厨房餐余垃圾处理器的设计

1绪论1.1厨房食物垃圾处理的紧迫性随着21世纪的到来，城市人口不断增多，人们在不断提高生活质量的同时也会不断美化自己的居室。厨房是居室中最重要的部分之一，厨房的干净整洁在很大程度上影响了一个家庭的生活质量。但是，人们在对居室进行清洁的同时，常常忽略了一个非常严重的问题，即对剩余食物的处理，生活垃圾的急速增长一方面影响了居室的清洁，也对城市整洁产生了一定的负面影响。根据有关部门的不完全统计，2002年我国城市产生的生活垃圾清运量大约为1.65亿吨/年，这大约占世界垃圾产生总量的四分之一以上，但是每年的生活垃圾还在不断以8-10%的速度增加。垃圾的大量增长与垃圾处理能力的不足是一对矛盾体，在一定程度上严重制约了城市的发展，也为城市居民的生活带了很大的困扰。目前，就我国的科技水平而言，我国对于垃圾的处理能力稍有不足，垃圾日处理量仅仅占垃圾生产总量的45%，从数据上我们可知，有一半以上的垃圾不能及时处理而影响了城市的整洁。在家庭中，剩菜剩饭以及食物的边料都常常倒入下水道，如果处理不够及时，那么这些食物都将严重污染下水道，引起恶臭，导致老鼠。蟑螂横行，严重污染了城市环境。尤其夏天，高温会让生活垃圾带来的负面效果增长不止一倍。与此同时，令人堪忧的是，我们国家人均耕地面积越来越小，远远低于世界平均水平。但是如果生活垃圾不能及时处理，这不光不利于资料反复利用，而且会占用大约50万平方千米的土地，大大浪费了土地资源。目前在我国，我们对于成垃圾最常见的方法是填埋技术，垃圾产量的迅速增长，己经制约了城市的发展，为了构建和谐城市，我国政府通过相应的手段从宏观进行调控，高度重视生活垃圾问题。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。就目前而言，从我国的基本国情出发，并结合垃圾的特点，我们国家迫切要求开发较为有效地处理技术。随着世界经济的发展，我国人民的生活水平正在不断提高，生活结构的不断变化，那么随之生活垃圾的成分也在不断变化。由于中国人民已经从温饱奔向了小康生活，食物垃圾的数量也越来越大，大约占城市生活垃圾的百分之五十以上，而且一直呈现上升趋势。在北京，城区居民每天产生的垃圾大约为1.5万吨，这其中有百分之六十的是食物垃圾。从保护环境，创建和谐城市的角度出发，剩余食物也是一种垃圾，但是从节约资料的角度出发，这是一种再生资源。如果将这些废弃的食物，经过有效的处理，其将会变成优质的有机化肥，那些去除有机物的生活垃圾焚烧可以用来发电，一方面，做到了废物利用，另一方面可以有效的缓解能源危机。表1为北京市1988-2000年生活垃圾成分调查统计，经过分析我们将得出20052015年预测值。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进过反复查阅文献和资料，在北京市的生活垃圾中，有许多易于腐败的成分和易燃的成分，其中厨房剩余食物是其最主要的来源，但是无机的部分正在不断下降。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。剩余食物垃圾是城市生活垃圾的主要来源，在城市垃圾中所占比例北京37%，上海59%，天津54%，深圳57%，沈阳62%。剩余食物是一种特殊的垃圾，其具有水分含量高，有机成分含量高，易于腐败等特点。剩余食物垃圾含有淀粉、纤维素、蛋白质和无机盐等成分。食物垃圾的来源比较广泛，通常是餐馆的饮食垃圾、家庭的厨房剩余垃圾、以及水果市场的果皮垃圾。我国的食品结构非常复杂，通常食物呈现硬、杂、粗等特点。1.实施资源化食物垃圾中，由于营养成分较高，在一般物料中粗脂肪大约占27%，是平常的大豆中1.45倍，粗组织蛋白大约占18%,大约是玉米蛋白含量的两倍，进过大量的实验表明，剩余餐余垃圾是非常理想的绿色饲料。但是往往我国垃圾分类的意识并不是十分充分，这将导致元大量浪费。2. 较低的发热值 发热值在学术上又被称为发热量，是指1的餐余垃圾完全燃烧后所释放出的热量，科研人员通常通过发热值来评价该垃圾的有效利用率。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。1.2.2厨房食物垃圾的危害厨房剩余垃圾中有大量的腐败物质，我国现有的收集器和垃圾运输车并不能很好的适应这样的运输环境，往往会因为垃圾的收集和运输而产生大量的二次污染。而且，在餐余垃圾腐败的过程中，往往会产生大量的臭气，这样不光污染了大气环境，而且腐败的食物是细菌、苍蝇、蟑螂横行的有效环境。同时，人们保护环境的意识较差，在一下郊区和边远城区，随处可见居民，垃圾随处放置，严重影响了生活环境，也滋生了大量细菌，对人畜产生了一定的影响。近几年来，食品垃圾处理器，在发达国家已经广泛使用。在中国的一线城市，厨房餐余垃圾处理器已经慢慢走入大家的生活。业内人士表明，厨房餐余垃圾处理器，慢慢会像微波炉等家电一样，将在广大居民生活中出现。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。1.3.2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。1.3.4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 从我国的实际情况出发，厨房餐余垃圾是我国城市垃圾的主要来源。我国政府迫切希望找到一种有效的方法去解决城市垃圾，解决城市垃圾首先是从厨房餐余垃圾出发。所以，研制出适合我国基本实际情况的厨房餐余垃圾处理器，对居民家中的垃圾直接处理，处理过的垃圾再通过下水道排送出去，不仅从源头上杜绝了城市食品垃圾的污染。1.5.2研究的意义从国外解决厨房剩余垃圾的经验来看，我们国家的研究人员，在处理厨房剩余垃圾方面想出了一条捷径，从而使得餐余垃圾处理器不断走进了千家万户。同时，餐余垃圾处理器从源头上解决了食品垃圾污染，其具有非常多的优点：1 减少环境污染，提高生活质量目前，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。3 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餐余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：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。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常见的厨房餐余垃圾中，固体垃圾基本是骨头和鱼骨头等。在厨房餐余垃圾处理器的预处理阶段，我们可以选用剪切、碾和粉碎等破碎方式。在本次毕业设计的过程当中，我们将选用粉碎的方式对固体厨房餐余垃圾进行处理，快速粉碎成3-6mm的颗粒状物体，然后再排入污水管道。这样一方面，对垃圾进行了预处理，另一方面又不会堵塞污水管道。经过实践证明，排入污水管道的颗粒物最好其密度等于或接近水的密度最好，否则颗粒不会沉淀。根据大量的科研成果表明，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。食物垃圾处理器的工艺流程图如图2-1所示。图2-1食物垃圾处理器的工艺流程图在荷兰，研究人员对一个老城区的居民生活状况进行了抽样调查：经过餐余垃圾处理器处理过的垃圾，不会堵塞设计的城市管道（城市管道容量被设计过）。所以，目前我国正在增加建设城市的管道容量，广泛使用大容量的管道，并且增加管道的耐腐蚀性。这些措施，都有利于厨房餐余垃圾处理器进入千家万户。但是由于我国的基本国情所决定的，我国人对于这一陌生食物还不是特别了解，大量的使用还需要一段时间的适应。 厨房餐余垃圾处理器对固体垃圾进行处理后，被破碎的颗粒在水中随水流动，可能被管道上的苔藓所吸附或者被淤泥所阻挡，久而久之，将在管道中形成有机颗粒靠厌氧菌群。这些微生物的发酵过程是一个复杂的过程，我们在这里不作过多和详细的阐述。但是流入生活污水处理厂的污水中的有机颗粒，我们将通过相关技术将其分离开来，生产成有机颗粒，进而提取成肥料，这将有利于资料的循环利用。2.2工作原理及组成2.2.1垃圾处理器的工作原理厨房餐余垃圾处理器的工作步骤：通过把餐余食物倒入水池，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。落入粉碎室的鱼肉碎骨、果壳、剩饭、水果皮、蛋壳、剩菜、蔬菜皮、茶叶等废弃物通过磨、切、捣、敲、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。这样的餐余垃圾处理方式，不但不会阻碍下水道，而且使得参与食物更加容易被清理，厨房和居室的环境能够得到大幅度的提高。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。落入粉碎室的骨头、鱼刺、碎骨、蛋壳、水果皮等废物通过切、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在厨房餐余垃圾处理器中，粉碎刀盘是研磨机部分最关键的零件。进过大量的实验分析，考虑到粉碎刀盘的特殊位置和独特功能，我们需要在保证其既耐腐蚀，又不容易被生锈，同时强度和刚度都需要满足其需要。考略到以上因素，在材料选取方面我们选取1Cr13，其材料参数为：弹性模量，泊松比，密度。目前因为食物垃圾过多，由于考虑到洗涤盆的下水口结构尺寸，我们将对接口和刀盘尺寸进行规范化，由于洗涤盆下水口的结构尺寸统一，直径为，洗涤盆只是在其轮廓上有有深浅和大小之分。经计算确定了刀盘的直径：，厚度：。2.3.2粉碎刀盘的材料的选择、力学分析.粉碎刀盘工作的载荷：考虑到组合刀盘需要克服阻力做工，为了保证刀盘能够正常工作，需要让刀盘具有足够的强度。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、磨、撕)时的阻力。(1) 流体旋转阻力矩在设计过程中，我们需要通过假设圆盘的半径是R，在原本静止的流体中旋转，转轴通过圆盘的中心且与圆盘垂直。往往由于圆盘在旋转的过程中，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 由于厨房餐余垃圾往往是一些软性的垃圾，这些垃圾再粉碎的时候产生的阻力非常小，经过查阅相关资料可知，常见的剩菜、鱼刺等在被粉碎的时候其阻力大约为.粉碎刀盘、粉碎刀材料的选择：在论文的前半部分，我们队材料已经做出了选择，下面我们就详细介绍一下作为厨房餐余垃圾处理器的关键部分的刀盘和刀片的材料选择的过程。面对作业的环境的恶劣，我们在一定程度上既需要保证刀盘具有不生锈、耐腐蚀，而且还要具有一定的刚度和强度，同时还要考虑到经济性。为此，我们在9Cr18和1Cr13两种材料中参考表4进行选择。(1) 在材料中，如果C的含量增加，其的塑料将越好，但是其耐腐蚀性将更差。 (2) 为了弥补C带来的较差的腐蚀性，我们选择在钢中加入Cr来提升钢的强度，这样在一定程度上也可以提升钢的耐腐蚀性。在满足了以上基本情况后，Cr的加入在一定程度上可以显著提高钢的化学性能、力学性能和物理性能等。但是我国Cr的资源异常缺少，我们需要节约使用，尽量少用。从下表4中我们可以看出，在满足基本的使用要求情况下，1Cr13比9Cr18易加工，C，Cr的含量低。但是再考虑到经济实用性，本文将选取1Cr13作为刀盘和道具材料。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在运作过程中，由于粉碎刀盘受到循环载荷的不断冲击，其很容易发生疲劳破坏。刀盘作为垃圾处理器的重要零部件，在一定程素上严重影响了垃圾处理器的寿命。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曲线对于一般的钢材来说，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：一般情况下，在圆盘的截面周围将会出现最大应力，故代入： (2-15)通过查阅材料力学的课本，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， 工件能够满足在有限的循环次数的条件下，设备中的刀盘能够满足各方面要求。2.3.4刀片的强度校核由于刀片固定在刀盘上，刀盘的运动形式和刀片基本一致。我们经过研究发现，刀片和刀盘的研究方式也基本相同。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由于我国幅员辽阔，所以我国食物来源异常多。这便导致我国的食品垃圾的种类多，多种多样的食物造就厨房餐余垃圾粘度、硬度的不同。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： 在面对硬度一般，但是粘性较大的情况下，我们可以在高速运转的刀盘上安装两个摆动刀具，其能偶与粉碎室内部的端齿环相互作用，实现对食品垃圾进行剪切和撕碎处理。 在面对硬度比较大，但是粘性比较小的餐余垃圾（骨头、鱼骨时，我们可以考略在刀盘上安装两个棱形固定刀，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。 我们通常会在旋转刀盘上分布一些直径大约为3毫米的小孔，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驱动电机的选择在厨房垃圾处理器中，驱动电机是其能量的来源，这也是最为关键的部件之一。驱动电机的性能在一定程度上直接影响厨房餐余垃圾处理器的性能与工作效率。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，市场上电动机的种类繁多，鱼龙混杂，这些电机不光在性能、价格上差别比较大，从一名专业的技术人员角度出发，我们不光要考虑其经济、实用等原则，还要从运动性能方面对电动机的型号进行选择。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、运行维护方便、可靠、价格适中的电动机。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； （2）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； （3）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。 （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）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；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结论就目前而言，我国在厨房垃圾处理器方面还有很多不足，可以参考的文献也不多，但是根据实验结果来看，我们的设计基本能够满足一些日常的需求，也能够真正地投入生产。这次毕业过程，我查阅了大量的机械学术论文，其所跨学科范围特别广，其中不光用到了机械原理、机械设计、材料力学和机械制图等知识，而且还需要从