（机械设计及理论专业论文）塑料医疗废弃物毁形消毒机的高温消毒盅的设计.pdf

摘要 在当今世界上，环境与发展问题已经成为全球普遍关注的焦点问题。在我 国随着经济的持续增长，人民生活水平的提高，城市化进程的加快，垃圾问题， 特别是医疗废物处理己引起业内人士及全社会的高度重视。自2 0 0 3 年非典之后， 社会各界对曾经被忽视的医疗废弃物处理的重视提到了一个前所未有的地位， 技术部门对医疗废物的处理、管理都进行了全方位探索。 本文所涉及的总课题就是在这样一个大前提下我校与北京济方生物技术公 司合作项目。本课题主要针对消毒盅进行结构设计和运行参数的理论确定。 通过此课题，我们希望可以将这种新型的医疗废物处理方法推广开来，使 医疗废物的处理不再是销毁，而是可以资源再利用。 课题通过二维绘图、三维建模、理论计算、软件分析等方法完成。首先是 对消毒盅的二维结构设计，其中包括带轮传动、拉杆机构等几个机构和部件的 计算和校核；在二维结构设计完成后重点对消毒盅的旋转做动平衡验证计算， 同时使用a n s y s 对盅体在运转中的性能进行分析，采取不同的改进方案；然后 对比如出料口盖进行了优化，确定了最优杆长；最后运用p r o e 对消毒盅的工 作过程进行三维模拟。 此课题的意义在于可以使部分医疗废物的资源得到回收；在理论方面通过 消毒盅的旋转动平衡的计算，可归纳出吊式旋转机械的平衡计算方法。 关键词：毁形消毒机，动平衡，优化，消毒盅 a b s t r a c t n o w ，p e o p l eo fa l lt h ew o r l df o c u st h e i ra t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo fe n t i r o n m e n t a n dd e v e l o p m e n t i nc h i n a ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe n c o n o m y ，i m p r o v e m e n to f t h es t a n d a r do fl i v i n g ，e x p e d i t i n go ft h ec o u r s eo ft h ec i t yp l a n ，p e o p l er e a l i z et h a t w em u s tp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo fg a r b a g ee s p e c i a l l yt ot h em e d i c a l w a s t e s s i n c et h es p r e a do fs a r s ，t h ew h o l ec o u n t r yr e a l i z et h ei m p o r t a n c eo ft h e d i s p o s a lo f t h em e d i c a lw a s t e s t h e nt h et e c h n i c a ld e p a r t m e n ts t a r tt h e i ri n v e s t i g a t i o n i nt h i ss i t u a t i o n ，o u rs c h o o lc o o p e r a t ew i t hs e i j i n gj i f a n gb i o l o g i ct e c h n o l o g y c o m p a n yt or e s e a r c han e wk i n do fs t e r i l i z i n gf a c i l i t i e so fm e d i c a lw a s t e s m y s u b j e c ti n c l u d et h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dc o n f i r m i n go ft h ep a r a m e t e ro ft h e e q u i p m e n t i nv i r t u eo ft h i ss u b j e c t , w ew i s hw ec a l lm a k et h i sa n t i s e p s i sm e a s u r es p r e a d w i d e l y , t h e nt h ea n t i s e p s i so ft h em e d i c a lw a s t e sw i l l n o tb ed e s t r u c t i o n ，b u t r e c l a i m i n gt h er e s o u r c e m y w o r ki n c l u d ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，t h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n ，n u m e r a t i o na n d s o f t w a r e a n a l y s i s t h ep r o c e s so fa l lt h ew o r kh a sf o u rs t e p s f i r s ts t e pi s t h e c o n f i g u r a t i o nd e s i g ni np l a n e s ，i n c l u d i n gt h ei n s p e c t i o no fp a r a m e t e r ；t h es e c o n d s t e pi sf i n d i n gs o m er i g h tp a r a m e t e ro fd y n a m i cb a l a n c i n go fe q u i p m e n t ，i nt h es a m e t i m e1w i l la n a l y z es o m ec a p a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n tb yt h eh e l po fa n s y s ；t h et h i r d s t e pi so p t i m i z a t i o nd e s i g n ；t h el a s ts t e pi st h es i m u l a t i o ni nt h et h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c ew i t l lt h eh e l po f p r o e t h es i g n i f i c a n c eo ft h ew o r ki st h a ts o m er e s o u r c ew i l lb er e c l a i m e d ；a n db yd i m o ft h en u m e r a t i o no fd y n a m i cb a l a n c i n gw eg e tam e t h o do fh o wt om a k eas u s p e n d e d m a c h i n eb a l a n c e k e y w o r d s ：r u i nt y p ed i s i n f e c t i o nm a c h i n e ，d y n a m i cb a l a n c i n g ；，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， a n t is e p s i sc u p i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷 本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按 有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名：酗强 谚毛年( 月砂珀 ( 注：非保密论文无需签字) 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 e t 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 毵y 翟 ，月 孓一 乏1 年 乃6 名 加 獬 驴 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 在以健康和环保为主流的今天，垃圾的处理方式倍受人们关注，尤其是医 疗废物处理方法更是值得关注。医疗废物因其巨大的危害和处理的特殊性被人 们称为头号危险弃物。其危害表现在它所含的病菌是普通生活垃圾的几十倍甚 至上千倍，最显而易见的危害就是它的传染性。 医疗废物含有大量致病微生物及化学药剂，具有空问传染、急性传染和潜 伏性传染等危险特性，其病毒病菌的危害是普通城市生活垃圾的几十倍乃至数 百倍。而且有机成分多，容易腐烂发臭，孳生蚊蝇，造成疾病的传播。自2 0 世 纪5 0 年代起，医疗废物的处置已引起世界各国的广泛重视。1 9 8 9 年，国际上己 将其作为危险废弃物列入控制危险废物越境转移及其处置的巴塞尔公约的 控制转移名单。许多国家和地区对医疗废物的减量化、分类收集、储存、运输 和处理处置各个方面、各个环节都有严格、明确的规定；在技术研究方面，投 入大量人力、物力、财力对医疗废物的处理处置进行深入研究。 对于这些医疗废物的处理，虽然我国卫生部门有严格的处理规定，但是仍有 大量的医疗废物并没有被消毒或深处理，而是直接流失到了社会上，造成了很 大危害。医疗废物的危害还表现在可能因为处理方法不当而成为潜在的健康“杀 手”。据专家介绍，医疗废物如与生活垃圾混装焚烧会产生黑色、恶臭的气体， 而这种气体中会含有二恶英等致癌物，如将其随意填埋，要经过几百年才能够 降解，严重危害生态环境。 尽管对医疗废物的危害性宣传工作丌展得很好，但网络和报刊上经常会出 现某地区的医疗废物流入黑作坊，未经任何处理就被制作成其他日常用品的新 闻。造成这种情况发生的原因是多方面的，既有管理机制的问题也有废物处理 方面的技术原因。 在我围医疗废物处理工作一般直接交给专门的机构进行，这种处理方式不 仅使医疗废物在未被运离医院的时问里还有流入黑作坊的可能性而且大大增加 了医院支出。以北京医院为例，北京医院1 天产生的医疗废物大概有3 0 0 至 4 0 0 k g ，这样算下来1 天焚烧医疗废物就得花9 0 0 至1 2 0 0 元，1 年仅焚烧费就得 第一章绪论 花掉3 0 多万元收集医疗废物的垃圾袋每天要消耗1 0 0 个左右，1 天要支出1 0 0 元左右。各种针头、刀片、一次性镊子、玻璃试管等要装在锐器盒里，大的锐 器盒1 个1 2 元，小的大概6 元，锐器盒也是一次性的，1 个月要支出l 万元。 专设两人负责去各科收集医疗废物，由于工作的特殊性质，开出的工资也比普 通工人要高，每月的工资是9 0 0 元，1 个月医院要支出1 8 0 0 元；按照要求，要 定期为这两个人进行健康检查，查体费1 年至少得8 0 多元；负责收集医疗废物 的工作人员每天去各科室回收两次，要穿防护服，戴手套、口罩，这些物品都 是一次性的，每天要支出1 0 元。据不完全统计，北京医院一年至少要为医疗废 物处理支付4 8 万至5 0 万元。而且对于这些支出医院得不到任何补偿，只有自 己支付。对于某些中小医院这么巨大的支出肯定是承受不了的，只有寻找别的 处理途径，比如自建焚烧炉，这种自建的小型焚烧炉无论在废物焚烧和气体处 理上都很难达到国家要求，并且医疗废物存储在医院里很容易流入社会。 如果有一种处理方法可以让医院付出很小的消毒成本并且可以回收一些可 利用的资源转化为收入，那么未经处理的医疗废物肯定不会流入社会。我校和 北京济方生物技术公司的合作课题就是希望能在医院的第一步废物处理的环节 方面取得突破。 1 2 医疗废物的概念及范围 为了加强医疗废物的安全管理，防止疾病传播，保护环境，保障人体健康， 根据中华人民共和国传染病防治法和中华人民共和国固体废物污染环境 防治法制定的医疗废物管理条例第二条中所定义的医疗废物是指医疗卫 生机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或间接感染性、 毒性以及其他危害性的废物。在我国由卫生部、国家环保总局联合颁布的医 疗废物名录将医院废物分为五大类：感染性废物、病理性废物、损伤性废物、 药物性废物、化学性废物。这其中也包含：一次性使用卫生用品，一次性使用 医疗用品，一次性医疗器械，一次性仪器、设备、器具、材料等物品。 1 3 国内外医疗废物处理技术的现状 目前，对医疗垃圾的处理，国内外大多采用焚烧法。由于焚烧处理具有方 法简单、易于操作、处理周期短、处理效率高，减容率达9 0 甚至更高等特点， 2 第一章绪论 被公认为是一种比较理想的处理方法。但是，我国大部分城市的医疗垃圾仍是 由医院白建焚烧炉进行焚烧的，而这些医用焚烧炉均为小型焚烧炉，无二次燃 烧室，炉温低，排气高度不够，无监控装置和应急处理装置，不能显示和记录 焚烧过程、燃烧室温度和炉压，且无尾气净化装置，排放的尾气中还含有二恶英， 会对空气造成二次污染。而且，许多医院位于人口密集的市区，焚烧时产生的气 体也严重影响了周围居民的生活质量。 除了应用较为普遍的焚烧方法外，主要有蒸汽灭菌法、热解处理法、微波处 理法、等离子体法、化学消毒法等。 1 3 1 蒸汽灭菌法 蒸汽灭菌法的工作原理是在一定压力下利用蒸汽释放的潜热灭菌，废物内 部温度、蒸汽穿透作用和处理时间等因素可以最终影响灭菌效果。通常在一定 压力下，蒸汽对粉碎性医疗废物有足够的穿透作用而且在装载废物中心温度达 1 2 1 时灭菌才最为有效。按照工艺流程可以大致分为2 大类：先蒸汽灭菌后破 碎处理和先破碎后蒸汽灭菌处理。 1 3 2 热解处理法 热解处理技术是一项将医疗废物转化成为可回用无害化材料的先进技术， 生成的气体可以充当燃料，用于发电、加热水或蒸汽。此项技术与传统焚烧方法 完全不同。它是利用废物自身能量来加热其它废物并使之气化，达到无菌的目的， 因此不需要9 5 0 高温，也不需要压缩空气。由于此处理系统的温度低于金属及 玻璃的熔点，因此金属和玻璃不发生变化，可以沉积在底灰中而被除去或进入完 备的再生系统实现资源化处理。 1 3 3 微波处理法 微波处理技术采用了高能量微波在充满氮气( 无氧) 的密闭舱进行消毒灭菌 的处理方式。它能快速有效地将感染性医疗、生化废物分解并处理为无毒无菌 且无法识别的碳化残渣。操作温度在1 5 0 。c 2 5 0 。c 时医疗废物消毒能够达到 9 9 9 9 9 9 的灭菌效果。 1 3 4 等离子体法 等离子体处理医疗废物是一项创新技术，在俄罗斯研制成功，并在俄罗斯、 第一章绪论 韩国等许多国家得以应用。这种技术设备已成为医院内部的高温消毒装置，用来 处理极易感染性的医疗废物，例如输血器具、一次性注射器、针头、药瓶和药的 残渣、棉花球等。此技术的消毒灭菌原理是利用等离子体电弧窑产生的1 0 0 0 0 高温杀死医疗废物中的所有微生物，摧毁残留的细胞和毒性药物。理论上，任 何化合物在电弧窑都可转化为玻璃体状的物质。处理后的液体渣滓经水淬形成 玻璃状的颗粒，后者可以用作建材原料，产生的气体可用于供热和作为燃气能 源。 1 3 5 化学消毒法 化学处理法是将破碎后的医疗废物与化学消毒剂( 如次氯酸钠、环氧乙烷、 戊二醛、石灰粉等) 混合均匀，并停留足够的时间，在消毒过程中有机物质被 分解、传染性病菌被杀灭或失活。消毒药剂与医疗废物的最大接触是保障处理 效果的前提。通常使用旋转式破碎设备提高破碎程度，保证消毒药剂能够将其 穿透；在破碎过程中还加入少量水，一方面吸收破碎产生的热量，另一方面水 还可作为化学反应的介质。化学消毒法一般分为干式化学消毒和湿式化学消毒 两种方式。 1 4 各种医疗废物处理技术的比较和使用状况 1 4 1 蒸汽灭菌法 优点：建造和运营成本低；处理量灵活可控：方法简便、可靠、经济、快速； 灭菌率超过9 9 ；减容7 0 - - 8 5 ；技术成熟。 缺点：只能处理部分种类的医疗废物；需要增压和蒸汽设备；处理过程中 容易产生一些异味；需要毁形处理。 1 4 2 热解处理法 优点：无需预先对医疗废物进行分类和处理；灭菌程度大于9 9 ，减容量超 过9 0 ；设备使用寿命长；可回收能源。 缺点：技术设备昂贵，运营成本高。 1 4 3 微波处理法 优点：适用范围广，运营成本低；无异味，无噪声；灭菌率超过9 9 ，减容 4 第一章绪论 超过8 0 ；无二次污染。 缺点：处理量很小。 1 4 4 等离子法 优点：无需预处理医疗废物；实现资源化处理；对环境危害小。 缺点：技术要求高，建造、运营成本高。 1 4 5 化学消毒法 优点：一次性投资少，运行费用低。 缺点：干式化学消毒对破碎系统要求较高：对操作过程的p h 值监测要求很 高。 湿式化学消毒处理过程会有废液和废气生成，大多数消毒液对人体 有害，对操作人员要求高，操作人员的劳动强度大。 两种方式都达不到减量的目的。 2 0 世纪9 0 年代由于焚烧炉受到限制，蒸汽灭菌处理设备才得以进入民用市 场。目前蒸汽灭菌处理技术己经在北美得到广泛的应用，其设备也成为了使用量 最大的主流产品，并己逐渐在欧洲、亚洲、非洲和中东地区使用；微波技术目前 只局限于医院试验室玻璃器具、塑料容器等单一品种垃圾的小批量处理的试验 阶段；等离子设备由于每次开机需要较长时间( 3 h 以上) 、超高温导致各种设备 材料非常昂贵，另外电耗高( 每处理l k g 垃圾就需要耗电l k w h 以上) 、需要辅 助气体和循环水，加上其他消耗费用和昂贵的设备投资，使其运行成本大大增 加，所以目前等离子技术仅仅用于医院垃圾处理的试验和示范阶段；化学处理 技术是继焚烧之后经证实并取得广泛应用的医疗废物处理技术之一，近几年在 欧美一些发达国家得到了广泛的应用。 1 5 塑料医疗废物毁形消毒机的特点 主要用于对普通病人使用过的需料医疗废物的处理，医疗机构产生的其他 废弃物按国家有关规定执行处理。 医疗废物毁形消毒机能处理国内所有现存的各种塑料医疗用品，大到胸腔 闭式引流瓶，小至0 5 m l 的注射器，全机采用全自动微机控制。为满足全国各 类医院的需要，本机被设计成大、中、小三种机型，标准机型为 第一章绪论 体积：长x 高x 宽 2 3 m x1 8 m 1 0 m 。 一次最大处理量1 3 k g ，一次处理时间从进料到处理完毕3 0 m i n ，每小时2 6 公斤。 毁形效果：对进入本机的所有物品均被毁形，并被毁成不大于1 2 c m 的物体， 毁形率1 0 0 。 消毒效果：对枯草杆菌褐色芽孢变种杀灭率大于9 9 。 噪声：距离机器1 5 m 时，噪声低于7 0 分贝。 室内热污染：室温2 0 。c 时，距离机器1 5 m ，空气升温小于1 。 压力：常压。 有害气体：无。 有害液体：无不符合国家环保要求的液体排放。 塑料回收再利用率大于9 9 ，无老化和变性现象发生。 标准机型可放置于国内任何一家医疗机构的现有房间内，不必添加任何附 加条件，该机每天2 0 h 开机，可处理5 0 0 k g 以上的医疗废物，满足国内现有的 任何一家大型医院的要求。 1 6 经济成本可行性分析 1 以一家拥有3 0 0 个床位，日门诊量1 5 0 0 人次的中型医院为例，每天产生 1 5 0 公斤以内的塑料医疗废弃物。 ( 1 ) 购置2 台毁消机，费用3 6 万元，每台分7 年折旧，每年2 5 7 万元：每 年产生5 4 7 5 0 k g 的可回收塑料医疗废弃物，每公斤处理费0 3 0 元，每年1 6 4 2 5 元：每天处理开机5 h ，耗电2 5 度，每度电费l 元，每4 5 6 2 5 元：机器维修和 其它费用8 0 0 0 元。合计5 4 6 8 7 5 元，平均每公斤费用1 元。 ( 2 ) 采用焚烧方式，每公斤按3 0 元处理费计：处理费：5 4 7 5 0x3 元= 1 6 4 2 5 0 元。二者相比，每年可为该医院节省：1 6 4 2 5 0 - 5 4 6 8 7 5 = 1 0 9 5 6 2 5 元。每年可 收回的处理费1 6 4 2 5 元，分配如下：操作工月工资9 0 0 元，每年1 0 8 0 0 元。 2 一吨洁净废弃物在回收中心再生塑料造粒，经济成本分析如下。收入： 一吨洁净废弃物产生8 0 0 公斤的造粒再生塑料，每吨售价2 5 0 0 元，8 0 0 k g 合计 2 0 0 0 元。 支出：人工费用：人工分拣，每人每天8 0 k g ，每天2 4 元薪金，一吨洁 净废弃物，分拣完成需3 0 0 元：经营费用( 包括场地费、管理费、能源费和其它 6 第一蘩绪论 费用) 每吨3 0 0 元：运输费每吨4 0 0 元：支持全国各维修基层站费用：每吨2 0 0 元： 每吨2 0 0 公斤无法再利用的废弃物处理费2 0 0 元：其它费用1 0 0 元。以上费用合 计：1 5 0 0 元，税前利润5 0 0 元，利润率2 5 。 1 7 课题进行的过程 7 第一章绪论 1 8 课题研究的意义 从节约能源的角度出发，同时又保证医疗废物处理的可靠性。借鉴被广泛 应用并且技术成熟的蒸汽灭菌法原理，在保留了其优点的同时，改进其消毒方 式，使用高温液体消毒，这样可省去增压和蒸汽设备，更益于中小医院的运营 和使用。从而提高医疗垃圾的效率，降低成本，增强市场竞争力。消毒盅采取 非传统的吊式旋转无其他支撑，并且浸在消毒液体罩，旋转过程中的动平衡保 持对理论研究很有意义。 1 9 本章小结 本章主要介绍课题的技术背景、理论意义及经济应用价值，课题来源和调 研工作，并总结了论文主要内容和研究方法，确定了研究目的，制定了今后研 究时所采取的步骤和理论方法，为整个课题的研究打下了孥实的基础。 第：章系统的总体设计和t 作原理 第二章系统的总体设计和工作原理 整个系统的设计涉及到多方面知识，包括机械设计、机械控制、检测、电 子等，就我个人的课题而言主要运用了机械设计和机械运动的理论和力学的基 本理论。 2 1 整体系统的构成 整个主要系统由5 个部分组成，分别是料桶、储料箱、毁型箱、刮板提升 带、消毒盅。还包括有控制箱、液压系统、温度控制系统、沉淀甩干系统等。 图2 1 为系统的结构示意图。 3 4 l 一料桶 2 储料箱 3 一毁形箱卜提升带5 一消毒盅 图2 1 塑料医疗废物消毒机的机构简图 9 5 第 二章系统的总体设计和i ：作原理 2 2 整体系统的工作过程 整个系统的工作程序为：临床塑料医疗废物平时由l ( 料桶) 分类存储， 然后通过机械提升装置倾倒入2 ( 储料箱) 中。医疗废物倾倒人处理区后，储料 箱的自动密封拉门关闭和消毒液喷头开始喷出消毒液，短暂的消毒是为了消灭 漂浮在储料箱空气中的病菌，消毒之后医疗废物被送进3 ( 毁行箱) 进行碎化， 毁形区机械装置启动，医疗废物被毁形，产生的气溶胶被封闭在机内，无外泄 产生：医疗废物毁形后在接料筐内被除去残存的液体，包括血液、体液、药物残 留等：被除去的残存液体进人含氯消毒液处理箱，进行彻底杀菌，待该消毒液浓 度降至低限后，按国家规定的环保要求排放。毁形后的医疗废物由4 ( 提升带) 送入5 ( 消毒盅) 。在消毒腔内，被处理物被彻底消毒后，处理物被排入出料腔 内：机器自动开启内出料门，已处理物被排入洁净物料贮筐内冷却：冷却后从机 器的外出料门排出，装箱待运。 2 3 消毒盅的设计思路和工作原理 从本人的课题出发，需要单独介绍一下高温消毒盅的工作原理。首先，利 用带传动原理实现电机对旋转进料机构的控制，从而实现医疗废物从提升带进 入高温消毒盅的过程中不会造成含有病菌的气体扩散的情况发生。其次，由电 机带动另一组带轮转动，将从动带轮与消毒盅内探出的内壁紧密连接，由电机 输出动力，带动内壁作往复旋转运动，但是外壁保持不动。由此可实现医疗垃 圾与消毒液的充分融合。经过融合消毒后抽回消毒液，电机将带动带轮继续转 动，实现对桶内医疗废物的甩干。此时已完成医疗废物的消毒工作。然后，通 过拉杆提升机构将内桶的可旋转式下盖开启，此运动的动力源由位于消毒盅上 盖的双向汽缸提供动力。待医疗废物从内桶落下后，内桶下方的螺旋排料机构 在电机的带动下作螺旋运动，将垃圾排出，此时内桶的翻盖在汽缸的推动下和 上。与此同时，出口处的开合盖闭合，实现垃圾的排除开放与关闭。 图2 - 2 是消毒盅的结构示意图 l o 第二章系统的总体设计和t 作原理 l 一旋转进料机构2 一消毒盅驱动电机3 一吊式旋转消毒盅4 一拉杆提升机构 5 一消毒液加温电极6 一可打开的盅底7 一出料机构 图2 2消毒盅结构图 2 4 设计过程中的几个局部的方案 1 为实现高温消毒盅的正反转、使料桶能够高速旋转能使毁型料甩干， 可使用可正反转的调速伺服电机，将其安装于消毒盅的的顶部，由控制程序控 制整个过程，如图2 - 3 所示： 1 2 3 4 5 6 7 第：章系统的总体设计和1 j 作腺理 图2 3 消毒盅顶部带传动 2 在消毒盅的上下设置热电偶( 如图2 4 所示) ，测量温度。但温度流 失，在消毒盅下部的高温消毒液供给系统将对桶内提供高温消毒液，保证桶内 温度的均衡。 图2 _ 4 消毒盅的热电偶 3 在高温消毒液上升的过程中，一些较轻的毁型物将漂浮在液面上随液体 上升，这样将造成毁形物回流进料口。为避免此情况的发生，在消毒桶的上部 安装溢流口，下部安装过滤网。 4 进料口开合门的设置也是非常重要的。由于避免消毒液的溢出和桶内 温度的流失，要求开合门具有封闭性。参考采用螺旋装置排料，通过旋转片的 旋转运动完成送排料动作，片的与桶接触的边缘应结合严密。采用抗腐蚀橡胶 材料制作。另外旋转机构的动力来源将以电机通过皮带轮传递动力：同时电机 带动消毒盅作低速转动，保证料的快速进入，如图2 - 5 所示： 1 2 第二章系统的总体设计和t 作原理 图2 5 旋转进料机构 5 入料完毕后，启动高温消毒液的泵注入液体，同时料桶在电机的带动 下低速j 下反转，保证料与消毒液充分融合。当消毒液达到溢流口后，热电偶检 测桶内温度，通过进排液达到温度要求。此时消毒桶中速- f 反转到规定时间， 实现消毒过程。消毒完毕后，开启排液口，将液体排除。检测高温消毒釜底部 的液体，当液面达到一定的位置后，料桶高速旋转，甩干毁形物。检测高温消 毒釜底部的液体，当确认无液体后，料桶低速度| u j 转。关闭排液口处的蝶形阀， 并打开出料口的封口。毁形料排出，料桶停止旋转，关闭料桶的开合门，关闭 出料口，螺旋排料器停止旋转。 6 消毒工作结束后，液体要经过排液口排出。在排液口设置过滤网，避 免毁型物遗失。 7 高温消毒盅的材料选用铸造材料，可以防止消毒液的腐蚀。 2 5 本章小结 本章提纲性的阐述了毁形消毒机的工作原理，以及各个部分的功能，还介 绍了某些部件或机构的细节设计思路，在明确了工作方向的同时也为以后的结 构设计提供了参考。 第一章系统中备部件的设计 第三章系统中各部件的设计 3 1 带轮传动的设计 连接动力源与内桶的机构采用v 带传动机构，要满足往复变速旋转的运动 要求同时还要满足在消毒和甩干两种工作下有不同的转速。由于带传动的主要 失效形式为打滑和疲劳破坏。因此，带传动的设计准则是：在保证带传动不打 滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。考虑到医疗机械的特殊性，使用寿 命是个重要标准。 电机选择y c t j l 6 0 2 1 1 1 型，额定转矩为1 4 0 n l m ，额定功率p = 4 k w ，传 动比扣2 8 ，预定每天运转时间为8 h 。 具体设计计算步骤如下： 1 ) 计算设计功率 只= k 尸 k 工况系数，取巧= 1 1 则：只= k p = 1 1 x 2 2 = 2 4 2 k w 2 ) 选取窄v 带：s p a 型 3 ) 计算带轮直径： 根据机械设计手册选取主动轮直径z = 1 2 5 m m ，则从动轮直径为： 以= f 西= 2 8 1 2 5 = 3 5 1 m m ，取整数d 2 = 3 5 5 m m 。 4 ) 验算带的速度 v ：型d ! 堡：z x l 2 5 x 1 4 4 0 = 9 4 2 m s 3 5 m s 6 0 x 1 0 0 06 0 1 0 0 0 5 ) 初定中心距 根据不等式0 7 ( 吐+ 吐) a o 2 ( 4 + 吐) ，初步选取中心距= 3 7 0 咖 6 ) 计算带的长度 = 2 n 。+ 詈( d , + d2 ) + ! 垡三i 三詈芷= 1 5 2 9 3 姗 取整数= 1 5 3 0 m m 。 7 ) 确定中心距 ： + 鱼竺= 3 7 0 + 3 5 = 4 0 5 a a n 0 + 3 b = 4 0 b = + 卫一 1 4 第一! 章系统中荇部件的殴计 厶根据机械设计手册确定为1 6 0 0 8 ) 验算主动轮上包角 旷1 8 0 - 丽d d 2 - d d l - 1 8 0 一鼍竽5 7 5 0 = 1 4 7 3 0 ) 1 2 。 包角合适。 9 ) 计算v 带根数 z = 墨 嵋+ 衅) k a x l 异单根v 带传递的额定功率，取曰= 0 6 7 卸传动比i 1 的额定功率增量，取凹= 0 0 3 e 小带轮包角的修正系数，取k = o 9 1 k ，带长的修正系数，取k ，= 1 0 经计算：z = 3 1 0 ) 计算预紧力r ： ：5 0 0 丝( 喾一1 ) + ，l v z 坦 m _ v 带每米的质量，根据机械设计手册确定m = o 1 2 f o = 5 0 0 鲁( 喾- 1 ) + m v 2 = 5 0 0 x 丽2 4 2 ( 蒿- 1 ) + 0 1 2 x 9 4 2 5 = 8 5 4 5 n x 4 z 1 zl 已jy u y i 1 2 ) 计算作用在轴上的力c ： f ：2 z f os i n 粤：2 3 8 5 4 5 x s m 半：3 2 8 n 注：在此处计算轴上的力是为了便于下一章的a n s y s 分析使用。 3 2 进料机构的设计 进料机构的作用主要是保持进了的连续性、平均性和密封性，其中密封性 最为关键，为了保证上述进料效果，进料机构设计选用类似旋转门的旋转进料 机构。如图3 - 1 所示： 第i 章系统中再部件的设计 图3 - l 旋转进料机构不恿图 3 2 1 为了保证桶的密封性，用两种措施来保证封闭性： 1 ) 旋转机构在运动时两侧的内壁夹角大于9 0 度，从而使前一个档板离开内壁 时，下一个档板已进入内壁。 2 ) 在每个档板的顶部和侧部安插橡胶条，橡胶条材料采用氟橡胶( 如图3 一l 右图) 。 3 2 2 工作性能分析： 1 ) 由于被毁形物大部分为医用塑料，取密度近似值为p = o 8 5 k g m 3 。 2 ) 由于不能保证塑料每次被填满，所以取系数口= o 7 ，即实际密度近似值为： p o = p x 口= 0 8 5 x 0 7 = o 7 6 k g m 3 ) 挡板的设计尺寸为：d = 1 2 0 m m ，挡板厚l = 1 3 8 m m ，因此理想的一次转动可装 载的毁形物体积为： y ：上万d 2 l ：1 万0 1 2 3 o 1 3 8 ：4 6 8 朋m 3 1 6 1 6 4 ) 由于每次不可能完全装满，因此取不饱满系数s = o 7 ，估计实际医疗废物装 载量为： g o = v x s = 4 6 8 x o 7 = 3 2 7 6 m m 3 5 ) 档板每转一圈，可进料体积为： 圪= 3 x g o = 3 x 3 2 7 6 = 9 8 3 m m 6 ) 经计算消毒盅一次可处理约0 0 9 5 k g 的毁形物，所以总体积为： v ：一m ：0 0 9 5 ：0 1 2 m 3 ， 一一i - m p 0 7 6 1 6 第三章系统中再部件的设计 档板转数： n = k 圪= o 1 2 0 0 0 0 9 8 3 = 1 2 2 转 结论：假设电动机经过带轮传递减速后，转速为n 6 0 口8 0 r m i n ，因此进料过程 约为2 u3 m i n 3 3 拉杆提升机构的设计 拉杆机构的作用是带动消毒盅底部的开合在消毒结束有排除被消毒的医疗 废物，整个机构采用由双向作用汽缸作为动力源，推动和拉动拉杆上下运动， 实现桶底的开合。 1 ) 计算开启时汽缸所承受的载荷： 载荷包括毁形物重量、杆和桶底相关零件的质量： 1 m = m l + m 2 + 肘3 = 0 0 9 5 + 7 9 x 1 0 3 万了1 0 0 2 2 + 3 = 4 5 7 k g | 其中m 。为毁形物的在质量，m ：为拉杆的重量，m ：= 刀l 。x d 2 ；m ，为其他零 部件的重量，之后总重量在乘以安全系数s ，取s = 1 2 ，则： m = 4 5 7 x1 2 = 5 4 8 k g ，则开启时承受载荷为：f = mx g = 5 3 7 n 因为桶壁关闭时毁形物已被移除，因此拉杆的推力将小于拉杆上升时的拉力。 因此在计算时应以较大的拉力为标准进行计算。 2 ) 计算汽缸的直径： d ：蚴 、7 r p r e 活塞拉杆上的推力 f 活塞拉杆上的拉力，e = f = 5 3 7 n p 汽缸的工作压力，取p = 0 5 m p a ，7 载荷率，取叩= 0 8 得：d = 3 8 2 m m ，取d = 4 0 m m 3 ) 计算拉杆的行程： 为避免底盖开启后翻转角度过大产生琐死现象，设定拉杆翻转最大角度 8 0 u8 5 度。通过缸桶直径和所承受的拉力来选合适的汽缸，查汽缸手册选择 q g a i i 系列的前法兰式，缸径d = 4 0 m m ，行程s ：9 0 m m ，型号为q g n 8 0 xs m f l 1 7 第二一i 章系统中再部件的设计 3 4 消毒盅的设计 3 4 1 消毒盅的结构设计 1 ) 消毒盅 消毒盅的结构相对简单，如图3 - 2 所示。盅颈部分材料采用铸铁，盅身部 分由网包围起来，底部有2 片半圆形可开合的托盘，由于消毒液的浮力和被毁 形的医疗废物自身重量也不大的缘故，盅体部分采用几根不锈钢杆连接。 2 ) 外层箱体 箱体材料采用h t 2 5 0 ，两端有用于装热电偶的孔，箱体采用三部分箱体分别 铸造，便于安装。 i l 图3 - 2 消毒盅的箱体 3 ) 筛网的设计和安装 在内桶的底部要安装筛网，由于筛网不容易固定，因此再筛网的上部加上 一圈铁片，铁片上加上沉头螺钉，这样就可以固定了。如图3 3 所示： 图3 - 3 筛网 1 8 第二三学系统中各部件的设计 4 ) 消毒盅底部托盘的设计 底部有2 片半圆形薄托盘组成，托盘由长杆固定于消毒盅底圈上，有拉杆 机构驱动完成开合。 图3 4 消毒盅的底部托盘 3 4 2 消毒盅颈部的校核 将消毒盅的颈部的受力模型简化为一个杆，只受扭转力作用，即可按杆所 受到的扭矩来计算内桶的强度。由消毒盅颈部的材料为铸铁知许用扭转切应力 为：k = 3 0 m p a 实际所受的扭转切应力为 丁 t 2 瓦 ， 丁扭矩，t = 9 5 5 0 二_ 尸功率，p = 2 2 k w 以转速，由于消毒盅在消毒和甩干的时候转速不同，故以转速大的时候进行 校核。甩干时电机转速为4 8 0 r m i n 经带轮传递，消毒盅转速为1 7 0 r m i n 。 孵抗扭截面模量，对于空心圆孵= 等芋 1 一( 丢) 4 】 经计算得： t 卸1 5 i v l p a x = i 2 c 、 ( 4 5 ) 除参数，l 外的其他参数都可 - l c )( 4 - 6 ) 3 ) 确定各个未知量： 由于消毒盅的消毒和甩干过程都是用同一个电机，为了满足双向可变速旋 转的需要，在设计过程中选择的电机为杭州先锋调速电机有限公司生产的 y c t j l 6 0 2 1 1 1 型电机，在消毒时主动轮端的输入转速定为1 5 r m i n ，通过带轮 传动后，从动轮上的转速为： r a , d _ i 1 5 x 1 2 5 纸= 一= = ) r m l r l 畋 3 5 5 根据设计图，的取值范围是( 0 ，2 5 5 ) m m 。在计算过程中的以m 为单位， 的取值大小对不等式中未知数的取值范围影响不大。 弯曲刚度的计算公式如下1 4 i ： 巧r 4e c = 一 3 2 ，圆杆的半径，根据设计图纸，= 1 0 m m e 弹性模量，e = 1 0 0 g p a ( 根据金属手册：灰口铸铁的弹性模量从6 9 到1 6 9 不等，取1 0 0g p a ) 经计算可得弯曲刚度为：c = 9 8 1 2 5 已知驱动电机功率：p = 2 2 k w 第p u 帝消毒盅的p 衡 根据精度要求： 整理得： 弹性变形x 工= ii 8 n n c p 一c ， o 刀 嵝 ( 4 7 ) 2 兀尸 将数据带入，计算得出： 甩 3 5 即单向旋转的圈数小于3 5 圈的范围内，即反向旋转，产生的弹性变形小于l m m 。 4 2 盅体的性能分析 这部分主要考察盅体在运动中的受力、疲劳和变形。可以通过传统的计算 获得结果也可以使用c a e 软件来完成。为了更精确直观本文采用a n s y s i o 0 完 成盅体的性能校核，实际上是通过有限元方法完成分析过程。 有限元分析的基本思想是用较简单的问题替代较复杂的问题后再求解。它 将求解域堪称是许多称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个近 似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题 的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被简单的问题所代替。 由于大多数实际问题难以得到精确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应 各种复杂情况，因而有限元分析成为行之有效的工程分析手段。 a n s y s 软件主要包括3 个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构建有限 元模型；分析计算模块包括结构分析、流体力学分析、电磁场分析、声场分析、 压电分析以及多物理场的耦合分析：后处理模块可将计算结果以彩色等值线、 梯度、矢量、粒子流迹等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形 式显示出来。 以下是分析过程： 1 ) 使用p r o e 建立盅的结构模型，之后导入a n s y s ，然后划分网格。 第四章消毒盅的、i ，衡 图4 2 左图为p r o e 的盅体模型，右图为导入a n s y s 后的模型 关于结构模型的说明： 一由于消毒盅是吊式旋转，为了在设置约束的同时不影响在三维上观察 分析结果，在p r o e 造型时在消毒盅颈部只装配了轴承。建模时去除消毒盅体上 的筛网的原因是筛网的有限元分析对课题的意义不大。 一消毒盅的颈部本应装配有垫圈、大带轮和盅体外壳的上盖，为了观察 结果的方便，同时也由于个人电脑的硬件配置问题难以支持多部件的复杂运算， 故省去上述几个部件的装配。不过在省去的同时也不可避免的带来了误差，在 下文分析结果的中会做再次说明。 在划分网格的时候选小网格，单位网格的尺寸为7 ，如图4 3 所示。 图4 3 网格划分图 2 ) 设置材料属性，输入弹性模量e = i o o g p a ( 数值选取依据见4 卜3 ) ，泊松比 为0 3 。 第p q 章消毒盅的、f ，衡 图4 _ 4 定义材料属性 3 ) 设置约束力的作用点( 线或面) ，将约束设置在轴承外圈上，实际模型的约 束是在消毒盅外壳的上盖上，如果把消毒盅外壳的上盖也加入模型中将遮盖颈 部一大部分，影响结果的观察。约束施加如图4 - 5 ，图中紫色部分为施加的约束 面。 图4 5 设置约束 4 ) 施加驱动力，消毒盅的转动是有电机驱动带轮传动来带动的，大带轮和盅 是通过键联接来传动的，此次分析主要就是分析键槽受到驱动力后对整个盅体 的影响。施加驱动力的局部和整体如图4 - 6 ，图4 6 中左图为局部图，可以看到 在键槽壁上施加了5 个同方向驱动力( 红色箭头所示) ，右图为施加驱动力之后 第阴章消毒盅的、i ，衡 整体图，可以看到驱动力的方向是与龠颈相切的 图4 缶设置驱动力 5 ) 点击a n s y sm a i nm e n u s 0 1 u t i o n s 0 1 v e c u r r e n tl s 求解。 6 ) 结果显示对于机械结构的有限元分析，主要有：3 方面结果显示，即：压力、 疲劳和变形。下面分别给出： 个方面的结果。 4 2 1 压力的分析结果 由 x 、y 、z二个方向的受力和总体受力组成。 内。 图4 - 7 左图是x 方向压力情况，右图为y 方向压力情况 如图4 7 所示消毒盅整体旱绿色，说明在x 、y 方向上的压力在可承受范围 第四章消毒盅的甲衡 图4 - 8z 方向压力情况 如图4 - 8 所示消毒盅整体呈绿色，说明在z 方向上的压力在可承受范围内。 图4 9 整体压力情况 如图4 - 9 所示消毒盅整体呈绿色，整体的压力在可承受范围内，说明在受 力方面可以达到设计要求。 4 2 2 疲劳的分析结果 由x 、y 、z 三个方向的疲劳程度和总体疲劳程度组成。 2 9 第四章消毒盅的、i ，衡 图4 一1 0 左图为x 方向疲劳情况，右图为y 方向疲劳情况 如图4 1 0 所示消毒盅整体呈绿色