（机械设计及理论专业论文）塑料医疗废弃物毁形消毒机上料装置的优化设计.pdf

摘要 摘要 医疗废弃物是医疗机构在医疗过程中产生的，随着科技的进步以及人们对卫 生安全要求的提高，各种一次性医疗废弃物越来越多，如果不加区分的一律做销 毁处理，则势必会造成不必要的资源浪费。 本论文概括介绍了医疗废弃物的处理方法，目前国内由于技术以及管理不当 等原因造成医疗废弃物的处理存在多种弊端。针对这些弊端，本课题组与北京济 方生物科技有限公司合作开发塑料医疗废弃物毁形消毒机，利用先进的消毒技 术，将塑料医疗废弃物毁形消毒之后变废为宝二次利用。 本课题主要是对塑料医疗废弃物毁形消毒机提升机构进行结构优化设计。根 据提升过程的位置要求，选取三个位置用作图法进行初步设计。在此基础上，以 废弃物桶重心的加速度为优化目标建立数学模型，然后运用m a t l a b 软件，调用 优化函数f m i n c o n 对各根杆长进行优化，获得局部最优值。对优化后提升机 构的主要受力杆件的受力状况进行分析，得到受力相对最大的位置，借助a n s y s 软件对应变和应力进行校核。最后，基于p r o e 软件建立了提升机构的三维实体 模型( 包括优化结果和作图法两情况的模型) ，将三维模型装配并进行动态仿真， 这样使提升机构视觉效果鲜明生动，更加直观化。仿真运动之后分析垃圾桶重心 在整个提升过程中的加速度，并以曲线图展示出来，然后将两种模型的曲线图做 对比，观察优化的效果。在p r o e 中实现了提升机构的动态仿真，通过模拟真实 环境的工作状况、对机构做干涉分析检查，可以尽早发现设计缺陷，提前进行改 善和修正，大大缩短了设计开发周期。另外改进了现有普通生活垃圾桶的结构， 做成了具有自锁性能和抽拉盖结构的专用医疗废弃物桶，使其适合长距离运输和 废弃物的自动化倾倒。 关键词：上料装置；塑料医疗废弃物；毁形消毒机；废弃物桶；优化设计；动态 仿真 a b s t r a c t t h em e d i c a lw a s t e sa r em e d i c a le s t a b l i s h m e n ta n dt r a s hw h i c ha r ep r o d u c e di n t h em e d i c a lp r o c e d u r e a l o n gw i t ht e c h n i c a lp r o g r e s sa sw e l la se n h a n c e m e n to ft h e m e d i c a ls a f er e q u e s t ，d i s p o s a b l em e d i c a lr e j e c ti su s e dm o r ea n dm o r e i fa l lo ft h e m e d i c a lr e j e c t sa r ed e s t r o y e dw i t h o u td i s c r i m i n a t i o n ，i n e v i t a b l y , i tw i l lb ea b l e t o m a k en o n e s s e n t i a ir e s o u r c ew a s t e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h em a n a g e m e n tm e t h o do ft h em e d i c a lw a s t es u m m a r i l y c u r r e n t l y , b e c a u s eo ft h et e c h n o l o g ya n du n s u i t a b l em a n a g e m e n t ，t h e r ea r em a n y k i n d so fm a l p r a c t i c e si nt h ep r o c e s so fm e d i c a lw a s t et r e a t m e n t i nv l e wo ft h e s e m a l p r a c t i c e s ，w ed e s i g n e d s h a p e d e s t r u c t e da n d d i s i n f e c t e dm a c h i n ef o rp l a s t i c m e d i c a lr e j e c tc o r p o r a t i o nw i t hb e i j i n gj i f a n gb i o t e c h n o l o g yc o m p a n y t h ep r i m a r ym i s s i o no ft h i st o p i ci s t od e s i g na n do p t i m i z et h er a i s i n g m e c h a n i s mo ft h es h a p e d e s t r u c t e da n dd i s i n f e c t e dm a c h i n e f o rp l a s t i cm e d i c a lr e j e c t a c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o nr e q u e s to ft h ep r o m o t i o np r o c e s s ，s e l e c t i n gt h r e ep o s i t i o n s ， w ed e s i g np r o m o t i o no r g a n i z a t i o nu s i n gt h em a p p i n gm e t h o dp r e l i m i n a r y i n t h i s f o u n d a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ，t a k e nt h ea c c e l e r a t i o no ft h e t r a s hc a n i nt h ed r o m o t i o np r o c e s s l t h eo p t i m i z a t i o no ft h ep o l e sc a l lb ec o n c l u d e db ym a t l a b t 0 0 1a n dd r a wac o n c l u s i o n t h ef o r c eo ft h em a i np o l ei sa n a l y s e db ya n s y s t h e t h r e ed i m e n s i o nm o d e li sc o n s t r u c t e da n da s s e m b l e db yt h eh y p o t h e s i z e dt h e o r y b a s e do nt h ep r o es o f t w a r e ( i n c l u d e do p t i m i z a t i o nm o d e la n dm a p p i n gm o d e l ) ，t h e n ， t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni sc a r d e do n s ot h ev i s u a le f f e c ti sv e r yv i v i da n dc l e a r a f t e rt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n ，w ea n a ly s i st h ea c c e l e r a t i o no f t h eg r a v i t yc e n t e ro ft h e t r a s hc a l li nt h ep r o m o t i o np r o c e s s t h ea c c e l e r a t i o ni se x p r e s s e db yc u r v e ，a b s c i s s a a x i se x p r e s s i n gt i m ea n do r d i n a t ea x i se x p r e s s i n ga c c e l e r a t i o n w ec o n t r a s tt h ec a l v e o ft h et w om o d e l si no r d e rt oo b s e r v et h eo p t i m i z a t i o ne f f e c t t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n o ft h ep r o m o r i o no r g a n i z a t i o ni se x e c u t e db yt h eh y p o t h e s i z e dt h e o r yi nt h ep r o e s o f t w a r e ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h e p r o m o t i o no r g a n i z a t i o n i si m p r o v e d ，t h e d e v e l o p m e n tc o s ta n dt h er u n n i n gr i s ka r e l o w e dd o w n ，a n dt h ed e s i g np e r i o di sa l s o g r e a t l ys h o r t e n e d k e yw o r d s ：p r o m o t i o no r g a n i z a t i o n ；p l a s t i cm e d i c a lw a s t e ；s h a p e d e s t r u c t e d a n d d i s i n f e c t e dm a c h i n e ；g a r b a g eb i n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；d y n a m i c s i m u l a t i o n u 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。 一签掣狨0 矽髟年7 月力2 日 ( 注：非保密论文无需签字) 一一一一一一一一一一一一一- - _ - - - - - 一- - - 。- 一- 一- - - - - - - - - _ - 。 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 日 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。 签名： 雅杏 砂呕年月砂日 第一章绪沦 1 1 引言 第一章绪论 医疗废弃物，顾名思义是由医疗机构在医疗过程中产生的医疗垃圾，它不仅 包含使用过的医疗卫生用品、手术残余物，而且还包括病人和医务人员的生活废 弃物。其特性是具有感染性、毒性和其它危害性。据调查，医疗垃圾中数量较大 的为一次性用品、手术残余物、病人的生活垃圾，而这三类医疗废弃物的比例约 为1 ：7 ：2 0 1 。在国际上，医疗垃圾废物被称之为人类的“超级杀手”，已经被 我国列为4 7 类危险废物的首位。s a r s 的出现，给公共卫生提出了新的要求， 由此引发的医疗废弃物的处理问题也得到政府的高度重视。2 0 0 3 年6 月，国务 院针对医疗废物的管理颁布了医疗废物管理条例，使医疗废物从产生到 无害化处理，从排放到卫生监督，均有了法律依据。但由于公众的认识不够、 政府监督不利、处置措施不到位等问题的存在，医疗废物的管理并不乐观，给 环境安全带来很大的隐患，要做到符合国家的要求、达到人民的满意，还有大 量的工作要做。因此需要更先进的处理技术和设备。 1 2 我国医疗废弃物的产生状况 据调查统计，我国大中城市医院的医疗废物的产生量一般是按住院部产生 量和门诊部产生量之和计算，住院部为每天0 5 1 0 k g 床，门诊部为2 0 到3 0 人 次产生l k g 。按此计算，2 0 0 2 年，全国医疗废物的产生总量约6 5 x 1 0 5t ，平均 同产生量为1 7 8 0 t 。预计到2 0 1 0 年，医疗机构床位数比2 0 0 2 年增加5 ，医疗 废物产生量将随之达到6 8 x 1 0 5t t 3 i 。 1 3 医疗废弃物的处理方法概述 1 3 1 国外非焚烧处理方法 1 ) 高压蒸汽处理技术i i ii ：是将医疗废弃物截于会属压力容器并以一定的 第一章绪论 方式利用过热的蒸汽杀灭其中致病微生物的过程。蒸汽需要与医疗废物进行直 接的充分接触，在一定温度和压强下持续一段时问从而保订卜医疗废弃物中存在 的病原微尘物被杀灭。其灭菌效果主要墩决于温度，蒸汽接触时问和蒸汽的穿 透程度。其优点在于需求的空问较少，工艺设备简单，操作方便，灭菌迅速彻 底，其缺点在于灭菌效果受到废弃物表面与蒸汽接触程度、蒸汽温度压力的高 低、操作人员的技术水平等诸多方面的影响。 2 ) 热解处理法1 5 1 ( 6 l ：热解处理技术是一项将医疗废弃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。 3 ) 微波处理技术1 5 1 1 6 i ：微波处理技术就是利用一定频率和波长的微波作用， 能将大部分微生物杀灭这个原理，通过微波激发预先破碎且湿润的废弃物产生 热量并释放出蒸汽。微波和适量水分是产生热量进行灭菌的两个基本条件。 4 ) 化学处理技术( 5 1 1 6 】：化学处理技术的工艺过程一般是将破碎后的医疗废 弃物与化学消毒剂( 如次氯酸钾、环氧乙烷、戊二醛、石狄粉等) 混合均匀， 并停留足够的时问，在消毒过程中有机物质被分解、病菌被杀灭或失活。 1 3 2 处理技术的最新发展动态 1 ) 高温高压粉碎销毁技术1 5 l 【6 1 ：就是将医疗废弃物通过铝制小车送入特种 压力容器中，由计算机控制对垃圾进行真空、高温和高压蒸汽等消毒处理。大 部分塑料包装袋和各种材料密封容器在以上程序中会出现溶化或破裂使垃圾暴 露，而部分密封无破裂容器内部的垃圾也会因高温高压而达到消毒灭菌的目的。 每道工序经过设置规定了灭菌消毒温度、真空、压力和时间、使垃圾达到规定 安全排放标准，再送入特种粉碎机彻底销毁。经过处理后的医疗垃圾体积减少 8 5 ，重量减少2 0 左右，而废弃物完全为无菌状态，成为普通的城市垃圾。 2 ) 等离子法处理医疗废弃物f 5j 1 6 】：等离子是物质高温状念的一种形式，电子、 正负离子、游离的中性原子、分子是其基本成分。等离子体接近中性，正负带电 粒子数量儿乎相刚。其研究主要分成高温和低温等离子体两大方面。这种技术 2 第一章绪论 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、药瓶和约物残渣、棉花球等。此技术的消毒 灭菌原理足利用等离子体电弧窑产生的1 0 0 0 0 。c 高温杀死医疗废弃物中的所有 微生物，摧毁残留的细胞和毒性药物，并使之难以辨认。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 4 医疗废弃物管理现状 医疗废弃物从产生、收集、贮存到运输和处置，涉及到环保、卫生、城管、 物价、药监等多个部门的管理，政府部门之间缺乏足够的配合和信息沟通，不 能对医疗废物实行统一、有效的管理。领导层对医疗废物处理不够重视，医疗废 物处置不规范，达不到环境和卫生标准的情况比较普遍，一次性医疗器具流入社 会被重复使用或再生利用的现象时有发生，不仅直接污染环境、损害人体健康，而 且产生了恶劣的社会影响。主要存在以下现象： 1 ) 法制不够健全，医院对医疗废物分类管理意识淡漠。 2 ) 不了解医疗废物如何分类，概念模糊，医疗废物、生活垃圾混放。 3 ) 一次性注射器、输液器、注射针头用后分类浸泡、消毒、毁形，造成医务 人员针刺伤机率高，各种污染的针头刺伤是医院内传播乙型肝炎病毒( h b v ) 、丙 型肝炎病毒( h c v ) 和人类免疫缺陷病毒( h i v ) 等的重要途径1 3 引。 4 ) 医疗废物储存地无固定，存放容器不合要求，医院环境受污染，医院感染潜 在危险性加大。 5 ) 部分用后一次性医疗器材流入社会市场 2 1 。 1 5 课题研究的意义 一次性医疗用品的使用对预防、控制医院感染，提高医疗护理及工作效率起 到重要作用。由于一次性医疗物品的广泛使用，不法商也会想方设法将其回收， 以谋取暴利。据有关报道：有些医院把垃圾承包给个体专业户处理。他们把其 中一些可作废物田j 收的物品如玻璃瓶、塑料杯等，拣出末卖给废品收购部门，造 成二次污染。有些不法分子，小贩或收购站，他们不仅收购一次性注射器，还 3 第一章绪论 收购一次性吸引管，吸引瓶和一次性医用手套。把用过的一次性医疗物品倒收 后，将其处理、包装成冒牌伪劣医疗器械，冉次流入社会使用，其后果1 i 堪设 想。由此可见，利用成熟的消毒技术，丌发医疗塑料废弃物回收机械具有深远 的意义： 1 1 避免了由于焚烧后处理不彻底带来的二次污染【2 9 l ，对医疗废弃物回收利 用避免了资源浪费，改变了由于政府的产业政策不到位，造成医疗垃圾难以回 收和处理的现状，可以带来可观的经济效益，产生经济效益之后就可以对医疗 废弃物的处置实现社会化和市场化，推进医疗废弃物处置设施的建设，推广区 域性医疗废弃物集中处置的商业运行模式，从而有效加强医疗废弃物污染的治 理力度。 2 1 目自仃市场上还没有专用的带脚踏盖、抽拉盖和自锁功能的密封医疗废弃 物桶，此医疗废弃物桶能够代替传统废弃物桶加塑料袋的收集医用垃圾的方式， 并适合提升机构提升、运输和垃圾的自动倾倒，避免了运输泄漏和操作人员的 接触污染。能够用于各大中小医院、乡村医疗单位普通病房和传染病房使用过 的一次性医用塑料、一次性针头、针管、塑钢手术刀柄、输液器、输血器、输 氧管、注射器、便壶。塑料盆、塑料杯、塑料袋、负压引流器。胸腔引流器、 气管插管、塑料隔离眼镜、医用橡胶手套等塑料和塑钢制品的收集。 1 6 课题研究的内容 与北京济方生物科技有限公司合作丌发的这套设备是利用先进的化学消毒 技术和成熟的粉碎机构设计的一套塑料医疗废弃物毁形消毒机，本课题主要任 务是毁形消毒机上料装置的优化设计，包括废弃物桶结构设计和提升机构优化 设计两部分内容。主要研究内容用框图表示出来，可分为以下几个部分： 4 第一章绪论 1 7 本章小结 图1 1 课题主要研究内容 本章概括介绍了国际上对医疗废弃物的认识和分类，并对我国医疗废弃物 的产生量做了科学的统计和预测。比较详细的介绍了国际上的主流非焚烧处理 方法以及目前两种先进的处理技术，分析了我国医疗废弃物处理存在的若干问 题和弊端，阐明了科学、规范处理医疗废弃物的重要意义。另外还介绍课题的 技术背景、理论意义及应用价值，确定了研究目的，制定了今后研究时所采取 的步骤和方法，为整个课题的研究打下了坚实的基础。 5 第二章塑料医疗废卉物毁形消毒机总体设计 第二章塑料医疗废弃物毁形消毒机总体设计 2 1 塑料医疗废弃物的产生状况 根据对国内较为典型的各级医院调查表明：高危和普通病人使用过的一次 性及其它塑料医疗废弃物在医疗机构日常产生的废弃物中所占的比例最大。二、 三级医院的一次性塑料医疗废弃物中高危病人产生的废弃物占5 7 1 左右，普通 病人占9 5 1 7 1 ；一级医院普通病人产生的废弃物占9 8 以上。对各类医院每天 产生的塑料医疗废弃物调查表明，8 0 0 张床位以上的大型医院，每天产生的塑料 医疗废弃物为3 2 0 - 4 1 0 k 。1 7 1 ；3 0 0 张床位的中型医院1 5 0 k ，1 7 1 左右；小型医院 4 0 7 0 k ，1 7 1 ；一般医务室、诊所3 l o k 。1 7 1 。因此对普通病人使用过的塑料医疗 废弃物毁形消毒后进行回收再利用，将是资源再生可持续发展的必由之路。 2 2 塑料医疗废弃物的处理现状分析 目前国内塑料医疗废弃物再次被利用的一个主要问题是无法在医院被就地 毁形，而消毒也存在着死角。集中焚烧处理，在大城市管理严格的地区容易做 到，而在中、小城市和乡镇就很难做到，这些地方又恰恰是塑料医疗废弃物流 向社会的高发地区，甚至在运输途中，都会发生丢失现象。其次，焚烧时塑料 的比例超过焚烧原料4 0 t 7 i 时，就会出现焚烧不彻底现象，产生有毒气体，这 些对大中城市将产生严重的污染。因此，对这些问题的解决，是目前我国卫生 和环保界的当务之急。 对塑料医疗废弃物的处理，需要专用设备、场地和能源的消耗，这些费用 或是国家承担，或是消费者承担，不管是谁，每千克的处理费用越贵，负担就 越重。就北京而言，目前每年产生的普通塑料医疗废弃物至少7 0 0 0 t 1 7 1 。如果从 目前预计的每千克3 元处理费下降至每千克0 5 元，则7 0 0 0 t 废弃物的处理费可 节省1 7 5 0 t 7 1 万元，可回收再利用的塑料6 3 0 0 t 1 7 i ，以每吨2 5 0 0 t 7 1 元计，可产生 1 5 7 5 1 7 1 万元的价值，全国每年为此可产生十数亿元的经济效益。 6 第二章塑料医疗废弃物毁形消毒机总体设计 2 3 塑料医疗废弃物毁形消毒机的总体机型设计 塑料医疗废弃物毁彤消毒机可配备于我国各种级别的医疗机构使用。该机 为全自动设计，由一台随机微机控制，从废弃物进料至毁形消毒后的洁净物出 料，全封闭一次性完成。对各种塑料医疗用品毁形率达1 0 0 ，金属回收再利用 率9 8 以上，既环保又安全，标准机预计市场售价1 8 万元。它可以处理国内所 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 以下的注射器， 全机采用全自动微机控制，标准机型为： 体积：长x 高宽2 3 m 1 8 m x l 0 m 。 一次最大处理量1 3 k 。 一次处理时间：自进料至处理完毕，3 0 分钟。 每小时处理量2 6 k 。 毁形效果：对进人本机的所有物品均被毁形，并破碎成不大于1 2 c m 的物体， 毁形率1 0 0 7 i 。 消毒效果：对枯草杆菌黑色芽孢变种杀灭率苫9 9 9 9 7 7 1 。 噪声：距机1 5 m 时，噪声低于7 0 分贝。 室内热污染：室温2 0 。c 时，距机1 5 m ，空气升温s l o c 7 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29 9 无老化和变性现象发生。 最高额定用电s 6 k w ，电压3 8 0 v 。 参阅已经成型的毁形机结构，根据上述构思，总体结构主要由提升机构、 储料箱、粉碎机构、刮料提升装置、消毒盅几大部分组成，如图2 1 所示： 7 第- 二章塑料医疗废弃物毁形消毒机总体殴计 图2 1 总体结构幽 1 低温消毒箱2 提升机构3 一废弃物桶4 一刮料提升装置5 一高温消毒盅6 一储料箱7 一粉碎机 构8 支架9 消毒液箱 8 第_ 二章塑料医疗废弃物毁形消毒机总体设计 2 4 市场可行性分析 以一家拥有3 0 0 个床位，同门诊量1 5 0 0 人次的中型医院为例，每天产生 1 5 0 k 。以内的塑料医疗废弃物，计算如下： 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 7 1 力元； 每年产生5 4 7 5 0 k 。1 7 1 的可回收塑料医疗废弃物，每千克处理费0 3 0 元，每年 1 6 4 2 5 元；每天处理开机5 小时，耗电2 5 度，每度电费1 元，每年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，平均每千克费用1 元。 2 ) 采用焚烧方式，每千克按3 0 元处理费计： 处理费：5 4 7 5 0x 3 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。 一吨洁净的塑料废弃物在回收中心再生塑料造粒，可以产生8 0 0 k 。1 7 1 的造粒 再生塑料，每t 售价2 5 0 0 元，8 0 0 k 。合计2 0 0 0 元。 政府可以将塑料医疗废弃物的回收委托给项目管理公司，项目管理公司在 全国地、市级城市建立基层维修和技术支持服务站，定期派专车将处理后的洁 净废弃物送往回收中心。在回收中心，首先用机械装置将金属和塑料分离，然 后利用廉价的劳动力，手工分拣各类塑料，再生造粒，最后送往指定塑料厂用 于生产各种限定的塑料产品。获得合理的经济收收入，产生的经济效益可支持 项目管理公司对整个系统进行良性操作，国家只给予政策性指导和管理，没有 任何负担。上述分析表明，管理公司依靠科学的管理，进行市场运作，是可形 成良性循环的。 另外考虑到塑料医疗废弃物的特殊性，项目管理公司应专门指定利用再生 塑料的工厂，在这些工厂内，再生塑料将被用于生产拖鞋、塑料筐、衣服架、 农用薄膜、农用输水管等同常用品。 2 4 结论 塑料医疗废弃物毁形消毒机有着广阔的应用d ，j 景，综上所述，其优点如下： 首先，它把医院中每天最大量产生的塑料医疗废弃物进行回收再利用。最 大限度地再生利用了宝贵的塑料资源，杜绝了塑料制品被自自烧掉的情况，又 减少了环境污染。 9 第二章塑料医疗废弃物毁形消毒机总体设计 其次，它不占场地，不像焚烧方式需要占用大量土地建造焚烧工厂和储存 场所、耗赞臣额资金片j - j 二焚烧工厂的建设。 第三，免去了采用集中焚烧方式的专用车辆运输，专人押送的麻烦，及中 间转运各环节中塑料医疗废弃物流失的危险性，真正做到就地产生，就地处理。 第四，代表了2 1 世纪国际环保界对塑料制品逐渐采用强制性回收再利用的 最先进的科技潮流，彻底消除了因填埋、焚烧而带来的各种环保弊端。 第五，为国家节省了十数亿元的处理费。 2 5 本章小结 本章对塑料医疗废弃物的产生状况和处理现状进行了分析，提出了塑料医 疗废弃物毁形消毒机的概念，对此机器的总体设计进行了构思，根据机器的性 能以及处理能力，对塑料医疗废弃物毁形消毒机的市场前景做了详细的分析。 此机器的特点符合目前市场的需要，有着广阔的应用前景。 1 0 第二章塑料医疗废弃物毁形消毒机提升机构优化设计 第三章塑料医疗废弃物毁形消毒机提升机构优化设计 3 1 提升机构选型 本课题主要是设计塑料医疗废弃物毁形消毒机的提升机构并对其进行优 化，提升机构常见的有轨道提升机构和四杆提升机构，考虑到轨道提升机构主 要用于提升较重物体的场合，而本课题所提升的塑料医疗废弃物只有1 5 k 。左右， 另外本课题要求在达到提升高度之后还要实现翻转，而轨道提升机构在实现这 个功能上存在一定的结构上的困难，考虑到这些因素，最终选用四杆提升机构。 课题的整个优化过程是围绕设计变量，目标函数，约束条件三部分展开的。 优化的目的是使医疗废弃物桶的提升过程平稳，并且要求桶的左右摆动不要太 剧烈，因此目标函数是医疗废弃物桶重心的加速度与桶的摆动角加速度之和。 建立起目标函数之后，运用m a t l a b 软件中的优化工具箱进行优化。 在约束条件罩面，对废弃物桶的运行轨迹有着严格的要求。如图3 1 所示， 由位置1 到位置2 运行的过程当中，为防止桶口倾斜导致污染物的泄露，废弃 物桶的翻转角度不能超过9 0 。当废弃物桶提升到位置2 之后，桶口达到9 0 。的 临界值，由位置2 到位置3 的较短行程内，实现废弃物桶的快速翻转，从而保 证整个提升过程无污染物外泄。此约束条件可以用角度条件来实现，既有： 霭氕孔 几- 5 + i 几- 4 ，几- 5 + i 几- 3 九- 5 + i 几- 2 ) ，耐+ i 以- l ， 义见图3 4 。在行程s 到什么位置时， 结合第四章的动态仿真做相应的调整， 3 2 建立提升机构的数学模型 3 2 1 确定优化设计变量 符号所代表的意 废弃物桶刚好达到9 0 。的临界值，可以再 寻求最佳位置。 1 作图法初步确定杆长 已知连杆的长度和连杆的三个要实现的位置( 图3 1 中废弃物桶的三个位 第二章塑料医疗废弃物毁形消毒机提升机构优化设计 置) ，确定机架铰链的位置。取其中任意两个位置，相对应的有四个铰接点，连 接相对应的铰接点成两条线，做这两条线的垂直，f 分线，交点即为机架铰链的 位置。具体的作图方法可以参照机械原理中的平面连杆设计1 8 1 1 9 1 【1 0 1 。 1 l ， - 窍一9 1 。h 獭 、穴 tf 州慝彩 、 l j i - e 1 一 r；_ 一1 7 0 6 、； 虽卜i 一1 h ， 、 ，一， 一 _正 5 已5 3 1；d 图3 1 作图法不意图 2 确定设计变量 连杆提升机构如下图所示，在气动装置b 的推动下，提升废弃物桶p f 。建 立如图3 2 所示的坐标系( 这样建立坐标系方便数学模型的建立) 。 c d 杆和p d 杆焊接在一起，央角已经固定鼠= 2 石3 ，e d 杆与水平面的央 角已知以= 石6 ，p f 长为废弃物桶高度的一半，p 点为废弃物桶的重心。气动装 置的行程o d 初步设置为s = 5 ( 可以根据废弃物桶的翻转情况自动调节) 。独立 设计的变量为偏心距b ，以及血根杆长度上1 ，如，厶，己。，厶。将这六个独立的变量 作为优化变量，x = 【厶厶l ，b l 5 】= ix 。x 2b 工5k 】 1 2 第二章塑料医疗废弃物毁形 f l j 毒机提升机构优化设计 您叛。 s 。 b f 1 u b y 图3 2 厶杆初始位置示意图 厶- 摇杆，在气动装置的驱动下做同转运动易匕一摇杆，焊接在一起，从动杆，提升废 弃物桶 厶- 州定杆厶一摇杆，提升过程保持废弃物桶的平衡b 一偏心距，气动装置相对 铰链d 的偏移距离b 气动装置，主动什，以o 1 的单位速度匀速水平米同移动p 要提升 废弃物桶的重心f - 废弃物桶的上沿位置 鲲仍- 从x 轴止向旋转，逆时针方向为正 3 2 2 建立连杆提升机构的优化目标函数 1 复数矢量运算基础 考虑到用普通解析法建立各个构件之间的关系比较麻烦，而应用复数矢量 对平面机构进行运动分析，在处理矢量求导与矢量方程消元方面比较简便，为 此采用复数矢量作为建立设计数学模型的工具。 ( 1 ) 矢量的复数表示【1 1 1 单位矢量以复数表示： 则任意一矢量可以表示为： e 阳：c o s 0 + i s i n 0 1 3 一 第三章塑料医疗废弃物毁形消毒机提升机构优化设计 一- 二：i = ：= ： a = a e ”= a ( c o s o + s i n 0 ) = a 。+ i a 。 式中： 口矢量口的模； ，一一i z = l 口的方向角，对于右手坐标系，该角自实轴( x 轴) 逆时针方向度量； a x 一矢量以在实轴上的投影； 口，- 矢量以在虚轴( y 轴) 上的投影； ( 2 ) 复数矢量方程的消元。 设有复数矢量方程 厶b 1 i e 嵋+ 厶见1 i e 谛：= l 3 0 3 1 i e 徊 式中，厶，：、，、q 、岛、岛与q 1 为已知数，吃l 和岛l 为待求的未知数。 为了求岛n ，须消去包n ，可将包含吼1 的那个复数矢量简化为纯实数项或纯虚 数项。为此，将上式中各项乘以e 4 。：得 厶岛o ) e 岛一吒+ l 2 臼2 1 _ ，- l 3 口3 1 ) i e i t 9 3 - 巳 上式取实部即可消去岛n ，则 ；型蝗二型 。 匕s i n ( 0 3 一吃) 或者各项乘以彪一峨得 一厶水一蚴一l 2 0 2 1 ；一l 3 色1 崔0 3 - 如) 上式取虚部也可以得到相同的结果。 2 建立目标函数 如图3 2 所示，在封闭四边形o b c d 中有矢量方程1 1 1 1 ： 嘶+ b c ；晒+ d e 【2 】 据此可得复数矢量方程： b i + 厶毋：s + 2 毋 ( 3 1 ) 分别在x ，y 轴投影有： 厶s i n ；l 2s i n - 2 万3 时，如图3 2 所示的位置，d p 杆的方向角为：妒2 一o l = q ) 2 一幼3 ， 有矢量关系o p ；0 西+ d p 【2 】可得复数矢量方程： o p = s + l a e ( 吨一h 7 3 ) 分别在x 轴y 轴投影可得： 叱= s + l 3c o s ( q , 2 一幼3 ) ( 3 6 ) = 厶s i n o p 2 2 ：r 3 ) ( 3 7 ) ( 3 6 ) ，( 3 7 ) 两式分别对时间求一阶导数可得： o p x 1 = 一厶仍ns i n o p z 一幼3 ) o e , 1 - l 3 ( p 2 1 c o s ( q ，2 - 2 n 3 ) ( 3 6 ) ，( 3 7 ) 两式分别对时间求二阶导数可得： o p x 2 ；也仍但s i n ( 仍一2 a 3 ) 一厶 。p z o ) c o s ( 仍一2 r t 3 ) o p , 但= 匕仍2 c o s ( 妒2 2 , , r 3 ) 一3 仍o 】s i n ( 仍一2 n - 3 ) 当仍 以，以s + 三 k z ， 万 + i 。 根据用作图法确定的杆长以及各根杆之间的长度关系，有约束条件： 厶 厶，l 2 厶，l 4 3 ，l 5 + 厶+ 厶 a ，l 4 + 厶+ 口 厶1 1 1 1 2 1 根据优化模型的几何关系有约束条件： 厶+ l 2 s = 5 ，q b 2 + s 2 厶+ 2 整理得约束条件： 第二章塑料医疗废弃物毁形消毒机提升机构优化设汁 g l ( 石) = x l x 3s 0 9 2 ( x ) = x 2 一x 3s 0 9 3 ( 工) = 鼍一x 3s 0 9 4 ( 工) 。x 6 一x 3s 0 9 5 ( 工) = 一x 3 + x 5 一x 6s 1 5 9 6 0 ) = x 3 一墨一讫s1 5 g ，o ) 一一屯一黾一讫s - 1 5 9 8 0 ) = 毛一毪+ 魂s 1 5 9 9 0 ) = 5 一五一x 2s 0 g l o ( 石) = _ 2 + 3 2 一一工2s 0 根据自订面确定的设计变量，目标函数，约束条件，调用m a t l a b 优化工具箱 的相关函数就可以进行相关的优化工作。 3 3m a t l a b 优化工具箱简介 m a t l a b 的优化工具箱提供了对各种优化问题的一个完整的解决方案，其内 容涵盖无约束最优化问题，有约束最优化问题，二次规划，o 1 规划，多目标规 划，最大最小问题，方程求解，最小二乘问题，半无限问题以及大型课题的优 化问题。其简洁的函数表达，多种优化算法的任意选择，对算法参数的自由设 置，可使用户灵活方便的使用优化函数。简单的可以将优化工具箱中的函数分 成求最小值，最小二乘问题和优化控制问题三类【1 4 1 。 表3 - 1 优化t 具箱中可以调用的函数 函数 名 a t t g o a l f m i n c o nf m i n f m i n u ，f m i n sl i n p r o g m l n m a x q u a d p r o g s e m i n f 多目标约束北 标量 功能优化问线性优 非线无约束1 卜线线性最小最 二次规 、i ，无 性优 性优化问题规划 人问题划问题 限问 题 化问题题 化 最优化工具箱提供二十个选项，用户可以输入o p t i m s e t 命令将它们显示出 来，下面列出一些常用选项： 第三章塑料医疗废弃物毁形消盘机提升机构优化设计 d i s p l a y 选项：该选项决定函数调用时中间结果的显示方式。其中“o f f ”为不显 示，通常为默认选项；“i t e r ”表示每步都显示；“f i n a l ”只显示最终结果。 g r a d c o n s t r 选项：表示是否存在约束函数的梯度。 g r a d o b j 选项：表示是否存在目标函数的梯度。 l a r g e s c a l e 选项：表示是否用大规模算法。 l i n e s e a r c h t y p e 选项：表示线性搜索类型。 m a x l t e r 选项：表示最大允许迭代次数。 t o l f u n 选项：目标函数误差容限。 t o l x 选项：自变量误差容限。 我们可以首先用o p t = o p t i m s e t 命令来调入一组默认选项值，如果想改变其中某 个参数，则可以调用o p t i m s e t ( ) 函数来完成，或更直观地，用结构体属性的方 式来设置新参数。 3 3 1 有约束最优化问题的求解 有约束最优化问题的一般描述为m i n f ( x ) ，其中 _ ，x 2 ， ，该数字 的含义是求一组x 向量，使得函数最小化。且满足约束条件g ( x ) = o ，记号为 s t 是英文s u b j e c tt o 的缩写，表示满足后面的关系。这里的约束可以是等式约束， 也可以是非等式约束。约束条件还可以进一步细化为： c ( x ) = 0 c 叼( x ) = 0 a x = b a e q x = be q l b = x = u b 其中a 叼x = b 钾为线性等式约束，a x = b 为线性不等式约束，x 变量的上界向量 l b 和下界向量u b ，使得l b = x = u b ，还允许一般非线性函数的等式约束c 阳( x ) = 0 和不等式约束c ( x ) = 0 。 对于有约束非线性规划问题，已经建立了大量的计算方法，比如惩罚函数 法，可行方向法，梯度投影法，线性规划等，但这些算法通常只适用于一类特 殊的非线性规划问题。m a t l a b 优化工具箱提供了一个f m i n c o n ( ) 函数，专门，日 来求解各种约束条件下的最优化问题，f m i n c o n ( ) 函数凋用格式有以下几种1 1 4 1 ：