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厨房垃圾肥料加工机械研制学 生：指导老师：(-)摘 要：当前世界上垃圾产量每年都在上升，垃圾量的不断增加及其对生态环境所造成的威胁，已给人类带来了极大的不安。面对世界性的公害，各国都在谋求解决垃圾的具体有效的措施。各国在努力实现城市垃圾处理无害化、减员化的同时，更加注重垃圾处理的资源化。厨房垃圾肥料加工机械是根据目前厨房垃圾随意抛弃没有有效利用起来的社会现状而研制的一种把厨房垃圾加工成有机肥料的专用设备。把厨房垃圾及相应的发酵辅料进入设备后，经过破碎与发酵，最终以有机肥料成品的形式出来，要求整个生产过程实现自动化控制，操作简单方便。故此设备要求实现的机械功能有厨房垃圾破碎、有机肥料输送及提供稳定的破碎发酵工作空间。关键词：厨房垃圾；有机肥料；破碎；输送Design of Organic Fertilizer Machine Utilizing in Kitchen GarbageStudent: Yi XiongTutor: Li Ming(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: With the increasing amount of waste and its threat to the ecological environment have brought people great anxiety. Facing the worldwide public hazard, every country is seeking to solve the waste problem effectively and make the disposal of urban waste to resource utilization harmlessly and simply. Based on our current kitchen garbage wasting and polluting, this fertilization processing machine utilizes kitchen garbage to become organic fertilizer. After the kitchen garbage and the corresponding fermentation materials throwing into the device to crush, they ferment to organic fertilizer which requires the entire production process to achieve automatic control, simple operation. The main contents of the design include the whole body, the mechanical parts for waste and fermentation materials mixing and crushing, fertilizer transportation.Key words：kitchen garbage; organic fertilizer; crusher; processing1. 前言1.1 课题提出的背景垃圾是伴随人类生活和生产而产生的，据统计资料表明，目前全世界一年产生的垃圾已逾100亿吨，人均达到两吨左右，在这些垃圾中大部分是厨房垃圾。在我国一个50万人口的中等城市，每天可产生100吨生活垃圾，其中厨房垃圾有6070吨。另一方面，我国城市垃圾成分复杂，从近几年的趋势看：我国城市垃圾的有机物含量上升，而无机物含量呈下降的趋势，这为城市垃圾资源化提供了有利的条件，以厨房垃圾为主的城市生活垃圾具有速生性、周期性、混杂性、易腐蚀性，是城市垃圾问题的重要方面，其解决的成功与否直接影响城市的持续发展 1 2 。垃圾量的不断增加及其对生态环境所造成的威胁，已给人类带来了极大的不安。面对世界性的公害，各国都在谋求解决垃圾的具体有效的措施。当前世界各国在努力实现城市垃圾处理无害化、减员化的同时，更加注重垃圾处理的资源化。垃圾处理资源化的意义就是对其中有用的物质及能量加以回收利用的同时，使其无用部分达到无害化、减量化。这样不仅可以提高社会效益，做到物尽其用，并取得一定的经济效益，同时达到环境保护的目的。垃圾资源化处理是社会可持续发展的重要保障 2 。现在目前垃圾主要处理途径有：卫生填埋处理；堆肥技术；焚烧法；垃圾综合处理。堆肥法是较多采用的处理有机物的方法。此法利用微生物对垃圾中的有机物进行代谢分解，在高温下进行无害化处理，并能产生有机肥料。由于厨房垃圾有机物成分较多，非常适合堆肥；再加上政府大力支持垃圾堆肥技术，堆肥销售有市场，因而堆肥法比较受欢迎。堆肥是一种有前途的垃圾处理技术，但目前这种堆肥法堆肥周期长，占地面积大，卫生条件差，同时目前没有一套专用的设备，堆肥质量的安全性难以保证，在成本、肥效上都难以与化肥竞争。因此，厨房垃圾的堆肥是否能有效处理在于能否研制出一套专用的垃圾处理设备，也就是说，有了先进的垃圾处理设备，才能使我们的厨房垃圾资源化处理有了技术上的支撑及保证，堆肥才会是一种有前途的垃圾处理技术 4 5 。1.2 研究目的和目标目前社会厨房垃圾基本上是处于扔弃的状况，造成极大的资源浪费，同时也破坏了我们的生活环境，给我们保护社会环境带来了很大的不便与麻烦。厨房垃圾肥料加工机械是根据目前厨房垃圾随意抛弃没有有效利用起来的社会现状而研制的一种把厨房垃圾加工成有机肥料的专用设备。厨房垃圾从最开始的厨房剩余垃圾进入设备，再添加一些发酵必需的发酵辅料，经过破碎及发酵，最后以有机肥料的状态从设备中出来。厨房垃圾及发酵辅料从进入发酵空间（也是破碎空间）进行破碎到最终发酵成有机肥料的整个过程中，厨房垃圾从最开始的厨余垃圾状态转变成破碎后的碎泥状态，再转变成有机肥料状态，即设备加工原料从进入设备到成品从设备出来的整个过程中，加工对象的状态经行了2次转变，落料装置要保证加工对象在状态转变的过程中给其提供稳定的转变环境，同时在加工成有机肥料即成品后，能方便成品的落料运送出去，整个生产过程实现自动化控制，操作简单方便。故此设备要求实现的机械功能有厨房垃圾破碎、有机肥料出料及提供稳定的破碎发酵空间。厨房垃圾破碎机构主要由电机、联轴器、破碎装置、外球面滚珠轴承轴承座组成，输料机构主要为螺旋输送机机构，破碎发酵工作空间为柜体。破碎机构通过电磁离合器与出料机构衔接起来，当设备对垃圾进行破碎时，输料机构不运转工作，当垃圾发酵完成时出料机构启动同时伴随破碎机构旋转做搅拌用，达到能耗的合理化使用且不造成浪费，整个过程生产自动化，操作简单方便。在设计过程中，首先要了解设备加工过程中需要实现的各个流程及满足条件，同时要考虑到在实际生产中成本的控制，所以，需要选择合适的标准件及外协件，并保证其可靠性。然后，考虑到此设备设计涉及到多个领域专业，个人无法承担所有功能设计，故本文只对其机械结构功能上做具体设计及说明，肥料发酵及电气控制上不做过多阐述。2. 整体方案确定2.1 方案制定2.1.1 破碎的原理和目的破碎是通过外力的作用，破坏物体内部的凝聚力和分子间作用力而使物体破碎的操作过程。经过破碎改变了固体废弃物的性质，消除了其中较大的空隙，使固体废弃物的整体密度增加，并达到固体废弃物混合体更为均匀的颗粒尺寸分布，使其更适合于各类后处理工序所要求的形状、容重等。固体废弃物的机械强度是指固体废弃物抗破碎的阻力。一般用静载下测定的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度来表示，经常以固体废弃物的抗压强度为标准来衡量：抗压强度大于250Mpa的为坚硬固体废弃物；40-250Mpa的为中硬固体废弃物；小于40Mpa的为软固体废弃物。固体废弃物的机械强度还与废弃物的颗粒有关，粒度小的废弃物颗粒其微观裂纹比大粒度颗粒少，因而机械强度较高。在需要破碎的废弃物当中，大多数都呈现脆性，废弃物在破碎之前的塑性变形很小。但也有一些需要破碎的废弃物在常温下呈现较高的韧性和塑性，因此用传统的破碎方法难以将其破碎，在这种情况下需要采取特殊的破碎方法。固体废弃物破碎的目的是:(1) 最直接地是减小固体废弃物的容积，方便运输和储存。(2) 破碎后，为固体废弃物的分选提供所需要的入选粒度，以便下道工序的有效进行，顺利达到回收固体废弃物中的某种成分。(3) 使固体废弃物的比表面积增加，因此，可使焚烧、热分解更完全，效率更高。(4) 为固体废弃物下工序提供合适的粒度，以便进一步加工成有用产品。(5) 垃圾经过破碎之后进行填埋处置时，由于压实密度高而均匀，可减少填埋场工作人员的工作量，加快复土还原。(6) 破碎之后的废弃物不易损坏分选、焚烧等设备。2.1.2 破碎的方法和特点破碎方法可分为干式、湿式、半湿式破碎法。干式方法在选矿或建筑行业广泛使用，可运用于固体废弃物的破碎，其破碎作用分为挤压、劈裂、剪切、冲击、弯曲等。干式破碎又可分为机械能破碎和非机械能破碎两种方法。机械能破碎是利用工具对固体废物施加外力而将其破碎；非机械能破碎是利用电能、热能等对固体废弃物破碎。选择破碎方法时，需要依据不同的条件选择不同方法:(1) 对于中等强度以上的固体废弃物易采用挤压破碎和冲击破碎； (2) 对于韧性固体废弃物易采用剪切破碎；(3) 对于脆性固体废弃物则采用劈裂或冲击破碎；(4) 而对于塑料、橡胶类固体废弃物可利用低温条件下，脆化的特性进行破碎。即可应用低温破碎技术进行破碎；(5) 对于城市垃圾中含有较多纸类时，则应利用纸类在水力作用下的浆液化特性，采用湿式破碎法。湿式破碎技术的特点是:城市垃圾变成均质浆状物，可按流体处理；废弃物在液相中处理，不会产生恶臭，具有较好卫生工作条件；工艺过程发出的噪声低，没有粉尘、无发热等危害；脱水有机残渣、质量、粒度大小和水分等变化小；适合回收垃圾中的纸类、玻璃以及金属材料。当垃圾中各种物质有不同的强度和脆性，可在一定湿度下破碎成为不同粒度的碎片，然后通过不同筛孔加以分离的过程。由于该过程是在半湿(加少量水)状态下，通过兼有选择性破碎和筛分两种功能的装置中实现的，因此，把这种破碎方式称为半湿式选择性破碎。半湿式选择性破碎技术的特点是:能使垃圾在一台设备中实现破碎与分选同时作业；能充分有效地回收垃圾中的有用物质，例如从城市垃圾第一段物料中分选出玻璃、塑料等，有望得到以厨余为主(含量可达到80%)的堆肥沼气发酵原料；从第二段物料中可回收含量为85%至95%的纸类，难以分选的塑料类废物可在三段后经分选达到95%的纯度，废铁可达98%；对进料适应性好，易破碎物及时排出，不会出现过破碎现象；动力消耗低，磨损小，易维修；当投入的垃圾在组成上有所变化及以后的处理系统另有要求，则可以改变分选条件或变滚筒长度、破碎板段数、筛网孔径等，以适应其变化。2.1.3 传统破碎的设备(1) 颚式破碎机 广泛应用选矿、建材和化工行业。适用于坚硬和中硬物料的破碎。按照动颚摆动特性分为:简单摆动型、复杂摆动型和综合摆动型三类。动颚上面装有高锰钢破碎齿板。(2) 锤式破碎机 按转轴方向的不同，分为水平和垂直式锤式破碎机；按转子数目的不同，可分为单转子和双转子锤式破碎机；目前使用较多的是可逆单转子锤式破碎机。(3) 冲击式破碎机 利用冲击作用力进行破碎，这与锤式破碎机很相似，但其锤的数量要少很多，一般为2-4个。工作原理是:进入破碎机的物料，被绕中心轴以25-40m/s的线速度高速旋转的转子猛烈冲撞后，受到第一次破碎，然后物料从转子的撞击过程中，获得能量高速飞向坚硬的机壁，受到第二次破碎，在冲击过程中弹回的物料再次被转子击碎，难于破碎的物料，被转子和固定板剪断，破碎产品由下部排出。(4) 辊式破碎机 辊式破碎机主要依靠剪切、挤压作用。根据辊子的特点，可将辊式破碎机分为光辊破碎机和齿辊破碎机。光辊破碎机的辊子表面光滑，主要作用为挤压与研磨，可用于硬度较大的废物的中碎与细碎。而齿辊破碎机辊子表面有破碎齿，其破碎作用为劈裂，可用于脆性或粘性较大的废物，也可用于堆肥物料的破碎。(5) 剪切破碎机 剪切破碎机是依靠剪切作用力为主的破碎机，经过固定在机架上的刀和移动刀之间的啮合作用，破碎固体废弃物成为合适的大小。剪切式破碎机特别适合松散固体废弃物的破碎。2.1.4 传动方案确定 依据上述各种理论分析，破碎机构的目的主要是使固体废弃物的比表面积增加，使热分解更完全，效率更高。故设备研制方案为采用设计、制造具有干式破碎性的单转子水平式锤式破碎机，输料机构采用螺旋输送机结构，由于螺旋输送机方向唯一，所以破碎机为非可逆式。破碎机构与输送机构通过离合器衔接起来。确定下来的传动方案简图如下：图1传动方案简图Fig.1 Driven simplified schemes图中各关键零件分别为:1.电动机 2.联轴器 3.轴承 4.破碎机构 5.离合器 6.齿轮 7.输料机构2.2 关键零件的选型2.2.1 设备的初步技术参数(1) 刀盘型式为水平圆盘式，由刀座和锤片等组成；(2) 配套动力：11.5Kw；(3) 锤片厚度：25mm；(4) 转速：300500转/分；设备外形尺寸(mm)：1000500860(长宽高)，破碎装置工作直径：385mm，工作长度：400mm，进料口尺寸(mm)：400400(长宽)，出料口尺寸(mm)：4830(长宽)，2.2.2 动力选型设备选用动力为电动机，要求控制自动，选用无刷直流电机。直流无刷电机采用电子部件替代传统无刷换相器，具有优良的调速特性，低速力矩大、调速范围宽，电机体积小效率高，外观精美，传热性好，具有噪声低寿命长等特点；配套全数字化速度闭环控制，跟随性好，启停速度快；同时克服了直流电机电刷容易打火、寿命短、维护复杂等缺点，与异步电机调速系统相比，无刷直流电机具有体积小、效率高、过载能力强、系统简单、低速恒力矩等特点。根据电机的技术参数，此设备选用深圳市力宇科技有限公司的110WDS-03型直流无刷电机，额定功率为1.2Kw，额定转矩为5.7N.m，最大转矩为17N.m，额定转速为2000r/min。图2： 直流无刷电机Fig.2 Brusless DC motor2.2.3 破碎机构主要零件选型 根据方案中破碎机构选用水平式锤式破碎机，其关键零件为刀片，刀片选用标准锤片，锤片是粉碎机的最重要的也是最容易磨损的工作部件。其形状、尺寸、排列方法、制造质量等，对粉碎效率和产品质量有很大影响。 （1）锤片的种类目前应用的锤片形状很多，但使用最广泛的是板状矩形锤片（图2），因它形状简单，易制造，通用性好。它有两个销轴孔，可通过轮换使用轴销孔来使四角工作。工作边可涂焊、堆焊碳化钨或焊上一块特殊的耐磨合金，以延长使用寿命，但制造成本较高。也可将四角作成梯形、棱角和尖角，提高其对牧草纤维饲料的粉碎效果，但耐磨性差。环形锤片只有一个销孔，工作中自动变换工作角，因此磨损均匀，使用寿命较长，但结构复杂。复合钢矩形锤片是由轧钢厂提供的两表层硬度大中间夹层韧性好的钢板，造制简单、成本低。试验表明，锤片长度适当，有利于提高度电产量，但过长则金属耗量增加，度电产量降低。另据中国农业机械化研究院用1.6mm、3.0mm、5.0mm、6.25mm四种厚度锤片作玉米粉碎试验得出，1.6mm比6.25mm锤片粉碎效果提高45%，比5mm提高25.4%。用薄锤片粉碎效率高，但使用寿命相对缩短。用多厚的锤片，应视粉碎对象和机型大小而异。图3 板状矩形锤片Fig.3 Rectangle razor blade of board我国饲料粉碎机的锤片已标准化。机械工业部定有、型三种标准锤片（都是矩形双孔锤片），其规格和尺寸见JB/T 8922.1-1999。 （2）锤片制造质量 锤片制造质量主要体现在它的材料、热处理以及加工精度上。1.锤片的材料与热处理：目前国内使用的锤片材料主要有低碳钢、中碳钢、特种铸铁等。热处理和表面硬化（包括表面渗碳淬火及表面堆焊碳化钨等）能很好地改善锤片耐磨性能、提高锤片使用寿命。简述如下：低碳钢Q235(新标准，相当原A3钢)、15#、20#：固体渗碳淬火，渗碳深度一般为0.81.2mm（锤片厚度为2mm时，为0.30.5mm），表面硬度一般为HRC5662，跑销孔圆周4mm范围内硬度不超过HRC28。其特点是工艺简单，成本低廉，锤片表层硬、内层软，具有一定耐磨性。但渗碳层磨损后，内层则磨损很快。中碳钢（45#、65#、65SiMn）：热处理后淬火区硬度为HRC5057，非淬火区硬度不超过HRC28，一般使用60100h须换角。若整体淬火，则易发生裂纹。特种铸铁：有“激冷白口铸铁”、“白口铸铁等温度淬火”、“中猛球墨铸铁”和“可锻铸铁”等。铸铁取材方便，经激冷后，耐磨性高，成本低；但须严格控制锤片的材料成分和生产工艺，确保质量，防止使用中发生断裂事故。表面硬化处理：在锤片工作棱角堆焊碳化钨合金，焊层厚13mm。据试验结果，堆焊碳化钨合金锤片比65Mn整体淬火锤片的使用寿命提高78倍，但前者制造成本要高两倍多。通过粉碎玉米试验，比通用锤片的使用寿命提高6.9倍，耗用钢材仅是普通锤片的1/7，加工每吨饲料的锤片费用仅为普通锤片的1/3。2.锤片的加工精度：锤片是一种高速运转部件，它的制造精度对粉碎机转子的平衡性影响很大。一般要求转子上任意两组锤片之间的质量差不能超过5g。因此，锤片在加工过程中要严格控制精度，特别堆焊碳化钨锤片要严格保证堆焊工艺质量。锤片出厂应以一套为单位。锤片安装时应该每天安装成套的锤片，不允许套与套之间随意交换。 （3）锤片的磨损与更换锤片是粉碎机中直接打击物料的工作部件，因而也是磨损最快、更换最频繁的易损件。锤片的磨损指的是锤片工作角的磨损，锤片四个工作角磨损了，该锤片也就报废了。锤片的不同磨损情况对粉碎过程的影响也不一样。比如普通锤片的端部全磨损（锤片尺寸变短），随着锤片磨损的加剧，粉碎室内气物环流层会逐渐变大，粉碎过程随之恶化，粉碎效率降低。而表面硬化处理的锤片，它的磨损是从侧面开始的，端部磨损的速度很慢，则其锤筛间隙基本保持定，粉碎过程也较稳定，直到锤片报废。因此，对普通锤片四角磨损后要及时更换锤片，以免粉碎机性能恶化。 （4）锤片的数量与排列锤片粉碎机转子上锤片的数量与排列方式，影响到转子的平衡、物料在粉碎室内的分布、锤片磨损的均匀程度以及粉碎机的工作效率。 锤片的数量用单位转子宽度上锤片的数量（锤片密度）来衡量，密度过大则转子启动转矩大、物料受打击次数多，度电产量降低；密度过小则粉碎机的产量将受到影响。 锤片的排列是指转子上各组锤片之间及同组锤片之间的相对位置关系。锤片的排列方式最好达到下列要求：转子转动时，每块锤片的运动轨迹不重复；物料不会在锤片的推移下粉碎室内发生向一侧偏移的现象（特殊要求除外）；转子受力平衡，高速运转时不产生振动。锤片的排列方式主要有4种：螺旋线排列、对称排列、交错排列 、对称交错排列。螺旋线排列：这是最简单的一种排列方式，分单螺旋和双螺旋两种。它的锤片分布均匀，轨迹不重复。但转子转动时，受力极不均匀，整个设备振动很大，且所有锤片的运动轨迹形成一条螺旋线，将物料向粉碎室的一侧推移，造成锤片受力不均，物料偏移多的一侧锤片磨损加剧。因此，这种排列方式只有配套动力很小、转速很低的小型粉碎机以及工艺需要的粉碎机上应用。对称排列：对应两组锤片对称安装，因而，转子上对称两销轴所受的离心力可以相互平衡，转子运转平衡，粉碎室内物料分布均匀，所有锤片磨损同步。同时，这种排列方式所需要的隔套种类很少，锤片安装简单方便。但是，相互对称的锤片其运转轨迹是重复的，这样，要保持同样的锤片密度，所需要的锤片数便要成倍增加。交错排列：交错排列分单片和双片两种。交错排列的锤片轨迹均匀不重复，对称销轴上所受的离心力相互平衡，但工作时物料略有偏移，且锤片定位所需要隔套品种较多，合得锤片的安装不甚方便。对称交错排列：从理论上讲，这是最好的一种排列方式，不仅轨迹均匀不重复，物料不发生推移，而且四根销轴受力中心在同一平面上，对称轴相互平衡，因而转子的平衡性能好。（5）锤片的线速度转子运转时锤片末端的线速度对粉碎机的工作性能影响很大。锤片破碎机粉碎原料主要依靠锤片对原料的冲击作用，锤片线速度越高则锤片对原料颗粒的冲击力越大，破碎能力也就越强。因此，在一定范围内提高锤片线速度可以提高粉碎机的破碎能力降低能耗和产品粒度。但是，速度过高，会增加破碎机的空载电耗，并使破碎粒度过细，增加电耗。而且速度过高会对转子的平衡性能甚至整个破碎机的制造质量提出更高的要求。所以，锤片的最佳线速度要根据具体情况而定。目前国内破碎机锤片的线速度一般取8090m/s。6根据以上理论及考虑到实际设备加工对象为厨房垃圾，对锤片的要求没那么严格，故此设备选用锤片为型标准锤片（矩形双孔锤片），其规格和尺寸见JB/T 8922.1-1999，锤片的制造选用低碳钢固体渗碳淬火，渗碳深度为0.81.2mm，表面硬度为HRC5662，跑销孔圆周4mm范围内硬度不超过HRC28。四角磨损后要及时更换锤片，以免破碎机性能恶化。锤片的排列选用对称排列，所有锤片磨损程度一致，以便统一更换。由于设备加工对象为厨房垃圾，为软固体垃圾，所选用锤片线速度为89m/s。2.2.4 离合器选型离合器为连接破碎机构与输料机构的器件，其主要实现功能是使破碎机构在工作时输料机构不工作，不造成能量浪费，当输料机构工作时，破碎机构也同步工作，不过此时破碎机构的工作实质不是破碎而是搅拌发酵完的肥料，整个出料的过程时间很短，也没有造成电能的浪费，使能量使用非常合理。由此，离合器的控制要求要很好，跟据各种离合器的特点，电磁离合器非常适合此设备的工作环境。电磁离合器操作方便，结合迅速，控制时间短，可以并入控制电路系统实现自行控制，且易实现远距离控制，特别适合于各种操作频率高的中小型及微型离合器。在电磁离合器的各种系列中，磁粉式电磁离合器尤为首选，磁粉离合器主要用于结合频率高要求结合平稳，需要调节启动时间或过载时能起安全保护作用及要求自动调节转矩、转速和保持恒转矩的传动系统。磁粉式电磁离合器具有以下特点：1.转矩随激磁电流成线性变化，转矩控制范围广，控制精度高，输出转矩与转速无关，可在主从动轴转速同步或有转速差下工作； 2.结合平稳，动作迅速，响应快，控制功率小（约为输出功率的1%）而且传递转速大；3.从动部分转动惯量小，结构简单，重量轻，噪声低； 4.具有恒转矩特性，过载时有保护作用。根据以上理论此设备选用昆山凯顺精密五金有限公司的ZKAS05AA型磁粉式小型电磁离合器（图3）。额定电流：0.35A，重量：0.67Kg，最高转速：1800r/min。图4 ZKAS05AA型磁粉式小型电磁离合器Fig.4 Minisize magnetic clutch of ZKAS05AA magnetic pigment2.2.5 输料机构的主要零件选型由于发酵完的有机肥料颗粒很小，故输料机构借鉴螺旋输送机的工作方式，即选用小的螺旋叶片（如图4）焊接在旋转轴上，使有机肥料随输料机构旋转而随螺旋叶片沿轴向输送，从而使有机肥料从破碎发酵空间运送到设备外面，操作方便，简单可控。图5 螺旋叶片Fig.5 Spirality lamina螺旋叶片选用的山东齐河宝来输送机械厂的小型螺旋叶片，其规格为50254422（外径内径螺距单片长）。3 破碎机构的设计3.1 主要技术参数确定7 8由电机确定输出功率为P =1.2kW，由锤片线速度V =89m/s，锤片工作直径D=385mm。确定电机转速 n = （1）计算出电机转速：n= =397 r/min，圆整电机转速为400r/min。电机输出转矩为T =9550000=9550000 Nmm =28650 Nmm （2）3.2 破碎机构轴计算3.2.1 破碎机构轴的强度计算9 10此轴主要承受的为扭矩，仅受有很小的弯矩，故仅按扭转强度条件计算即可，现用降低许用扭转切应力T的方法计算该轴的强度。由表15-3查的45材质轴的T值为2545MPa，A0 值为126103。轴的扭转强度条件为 T = T （3）式中：T扭转切应力，MPa；T轴所受的扭矩，Nmm；WT轴的扭转截面系数，mm3；n轴的转速，r/min；P轴传递的功率，kW；d计算截面处轴的直径，mm；T 许用扭转切应力，MPa。由上式可得轴的直径 d = = A0 （4）式中， A0 = ,由表15-3中T值是考虑了弯矩影响而降低了的许用扭转切用力，因弯矩较小，故T取较大值，A0取较小值，即T=45 MPa，A0 =103。 计算出轴的最小轴径：d103 =14.8mm，由于轴上有键槽，轴径增大10%，则d =1.114.8 =16.3mm，对轴进行圆整，则最终确定轴最小直径d=18mm。3.2.2 破碎机构轴的结构设计11拟订轴上的零件装配方案，根据实际使用情况选用带立座式外球面球轴承，根据最小直径和焊接刀座的要求定轴长和轴肩。具体结构如图5：图6 破碎机构轴的结构Fig.6 The structure of fragmentation axle3.2.3 破碎机构轴的强度校核根据轴的结构做出轴的载荷分析图，从轴的弯矩扭矩图可以看出，此轴除重力带来可以忽略的弯矩外，不受其他弯矩只受扭矩，从图中可以看出受扭矩最大为T1。图7 轴的载荷分析图Fig.7 Shaft load analysis diagram按第三强度理论，计算应力 （5）因忽略弯曲应力，另可以判断扭转切应力为静应力，引入折合系数=0.3，由此处为圆轴，扭转切应力= = ，将其带入式（5），则轴的强度条件为 （6） 55 -1 = 60 （7）故此轴安全。式中：ca轴的计算应力，MPa；W轴所受的弯矩，Nmm；T轴所受的扭矩，Nmm；W轴的抗弯截面系数，mm3，计算公式去W=0.1d3:；-1 许用扭转切应力，MPa。3.3 刀座的设计由前所述锤片选用的型标准锤片及其选用的排列方式为对称排列。设计刀座如图6，此刀座呈对称焊接在破碎机构轴上，锤片通过螺栓固定在刀座上，方便锤片的更换与安装，简单方便。图8 刀座Fig.8 Hilt3.4 键的强度校核8 12键的材料选择为45钢制造，查设计手册可知，在轻微冲击时，键的许可应力=100120MPa，与联轴器处连接键的设计尺寸为d=18mm,h=6mm,L=36mm,由键强度验算公式可算得 （5）式中k=0.5h故键联结尺寸选择合适,连接键安全。3.5 轴承选择14由于轴的转速不大，而且载荷也不大，根据实际使用情况可选择带立座式外球面球轴承，由轴径确定型号为UCP204，它的摩擦阻力小，启动灵活，而且易于互换，润滑和维护方便。3.6 联轴器选择15 联轴器选用有弹性元件的挠性联轴器，这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减震的能力。具体选用梅花形弹性联轴器，此种联轴器补偿两轴的位移量较大，有一定弹性和缓冲性，常用于中小功率，中高速，启动频繁，要求工作可靠的部位，工作温度为-35+80。3.7 破碎机构输出端设计根据方案输出端连接电磁离合器，电磁离合器输出就传递转矩给输送机构，因为输料机构输送肥料所需的动力很小，所以对电磁离合器输出端的转矩需求量很小，则电磁离合器与输料机构的连接就是简单的齿轮连接即可，因为输送的路程很短，所以不用对所花费的时间做要求，即输送机构对输送速度无要求，所以对输料机构的转速无要求，对齿轮传动比没要求，这里采用2个一样的齿轮来传送动力，即输送机构与破碎机构的转速一致，同为400 r/min。这对齿轮在此处仅作传递动力用，不是关键零件，不做过多阐述 。3.8 破碎机构的整体机构图所有零件全部固定在一基准板上，它们各自通过调节中心高度保证整个机构的旋转轴线的直线度。整体机构图件图7。图9 破碎机构Fig.9 The structure of fragmentation4 输送机构的设计4.1 落料装置的设计13 16落料装置是把发酵好的有机肥料从发酵空间落料到输送机构中的装置。厨房垃圾从进入发酵空间（也是破碎空间）进行破碎到最终发酵成有机肥料的整个过程中，厨房垃圾从最开始的厨余垃圾状态转变成破碎后的碎泥状态，再转变成有机肥料状态，即设备加工原料从进入设备到成品从设备出来的整个过程中，加工对象的状态经行了2次转变，落料装置要保证加工对象在状态转变的过程中给其提供稳定的转变环境，同时在加工成有机肥料即成品后，能方便成品的落料运送出去。综合考虑，落料装置选用旋转式机构。因为破碎机构采用的是水平锤式破碎机方案，故破碎发酵空间侧面是U型的，即下部分为半圆柱体，因整个破碎发酵空间固定，所以现利用其下面半圆柱体结构，在半圆柱体圆弧的最下端开一弦长50mm槽（图8），在其外面做一同心圆弧面，平时此圆弧面包裹着半圆柱体下面开槽处，使半圆柱体内的有机肥料（或碎泥）不会从破碎发酵空间里落出来，当需要落料时，旋转此圆弧面，使圆弧面与槽的空间位置错开从而圆弧面不再包裹着槽，此时，有机肥料即从槽中落下来落入下面的输送机构中（图9）。通俗的讲，可以把开槽的半圆柱体理解成开槽定门，把可旋转的圆弧面理解为活动门。当它们位置错开时，有机肥料即可从槽中通过。需注意的是，因半圆柱体的初始圆心线为破碎机构轴的轴心线，而此轴经常处于旋转状态，不能作为圆弧面的旋转中心，故圆弧面的旋转中心另外选择，同时半圆柱体的开槽部分的圆弧圆心需同步改善另行设计。图10 开槽半圆弧 Fig.10 Semi-circular slot图11 落料装置Fig.11 The blanking device 4.2 输送机构设计由破碎机构已确定齿轮在工作空间的右端，故螺旋输送方向为从右往左输送，这样即让输送机构与齿轮互相让开了位置，同时也让出料口在整个设备的左侧，即所有操作为都在设备的左侧，如此，操作人员可在左侧完成所有的操作， 符合人性化设计。由于螺旋输送方向为从右至左，而螺旋叶片为右旋结构，故螺旋叶片的旋转方向为顺时针方向，从而直流无刷电机的旋转方向为逆时钟方向。整个输送长度由破碎机构约束需小于700mm，由于现采用螺旋叶片规格为50254422（外径内径螺距单片长），圆整输送长度为660mm，即轴上焊接30张螺旋叶片，输送槽的宽度略大于螺旋叶片外径，取输送槽内腔宽为52mm，有机肥料随螺旋叶片运送到当头后，随重力落下沿圆弧引出设备，操作人员只要在出料口拿器皿盛接有机肥料即可。输送机构对转速、转矩均无要求，且无受力载荷，且都不是核心零件，故此处全凭经验法即可确定各零件数据，无需校核。同样所有零件全部固定在一基准板上，它们各自通过调节中心高度保证整个机构的旋转轴线的直线度。整体机构图件图10。图12 输料机构Fig.12 The structure of transportation5 生活垃圾肥料加工机械整体结构根据以上理论计算并结合实际，现可以初步把破碎机构和输料机构整合在一个柜台中，根据实际需要融合标准件，最终确定可整体结构如图10、图11、图12。厨房垃圾及相应发酵辅料（如发酵剂，除臭剂）从上面入口进入破碎机构的破碎发酵空间，破碎机构对加工对象进行破碎，此时离合器主从动轴断开输料机构不工作，破碎完毕后电机停止运转加工对象进行发酵，发酵完毕启动出料开关离合器主从动轴联通，破碎机构（搅拌）与出料机构同时输料机构工作,有机肥料从出料口出来，整个能耗使用合理，不造成资源浪费。所有开关布局全在同一侧，方便操作人员操作，符合人性化设计。图13厨房垃圾肥料加工机械内部结构Fig.13 The structure within the fertilization processing machine utilizing kitchen garbage图中各关键零件分别为:1.直流无刷电机 2.联轴器 3.刀座 4.锤片 5.螺旋叶片 6.离合器 7.齿轮图14厨房垃圾肥料加工机械侧面控制开关布局Fig.14 The side control panel of the fertilization processing machine utilizing kitchen garbage图15厨房垃圾肥料加工机械外观图Fig.15 The appearance of the fertilization processing machine utilizing kitchen garbage6 结束语通过本文以上一系列的计算及实际的市场了解，已经大致给出了厨房垃圾肥料加工机械的部分结构资料以及一些技术方面的支持。因厨房垃圾肥料加工机械主要是从机械结构及性能上着手设计的，抛开了其他专业领域的细节，所以在实际的化学发酵及电气控制上的融合上肯定会有不足之处，这是本设计论文最大的不足之处。另在计算过程难免会存在着疏忽和遗漏等问题，由于本人的专业水平限制，以及对国家标准的理解程度不够深入和透彻，还有理论过程与实际过程之间的差异的考虑较少，在对一些设计参数的估计上存在着或多或少的偏差，这就直接导致了计算结果与实际正确值会存在一定的误差。此外，我并没有过多从经济性的角度来考虑系统，由于对材料成本方面了解的欠缺，我们只能从性能的角度来讨论问题，经济性能方面的问题有所了解，但是涉及的非常少。这也是这篇论文的一个不足之处。参考文献1 刘新英.我国城市生活垃圾的现状及处理对策J.重庆环境科学，1994,16（2）：38-41.2 雍 毅，龙炳清，孙倩云，等.城市生活垃圾堆肥技术与市场的协同发展J.四川环境，1999,18（4）：22-24.3 陈世和，张所明.城市垃圾堆肥原理与工艺M.上海：复旦大学出版社，1990.4 刘 勇，吕 军.城市化背景下中国城市生活垃圾资源化处理产业的发展研究J.科技进步与对策，2007,24（10）：76-78.5 罗 兰.垃圾是放错的资源我国废弃物回收利用问题综述N.人民日报（海外版），2002-07-31.6 Kirchmann H,Widen P.Separalely collected organic household wastes:Chemical composition and composting characteristics J. Swedish Journal of A gricultural Research,1994,4:3-12.7 Petiot C,de Guardia A.Composting in an laboratory reactor:a reviewJ.Compost Science & Utilization,2004,12(1):69-79.8 孙 恒、陈作模编著.机械原理M.北京：高等教育出版社， 2006.5.9 濮良贵、纪名刚编著.机械设计M.北京：高等教育出版社， 2006.5.10 于惠力、张春宜、潘承怡等编著.机械设计课程设计M.科学出版社， 2007.8.11 吴宗泽、罗圣国编著.机械设计课程设计手册M.高等教育出版社， 2006.5.12 徐学林.互换性与测量技术基础M.长沙：湖南大学出版社.2007,3.13 王先逵.机械制造工艺学（第2版） M.北京：机械工业出版社.2006,1.14 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学S，第6版.北京：高等教育出版社.2007-4.109，170177.15 刘鸿文.材料力学S，第4版.北京：高等教育出版社.2008-12.12-25,29-37.16 毛平淮，互换性与测量技术S.北京：机械工业出版社.2008-1.致 谢短暂而又宝贵的毕业设计结束了。在这段时间内使我对整个大学4年所学过的知识进行了总结。从方案的论证到最终的设计，涉及的领域包括：机械制图，机械原理，机械设计，材料力学，专业外语等等。在这里要对我的导师李明讲师表示最衷心地感谢！正是因为他的精心指导和细心帮助才使得我顺利的完成了此次毕业设计。他开放性的思维方式，国际性的视野，科学的前瞻理念，渊博的业务知识，严谨的治学态度，创造性的学术思想，以及兢兢业业、热心忘我、细致入微的工作精神，为我树立了求学、求知的典范，树立了务实、创新的榜样，也将成为我今后工作和生活中不断学习的楷模。另外，感谢我的室友，与他们在一起学习、生活令我感到无比的快乐。在本课题研究和说明书撰写的过程中他们也给予了我的莫大的帮助。感谢我的父母，对我多年的教诲和培养。感谢各位评审专家在百忙之中对我的论文进行评阅和指导。
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