食物垃圾粉碎机

第 32 页 共 32 页1 引言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，生活立即的排放量急剧增长。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，年增长率在8%左右。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存总量的45%，有近一半的生活垃圾不能及时处理而随意堆置，从而造成细菌繁衍，老鼠横行，污水横流，臭气熏天，严重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0.13hm2，远远低于世界人均0.31 hm2的水平，可全国未处理而堆积的垃圾达60亿吨，占用土地约为50万hm2，在大量浪费土地资源的同时也对土地产生污染。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个贫困水国之一，全国668座城市中有400多座城市缺水，其中110多座城市严重缺水，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，但填埋技术不过关，在耗费大量财力的同时造成垃圾的二次污染，严重影响着人们的正常生活环境。垃圾产量的迅速增长，已经制约了城市的发展，我国政府对垃圾处理问的高度重视，在不断增大投资力度，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 ，集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，由于人们的生活水平的提高，生活结构的改变，生活垃圾的成分也发生了很大的变化。集中供应热合煤气的广泛应用，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%，并成上升趋势。在上海，每天产生生活垃圾约为1.3万吨，其中70%为生活垃圾，每年处理的总量约为300万吨。在北京，每天产生的剩饭、剩菜就达1600吨，每月回收馒头约为20吨左右，相当于140人一年的口粮，而春节期间至少增长50%以上2。从环境卫生角度看，食物垃圾是一种污染，但总资源角度看，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可用来焚烧发电，可有效的缓解能源危机，具有生态环境效益和社会效益3。表1为上海市19882000年生活垃圾成分调查统计以及20052015年预测值4。年份产生量有机垃圾(%)无机垃圾(%)纸类塑料竹子布类厨余果类金属玻璃渣石19882404.32.991.941.6870.6110.941.022.913.6119903014.264.191.441.1470.0512.040.953.742.1919933358.367.541.891.9761.0911.080.724.741.8619953726.511.211.472.1756.6611.990.913.812.2919974548.0511.781.442.2458.0612.030.5841.8220006418.0213.931.432.8154.6612.840.854.151.26200570910.8313.211.933.2162.370.835.452.7201086312.8212.982.494.4158.760.985.641.922015105015.4412.622.865.2855.780.875.361.79通过该表可见，在上海市的生活垃圾中，有机腐败的垃圾成分（厨房垃圾）和可燃成分（纸张、塑料橡胶、织物等）占有很大比例，其中厨余位生活垃圾中有机垃圾的主要成分，而无机垃圾的成分是在持续下降的。1.2厨房食物垃圾特征及其危害1.2.1 厨房危害垃圾的特征食物垃圾主要生活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。一半在食品加工过程中产生的食物残余成为厨余，饮食消费后的食物残渣称为泔脚。从化学成分上看主要是淀粉、纤维蛋白脂类和无机盐等。食物垃圾的来源比较集中，主要是城镇菜场垃餐馆饮食业垃圾、家庭厨房垃圾及各种市场的瓜果皮等城镇垃圾。（1） 食物垃圾具有较低的发热值发热值又称发热量，是指1Kg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，所以其单位质量的地位热量在21003100kJ/kg左右，（当垃圾的平均低位热值高于3349KJ/kg时焚烧过程不用添加任何助燃剂，高于4180KJ/kg时可进行余热利用如发电）故需加入燃油或煤等燃助，使成本增加，同时要注意控制温度，防止灰尘、二恶英等有害物质产生5。（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，有实验不挨骂粗脂肪消化率为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、蟑螂等害虫横行，传播疾病。加之人们环保意识较为单薄，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，甚者用“泔水油”提炼色拉油来加工食品，危害百姓。1.3 食物垃圾的出来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，一个填埋后，又要重新征地新建，而我国耕地面积小，这样据出现了“人与垃圾征地”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物含量不能超过5%。我国在有机垃圾的含量持续提高的同时，真正达到要求的填埋厂却并不多，有关部门对我国298个垃圾填埋场的滤液进行检测，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6。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，可回收再利用的成分很高，却装直接的丢弃，造成能源的浪费7。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 焚烧焚烧时在高温下燃烧垃圾，达到大量消减固体的目的，能迅速实现垃圾的“减量化”焚烧后的体积仅为原来的5%15%4，同时焚烧产生的余热还可以发电和供热，对其土地面积较小的国家，此种方法受到青睐。咋日本，垃圾焚烧量超过66%。其缺点是产生烟尘污染，投资较大。我国引进的垃圾焚烧设备，若处理100t/d垃圾，其减少成本接近1亿元人民币8，中等城市的财政难以承受。另外，我国的垃圾结构也不合适焚烧，表2和表3为长春市主城区生活垃圾的三成分和垃圾各水分的含水率。表2 生活垃圾成分的百分数(%)成分朝阳区二道区平均值含水率68.563.265.85可燃分20.622.321.45灰分10.914.512.7表3 垃圾各组成的含水率(%)含水率朝阳区二道区平均值纸68.671.369.95纤维67.357.862.55塑料46.853.049.9橡胶20.648.934.75厨余71.576.273.85金属0.00.00.0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量高，因而降低了垃圾的热值，增加了垃圾的焚烧难度。在各种垃圾分组中，厨余垃圾的含水率最高，而且他的组分含量也最大，所以，影响生活垃圾焚烧效果的主要因素为厨余垃圾。因此，想要对垃圾采用焚烧的处理方式，最好是首先把厨余垃圾处理好。1.3.3 堆肥堆肥适合于食物垃圾，我国采用传统的厌氧堆肥，但其周期长，常为36个月，并受季节性影响。由于垃圾的混合收集，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。资料表明，1颗纽扣电池可以污染60万升水9，1节1号电池可以使1m2的土地失去其使用价值10。所以，无法对重金属含量进行严格控制的堆肥必需慎用。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，长久以来，许多农民到饭店、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11。在我国，上海、北京等地也都先后命令禁止运用此类垃圾喂牲畜12。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，给人民造成危害的同时也使资源白白浪费，故找寻合适的处理食物垃圾方式是一项紧迫的任务。1.4 食物垃圾粉碎机的发展及应用现状13-15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粉碎机，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快速的粉碎为小颗粒，随流水一起进入排水管道。这种机器源于美国，上个世纪40年代，一名叫约翰海墨的设计师设计出世界上第一台垃圾粉碎机，目的是为了减轻妻子的负担，并且可以保护厨房环境。产品最初设计非常简单，只有一台电机驱动的滚刀。在以后的几十年，随着机器被不断的改进，人们也开始逐步开始接受。为全面考察食物垃圾粉碎机可能造成的影响，20世界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粉碎机对城市周围水质、城市管道、污水处理厂、耗水量和耗电量的影响，结果表明食物垃圾粉碎机的应用对城市水质没有任何影响，城市管道不会被堵塞，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，应用食物垃圾粉碎机可以为国家节约成本。从此，食物垃圾粉碎机开始在美国批量销售，不少城市甚至以法律形式强令使用。目前，这已机器在美国普及率在95%以上，据世界首位，并波及世界其他国家，象瑞典、澳大利亚、法国、日本等都相继研究和应用食物垃圾粉碎机，其中日本普及率达到35%以上。在世纪九十年代末，食物垃圾粉碎机进入中国。现在美国艾默生电器公司的ISE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粉碎机垄断中国，但中国自行研制的适合我国的食物垃圾粉碎机却仍很少，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，可以承受住大的压力，可中国水槽薄，食物垃圾粉碎机很容易把水槽压坏。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，一般百姓难以承受。像美国挚通泔水生产的U-308型食物垃圾粉碎机价格为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粉碎机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粉碎机十分重要。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粉碎机，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。1.5.2 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食物垃圾粉碎机。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（例：二次污染治疗费、城市生活垃圾运输费）用来研制、开发垃圾处理的新项目。please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings2 厨房食物垃圾粉碎机的设计2.1 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。本文所要设计的厨房食物垃圾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，这里就不加以详细论述。图1 食物垃圾粉碎机的工艺流程图2.2 厨房食物粉碎机的工作原理及组成2.2.1 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35mm颗粒，在流水的作用下通过下水管道排走2.2.2 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。图2 厨房食物垃圾粉碎机结构简图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目前我国厨房洗涤盆下水口的结果尺寸基本上是统一的，直径为114mm，只是在轮廓上有大小、深浅之分。因此参照此基本尺寸，初步确定刀盘直径：d=114mm,刀盘厚度：t=3mm.2.3.2 粉碎刀盘的力学分析及材料的选择2.3.2.1 粉碎刀盘工作的载荷组合刀盘工作时需要克服助力，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，在它上满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，转轴通过圆盘中心前与圆盘垂直。由于圆盘旋转时，紧靠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，变建立一个定常流动，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 (1)径向动量的增长同被圆盘带着转动的流体的离心力平衡 (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，故切应力的径向的径向分量与成比例，即 (3)即切应力的轴向分量，而 (4)切应力的轴向分量 (5)按其量级可表示为 (6)圆盘的旋转速度等于旋转角速度乘以圆盘的半径 (7)所以： 把(3)代入(7)消去得：由实验可知：与半径无关，为一个常量 (8)根据运动粘性系数定义： (9)为运动粘性系数定义，为粘性系数，为密度把(9)代入(8)中： (10)把(10)代入(3): 由于为常量，所以得转矩M与面积力臂成比例M对于半径为r和周向速度为的圆盘，其系数为3.87/2，故阻力矩为please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings由此可以得出，流体阻力矩M=0.1103 NM又因为：M=故： =0.1103/0.057 =1.9N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，焚烧时产生很小的阻力,在对食物垃圾（不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛）中常见的鱼剩菜等进行破碎测试时得到阻力大约为=11.5N2.3.2.2 粉碎刀盘、粉碎刀材料的选择厨房食物垃圾粉碎机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。表4 材料1Cr13、9Cr18参数表 材料性能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，稍难加工难加工材料价格(千元/吨)55用途具有良好的耐腐蚀性，机械加工性，一半用在刃具制造上一般用作不锈切片、机械刃具、剪切道具、手术刀片及高耐磨设备零件(1)材料中C的含量越高，其耐腐蚀性越差（2）在钢种加入Cr能显著体改钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，并能提高钢的强度和耐磨性，从而性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种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2.1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，本文机器的刀盘及旋转刀片选用1Cr13作为材料来加工。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。刀盘时决定粉碎机寿命长短的因素之一，因此，按无限寿命设计，即要求各部件在工作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-N曲线或疲劳极限来衡量，见图3对于刚才来说，-N曲线有一条水平渐近线，这意味着时，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：0.25/0.5 (12)材料1Cr13的抗拉强度=540M图3 -N曲线进行保守估计，我们取的下限：=0.25 =0.25540 =135 M即：的最小值为135 M计算设在距圆心为处取一微面积dA,其上内力dA对x轴之矩为dA，将所有内力矩求和即得到截面上的力矩：dA (13)图4 截面上的力矩图其中A为截面面积根据虎克定律： (14)将(14)代入(13)得：dA将常数G、提至积分外得dA是与圆截面有关的一个几何量，以及惯矩表示，所以 (15)将(15)代入(14)得：圆盘上最大的应力在截面周围周边个点，故代入： (16)= = =7.85 =13.5N =13.5+11.5+1.9cos =25N代入(16)得： = = =32 =13.2M即依据-N曲线，当时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏，设计中到盘满足强度要求。2.3.4 粉碎刀盘的结构设计根据我国食物力矩种类多，硬度、粘性差别大的特点，采用组合刀盘式粉碎刀，由固定刀组和摆动刀组组成，结构为：旋转刀组由刀盘和摆动刀片组成。刀盘为组合刀盘，上面有尖形块、直径为3mm和4mm的小孔，实现垃圾粉碎及排出。摆动刀片可绕固定轴作90摆动。旋转刀片和组合刀盘分为上下两层，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和刀片，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。 对于硬度较大的、粘性较小的食物垃圾在转盘上设置了两个尖形固定刀，在离心力的作用下，食物垃圾很容易运转到转盘的边缘，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，对于食物垃圾进行切、撕、磨等破碎操作。 在旋转刀盘上分布着许多直径为3mm和4mm的小孔，这些小孔一方面用来排泄破碎后的颗粒和污水，另一方面可以保证转盘足够强度时减轻自重。刀盘的设计结构尺寸见附录。2.4 驱动电机的选择驱动电机是食物垃圾粉碎机工作能量的提供源，也使关键部件之一，其性能直接影响着厨房食物垃圾粉碎机质量的好坏。在设计中，电动机运行特征为时间短，启动频繁，断续工作。2.4.1 电动机的工作基本原理及结构2.4.1.1 基本原理变化的磁场会产生电场，使导体中产生感应电动势，这就是电磁感应现象。电动机就是根据电磁感应原理来实现电能转换为机械性能的机器。在电机中，电磁感应现象主要表现在两个方面：一方面是导线与磁场有相对运动，导线切割磁场时，导线内产生感应电势；另一方面是线圈的磁通变化时，线圈内产生感应电动势。2.4.1.2 电动机的基本结构及分类电机的结构可分为定子与转子两大部分，定制的主要作用是建立磁场和机械支撑，转子的作用是感应电势，产生电磁转矩实现能力转换。电动机分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为同步电机、异步电机。2.4.2 电动机的选择2.4.2.1 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和型号进行优化选择是十分重要的。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。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和表5与表6，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，故耗电省且不发热，磁路结构精心选择设计，使电动机过载能力强、相应速度快、噪声低及转速平稳。基于上诉特点，设计者选用永磁直流电动机。永磁材料的种类很多，有铝钴镍系列磁钢、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HCB剩余磁感应强度Br、最大磁能面积（BH）max以及磁稳定性。选用永磁材料要求（BH）max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，影响磁稳定性因素有： 内因包括组织变化和磁后效。铝镍合金、铁氧体、铁钴铬等不会发生组织的变化。但铁硼易氧化且产生组织的变化。各种永磁材料除各项异性外，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。表5 电动机类型选择参考表负载类别选用电动机类型恒转矩和通风机负载特性的机械选用机械特性为硬性的电动机较为适宜恒功率负载特性的机械选用调励磁的变速直流电机或带有机械变速的交流异步电机无调速要求的机械负载平稳，对启动、制动无特殊要求的长期运行的机械小功率普通笼型电动机大功率采用同步电动机带周期性变动负载的机械(如飞轮)或启动条件沉重大功率采用绕线型电动机小功率警告过负载能力和启动条件校验通过的采用高转差率电动机某些断续运行机械，采用交流电动机在启动、发热、制动等发面不能满足技术要求或经济技术指标过低采用直流电动机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，则守外磁场的影响很小。b 机械振动和冲击力引得退磁率一般不大，磁体尺寸越大、矫顽力提高。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。表6 电动机类型选择参考表序号负载性质生产机械工作状态选用电动机类型平稳冲击长期短期断续调速飞轮储能异步电机同步电机直流电机笼型绕线型他励直励1234567注：1、表示可选；2、对于小功率机械或启动次数较多而电网容量不大易受冲击时，不推荐选用同步电动机；3、对于大中型机械，当电网容量不大时，不用笼型电动机，而选择绕型电动机；4、异步电动机带调速装置；5、需要启动转矩大的机械（如电车），采用直流电动机2.4.2.2 电动机安装、防护方式的选择电动机的安装形式根据安装时的位置不同，分为卧式和立式两种。卧式电动机的转轴安装后为水平位置，立式的转抽为垂直地面的位置，立式的价格较高，但占用空间小。电动机常见的防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。根据不同的使用环境和使用要求选择不同方式。开启式：这种电机具有防水滴、铁屑等杂物进入电机内的供呢个，但不能防止潮气和灰尘入侵，应安装在干燥、无尘、无腐蚀性和爆炸性环境中。封闭式：分为自冷式、自扇冷式、管道通风式及密封式等。这种方式，电机外的灰尘和潮气不不易进入电机，用于潮湿、多尘土、有腐蚀性气体、易受风雨等较恶劣的环境，其中密闭式的电机还可浸在液体中使用。防爆式电动机是在封闭式后的基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度，用于易燃、易爆气体的场所。设计时根据上述特点，考虑到尽量占用小的空间，避免潮湿，采用封闭式永磁直流电动机。2.4.2.3 电动机型号的选择选择电动机时，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，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Pw 根据负载功率Pw预选电动机的功率Pd，使PdPw，尽量接近Pw 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长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，从而确定电动机所采用的容量。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，需要克服的阻力为：F=F1+F2+F3=1.9+11.5+4.5=17.9N刀盘的线速度V=R=2n/60R=23.1430000.057/60=17.9m/s负载功率：Pw=F V=17.917.9=320.41W电动机的额定功率Pd：PdPw，且留有余量取Pd=1.2 PwPd=1.2320.41=384W按以上参数的选择，我们最终选取的电机型号为：95ZYT147。技术数据如下：转速：3000r/min 功率：400W 电压：220V 电流：2.4A 转矩：1275mN.m 重量：3KgZYT系列微型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，n5.06.0，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、钴等元素，价廉，原材料丰富。ZYT系列微型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间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已达到减小转矩波动、噪声，保证平稳运行。本系列电机体积小，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。我国就可生产，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，维修困哪，给顾客的使用带来不便。2.4.2.3永磁直流电动机的整流和过载在日常生活中，我们使用220V的交流电源，但是垃圾处理器需要直流电源才能运转，为此，需要增加一个整流电路，使交流电变为直流，供直流电机使用。设计中采用桥式整流电路来实现转换。永磁电机在运行中，可能发生由于食物垃圾的堵塞，使电机的负载增加，由于电机本身有一定的过载能力，若过载不大，电机不超过允许的温升，这种过载时允许的；但过载时间长，温升超过允许值，将会减低电机使用寿命，严重时会烧毁永磁电机。为保证电机正常启动和运转，在电机发生较长时间过载时能自动切断电路，防止电动机过热而烧毁。图5 电机整流及过载保护2.5控制电路系统的设计目前，同类产品的垃圾处理器具有使用时没有二级电源控制，需要回拨总电源，通电后不能离开等缺点，这不符合中国的生活习惯。目前，随着竞争的激烈，年轻人都在外忙于工作，家里常常只要老人和孩子，在洗涤盆处来回拨电源，存在不安全隐患，为此，在设计中增加一套自动控制电路系统，目的是克服以上的不足，避免拨总电源，在机器运转时，人可以离开，机器运行一段时间后可自行停止。2.5.1电路系统所能实现的功能该电路所要实现的功能是启动机器，使厨房垃圾处理器开始运转，对垃圾进行预处理，工作12分钟后能够自动地切断电源使机器停止工作，按处理时间的不同，可分为1、2、3三个工作模式。1、2、3档工作时间分别为45s、90s、150s。在使用时，若垃圾量不多（如一餐垃圾），且没有较硬垃圾，则应用1档，若垃圾量大（如多餐垃圾）或含少量硬度较大垃圾，则应用2档，若垃圾主要成分硬度较大的食物垃圾，则应用3档。2.5.2 驱动电路系统实现的原理图6 CH7555引脚排列图驱动电路采用CH75555构成单稳定时电路，CH7555是一种典型的CMOS集成定时器，CH7555是在555型基础上涌CMOS工艺制程的RC式时间集成电路,也称为CMOS555。由于CH7555型时间集成电路也是使用CMOS工艺制成，故其电路结构和工作原理与555双极性集成定时器没有本质区别，只是在电气性能中有些参数有区别。首先死CH7555的工作电源电压范围宽：最小值是2v，最大值是18v，其次是功耗小，如静态空载电源电流仅数百微安；但负载能力也小，如输出电流数毫安。另外还有阻抗高、输入漏电流小的优点，适用于高值电阻工作。基于以上优点，所以在定时电路的设计上采用性能稳定、性价比优廉的CH7555集成电子元件。图6是CH7555的顶视引脚排列图，共有8个引脚，每个引脚的功能见表7的说明。表7 CH7555引出端功能说明引脚符号功能引脚符号功能1GND地5C-V控制电压2TRIG低触发端6TH高触发端3OUT输出7DIS放电端4R复位8V电源如果将CH7555的高触发端TH（引脚6）与低触发端TRIG（引脚2）连接起来就构成了了施密特触发器。施密特触发器一个最重要的特点就是能够把变化分厂缓慢的输入脉冲波形，整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲，而且由于具有回差电压，所以抗干扰能力也强作为RC振荡时间电路，CH7555具有较高精度和稳定性。单稳定时初始精度在计算值的1之内，电源电压变化引起的漂移可达微不足道的0.1V，温度变化引起的漂移也仅为0.005C左右。驱动电路系统的设计主要是采用就是采用CH7555为主要的电子元件构成的电路系统。其原理图见图7所示图7 控制电路系统电路原理图电路系统的原理图7是利用Protel99的原理图设计系统绘制的一张电路原理图。Protel199这一软件是目前进行电路设计与制版的最新的优秀软件，具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力。最主要的两大特点就是：一是原理图设计系统。用于电路原理图的设计，为印制电路板的设计打好基础；二是印制电路板设计系统。用于印制电路板的设计。2.6其他部分设计食物垃圾处理器其他部分的设计为非主要部件，主要包括：投入口、排污口等。由于我们目前为实验产品，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，其密封作用。食物垃圾是由投入口进入垃圾粉碎机的。它主要由装配坏、支撑环、水槽凸缘件、防溅罩等几部分。装配坏、支撑环、水槽凸缘铆合件相接。水槽凸缘件的上半部分卡在洗涤盆下口，水槽凸缘铆合件的下半部分与支撑环通过螺纹相连，装配换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。在设计固定刀架时，我是采用的两个小半圆，壳I内圆直径为114mm，而固定刀架的外径为118mm,所以装配是柔性装配，装配后固定刀架的外径为114mm。在外壳的内部设计了两个小卡口，卡住固定刀架，放置移位。（由于学生我pro/e的水平有限，所以并不能在运动仿真中体现出来。）图8洗碗机排水接头平面图 另外，在粉碎机的上盖外壁处设计了个洗碗机排水接头，这样可以废水利用，节约用水，但也有很多家庭没有洗碗机，还是手洗，所以这一功能有时用不到。所以我们在设计这款产品时其壳我们不打通，可以让用户自行选择是否需要打通。此处的壁厚比其他地方的壁厚较薄，便于用户打通。若需要打通，打通方法很简单，只需一把小锤子和一个尖锐器(如螺丝刀等)将塑料塞子敲开，并且使开口光滑。如图8、9所示。如敲开的塑料落入粉碎机，既可以把它取出，也可以留在粉碎机内，粉碎机会将它碾碎而不受损，但要花些时间。图9 洗碗机排水接头示意图2.7厨房食物垃圾处理器图纸的绘制全部设计图纸是在CAD上设计的，三维图是在pro/e上设计的。CAD已经在机械、电子、航天航空等领域得到广泛应用，它适合于所有需要二维绘图的场合。利用它可以进行零件图设计、装配图设计零件图组装装配图、工艺图表设计等。应用它进行绘制图纸具有以下特点：具有友好的用户界面，灵活方便的操作方式；系统提供强大的智能化工程标注方式系统具有符合国家标准的图框、标题栏等供选用；还提供方便高效的参数量化图库，方便使用。图10为绘图软件的操作界面。整机详细图纸间附录。在图纸基础上进行零部件的加工。图10 CAD绘图界面2.8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2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，水槽凸缘铆合件内安上防溅罩和堵塞。控制电路中的电器元件依照电路图在电路板上焊接，固定在垃圾处理器上。如图11。图11 食物垃圾安装示意图安装时需注意： 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）的内槽和水槽凸缘底部图边卡住。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，转动装配坏和处理器，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。将装配环与处理器分离。将装配环升至水槽图缘，移出弹性垫圈，再取出装配环，将螺口支撑环从水槽凸缘拧下，再取下纤维垫圈，将剩下的水槽凸缘何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。 结 论目前，虽然国内此方面的研究很少，相关资料也不是很多，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、环境科学、环境化学、机械设计原理、刀具设计、机械制图、机械加工、电机学、电子学及计算机CAD、proe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荷载的力学分析、选择材料并校核，确保刀盘和刀片具有足够强度。在电气方面，在满足使用要求的前提下，选择合适电机，同时，设计一套控制电路，增加机器的安装性能。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CAD电子图板绘制图纸，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： 相对于其他同类产品，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。设计控制电源，从而避免来回拨总控制电源而引起的不安全。另外，机器运转时，人不必守在旁边。可以离开，机器运转一段时间后可以自行停止。在电路中有三个可选档位，用来控制机器的不同的运转时间，使用时，可根据不同的垃圾量和垃圾成分来选择。 在驱动部件电机的选择上，成功选用国产直流永磁电动机。目前进入我国的食物垃圾处理器，由于照搬国外产品，主要采用交流电动机。但其体积、笨重，不适合我国住宅的实际情况。虽然美国挚通公司针对我国现状把交流电机改为直流电机，但由于采用的是国外进口电机，使其成本提高，百姓难以承担 在主要部件组合刀盘和刀片材料选择上有所改变。组合式刀盘的设计更适合我国国情的特点。本次设计时所使用的材料为1Cr13,而国外产品选用的材料为9Cr18，二者都可以满足使用要求，价格相当，但从加工难以程度而言，9Cr18为难加工材料，1Cr13为普通材料；另外，从资源上看，我国的Cr资源稀少，故应尽量节约使用，少用或不用。图12 为食物垃圾处理器装配完成后的外观图 机器的制造和使用成本降低。由于完全国产化，使食物垃圾处理器的成本大大降低，整台机器的成本约为400元左右，相对于国外上千元的价格，更容易被百姓接受，而且使用中的投入也很低，每个家庭每月为之付出0.65元，每年的支出费用为7.76元。在本次设计中，虽然接触了许多先进的理论和方法，但由于经验有限，时间仓促，不能对每种理论每种方法都作深入的研究，因此，以下部分内容仍需进一步研究：由于食物垃圾处理器是将食物垃圾粉碎成小颗粒，并未将其彻底分解，粉碎后的小颗粒与未粉碎时的原始状态相比，在最终处理的速率上有多少变化的问题仍需进一步研究。2010上海世博会在已经召开，展现给全世界一个干净、整洁的城市容貌是全国人民的希望，而食物垃圾易腐、易滋生细菌的特点使我们必须对其重视起来。食物垃圾处理器就是把厨房垃圾从源头消灭的一种方法，但它进入千家万户还须政府的大力支持。政府在进行广泛教育宣传的基础之上，提高居民环境保护意识；同时，还应运用法律、经济和行政干预等手段，鼓励社会的广泛参与，充分发挥社会力量。政府也可以向居民提供此类产品或给予政策性倾斜，从而全民兼参与，共同保护我们生存的环境。please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings致 谢please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings参 考 文 献1 2003年中国环境状况公报。货架环境保护局2 任连海，曹栩然。饮食也有机垃圾的产生显著及处理技术研究。北京工商大学学报（自然科学版）2005,21（2）：14-213 汪群惠。固体废物处理及资源化。化学工业出版社4 吕凡