食物垃圾粉碎机的设计与仿真论文

本科毕业设计说明书（论文） 第 38 页 共 38 页1 引言 近几年，我国经济1发展迅速，GDP每年都以一个稳定的数字增长着，这样伴随的就是人们生活水平质量的提高，可是问题也来了，就是生活垃圾2的迅速增长。截至到2011年，我国有647个城市的生活垃圾总量约为1.64亿吨，而且这个数字也会在接下来几年迅速的增长着。据不完全统计，我国已经大约有2/3的城市因为堆积如山的垃圾而被包围了，这些垃圾严重的影响了人们的日常生活秩序，特别是在夏天，你走在小区路上，就会闻到一股臭气熏天的刺鼻的味道。由于城市生活垃圾量3的疯狂堆集，已经有许多填埋场不能用了，同时这样也占用了土地，不能建造其他东西，这种现象也导致了城市与垃圾的矛盾更加激烈，所以你可能会看到原本一些偏远的垃圾填埋场4已经不知不觉的进入了城市的视野中，甚至有些小区就建在垃圾填埋场旁边。许多城市都在承受垃圾污染对人们的危害，中国本来就是一个缺水的国家，全国共有2/3的城市处于缺水5状态中，但在垃圾填埋场中，会有重金属以及一些容易腐烂的垃圾所产生的病原微生物渗透到地下中，这样会严重的破坏当地的水源。1.1 厨余垃圾特征及危害1.1.1 厨余垃圾的特征厨余垃圾6是指在食物加工和饮食过程中所产生的易腐化、易降解的微生物。其中包括果皮纸屑、剩菜剩饭等。食物垃圾的聚集地大部分来自菜场、厨房和餐饮店垃圾。 （1）厨余垃圾的热值热值又被称为热量，热值定义为完全燃烧1Kg的垃圾产生的能量，而热值是我们来衡量一类垃圾是否有价值的评判标准，热值高，证明它的价值高，热值低，则认为其燃烧价值不大。现在家庭厨房里的厨余垃圾的水含量7较高，经测试测出来1Kg垃圾的热量8在2000-3000KJ/kg上下，这范围热量的厨余垃圾需要添加助燃剂来燃烧；而一般热量在3360KJ/kg及其以上时，就没必要去添加助燃剂了；而当厨余垃圾的热量超过4200KJ/kg时，由于其大量的热量，可以用余热来发电。厨余垃圾燃烧的时候，要时刻观察温度表，温度一高可产生烟雾、灰尘、有毒气体等有害人体健康的致癌物质。（2） 营养物质丰富9，可统一管理厨余垃圾中的营养物质很多，比如在干物料的厨余垃圾中，脂肪约占30%，1克脂肪完全氧化时能放出约36750J的热量，比糖分子多一倍以上；厨余垃圾中蛋白质约占25%；有实验验证，结果显示脂肪的人体消化率约为89.3%，蛋白质的人体消化率为90.6%，消化率与正规饲料的差不多，也是一种环保的绿色原料。1.1.2 厨余垃圾的危害10现在厨余垃圾中都含有水分，这些垃圾很容易腐烂，一旦温度升高，会产生臭味，难闻刺鼻，与此同时，这些气味还会招来蟑螂、苍蝇、蚂蚁，是厨房乌烟瘴气，特别容易染病。而且用垃圾堆集容器和车辆托运，容易造成二次污染，你在城市中很容易见到一辆垃圾托运车开车，同时车尾一直在流出垃圾水。现在在一些城市小区和餐馆中，人们随意的将垃圾倒在路边、河流中，这样的做法及其恶劣的影响市容，更深层次的，由于现在厨余垃圾中会带有重金属成分和细菌，有些牟取利润的人把厨房垃圾当作饲料给牲畜喂食，从而导致人们的身体受到危害，近几年传出为了牟取暴利，商贩们用地沟油加工出来的油拿到正规超市销售，危害了社会。1.2 我国食物垃圾处理的方法1.2.1 卫生填埋11卫生填埋是指把城市中的垃圾集中车运到郊外的填埋场进行填埋。在我们国家，这种技术被大范围应用，因为填埋的技术简单、成本价格低等特点。但是随着填埋技术的实验应用，问题出现了“二次污染”。填埋场的使用过程中必然会产生渗滤液12和填埋气体，这种潜在的危害时时刻刻威胁着环境。如若不重视处理，在接下来的几十年、上百年，污染将会给大气、水源、土壤造成不可修复的危害。比如美国的腊笑河公害事件，就是填埋场二次污染引起的。渗滤液也是一大危害，由垃圾发酵、雨水淋刷和地下滤出来的污水所产生。渗滤液成分较为复杂，由多种非氯化类、酚类化合物和苯胺类化合物组成，它们对地下水13的影响长期存在，使水浑浊、有臭味、COD、油、酚等污染。1983年夏季，贵阳一地区流行痢疾，原因就是地下水被渗滤液污染所致。还有就是景观污染了，许多城市在选新填埋场时由于村民的反对遇到阻力，引起社会激烈的辩论。相信在今后的时间内填埋场由于种种问题会逐步退出历史。1.2.2 堆肥14堆肥也是一种垃圾处理的方法，主要针对于食物垃圾。在我国，厌氧堆肥是主要的堆肥方式，大约20天左右翻积一次，过三个月左右就可以将堆肥入农田里使用。但是我国的垃圾是属于混合堆积的，其中含有少量的重金属，比如Pb、Hg、Cd等，它们会在水的作用下渗透到有机肥中，这样种出来的食物必定会超标，进一步危害了人体健康。如果无法对重金属进行控制，堆肥使用需谨慎。另外由于化肥的广泛应用，使得堆肥难以大规模推广。1.2.3 焚烧15 在高温下燃烧垃圾，将其焚烧处理后，可以减少大量的固体，垃圾也能够减量化，土地占有率也减少了，焚烧处理可以使垃圾体积16减少90%左右，重量减轻80%85%，其燃烧产生的余热还能用于发电供热。但是缺点也很明显，焚烧会产生烟尘污染17，需要投入大量的资金来处理。现在我国很多大城市都设有垃圾焚烧发电厂，按照规定，现在的垃圾焚烧厂规模至少是焚烧600吨/天，这样的厂子每个需要投资大约在5到6个亿，对于中小型城市压力有点大。而且，我国的含水率高18，我国的垃圾结构也不太适合焚烧。我国的垃圾成分中含水率较高，预计现在已经突破65%了，因为其较高的含水量，降低了垃圾的热值，导致焚烧的难度增大。而在垃圾分组中，属厨余垃圾含水率为最，因而，影响垃圾焚烧效果最主要的因素是厨余垃圾。由于投入的资金较高、含水率较高的原因，使焚烧处理方式不能大规模推广。1.2.4 用作牲畜饲料19现在厨余垃圾中富含大量有机物，在我国长久以来，有在家里饲养牲畜的农民会到饭店里收集泔水，在未经过任何处理的情况下直接喂养给牲畜，这样严重的影响人们的身体20健康。所以，在一些大型城市先后强制运用此类方式喂养牲畜。由此可见，因为厨房食物垃圾固有的性质以及违反大自然定律的处理方式，给人民的心身造成损害，同时也白白浪费了资源，所以当务之急是寻找合适的食物垃圾处理方法21。1.3 食物垃圾粉碎机的发展及应用现状 1926年，在美国的设计师兼发明家John W Hammes发明设计了世界上第一台食物垃圾粉碎机，因为他有一次看见自己的妻子打扫厨房时很麻烦很累，为了照顾她，他发明了这个粉碎机，后来经过不断的设计和改进，Hammes开始批量生产来销售他的食物垃圾粉碎机，这就是他创立的爱适易公司22，从时至今，爱适易公司保持着食物垃圾粉碎机的龙头位置。1999年纽约市的政府联合美国多个国家部门进行了三年的调查，对关于食物粉碎机对环境23和水电量消耗的影响进行了评估，结果表明大规模的安装食物垃圾粉碎机24不会对环境造成负面影响，同时总体上还为美国政府省了一大笔开支。这其实是很重要的，如果一个东西发明出来不能解决问题，那还花那么多时间和精力干嘛呢。到了21世纪初，食物垃圾粉碎机进入了中国，那时候对其的使用率还不是很高，像北京、上海、广州的使用率都不超过4.5%，但是每年都在增长。目前为止，全世界范围内对食物垃圾的处理方式有差异。在美国，厨房垃圾是美国第二大垃圾来源，但是占的比重很小，只有14%，这是因为美国家庭厨房使用食物垃圾粉碎机的结果。迄今80%的美国新建住宅都安装有食物垃圾粉碎机。而在日本，政府在积极鼓励和补助厨房垃圾处理技术的发展25，充分利用资源，最大化的减少垃圾对环境的污染，此举已经得到很多公司和居民的推广和应用，日本的食物垃圾粉碎机也是连接到水槽下方，然后自动将垃圾粉碎，再用热空气将其烘干成粉末，这样不仅垃圾的体积变得很小很小，而且只要稍加加工，废物就能变成有机肥料，这样就形成了资源再利用26的完美循环。至今为止，美国食物垃圾粉碎机的使用率高达95%，其他国家像德国、日本、法国、英国都在逐步使用食物垃圾粉碎机。在食物垃圾粉碎机第一次进入中国的时候，美国的爱适易电气公司、格莱达电器公司、通用电器公司等几乎垄断了中国市场，那时候由于技术和人才原因，我国自主研究27的垃圾粉碎机能力很弱。现在食物垃圾处理器的牌子有很多，有清道夫家庭垃圾处理器，勃汉姆食物垃圾处理器，爱适易垃圾处理器，九次方垃圾粉碎机等等。这里面已经有了中国企业的面孔，但是现在的食物垃圾粉碎机价格很高，一般百姓难以承受，像美国爱适易M55+食物垃圾处理器的价格为1799，有些垃圾处理器则更贵，这也为在中国推广食物垃圾粉碎机造成了很大的障碍。1.4 课题目的和研究意义1.4.1 课题目的根据国情，研制一款适合我国的厨房食物垃圾的预处理装置 食物垃圾粉碎机，居民可以在家中对食物垃圾进行初步处理，然后通过下水道排走，这种方法就能预先避免厨房食物垃圾造成的危害，还能保证减量化的目的。1.4.2 研究的意义国外对食物垃圾粉碎机的成功应验，为我们开辟了一条全新的道路。而且，预先处理厨房食物垃圾有很多优点。1、减少垃圾数量，提高环境质量现在，国家针对生活垃圾，采取的处理原则是减量化、无害化和资源化28。减量化是重中之重。食物垃圾粉碎机对食物预先处理，直接达到减量化的目的，给人一个健康、整洁的居家环境。2、 便于食物垃圾的再处理由于食物垃圾的含水率很高，不利于其焚烧，不得不借助辅助燃料29来焚烧垃圾，一方面增加垃圾成本，另外也造成了浪费。而食物垃圾粉碎机的加入可以大大的提高食物垃圾的焚烧热值和渗漏问题。3、 经济、社会效益显著 现在因为缺乏科学管理和资金支持，卫生填埋、焚烧、堆肥的效益都很小，相反环境正在进一步恶化，人们的身体也遭受痛苦。而研制一款面向家庭、个体单位的食物垃圾粉碎机是必然的，它具有体积小，成本低，耐用的特点，相信可以被人们接受。而且政府可以实行鼓励政策、宣传引导，让人们更加注重环境问题30，调动整个城市的力量来保护环境。2 食物垃圾粉碎机的设计2.1 食物垃圾粉碎机的可行性分析2.1.1 经济层面分析 下面的分析只计算直接成本和收益，取静态值。1、 处理厨余垃圾的成本估算测算得知，一个家庭每处理一次粉碎机的循环操作需要耗0.02度电，总耗水量5-8升，可以粉碎垃圾量0.5公斤。如果不出现特殊情况，食物垃圾粉碎机可以使用大概在15-20年左右，差不多是用了16000次，假设粉碎机的价格以1500元/台计算，使用的折旧费为每次0.1元。所以处理1吨垃圾费用为：（1000公斤/0.5公斤）（0.02度0.7元/度+0.005方1.5元/方+0.25元）=294元，另外增加的污水管网沙井清理量的费用和逐步调整污水处理工艺所引发的成本，因无法核算未计入。2、 处理厨余垃圾的收益估算首先是以焚烧厂处理垃圾成本为例，经计算得知实际处理成本约为331.4元/吨，该成本没有计入灰渣的处理成本；然后是厨余垃圾消耗的处理成本估算，由于厨余垃圾是焚烧的负面因子，消耗成本高，所以要调整系数为1.3，计算得出其处理成本为331.41.3=430.8元/吨；城市垃圾的收运成本计约为80元/吨，其收运成本约为80元/吨1.5=120元/吨；而厨余垃圾处理后的减量化和资源回收的效益总计约为91.1元/吨；所以用粉碎机处理垃圾的总收益为430.8+120+91.1=641.9元/吨。3、 结论从计算的数字结果来看，如果使用食物垃圾粉碎机处理厨余垃圾的话，收益将远大于成本，证明了食物垃圾粉碎机具有经济可行性。2.1.2 环境层面分析目前比如说广州，一天的生活垃圾产量达6600吨，58.56%的有机物中有腐蚀性，约3865吨/日，其中大部分垃圾居民生活的厨余垃圾部分。一般城市垃圾主要包括厨余垃圾，而厨余垃圾又是垃圾污染的重要因素，其污染行为有以下几方面:一是污染了收集容器，同时招引虫蝇、散发臭气；二是在运输过程中易沿途撒漏，污染路面，同时也会腐蚀车子；三是厨余垃圾本身含水率高，降低了垃圾热值，增加燃烧成本等。而在使用食物垃圾粉碎机，有以下几点好处：（1） 大大减少城市垃圾收运处理量，减轻了交通堵塞和美化了市容；（2） 大大增加了填埋场的寿命，同时提高了焚烧厂的收益，减轻污染；（3） 杜绝了臭气，这样使小区保持清新的空气，利于身心健康；（4） 降低垃圾的含水率，减轻垃圾对车子的腐蚀；（5） 尽可能的避免了厨余成分对垃圾可回收成分造成的麻烦，促进了资源回收利用； 结论结果来看，使用食物垃圾粉碎机具有经济效益和环境效益，我们应该借鉴发达国家推荐居民们来使用，将我们生活的城市净化的干净美丽。2.2 分析食物垃圾粉碎机的组成及其工作原理2.2.1 食物垃圾粉碎机的工作原理我们先将厨余垃圾从投入口丢到粉碎机内，打开开关使刀盘在一定速度下转动，厨余垃圾跟着刀盘同步旋转，这样会产生速度差，转的过程还会产生离心力，依靠内齿环和端齿环以及刀盘同时对厨余垃圾挤压、切削、磨碎，使其变成3-5mm的细小颗粒，随着水流顺着下水道排掉。下图2.1为其工艺流程图。 图 2.1 粉碎机的工作原理图2.2.2 食物垃圾粉碎机的组成食物垃圾粉碎机主要由处理器的投入口、机体外壁、处理室、电机和排污管等组成。如图2.2所示。处理室即是粉碎室，是粉碎垃圾的地方，由处理室外壁、底盘、底板和环形齿环组成，是组成部分的重要零件。电机安装在处理室的下面，主要是为粉碎机提供动力来源。水槽凸缘铆合件是垃圾投入的地方，经过处理室的粉碎后，通过排污管顺着水流排走。其中电机和刀盘是食物垃圾粉碎机的关键部位，它们的好坏直接左右了粉碎效果。 图 2.2 粉碎机的零件组成2.3 食物垃圾粉碎机组合刀盘的设计2.3.1 确定刀具的基本尺寸在我国，由于厨房水槽的结构大小是统一的，只是在厚度、轮廓上略有区别而已，所以可以设计刀盘的直径：D=112mm，厚度H=3mm。2.3.2 分析刀盘的受力情况和选择刀盘的材料2.3.2.1 刀盘工作的载荷 刀盘转动时因为与厨余垃圾的相对运动，需要克服阻力，为了保证刀盘转动时所需的强度，首先要对刀盘进行载荷力学分析。我们可以在不影响计算结果的情况下把刀盘理想的作为一个绕着中心轴旋转的薄3mm的薄板，用它来作流体旋转阻力矩以及磨碎厨余垃圾时的阻力。（1） 流体旋转阻力矩 我们假设一个半径为R的圆盘在静止的流体中旋转，通过圆盘中心的转轴与圆盘垂直。在圆盘旋转时，流体层会随着转盘的摩擦阻力做旋转运动，同时受离心力的作用往圆盘外流，然后通过缝隙留下去。随着流水不断的流到转盘上面作这样一个定量循环操作，其实这个过程中流水对转盘的施加的阻力很大。假设：转盘上1体积的流水，切应力ai与转盘的夹角为。可得其径向分量 F切径向=ai sin (1) 可以分析得知，切应力径向动量的增长与流水转动时的离心力相等，方向相反； F离 = 2 r (2)其中：是流水转动时的厚度；：转盘的角速度；r：转盘的半径；从上述两个等式可以看出F切径向和流水离心力成正比： F切径向 =ai sin 2 r （3） 转换下可得 :ai 2 r/sin另外切应力的正向分量: F切轴向 = ai cos (4)由于切应力的正向分量: F切轴向 = （/y）y=0 (5)可用量级来表示，即： ai cosv / (6)查看书籍可知： v =r (7)由（6）、（7）可得： ai cosr/ 由（3）、（7）可得： 2r cos/sin r/ 可知是常量，与转盘半径没有任何关系（下述等式亦成立）；所以可把上述式子转化为2/ （8）由运动粘度系数： =/ （9）其中：运动粘度系数定义（水温10以下取110-6）；：粘度系数； ：密度由（8）、（9）可得：2/ （/）1/2 (10)由（10）、（3）可得：ai2 r（/）1/2 正比于ai（面积）力臂：r4 （）1/2 查资料可以得知，当转盘半径为r,轴向速度为v，它的系数是1.935，所以： M=1.935r4（）1/2 =1.935v/rr4（）1/2 =1.935r3v(v/ r)1/2 (11) 食物垃圾粉碎机可把厨余垃圾粉碎为3-5mm的细小颗粒，另外选定刀盘转速 n=2800r/min。 V= r =2nr/60 =23.1428000.056/60 =16.41 m/s 转矩M=1.935r3v(v/r)1/2 =1.9350.0563110316.41（110-6 16.41/0.056）1/2 =0.0955 NM 所以，流体旋转的阻力矩M=0.0955 NM 由公式M=Flr可知：Fl=M/r=0.0955/0.056=1.7 N 所以得出结论：Fl=1.7 N(2)厨余垃圾对转盘造成的阻力因为一般家里的厨余垃圾的种类一般是生菜剩饭，果皮等软性垃圾，易粉碎，其形成的阻力相对很小，做粉碎实验后可得出结论，厨余垃圾对转盘形成的阻力F2； F2 =11.8 N2.3.2.2 刀盘的材料 一台好的食物垃圾粉碎机，核心之一就是刀盘（包括环磨盘）的材料。因为它要研磨粉碎各种类的垃圾，防锈是必须的，进进出出都是水，生锈了就不能正常运转了；有些食物垃圾还有腐蚀作用，所以防腐蚀也是要求刀盘具备的；还有就是它的强度和刚度；考虑完那些，还要考虑适用加工性和经济性。所以我们决定在1Cr13和9Cr18中做出筛选，下表2是两种材料的一些参数。表2 材料1Cr13和9Cr18的参数 （1）一般知道一个材料中的C含量高的话，形成的微型原电池就越多，腐蚀铁越快，其耐腐蚀能力越差；（2）一般合金中有Cr元素，其对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐腐蚀性，同时提高了钢的耐热性；特别在高的合金范围内，使钢成为了强氧化酸类的克星，大大加强了其耐腐蚀性，由此可见Cr全方面提高了钢的品质。但是Cr铁矿属于短缺矿种在中国，我国Cr的储量少，产量也低，所以每年80%的Cr主要依靠进口，Cr虽然能大大提高其质量，但由于短缺的缘故，建议少用。所以在满足食物垃圾粉碎机对刀盘设计要求的情况下，我们选用1Cr13作为刀盘的材料。2.3.3 校核刀盘的强度当刀盘转动的时候，它会受到一个循环载荷力，只要电源开着，刀盘就会一直承受着，这样就会发生疲劳破坏，一旦刀盘遭到断裂，粉碎机就不能使用了，所以在设计时要求其在循环工作载荷力的作用下，假设性的具备无限长的疲劳寿命的条件，下面是一般金属材料在交变应力的作用，常用的-N曲线图。图 2.4 -N曲线图 可以看见在-N曲线图的右侧是一条无限接近水平的渐近线，水平线起始点对应的应力值我们一般称为疲劳极限。我们定义为：当最大应力小于疲劳极限的时候，且在不被破坏的情况下，可以做无限次循环应力。而水平起始点的横坐标Ne大约为107，我们定义N=Ne的区域为无限寿命区。而在曲线的左侧是一条斜线，在该斜线段是NNs，我们称为有限寿命区，而在该段线所做的计算称为有限寿命计算。因此在设计时应力应该设计的低点，最大的提高其工作寿命。 查资料可知疲劳极限R和抗拉强度LA有如下等式： 0.24 R /LA 0.5 (12)从上表可知1Cr13的抗拉强度：LA=540MPa；我们取0.25下限值可得： R =0.24540 =129MPa 接下来是计算盘max假设在距离圆心为的圆上一面积为dA，这点的内力dA对x轴的矩力为dA，然后将内力矩积分： Mn =AR p dA (13) 图 2.5 截面力矩图据胡克定律可得： max=Gr=G (14)由（13）、（14）可得： Mn =A2GdA =GA2dAA2dA是几何量，它与圆的截面有关，可以用Ip来表示，那么上式亦可转换为 Mn=GIp=F合R (15) 由（14）、（15）可得 max=Mn/ Ip 分析可知在圆盘上的最大应力应该在圆截面边缘各点，即=max； 盘max =Mn/ Ip （16） Ip =A2dA =d/20 2dA =d4/32 F离 =ma =m2R =r2/4 h R(2n/60)2 =7.853.140.05620.030.056(16.41/0.056)2 =11.15 N F合 =F离 +F2 +F1cos =11.15+11.8+1.7 =24.65 N 将所得结果带入（16）可得： 盘max =Mn/ Ip =F合 r2/(d4/32) =1632(F合/)r2 =163224.65/3.140.0562 =12.6 MPa显而易见盘max R=129 MPa，而且它满足最大应力小于疲劳极限的条件，可以做无限次循环操作，结论：该设计满足强度要求。2.3.4 校核刀片的强度因为刀片随着刀盘做旋转运动，也是做定轴旋转运动，可定义r刀=0.054m。那么： V刀 =r =2nr/60 =23.1428000.054/60 =15.83 m/s 而转矩： M=1.935r3v(v/ r)1/2 =1.9350.0543110315.83（110-615.83/0.054)）1/2 =0.083 NM 然后可计算出： F刀片 =M/r =0.083/0.054 =1.54 N接下来计算刀片的水阻力矩： F离 =ma =m2 R =d2/4 h R(2n/60)2 =7.853.140.05420.030.054(15.83/0.054)2 =10.00 N F合 =F离+F2+F刀片cos =10.00+11.8+1.54 =23.34 N 由公式 刀片max =M/ Ip =F合 r2/(d4/32) =1632F合/(r2） =1.30 MPa 显而易见满足强度要求。2.3.5 刀盘的外形结构在我国，厨余垃圾的种类有很多，其软硬程度、化学性质等都有较大的区别，根据这样的性质特点，可以采用组合式的粉碎刀盘，如下图2.6。该刀盘由一组固定刀盘和一组旋转刀盘组成，在刀盘上面设置成中心对称的形状，有三角凸台、摆动刀片、竖起的三棱柱刀片。还有分布在刀盘周围的圆形通孔，便于粉碎后的垃圾流体排走，在刀盘直径周围还有一圈环形磨盘，和圆形刀盘的材料一样，当圆盘在高速转动时，由于离心力的作用，厨余垃圾会飞向四周，设置这样的环磨盘同样起到了粉碎垃圾的效果。同时它与电机通过铆钉和转轴连接在一起，属于过盈配合。 组合式的粉碎刀盘的特点：（1） 这样一套由固定和旋转刀盘组成的粉碎刀盘，可以解决硬度不一和化学性质复杂的厨余垃圾，在高速转动的组合刀盘的粉碎破坏下，达到了设计的最初要求，即把厨余垃圾粉碎到5mm以下的流体。 （2）我们在刀盘设计中，在其表面设置了二十多个直径为4mm的通孔，其作用就是把粉碎后的垃圾流体排出粉碎机，另外一个好处就是降低刀盘的自身重量，提高其转动强度。图 2.6 组合刀盘2.4 电机的选择2.4.1 电动机的工作原理电动机是一项伟大的发，它的工作原理就是利用电磁感应原理，可以将电能转化为机械能来工作。通电时在磁场的作用下，产生电磁转矩，做定向旋转，同时为了确保S级和N级总有恒定的电流通过，需要电刷和换向器，这样的效果导致持续的向外输出功率，电动机就是在多磁极、多线圈的情况下进行工作的。2.4.2 电动机的结构电动机主要由转子、定子等零件组成。转子有铁心和绕组组成，转子铁心有硅钢片叠压而成。定子由铁心、绕组和机座组成，其中定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.5mm的硅钢片层层叠压而成，其中间的绝缘体可以降低涡流损耗。2.4.3 电动机的种类 电动机的种类很多，所以会有多种不同的分类。（1）可以按种类划分：直流电机和交流电机。直流电动机再按结构和工作原理划分：无刷直流电机和有刷直流电机。交流电机可划分为：单相电机和三相电机。（2）直接按其工作原理划分：同步电动机、异步电动机、直流电动机。异步电动机划分：交流换向电机和感应电动机。（3） 按转子结构划分：绕线转子感应电动机（绕线型异步电机）和笼型感应电机（鼠笼型异步电动机）。（4） 按其用途划分：控制用电机和驱动用电机。（5） 按其转速划分：低速电机、高速电机、调速电机、恒速电机。2.4.4 电动机型号的选择粉碎机电机的选择也是决定其质量的关键因素之一，首先电机容量要适当，选高了，工作效率低；选低了，容易过载，使电机报废，在电机上有绝缘物质，它可以用来降温，因为温度一旦上升，电机容易烧坏，在选择电机时，一定要考虑其容量，还有其电流类别、最大转速、重量等。 （1）转速：食物垃圾粉碎机直流电机的转速一般在2700左右，而交流电机的转速约为直流电机的一半。（2）寿命：基本上交流电机的使用时间要长于直流电机，但也有个别特殊的，比如无刷直流电机，其使用寿命就比交流电机长 。（3）粉碎垃圾的效果：在厨余垃圾中，骨头算是一类相对硬度较大的垃圾，相比之下直流电机要优于交流电机。（4）重量：因为电机是要安装在食物垃圾粉碎机的下面，如果电机重量过大的话容易压坏水槽，现在市面上的交流电机都超过7公斤，直流电机相对轻点。 综合考虑，直流电机的特点是可以快速而多次进行启动、反转、制动，其过载能力很高，调速性能好，调速范围大，可以平稳、准确的调整转速，以上特点都符合食物垃圾粉碎机的工作特点，所以决定直流电机。而在直流电机中，永磁式直流驱动电机用的永磁材料作为磁极，提供电机励磁源，而且永磁式电机不需要励磁线圈，其耗电小、散热快、过载能力强、转速平稳，所以设计时可以使用永磁式电机。结论：驱动电机选用永磁式直流驱动电动机。接下来是通过计算来选择型号。旋转到盘工作时克服的阻力： F=F1 + F2 =1.7+11.8 =13.5 N刀盘线速度在上面以求得：V=16.41 m/s所需负载的功率： PV = FV =13.516.41 =221.54 W 电机的额定功率Pd：我们取Pd =1.4 PV Pd =1.4 PV =1.4221.54 =310.15 W 根据所得功率，选择电机型号：ZYT104/12该型号的主要数据是：功率：390 W；转速：2800r/min；电压：220 V；重量：3Kg。该电动机特点：耗电小、散热快、过载能力强、转速平稳，价格适中，而且可在国内进行维修。3 零件实体建模3.1 建模软件的介绍（1）Pro/Engineer三维绘图软件： Pro/Engineer三维绘图软件是美国参数技术公司组织研发的一款三维软件。该软件处于当前三维绘图软件的领军地位。Pro/Engineer因为其强大的功能和新标准受到业界的推广和认可，是现今主流的CAD软件之一。Proe绘图软件是我在大二期间接触的，学了一些基本的绘图操作，用起来很方便，很有逻辑性，里面还有很多的功能没有学，是一款非常适合设计的软件。 （2）AutoCAD绘图软件：AutoCAD是欧特克公司在1982年的时候，自主开发的计算机辅助设计软件，该软件可用于二维设计、三维设计等多项功能，如今也是社会上比较主流的设计软件。AutoCAD具有全面良好的用户界面，我们可以通过命令或者菜单来绘制图形。这款软件也教容易掌握，一些基本命令熟悉几次就可以掌握了，这样可以大大的提高工作效率。AutoCAD也有很好很便捷的兼容性，它可以兼容各个操作系统，网上也有很多破解版，从04到14的版本都有。3.2 零件建模 食物垃圾粉碎机由一些重要零件组成，我通过PRO/E三维软件建模，基本操作是新建零件模版，关闭缺省模版，在确定，使用毫米制，即mmns，再点击确认进入建模窗口。由于零件数量众多，我挑选了几个重要的零件介绍其制图过程。3.2.1 粉碎室 这个粉碎室模，我先草绘一个图形，如下图3.1所示。完成后再绕中轴旋转，新建一个平面，在这个平面上绘制出水口的实体，最后完成整体的粉碎室建模。粉碎室与上盖通过四个螺钉连接，中间放了一个垫圈，防止水流出来，下面与下盖连接，用三个M4的螺钉，因为这部分连接没有水流出来，所以不需要用垫圈，如图3.2为设计的粉碎室模。 图 3.1 粉碎室草图图 3.2 粉碎室3.2.2 支撑锁环建 支撑锁环是由连续三次的接替环组成，亦可用草绘、旋转的方式进行建模，如下图3.3所示，连接部分：它上面是通过一个密封圈支撑着它，因为密封圈的最大直径大于支撑环的上平面直径，该配合属于间隙配合；而密封圈是套在水槽凸缘铆合件的下部分，属于过渡配合，因为是橡胶材料，伸缩性很大，使得密封圈能紧紧套在铆合件上，保证不脱落。下面有图6.1就能直观的表达出来，所以上盖与水槽凸缘铆合件是通过一个密封圈连接的，一个提供支持力，一个给压力。图 3.3 支撑环草图 支撑锁环两边的实体是通过多次新建平面、多次草绘拉伸而得，如下图3.4所示。图 3.4 支撑的环加强筋是先草绘拉伸出一个加强筋，再通过阵列建出其他12个加强筋，如下图3.5。最终该零件的实体模型如图3.6所示。图 3.5 环草图图 3.6 支撑环3.2.3 底盘盖建模底盘盖是食物垃圾粉碎机最下面的，封闭了开关、导线，用一个双头螺柱、一个垫片、一个螺栓，另一边连接到粉碎室底面螺纹孔，中间是可以穿过电机的，因为电机并不是充满电机外壳。该模型先通过插入、扫描、伸出项来完成，下图3.7、图3.8是其扫描轨迹和截面，图 3.7 轨迹 图 3.8 截面 接下来是绘制螺纹孔，我通过混合、伸出项来绘制，下图3.9是其截面草图，深6mm。图 3.9 混合操作 该模型为最终底盘模型，如下图3.10。图 3.10 底盘盖3.2.4 水槽凸缘铆合件 这是一个铆合件，由一个上盖和一个铝制的环形片铆合起来，属于过盈配合，基本的思路就草绘、旋转，因为是旋转件。下图3.11为上盖的草绘图和铆合件的草绘图3.12。图 3.11 铆合件草图图 3.12 铆合件草图 下图3.13为水槽凸缘铆合件的装配图，约束用插入和匹配即可。图 3.13 铆合件4 模型的装配和仿真4.1 模型的装配模型的装配就是在所有零件都都用软件绘制出来后，将他们进行组装，装配一般从上到下从里到外，而装配也是通过零件与零件之间的约束完成的，一般运用频繁的约束条件有对齐、匹配、插入、相切，其他的约束有坐标系、线上点、曲面上的点、曲面上的边。在装配过程中，可以依据不同的零件和设计要求，来选择合适的装配约束类型，想要使一个零件处于完全约束状态，需要使用几个约束条件。有的时候你会发现“匹配”不了，那是因为你的尺寸不对，需要修改，所以这部分需要修改的地方特别多，反反复复的改正，然后装配。首先是投入口的装配，该部分主要由上盖铆合件、防溅罩、防水环等几部分组成，该部分装配都是以轴插入、面对齐或者匹配来完成。比如防溅罩和铆合件的就是先“插入”对齐，然后“匹配”，使两个面贴合，完成一次装配；支撑环和上外壳也是先“插入”、“匹配”进行装配，然在旋转支撑环，使安装时旋转的扣对齐，如下图4.1所示。 图4.1 投入口装配图然后是粉碎室和排污口，该部分由粉碎室、刀盘、法兰、密封圈、排水管等组成。首先是粉碎室和刀盘的装配，该部分主要以转轴加铆钉来连接，也是主要以轴“插入”、面”对齐”或者”匹配”来完成。然后是排水管也是以相同的方式进行连接，有的部分会增加一些约束，比如绕轴旋转45度、90度等，最终完成整个装配，如下图4.2所示。 图4.2 粉碎部分装配图最后是底部支撑装置，该部分由保护外壳、底盘、电机和下盖组成，底盘盖与电源外壳属于过渡配合，电源外壳与电机外壳属于过度配合，大部分装配是类似的，比如保护外壳和下盖是三个面来约束，由于尺寸不对反复修改了多次，如下图4.3所示。图4.3 支撑装置装配图下图4.4是总装配图。图 4.4 总的装配图4.2 模型的仿真食物垃圾粉碎机的仿真就是让磨盘运转起来，打开装配图，再打开主菜单中的“应用程序”、“机构”，进入运动仿真的模块界面，单机“伺服电动机定义”会出现如下图4.2示，然后选择“运动轴”，单击轴线，在“选取”上点“确定”，再点击“轮廓”，在“规范”里选择“速度”，设置如下图4.3所示，再单击“确定”。然后选择“机构分析”，跳出一个窗口，如图4.4所示。在“类型”里面选择“运动学”，“终止时间”20秒，再单击“运行”。 接着打开“回放”按钮，弹出来一个对话框图4.5，点击“播放”按钮，也可以进行“捕捉”，类型选择AVI，最后点击确定完成仿真。 图 4.5 仿真步骤1 图 4.6 仿真步骤2 图 4.7 仿真步骤3图 4.8 仿真步骤45 三维转二维 各个零件的三维图画好后，接下来要做的就是把三维图转换为三视图，我用的是Proe的“绘图”模式进行三视图的组合，取消“使用缺省模版”，如下图5.1所示。图 5.1 转换步骤1 在“缺省模型”里选择要画三视图的模型零件，“指定模版”选择空，“大小”的根据你所画零件的大小、缩放进行合适的选择，然后点击“确定”。然后进入界面选择视图的类型和剖面视图、放大视图等，如下图5.3可自行选择。图 5.2 转换步骤2图 5.3 转换步骤36 实物的安装及注意事项驱动电机安装在磨盘的正下方，从外壳下引出电源线，电机轴的上端与磨盘想接，在电机上下的粉碎室与开关盖，用两个双头螺柱连接起来，在排水管和粉碎是出口处加上密封圈，防污水和残渣漏出来，用螺钉将排水管和粉碎室连接起来，中间放个小铁片和密封圈。而在上面入口处，在铆合件中间放一个防溅罩，为了防止下面磨盘转的时候把垃圾转出来，溅到使用者，在铆合件和水槽之间也要放个密封圈，这里也会出现渗水问题。安装注意事项：（1）装配环是食物垃圾粉碎机与水槽连接的纽带，安装时先将其提起来，在水槽凸缘铆合件下套入密封圈，安装好后放下装配环，试试是否可以容易的旋转，如下图6.1。 图 6.1 安装注意事项1 （2）安装时应当将装配环与粉碎机的上盖连接部分转紧，使其处于封闭位置，当处于封闭位置时，装配环可与上盖牢牢转紧，如下图6.2。图 6.2 安装注意事项2 （3）如果食物垃圾粉碎机内部出现问题的时候，可以用小铁棒敲碎侧面的小孔，如图6.3所示。图 6.3 安装注意事项3 下面是整个安装的外观图6.4：图 6.4 外观图7 实物创新改进 7.1 电路系统实现的原理 由于现在的食物垃圾粉碎机都是用的时候去开，不用的时候去关，需要回拨电源开关，这样连续蹲很麻烦，所以我的创新点就是电路系统的改进，当要用的时候按一下开关，然后定时，定的时间根据食物垃圾的要求，可以两分钟，可以三分钟，在粉碎机运转时，人就能离开，机器在运行完毕后自动关闭。 驱动电路采用CH7555来组成定时电路，它是一种CMOS集成定时器，也称CMOS555。CH7555具有功耗小、负载能力也小、阻抗高、输入电流小等特点，综上特点，设计采用了性能稳定、性价比高的CH7555集成电子元件，下图7.1即是CH7555的引脚说明图和电路原理图，我的这种定时方式可以实现，但我自身能力有限，没有能力进一步研究。 图7.1 引脚排列图 图7.2 控制电路系统电路原理图7.2 安全改进 现在市面上的食物垃圾粉碎机大多都是悬挂式的，如上图6.4所示，这样就导致一个问题出现，当用的时间久了，粉碎机自身的重量加上食物垃圾和水的重量，可能导致食物垃圾粉碎机破坏水槽，严重的可能直接压坏水槽掉下来，有些进口的食物垃圾粉碎机的外壳都是由金属制成，这样会大大增加安全隐患，所以我的改进建议方案就是在安装好食物垃圾粉碎机之后，在它的下面垫一个东西，使其变成站立式，这样有地面的支持力就变得安全了，这个垫的材料最好是木质材料，因为如果用金属材料的话，可能会腐蚀底盘盖，这样就可以最大限度的保护粉碎机本身和水槽。 图7.3 安全改进图 结 论这次做毕业设计是对我大学四年所学知识的一次考核，当初选这个课题的时候，不知道从何下手，没有思路，于是上网搜索了一些有关课题的资料，这才慢慢有了了解，有了思路。这个课题设计涵盖了很多知识点，你需要去学习材料力学、理论力学、机械设计原理、CAD制图、Proe三维建模等。在理论计算方面，我对刀盘的工作载荷进行了计算，从分析受力，到材料的选择，到最后校核强度，都一一进行了分析；在电学方面，为了保证足够的转速和容量，在满足设计的要求前，来选择符合条件的电机；在机械设计方面，对刀盘的结构进行了设计，采用了组合式粉碎刀俎来工作，运用Proe绘图软件对各部分零件进行建模，并且在数据吻合的条件下来装配各个零件。本次设计的食物垃圾粉碎机采用了永磁式直流驱动电动机，由于现在很多国外的粉碎机都是采用交流电机，缺点是体积大，不符合设计要求，而且价格昂贵，一般的市民买不起也不太愿意买。在刀盘材料的选择上最终选用了1Cr13，该刀盘的设计适用于我国厨余垃圾的特点，而且1Cr13更容易加工，因为不是稀有材料，坏了也方便维修和更换，现在这样一台食物垃圾粉碎机的成本在420上下，这样的价格更加迎合普通消费大众，而且耗电也很少，一年也才8、9块钱。因为是第一次接触该课题，经验上很是欠缺，加上时间有限，还有很多设计因素和理论没有验证，所以还要进一步去钻研。 致 谢大学四年美好时光就在这一片论文的结束而终止，在这次课题研究过程中，我得到了多方面的支持，有导师、有父母、有同学的帮助和支持。首先能够做好这次毕业设计，最该感谢的就是我的指导教授，老师是一个和蔼可亲、知识渊博的人，我从他身上学到了很多东西，受益匪浅，他每周抽出4、5个小时时间对我们的进度进行核查，有错误的地方进行纠正，对于我们的疑问也是有问必答，比如一些软件上的绘图技巧，他会很耐心的演示给你看，想学不会都难啊，让我对软件的熟悉程度又提高了一个档次，所以非常感谢吴老师这几个月的悉心教导。同时也对评阅这片设计说明书的老师表示感谢，也希望老师能指出里面的不对之处，让我进行改正。 参 考 文 献1 马凯.贯彻和落实科学发展观 大力推进循环经济发展J. 宏观经济管理, 2004 ,(10): 4-9. 2 臧文超. 我国城市生活垃圾现状与管理问题J. 环境保护, 1998, (8): 41-43.3 杜吴鹏, 高庆先, 张恩琛, 等. 中国城市生活垃圾处理及趋势分析J. 环境科学研究, 2007, 19(6): 115-120.4 袁维芳, 王国生, 汤克敏. 反渗透法处理城市垃圾填埋场渗滤液J. 水处理技术, 1997, 23(6): 333-336. 5 布朗莱, 杨芳. 中国缺水J. 经济与信息, 1998 (11): 49-51.6 王静泉. 厨房食物垃圾处理器的研制J. 硕士学位论文, 吉林农业大学, 2005.7 王向会, 李广魏, 孟虹, 等. 国内外餐厨垃圾处理状况概述J. 环境卫生工程, 2005, 13(2): 41-43.8 袁玉玉, 曹先艳, 牛冬杰, 等. 餐厨垃圾特性及处理技术 JJ