃圾，经入口进入粉碎室，随水流下，便落入粉碎室内腔的转盘上盘中短轴上装有两只可动锥形破碎角爪，盘上有菱形粉碎刀，盘上可动破碎角爪与固定粉碎刀组成旋转刀组。粉碎室内壁四周嵌有套装成一体的由内齿环和端齿圈组成，作为固定刀组的齿形碾磨环，它与转盘之间有一间隙，转盘由永磁电机驱动高速旋转，通过固定刀组与旋转刀组实现多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、鱼刺、碎骨、蛋壳、剩饭菜等废物通过切、撕、磨等多种刀具粉碎迅速变成小于的微小颗粒，随水流冲入下水管，这样就避免了下水管的堵塞。其中驱动电机和粉碎刀盘为垃圾处理器的关键部分，它们的好坏直接影响食物垃圾处理器的使用效果。2.3粉碎刀盘组合刀具结构设计2.3.1刀具基本尺寸的确定食物垃圾研磨机的最关键部件是粉碎刀盘的结构设计，由于它独特的位置和功能,在设计时必须保证它既耐腐蚀、不容易生锈，又要满足一定的强度和刚度，根据这些特点，我们选取1Cr13不锈钢材料，其材料参数为：弹性模量，泊松比，密度。接口及刀盘尺寸的确定是参考我国厨房洗涤盆下水口的结构尺寸及食物垃圾多、硬、杂、粗等特点，目前我国厨房洗涤盆下水口的结构尺寸基本上是统一的，直径为，只是在轮廓上有大小、深浅之分。经计算确定了刀盘的直径：，厚度：23。2.3.2粉碎刀盘的力学分析及材料的选择.粉碎刀盘工作的载荷：组合刀盘工作时需克服阻力，为确保刀盘有足够的强度，设计刀盘时首先应对刀盘所承受的载荷进行分析。我们把刀盘理想为一个绕中心轴旋转的一块薄板，在它上面作用流体旋转阻力矩以及破碎食物垃圾(削、撕、磨)时的阻力。(1) 流体旋转阻力矩设一个半径为R的圆盘，在本来静止的流体中旋转，转轴通过圆盘的中心且与圆盘垂直。由于圆盘旋转时，紧靠圆盘的流体层被圆盘上的摩擦阻力带动作圆周运动，受惯性力的作用流体层往外流，并在圆盘的外缘处离开圆盘；而新的流体层则逼近圆盘，并依次外抛。这样，经过一个短暂的起始阶段后，便建立了一个定常流动，它对圆盘的旋转施加了相当大的阻力。设：圆盘上单位体积的流体，切应力的方向与圆盘成角。切应力的径向分量 (2-1)径向动量的增长同被圆盘带着转动的流体的离心力相平衡， (2-2)为被带着转动的流体层的厚度的量度,为圆盘旋转的角速度，r为圆盘半径，故切应力的径向分量与r成比例，即： (2-3)即： 应力的周向分量 (2-4) 按其量级可表示为 (2-5)圆盘的旋转速度等于旋转角速度乘以圆盘的半径所以 (2-6)将式(2-3)代入式(2-6)得：由实验可知：与半径无关，为一个常量，则化简上式得： (2-7)根据运动粘性系数定义： (2-8)为运动粘性系数，为粘性系数，为密度将式(2-8)代入式(2-7)得： (2-9)将式(2-9)代入式(2-3)得： 由于为常量，所以转矩与面积力臂成比例对于半径为r和周向速度为V的圆盘，其系数为，且，故阻力矩为 依据食物垃圾迅速变为颗粒的设计结果要求。在实验基础之上，设计中选取刀盘的转速为 23.1430000.057/60使用计算旋转圆盘上流体阻力矩的公式： (2-10) 由此可以得出，流体阻力矩 由公式 (2-11)得： 所以流体阻力为： (2) 垃圾形成的阻力由于食物垃圾为软垃圾，粉碎时产生很小的阻力，在对食物垃圾(不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛)中常见的鱼刺、剩菜等进行破碎测试时得到阻力大约为.粉碎刀盘、粉碎刀材料的选择：前面我们已经就材料作出选择，下面我们就材料的选择过程进行描述：厨房食物垃圾处理器的关键部件之一是组合刀盘及刀片。在材料的选择上必须保证它既耐腐蚀、不生锈、满足一定的强度和刚度，同时要考虑其机械加工性和经济性。为此，我们在1Cr13和9Cr18两种材料中参考表4进行选择。(1) 材料中C的含量越高，其耐腐蚀性越差；(2) 在钢中加入Cr能显著提高钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，并能提高钢的强度和耐磨性，从而能显著提高钢的力学性能和物理、化学性能，因而在各种用途的钢中普遍加入数量不等的Cr。但由于我国Cr资源稀少，故应尽量节约使用，少用或不用。根据表4的分析可以看出，在满足使用要求的前提下，1Cr13比9Cr18易加工，C，Cr的含量低，价位大体相当，所以，本文所用机器的刀盘及刀片选用1Cr13作为材料来加工。表4材料1Cr13,9Cr18参数表参数名称1Cr139Cr18化学成分（质量数%）C0.15 Cr11.5013.50C0.901.00 Cr17.0019.00密度()7.757.8硬度(HBS)159255屈服强度345抗拉强度540加工性能普通材料，稍难切削难加工材料价格(千元/吨)55用途具有良好的耐腐蚀性，机械加工性，一般用在刃具制造上一般用作不锈切片、机械刃具、剪切刀具、手术刀片及高耐磨设备零件2.3.3粉碎刀盘的强度校核粉碎刀盘受到循环载荷的作用，能发生疲劳破坏。刀盘是决定粉碎机寿命长短的因素之一，因此，按无限寿命设计，即要求各部件在工坐载荷作用下具有无限长的疲劳寿命。金属材料在交变应力下的强度常用曲线或疲劳极限来衡量。曲线如图5所示。图5-N曲线对于钢材来说，曲线有一条水平渐近线，这意味着当时，试件经受有限循环会发生疲劳破坏；当时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏。为此，设计时应力水平应该很低，以便有足够的应力储备。疲劳极限与抗拉强度之间的关系如下：材料1Cr13的抗拉强度进行保守估计，我们取的下限： 即：的最小值为计算：设在距圆心为处取一微面积，其上内力对X轴之矩为，将所有内力矩求和即得到截面上的力矩： (2-12)图5横截面应力示意图其中A为横截面面积。根据虎克定律： (2-13)将式(2-13)代入式(2-12)中，并注意到为常数，于是有其中是与圆截面有关的一个几何量，以极惯性矩表示，所以 (2-14)将式(2-14)代入式(2-13)得：圆盘上最大的应力应在截面周边各点，故代入： (2-15)根据材料力学知识，对于实心圆轴的极惯性矩：其中为圆轴横截面的直径。 将公式 (2-16)代入式(2-15)得： 可见 即 依据曲线，当，时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏，设计中刀盘满足强度要求。2.3.4刀片的强度校核由于刀片与刀盘都绕固定轴旋转，运动形式相同，所以校核方法相同。依据曲线，只要当刀片的时，刀片满足强度要求。设计中，刀片的半径 速度 则依据公式(2-10) 因为： 故流体对刀片阻力： 又因为： 将公式 代入式(2-15)得： 因为 所以 可见，设计中刀片满足强度要求。2.3.5粉碎刀盘的结构设计根据我国食物垃圾种类多，硬度、粘性差别大的特点，采用组合刀盘式粉碎刀，由固定刀组和旋转刀组组成，结构为：旋转刀组由刀盘组成。刀盘为组合刀盘，上面有菱形块、摆动刀及直径为3mm的小孔，摆动刀可绕固定轴做的摆动，实现粉碎垃圾。组合刀盘在电动机的带动下高速旋转；粉碎室内壁四周嵌有套装成一体的内齿环和端齿环作为固定刀组，内齿环和端齿环与粉碎刀盘有一间隙，利用间隙对食物垃圾进行切、撕、磨等破碎操作。组合刀盘式粉碎刀具有以下作用： 对于硬度较小、粘性较大的食物垃圾，在可随电机高速旋转的刀盘上设置两个摆动刀，与粉碎室内部的端齿环共同作用，实现对食物垃圾进行剪切和机械撕裂破碎功能。 对于硬度较大、粘性较小的食物垃圾在转盘上设置了两个棱形固定刀，在离心力的作用下，食物垃圾很容易运动到转盘的边缘，为此，在粉碎室内壁四周设置了平齿环。平齿环和端齿环共同作用，对食物垃圾进行切、撕、磨等破碎操作。 在旋转刀盘上分布着许多直径为3mm的小孔，这些小孔一方面用来排泄破碎后的颗粒和污水，另一方面可以在保证转盘足够强度时减轻自重。2.4驱动电机的选择驱动电机是食物垃圾处理器工作能量的提供源，也是关键部件之一，其性能直接影响着厨房食物垃圾处理器质量的好坏。在设计中，电动机运行特征为时间短，启动频繁，断续工作。图6为永磁电机的结构简图。我们选用永磁电机,因为其定子为永磁钢励磁无需励磁线圈，即省电又不发热。磁路结构经精心选择，使电机具有启动转矩大，过载能力强、响应速度快、嘈声低及转动平衡等特点，电机设计时采用了一些特殊技术。但是本次设计所用的电机是自己设计制造的。(1) 磁钢径向、轴向聚磁以加大极弧面来提高气隙磁密，从而提高出力和快速响应能力。(2) 采用不均匀气隙设计和磁钢极尖削角来保证对负载电流引起的电枢反应有良好的抑制作用，提高线性度并降低功耗。(3) 利用电机槽和换向片及极弧宽度和齿槽的合理配合达到减小转矩波动、嘈声，保证平稳运行要求。 图6永磁电机的磁路结构和磁场分布2.4.1电动机种类的选择目前，电动机的种类繁多，价格、性能差别比较大，本着经济、实用的指导思想对电动机类型及型号进行优化选择是十分重要的。选择电动机种类应在满足生产机械对拖动性能的要求下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。电动机种类选择时应考虑的主要内容有： （1）电动机的机械特性应与所拖动生产机械的机械特性相匹配； （2）电动机的调速性能（调速范围、调速的平滑性、经济性）应该满足生产机械的要求。对调速性能的要求在很大程度上决定了电动机的种类、调速方法以及相应的控制方法； （3）电动机的启动性能应满足生产机械对电动机启动性能的要求，电动机的启动性能主要是启动转矩的大小，同时还应注意电网容量对电动机启动电流的限制； （4）电源种类 在满足性能的前提下应优先采用交流电动机； （5）经济性 一是电动机及其相关设备（如：启动设备、调速设备等）的经济性；二是电动机拖动系统运行的经济性，主要是要效率高，节省电能。根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求选择电动机的类型。直流电动机可实现快速频繁的无级快速启动、制动和反转；具有过载能力大、能承受频繁的冲击负载，优良的调速性能，调速平滑、精确、方便和范围广等特点。电动机的工作环境是由生产机械的工作环境决定的。在很多情况下，电动机工作场所的空气中含有不同分量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有易燃易爆气体；有的电动机则要在水中或其他液体中工作。灰尘会使电动机绕组黏结上污垢而妨碍散热；水分、瓦斯、腐蚀性气体等会使电动机的绝缘材料性能退化，甚至会完全丧失绝缘能力；易燃、易爆气体与电动机内产生的电火花接触时将有发生燃烧、爆炸的危险。因此，为了保证电动机能够在其工作环境中长期安全运行，必须根据实际环境条件合理地选择电动机的防护方式。电动机的外壳防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。设计中，食物垃圾处理器电动机的特征为频繁短时运行、快速启动，无调速要求。依据直流电动机具有的特点，设计选取电机类型为直流电动机。在直流电动机中，有一种电机的磁极是用永磁材料(或加上铁磁材料)提供电动机所需要的励磁源，从而代替了电磁式直流电动机中的线圈式磁极。这种电机为永磁直流电动机。由于无需励磁线圈，故省电且不发热，磁路结构精心设计，使电动机过载能力强、响应速度快、噪声低及转速平稳。基于上述特点，设计中选用永磁直流电动机。永磁材料的种类很多，有铝镍钻系列磁钢、铁氧体永磁、稀土永磁等。表征永磁材料性能的主要因素：矫顽力、剩余磁感应强度Br、最大磁能面积以及磁稳定性。选用永磁材料要求最大，温度系数小，磁稳定性高。永磁材料的磁稳定性对于永磁直流电动机至关重要，若磁稳定性差，则永磁直流电动机寿命短。外界因素能引起磁性能不可逆变化，影响磁稳定性的因素有： 内因包括组织变化和磁后效。铝镍合金、铁氧体、铁铬钻等不会发生组织的变化。但铁硼易氧化且产生组织的变化。各种永磁材料除各向异性外，都会产生磁后效，它们对时间的退磁率随时间的对数变化。 外因包括温度、干扰磁场、机械力、接触强磁性物质、高能粒子辐照等。使磁能变化。a.由于温度可引起永磁体的材质和尺寸比的变化，因而在选用具有低温退磁性质的永磁体时，应使永磁体在最低使用温度下工作。在尺寸比相同的情况下，各种永磁体的退磁率随外磁场增大而增加，随矫顽力提高、尺寸比增大而变小，若工作点选在膝点之上，则受外磁场的影响很小。b.机械振动和冲击力引的退磁率一般不大，磁体尺寸越大、矫顽力越高。显著的退磁一般发生在多次冲击和较长时间振动的初期，以后趋于稳定。为使永磁材料在使用时磁性稳定，对材料必须预先进行稳定化处理；高温或低温退磁，不同温度范围的温度循环强制退磁、交流或直流退磁等。选择电动机时，应在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，最经济、最合理的选择电动机的功率。若功率选得过大，设备投资过大，造成浪费，且电动机经常欠载运行，效率较低；反之，若功率选得过小，电动机将过载运行，造成电动机的过早损坏。为此，选择电动机容量应进行一些必要的分析和计算，具体可按以下三个步骤进行： 计算负载功率 根据负载功率，预选电动机的额定功率，使，尽量接近 校验预选电动机的发热、过载能力和启动能力。校验的方法较多，工作量很大，而且准确度也很难把握。在实际工作中常采用统计分析法和类比法。类比法就是在调查同类机械所采用电机容量的基础上，对主要参数和工作条件进行类比，从而确定电机所采用的容量。本次论文设计就采用此方法。根据前面计算，粉碎刀盘在工作时，需克服的阻力为：刀盘的线速度负载功率： 电动机的额定功率，且留有余量取按以上参数的选择，我们最终选取电机的技术数据如下：转速：，功率：，电压：，电流：，重量：。这种永磁直流电动机采用铁氧体永久磁铁激磁，铁氧体的化学组成用MonFe2O3。表示，其中M为Ba,Sr,Pb中的一种或两种以上的二价金属离子，材料分为各向同性和各向异性两类。它的矫顽力高，时效变化少，不含镍、钻等元素，价廉，原材料丰富。永磁直流电动机设计时采用了一些特殊技术： 磁钢径、轴向聚磁以加大极弧面来提高气隙磁密，从而提高出力及快速响应能力。 采用不均匀气隙设计和磁钢极尖削角来保证对负载电流引起的电枢反应有良好的抑制作用，提高线性度并降低功耗。 电机槽和换向片，极弧宽度和齿槽的合理配合以达到减小转矩波动、噪声，保证平稳运行。本此设计的电机体积小，重量轻，寿命长、噪声低，有换向性能，零部件通用化程度强等特点，系封闭自冷式。而目前在市场上的同类产品都为国外进口电动机，不仅价格昂贵，而且零部件配套难，维修困难，给顾客的使用带来不便。2.5其它部分设计食物垃圾处理器其它部分的设计为非主要部件，主要包括：投入口、排污口等。由于我们为实验产品，没有自行加工模具生产的能力和必要，所以非主要部件的制作主要选用标准件。排污口由排水弯管、弯管法兰和橡胶密封圈组成。弯管法兰把排水弯管固定在处理器上，橡胶密封圈防止水分及垃圾残渣外溢，起密封作用。食物垃圾是由投入口进入垃圾处理器的。它主要有装配环、支撑环、水槽凸缘铆合件、防溅罩等几部分。装配环、支撑环与水槽凸缘铆合件相接。水槽凸缘铆合件的上半部分卡在洗涤盆下水口，水槽凸缘铆合件的下半部分与支撑环通过螺纹相连，装配环的卡槽与垃圾处理器的卡锁连接。在衔接中分别有橡胶密封垫圈、石棉垫圈和垫圈，起密封作用。为了防止食物垃圾在粉碎时溅出，故加一个防溅罩24。磨碎机外壳的设计也是我们需要攻克的难点之一，根据其独特的安装位置(在洗涤盆下，空间狭小且污杂潮湿)和安装形式(必须采用立式、卧式达不到理想的效果)。因此外壳必须选用耐腐蚀、不生锈重量轻的材料。满足要求的首选材料是塑料，但塑料成型时，必须先制造模具，由于模具造价较高，制造模具相应地提高了磨碎机的成本；因此，我们选用不锈钢做成一个法兰筒，套住电机，上盖则用采用尼龙棒材料以减轻重量，这样不但外观美丽，而且也非常安全，同时又保护了电机25。粉碎室为铝压铸件，附庸蚀，不生锈。钥制电镶的粉碎盘坚固附用。破碎角爪能360旋转，轻巧灵活，粉碎效果更佳。电机和粉碎室之间设有水封，防止水流入电机。锁定装配改进为旋转快速镇定设计，使安装更便利、快捷。电机装有过电流保护器，能确保使用安全。2.6厨房食物垃圾处理器的装配依据图纸，对加工后的零件进行装配。其中，电机与刀盘相连，电机电源从壳体底部引出。组合式刀盘上有高低不同的短轴柱，分别装有粉碎刀片和摆动刀，放入粉碎腔中，在粉碎腔内壁装配有端齿环和内齿环。壳体1和壳体2用螺钉连接。排水弯管套上垫圈和弯管法兰用螺钉固定在排污口出。支撑环套在装配环中与水槽凸缘铆合件用螺纹连接，水槽凸缘铆合件压在洗涤盆口，装配环用卡锁与处理器相连。在水槽凸缘铆合件内安上防溅罩和堵塞。控制电路中的电器元件在电路板上焊接，固定在垃圾处理器上26。安装时需注意： 在安装装配环和支撑环之间的弹性垫圈时，需提起装配环，将弹性垫圈(大头向下)的内槽与水槽凸缘底部凸边卡住。手指沿弹性垫圈边缘轻轻压下，不要太用力。弹性垫圈装好后，可将装配环放下，盖住弹性垫圈并可以轻松的转动。 装配环与处理器相连时，先将处理器对准固定装置的下端，再将处理器的卡锁插入装配环中，向右转动大约6毫米，使处理器暂时卡住，转动装配环和处理器，直至处理器的排污口和排水管道对准，向右转动装配环，直到拧紧，处理器的卡锁拧入装配环最左端的卡锁槽内。 在与洗涤盆相连时，先顺时针拧动装配环，使装配环与处理器分离。将装配环升至水槽凸缘，移出弹性垫圈，再取出装配环，将螺口支撑环从水槽凸缘上拧下，再取下纤维垫圈，将剩下的水槽凸缘和橡胶垫圈插入水池的排水口中，最后，从水池下面滑上纤维垫圈和螺口支撑环拧紧。3结论目前，虽然国内在此方面的研究为空白，相关资料很少，但通过实验来看，本次设计满足设计的要求。此次设计包含了大量的工作，所跨学科范围很广，包括流体力学、材料力学、机械设计、机械原理、刀具设计、机械制图、机械加工及计算机CAXA软件的应用等各学科的内容，首先，在理论方面，对刀盘和刀片进行了工作载荷的力学分析、选择材料并校核，确保刀盘和刀片有足够的强度。在机械方面，首先进行刀盘的结构设计，设计组合式粉碎刀组来快速完成垃圾的粉碎，然后应用CAXA电子图板绘制图纸，依据图纸，加工出各零部件，最后为各零部件的组装，并验证机器。设计的食物垃圾处理器具有以下特点： 相对于其它同类产品，此次设计中首次增加了一套控制电路。其目的是为了提高安全性和方便性。设计