毕业设计（论文）-食物垃圾粉碎机设计及仿真（全套图纸三维）.pdf

本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 30 页 1 引言引言 1.1 厨房食物垃圾处理的紧迫性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。 全套图纸，三维仿真，加全套图纸，三维仿真，加 153893706 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 30 页 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 1988 240 4.3 2.99 1.94 1.68 70.61 10.94 1.02 2.91 3.61 1990 301 4.26 4.19 1.44 1.14 70.05 12.04 0.95 3.74 2.19 1993 335 8.36 7.54 1.89 1.97 61.09 11.08 0.72 4.74 1.86 1995 372 6.5 11.21 1.47 2.17 56.66 11.99 0.91 3.81 2.29 1997 454 8.05 11.78 1.44 2.24 58.06 12.03 0.58 4 1.82 2000 641 8.02 13.93 1.43 2.81 54.66 12.84 0.85 4.15 1.26 2005 709 10.83 13.21 1.93 3.21 62.37 0.83 5.45 2.7 2010 863 12.82 12.98 2.49 4.41 58.76 0.98 5.64 1.92 2015 1050 15.44 12.62 2.86 5.28 55.78 0.87 5.36 1.79 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厨房食物垃圾特征及其危害 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 30 页 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 30 页 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 68.5 63.2 65.85 可燃分 20.6 22.3 21.45 灰分 10.9 14.5 12.7 表 3 垃圾各组成的含水率(%) 含水率 朝阳区 二道区 平均值 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 30 页 纸 68.6 71.3 69.95 纤维 67.3 57.8 62.55 塑料 46.8 53.0 49.9 橡胶 20.6 48.9 34.75 厨余 71.5 76.2 73.85 金属 0.0 0.0 0.0 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 30 页 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 30 页 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。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 30 页 2 厨房食物垃圾粉碎机的设计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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 30 页 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。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 30 页 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 30 页 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 bi 的方向与圆盘成 角。 切应力的径向分量sinF bi = 切径 (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 rF 2 = 离 (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r 2 成比例，即 rsin 2 bi (3) 即sin/ 2 b r i 切应力的轴向分量cos bi F= 切轴 ， 而 (4) 切应力的轴向分量 0 )/(F = = y y 切轴 (5) 按其量级可表示为 /cos bi (6) 圆盘的旋转速度等于旋转角速度乘以圆盘的半径 r= (7) 所以：/cosr bi 把(3)代入(7)消去 bi 得： /sin/cos 2 rr 由实验可知：与半径无关，为一个常量 rr 22 / / 2 (8) 根据运动粘性系数定义： /= (9) 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 30 页 为运动粘性系数定义，为粘性系数，为密度 把(9)代入(8)中： 2 2/1 )/( (10) 把(10)代入(3): r i 2 b sin 由于 为常量，所以得 r bi 2/12 )/( 2/1 )(r bi 转矩 M 与 bi 面积力臂成比例 M 2/14 )( r 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 M=3.87/2 2/14 )( r 且r= 代入： M=3.87/2 2/14 )/(/rrr =3.87 2/123 )/(2/1rr (11) 依据食物垃圾迅速变为 3-5mm 颗粒的设计结果要求，在试验基础上，设计选取刀 盘的转速为 n=3000 转/分 而 r= =2rn60/ =2300014. 360/057. 0 =17.90 米/秒 使用计算旋转圆盘上流体阻力的公式 M=3.87 2/123 )/(2/1rr =3.87 2/16333 )057 . 0 9 . 17/101 ( 9 . 17100 . 15 . 0057 . 0 =3.87 354 1099 . 0 106 . 1108 . 1 =0.1103NM 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 30 页 由此可以得出，流体阻力矩 M=0.1103 NM 又因为： M=rF1 故：r/ 1 MF = =0.1103/0.057 =1.9N 所以流体阻力为： NF9 . 1 1 = (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 2 F =11.5N 2.3.2.2 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 1Cr13 9Cr18 化学成分(质量数%) C0.15 Cr11.5013.50 C0.901.00 Cr17.0019.00 密度)/( 3 mt 7.75 7.8 硬度(HBS) 159 255 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) 5 5 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 30 页 (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 R = max ，这意味着 R max 时，试件 经受有限循环会发生疲劳破坏； 当 R max 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 R 与抗拉强度 LA 之间的关系如下： 0.25 R / LA 0.5 (12) 材料 1Cr13 的抗拉强度 LA =540M a P 图 3 -N 曲线 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 30 页 进行保守估计，我们取 R 的下限： R =0.25 LA =0.25540 =135 M a P 即： R 的最小值为 135 M a P 计算 max盘 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： = RA MndA (13) 图 4 截面上的力矩图 其中 A 为截面面积 根据虎克定律： GGr = max (14) 将(14)代入(13)得： = G A 2 n MdA 将常数 G、 提至积分外得 = 2 n M A GdA AA d 2 是与圆截面有关的一个几何量，以及惯矩 P I 表示，所以 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 30 页 pn IGRF= 合 M (15) 将(15)代入(14)得： p IM/ nmax = 圆盘上最大的应力在截面周围周边个点，故 max =代入： pn IM/ maxmax = 盘 (16) =dAI AP 2 =d d 2 22/ 0 = d d32/ 0 2 32/ 4 d= RaF 2 mm= 离 =Rnhr 22 )60/2(4/ =7.85057 . 0 )057 . 0 / 9 . 17(03 . 0 057 . 0 14 . 3 22 =13.5N cosFFF 12 += 离合 F =13.5+11.5+1.9cos 0 90 =25N 代入(16)得： pn IM/ maxmax = 盘 =32/RF 42 d 合 = 2 R/1632 合 F =32 2 57.004.13/2516 =13.2M a P 即 R max盘 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 30 页 依据 -N 曲线，当 R max盘 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 30 页 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 30 页 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。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 30 页 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 1 2 3 4 5 6 7 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 30 页 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 Pw Pd=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： 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 30 页 3Kg ZYT 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，n 5.06.0，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。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 30 页 图 5 电机整流及过载保护 2.5 控制电路系统的设计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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 30 页 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5