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大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计【优秀机械设备设计+7张CAD图纸】

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关键词：: 大型城市生活垃圾综合处理分选机装置设计机械设备大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计机械设备设计

资源描述：

垃圾综合处理分选装置总体设计

垃圾分拣装置结构设计

生活垃圾综合处理分选装置总体设计

生活垃圾综合处理分选装置设计

垃圾综合处理分选装置设计

大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计【优秀机械设备设计+7张CAD图纸】

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任务书

论文（设计）题目：大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计

一、主要内容及基本要求

查阅相关文献资料和进入湖南湘液设备有限公司现场调研，熟悉了解大型城市生活垃圾处理分选系统装置的发展现状和工作状况，并重点观察垃圾处理分选系统装置的结构，对垃圾处理分选系统装置进行整体结构设计及分析。

要求：

1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容；

2、相关参数：垃圾日处理能力为大于200t/天；

3、若干图纸；

4、撰写毕业设计说明书。

5、外文文献翻译，字数3000字以上。

二、重点研究的问题

垃圾综合处理分选装置总体设计。

三、进度安排

序号各阶段完成的内容完成时间

1查阅资料、调研第1-2周

2开题报告、制订设计方案第3周

3方案（设计）第4-5周

4垃圾综合处理分选装置总体设计第6-7周

5写出初稿，中期检查第8-9周

6修改，写出第二稿第10-11周

7写出正式稿第12-13周

8答辩第14周

四、应收集的资料及主要参考文献

王琪. 我国城市生活垃圾处理现状及存在的问题[J]. 环境经济. 2005(10)

周菲. 杭州城市生活垃圾处理体系综合评价方法研究[D]. 中南大学 2010

何品晶等编著.城市固体废物管理[M]. 科学出版社, 2003

刘晓明. 城市生活垃圾简易分类装置设计与研究[D]. 东北农业大学 2010

林建伟. 城市生活垃圾管理系统规划模型及其应用研究[D]. 重庆大学 2003

罗涛. 深圳市宝安区城市生活垃圾特性实验研究及分选方案比选[D]. 华中科技大学 2006

Mihai Lungu.Electrical seperrationof plastic materials using the triboelectric effect. MineralsEngineering . 2004

摘要………………………………………………………………………………..………...1

Abstract………………………………………………………………….…………………..2

第一章绪论

1.1课题的研究背景……………………………………………..……………….………....3

1.2城市生活垃圾的现状和分析………………………………………….…….……….....4

1.3本课题研究的目的和意义……………………………………….……………….….…5

1.4研究的主要内容和方法………………………………………….……………………..6

1.5本章小结……………………………………………………….…………………….….6

第二章垃圾分选机的主体结构设计

2.1垃圾分选机的总体设计…………………………………….…………………….…….7

2.2垃圾分选机动力输入设计………………………………….…………………………..8

2.3垃圾分选机筛筒设计………………………………………….……………………….13

2.4垃圾分选机的传动设计……………………………………….…………………….…17

2.5本章小结………………………………………………………………………………..26

第三章垃圾分选机的配套结构设计

3.1垃圾进出料斗的设计………………………………………….……………………….27

3.2垃圾分选机的辅助结构设计……………………………….……………………….…31

3.3垃圾分选机的其他设计要求…………………………….………………………….…33

3.4本章小结……………………………………………………………………….……….34

总结………………………………………………………………………………...……….35

参考文献………………………………………………………………………....................36

附录………………………………………………………………………………………....37

大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计

摘要

伴随着经济的高速发展和城市人口急速的增加，城市里的生活垃圾数量也越来越多。随之而来的垃圾围城，环境污染，占用土地等问题也越来越严重。城市生活垃圾中包含多种可用回收利用的物质如纸张、玻璃、塑料等物质。在回收利用垃圾的过程中，我们可以取得一定的经济效益和巨大的社会效益。

在垃圾综合回收利用的过程中，垃圾分选是其中十分重要的一个过程。垃圾分选程度将影响垃圾后续处理程度，采用合理的分选设备是实现垃圾无害化，减量化，资源化的关键。

本文针对生活垃圾成分复杂，综台利用处理困难的问题，鉴戒世界上现有的垃圾分选技术，设计出一种城市生活垃圾圆筒筛分选机。该机主要是根据生活垃圾尺寸的大小进行分选，将生活垃圾初步分为大尺寸垃圾和粉末垃圾。尺寸比较大的主要是纸张、塑料等可二次利用的物质，而尺寸较小的主要是泥土，食物残渣等可堆肥物质。

本文介绍了目前城市生活垃圾和垃圾处理设备应用的现状，并介绍了垃圾分选机的类型、驱动方式、具体结构和工作原理，论述了垃圾圆筒筛分选机的设计和计算方法。

关键字：生活垃圾圆筒筛分选机设计

Abstract

As developing of economy and increasing of population ,quantity of living waste turns more and more .Living waste includes paper ,plastics,glass,etc.Recycling these materials,we can get some economic benefic and huge social profit.On course of recycling waste,sorting is important process.Composition of the living waste are complicated ,so colligated using of living waste is a difficult problem .Aiming at the problem,we designed economical and applied cylinder filtreting machine of living waste through using for reference domestic and intemstionsl current waste filtrating technique.

Accorrding to the composition analysis of the living waste ,we discovered the bigger size material are mainly paper ,platic etc of being made second use of,and the small size material are mainly mud,food remnant etc of compost material.Acorrding to the charateristics of living waste and oversea waste equipments,we designed the waste screening machine .Acorring as size of living waste,the machine can sort the chunk waste and the poeder waste.

Firstly,the paper refers present condision of living waste and disposal equipments of waste. Then,we introduced sorts of waste equipments,sorts of driving,material framework and working theory,At last,we discussed the designed and caiculated way of cylinder screening machine of living waste. We established three-dimensional simulation of sorted machine adopting UG,and optimized framework of the machine.

Key words:Living waste Cylinder Screening Sorted Machine design

第一章绪论

1.1课题的研究背景

在现代社会经济快速发展，文化迅速繁荣，人类为了在发展过程中创造幸福和开发资源的同时创造产品，消耗了大量的土地资源，产生了大量的浪费。在现代都市经济和人口不断增长的情况之下，垃圾的数目和品种也随之不断增加和变化，导致环境污染愈来愈严重，成为制约都市发展的一大要素。

城市居民在日常生活中产生的固体废弃物称为城市生活垃圾。它囊括了居民生活垃圾、公共场合产生的垃圾等。其主要成分一般为废纸张、废塑料、草木、灰土、砖瓦等。成分繁杂，有机物含量高是城市生活垃圾的主要特点。并且在某些情况下城市垃圾有可能发生会发生转化，对附近地区造成一定影响，一旦处理方法采取不当，有害物将通过水、土壤、生物链等途径对人体健康产生威胁。因此实现垃圾处理的减量化、资源化、无害化的重要在于垃圾处理技术的选择。

在国内，随着城市的发展，城市生活垃圾每年增长速率在8%至10%左右。相关统计表明，城市垃圾每年的产量己达1.6亿吨，城市居民每天平均的垃圾产量已超过1kg。环境污染问题日益眼中，实施治理已经刻不容缓。

在城市生活垃圾的治理方面，有很多国家设立了相关管理和科学研究机构，专门研究城市生活垃圾的相关问题，其中包括垃圾的来源、性质和对环境的危害等方面。寻找生活垃圾的处理、回收、利用的方法和治理措施，同时出版环保书刊在城市居民中宣传环保意识。城市生活垃圾的处理和利用，逐步成为环境工程学的重要组成部分。由于世界环境问题的日益突出，人们提出了可持续发展战略，城市生活垃圾引起了人们愈来愈大的关注。世界各国也加大了对各种类型垃圾的处置和利用的研究和开发。

随着近年来经济的加速发展，国内城市垃圾的产量持续增长，但是对垃圾的处理方式和处理技术还处于相对不成熟的阶段，尤其相对于发达国家还有较大的差距。现阶段国内垃圾收集方式多为混合收集，卫生填埋是大部分垃圾的处理方式，随意堆放到河滩等行为也屡见不鲜，这些现象都给垃圾资源化造成了障碍。因此，对垃圾进行分选成为了实现城市生活垃圾的综合利用的重要步骤。

参考文献

[1] “十五”国家级火炬计划项目申报指南. /service/15.php

[2] 何品晶, 冯肃伟, 邵立明编著. 城市固体废物管理, 北京: 科学出版社, 2003.

[3] 何品晶, 冯肃伟, 邵立明编著. 城市固体废物管理, 北京: 科学出版社, 2003.

[4] 杨玉楠等编, 固体废物的处理处置工程与管理. 北京: 科学出版社, 2004.

[5]王琪. 我国城市生活垃圾处理现状及存在的问题[J]. 环境经济. 2005(10)

[6]周菲. 杭州城市生活垃圾处理体系综合评价方法研究[D]. 中南大学 2010

[7]何品晶等编著.城市固体废物管理[M]. 科学出版社, 2003

[8]刘晓明. 城市生活垃圾简易分类装置设计与研究[D]. 东北农业大学 2010

[9]林建伟. 城市生活垃圾管理系统规划模型及其应用研究[D]. 重庆大学 2003

[10]罗涛. 深圳市宝安区城市生活垃圾特性实验研究及分选方案比选[D]. 华中科技大学 2006

[11] SM series. .

[12] Der EuRec-Scheibenseparator. .

[13] WS 720 TAIFUN series. .

[14] Waste Treatment Technology in Japan Crushing, Sorting, http://nett21.unep.or.jp.

作者介绍：

刘剑波，男，中国农业大学农业工程系硕士研究生，主要研究垃圾处理设备；

蒋振山，男，中国农业大学农业工程系副教授，硕士生导师；

王文科，男，中国农业大学农业工程系硕士研究生；

刘向辉，男，国家知识产权局专利局专利审查员，硕士。(end)

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内容简介：: 湘潭大学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计学号： 2010963115 姓名：李成喆专业：机械设计制造及其自动化指导教师：朱石沙系主任：一、主要内容及基本要求查阅相关文献资料和进入湖南湘液设备有限公司现场调研，熟悉了解大型城市生活垃圾处理分选系统装置的发展现状和工作状况，并重点观察垃圾处理分选系统装置的结构，对垃圾处理分选系统装置进行整体结构设计及分析。要求： 1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容； 2、相关参数：垃圾日处理能力为大于200t/天； 3、若干图纸； 4、撰写毕业设计说明书。 5、外文文献翻译，字数3000字以上。二、重点研究的问题垃圾综合处理分选装置总体设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研第1-2周2开题报告、制订设计方案第3周3方案（设计）第4-5周4垃圾综合处理分选装置总体设计第6-7周5写出初稿，中期检查第8-9周6修改，写出第二稿第10-11周7写出正式稿第12-13周8答辩第14周四、应收集的资料及主要参考文献王琪. 我国城市生活垃圾处理现状及存在的问题J. 环境经济. 2005(10) 周菲. 杭州城市生活垃圾处理体系综合评价方法研究D. 中南大学 2010 何品晶等编著.城市固体废物管理M. 科学出版社, 2003 刘晓明. 城市生活垃圾简易分类装置设计与研究D. 东北农业大学 2010 林建伟. 城市生活垃圾管理系统规划模型及其应用研究D. 重庆大学 2003 罗涛. 深圳市宝安区城市生活垃圾特性实验研究及分选方案比选D. 华中科技大学 2006 Mihai Lungu.Electrical seperrationof plastic materials using the triboelectric effect. MineralsEngineering . 2004 湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题目：大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计学院：兴湘学院专业：机械设计制造及其自动化学号： 2010963115 姓名：李成喆指导教师：朱石沙完成日期： 2014-5-26 湘潭大学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计学号： 2010963115 姓名：李成喆专业：机械设计制造及其自动化指导教师：朱石沙系主任：一、主要内容及基本要求查阅相关文献资料和进入湖南湘液设备有限公司现场调研，熟悉了解大型城市生活垃圾处理分选系统装置的发展现状和工作状况，并重点观察垃圾处理分选系统装置的结构，对垃圾处理分选系统装置进行整体结构设计及分析。要求： 1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容； 2、相关参数：垃圾日处理能力为大于200t/天； 3、若干图纸； 4、撰写毕业设计说明书。 5、外文文献翻译，字数3000字以上。二、重点研究的问题垃圾综合处理分选装置总体设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研第1-2周2开题报告、制订设计方案第3周3方案（设计）第4-5周4垃圾综合处理分选装置总体设计第6-7周5写出初稿，中期检查第8-9周6修改，写出第二稿第10-11周7写出正式稿第12-13周8答辩第14周四、应收集的资料及主要参考文献王琪. 我国城市生活垃圾处理现状及存在的问题J. 环境经济. 2005(10) 周菲. 杭州城市生活垃圾处理体系综合评价方法研究D. 中南大学 2010 何品晶等编著.城市固体废物管理M. 科学出版社, 2003 刘晓明. 城市生活垃圾简易分类装置设计与研究D. 东北农业大学 2010 林建伟. 城市生活垃圾管理系统规划模型及其应用研究D. 重庆大学 2003 罗涛. 深圳市宝安区城市生活垃圾特性实验研究及分选方案比选D. 华中科技大学 2006 Mihai Lungu.Electrical seperrationof plastic materials using the triboelectric effect. MineralsEngineering . 2004 湘潭大学毕业论文（设计）评阅表学号 2010963115 姓名李成喆专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计评价项目评价内容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价该生选题符合培养目标，难度适中，与科研及实际生产要求相结合。有查阅资料、综合归纳资料的能力，具备研究方案的设计能力，具备一定的外文与计算机应用能力。立论正确，论述充分，结构严谨合理，有理论及实际应用价值。评阅人：年月日目录摘要.1Abstract.2第一章绪论1.1课题的研究背景.3 1.2城市生活垃圾的现状和分析.41.3本课题研究的目的和意义.51.4研究的主要内容和方法.61.5本章小结.6第二章垃圾分选机的主体结构设计2.1垃圾分选机的总体设计.7 2.2垃圾分选机动力输入设计.82.3垃圾分选机筛筒设计.132.4垃圾分选机的传动设计.172.5本章小结.26 第三章垃圾分选机的配套结构设计3.1垃圾进出料斗的设计.273.2垃圾分选机的辅助结构设计.313.3垃圾分选机的其他设计要求.333.4本章小结.34总结.35参考文献.36附录.37 大型城市生活垃圾综合处理分选装置总体设计摘要伴随着经济的高速发展和城市人口急速的增加，城市里的生活垃圾数量也越来越多。随之而来的垃圾围城，环境污染，占用土地等问题也越来越严重。城市生活垃圾中包含多种可用回收利用的物质如纸张、玻璃、塑料等物质。在回收利用垃圾的过程中，我们可以取得一定的经济效益和巨大的社会效益。在垃圾综合回收利用的过程中，垃圾分选是其中十分重要的一个过程。垃圾分选程度将影响垃圾后续处理程度，采用合理的分选设备是实现垃圾无害化，减量化，资源化的关键。本文针对生活垃圾成分复杂，综台利用处理困难的问题，鉴戒世界上现有的垃圾分选技术，设计出一种城市生活垃圾圆筒筛分选机。该机主要是根据生活垃圾尺寸的大小进行分选，将生活垃圾初步分为大尺寸垃圾和粉末垃圾。尺寸比较大的主要是纸张、塑料等可二次利用的物质，而尺寸较小的主要是泥土，食物残渣等可堆肥物质。本文介绍了目前城市生活垃圾和垃圾处理设备应用的现状，并介绍了垃圾分选机的类型、驱动方式、具体结构和工作原理，论述了垃圾圆筒筛分选机的设计和计算方法。关键字：生活垃圾圆筒筛分选机设计2AbstractAs developing of economy and increasing of population ,quantity of living waste turns more and more .Living waste includes paper ,plastics,glass,etc.Recycling these materials,we can get some economic benefic and huge social profit.On course of recycling waste,sorting is important process.Composition of the living waste are complicated ,so colligated using of living waste is a difficult problem .Aiming at the problem,we designed economical and applied cylinder filtreting machine of living waste through using for reference domestic and intemstionsl current waste filtrating technique. Accorrding to the composition analysis of the living waste ,we discovered the bigger size material are mainly paper ,platic etc of being made second use of,and the small size material are mainly mud,food remnant etc of compost material.Acorrding to the charateristics of living waste and oversea waste equipments,we designed the waste screening machine .Acorring as size of living waste,the machine can sort the chunk waste and the poeder waste.Firstly,the paper refers present condision of living waste and disposal equipments of waste. Then,we introduced sorts of waste equipments,sorts of driving,material framework and working theory,At last,we discussed the designed and caiculated way of cylinder screening machine of living waste. We established three-dimensional simulation of sorted machine adopting UG,and optimized framework of the machine.Key words:Living waste Cylinder Screening Sorted Machine design第一章绪论1.1课题的研究背景在现代社会经济快速发展，文化迅速繁荣，人类为了在发展过程中创造幸福和开发资源的同时创造产品，消耗了大量的土地资源，产生了大量的浪费。在现代都市经济和人口不断增长的情况之下，垃圾的数目和品种也随之不断增加和变化，导致环境污染愈来愈严重，成为制约都市发展的一大要素。城市居民在日常生活中产生的固体废弃物称为城市生活垃圾。它囊括了居民生活垃圾、公共场合产生的垃圾等。其主要成分一般为废纸张、废塑料、草木、灰土、砖瓦等。成分繁杂，有机物含量高是城市生活垃圾的主要特点。并且在某些情况下城市垃圾有可能发生会发生转化，对附近地区造成一定影响，一旦处理方法采取不当，有害物将通过水、土壤、生物链等途径对人体健康产生威胁。因此实现垃圾处理的减量化、资源化、无害化的重要在于垃圾处理技术的选择。在国内，随着城市的发展，城市生活垃圾每年增长速率在8%至10%左右。相关统计表明，城市垃圾每年的产量己达1.6亿吨，城市居民每天平均的垃圾产量已超过1kg。环境污染问题日益眼中，实施治理已经刻不容缓。在城市生活垃圾的治理方面，有很多国家设立了相关管理和科学研究机构，专门研究城市生活垃圾的相关问题，其中包括垃圾的来源、性质和对环境的危害等方面。寻找生活垃圾的处理、回收、利用的方法和治理措施，同时出版环保书刊在城市居民中宣传环保意识。城市生活垃圾的处理和利用，逐步成为环境工程学的重要组成部分。由于世界环境问题的日益突出，人们提出了可持续发展战略，城市生活垃圾引起了人们愈来愈大的关注。世界各国也加大了对各种类型垃圾的处置和利用的研究和开发。随着近年来经济的加速发展，国内城市垃圾的产量持续增长，但是对垃圾的处理方式和处理技术还处于相对不成熟的阶段，尤其相对于发达国家还有较大的差距。现阶段国内垃圾收集方式多为混合收集，卫生填埋是大部分垃圾的处理方式，随意堆放到河滩等行为也屡见不鲜，这些现象都给垃圾资源化造成了障碍。因此，对垃圾进行分选成为了实现城市生活垃圾的综合利用的重要步骤。我国生活垃圾分选方法大多仍采用手工分拣。最近几年，国内对垃圾分类分选技术的研究有了一定的成果。但垃圾分选机的研究仍处于实验阶段，分选设备少，而且其中大部分都是从国外引进的。因此，为了使废物综合利用，减少环境污染，降低人们的劳动强度，垃圾分选设备的设计和研究是必要的。分选处理作为垃圾资源化处理技术应用广泛。经过分选后，垃圾中可利用的成分得到回收再利用，一方面缓解了浪费资源的现象，另一方面减少了后续处理工序的进料量，有助于后续处理技术的实施。1.1.1垃圾分选机的社会效益和可能优点资源化技术发展水平决定城市生活垃圾资源化的程度。技术发展程度低，会对产品回收率和附加值产生影响，造成的二次污染。但是技术太过复杂，又将导致资源化成本变高，也不可行。综上，要想实现垃圾的资源化，必须采取真正可行的技术。城市生活垃圾分离后，大多数材料被回收再利用。有机垃圾通过堆肥技术生产出的有机肥与化肥按照一定比例混合，可以制成用于农业或绿化的有机复合肥。每1吨废纸张，就可以产出0.8吨的再生纸，可以节省300到400千克烧碱、512千瓦时的电力、250吨水，使三废排量减少75%。假如一个年产量150万吨的造纸厂，能完全采用废纸张作为生产原料，每年就可以减少120万棵松树的砍伐。1吨废钢铁用于炼钢，相当于1吨生铁，可冶炼出成品钢0.85吨，从而减少能耗，减少空气污染；吨废塑料，可以再生出塑料颗粒0.5吨。生产新的玻璃制品过程中假如废玻璃，同样可以节能节水减少环境污染。目前我国每年社会上可回收利用的废弃塑料约有100万吨，实际利用约20万吨，还有约80万吨被当作垃圾未能加以利用。综上所述，如果我们能将生活中大量的生活垃圾进行合理回收利用，可以预见巨大的社会效益和经济利益将会产生。1.2城市生活垃圾的现状和分析1.2.1国外城市生活垃圾的现状城市每天产出的垃圾量巨大，城市生活垃圾已经逐渐成为了全世界的课题。据统计，日本相较于十年前每日垃圾排放量翻了一番，英国也是15年间增加了一倍。欧洲经济共同体国家生活垃圾平均增长率为3%。德国4%，瑞典2%，韩国达到了11%。目前全世界年均产生垃圾总量超过100亿吨，其中美国作为最大的垃圾产出国，每年总量在30亿吨左右。在法国首都巴黎地，每天就要产生超过2800吨的生活垃圾，而且这一数字还在逐渐增加。1.2.2我国城市生活垃圾的现状我国改革开放以来，城市数目和城市人口有了很大的发展，人民的生活水平也有了很大提高，因此，作为城市公害的生活垃圾产量也相当可观（如表卜所示）。处理城市生活垃圾，实现无害化、减量化和再资源化，消除城市生活垃圾的污染已成为我国必须解决的重大问题。随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高，国内各大城市近年来生活垃圾产量一直呈增长趋势。从1986年到1998年的十二年间，我国城市生活垃圾年均产出总量翻倍。近十年来，国内城市生活垃圾产量在以每年10%的速度增长。2012年国内城市生活垃圾产量为1.6亿吨，往年垃圾产出总量达60多亿吨。据统计，北京一天产生垃圾1.2万吨，一年400万吨，国内另一个大城市上海市相比北京垃圾产出量更大，一年约600万吨。其中填埋是最主要的处理方式，此外还有堆肥、焚烧等处理方式，因为这类处理方式每年被占用的土地就近千亩。1.2.3城市生活垃圾的产生和分类生活垃圾主要是从人类的消费活动中产生。它的产生是必然的，因为在一段时间内人利用自然资源的能力是有限的，不可能永远把资源全部转化为产品，总会有部分垃圾产生。转化出来的产品都有使用寿命，一旦超过使用寿命，就成为垃圾。技术创新速度的快慢也决定着垃圾的产量和产品更新换代的时间生活垃圾的成分复杂具有多样性。人们习惯于将生活垃圾产品从不同的方面进行分类。通常国内对城市生活垃圾分为有机物、无机物等不可回收垃圾和纸、木竹、塑料、橡胶、布、玻璃、金属等可回收垃圾。实际上国内外在城市生活垃圾的组成成分上也截然不同。许多有机物质是美国城市生活垃圾的特点，大部分成分可回收或燃烧；在中国大多数为无机材料。在上海、北京这样大城市，有机物相较于其他中小城市较多，但仍有相当一大部分为无机物。即使在国内不同城市垃圾成分也存在一些差异。这些因素这就决定了中国垃圾处理方法和国外垃圾处理方法应该是不同的。1.3意义和目的城市生活垃圾虽然是废弃物，但这并不表示垃圾就是百害无一利的。可能在某一方面他确实毫无价值，但是在另一方面却能大放异彩。如降解垃圾中的有机废物，可以得到制造有机肥料的好材料。有效的垃圾资源化可以在资源，能源的节约和保护和在减少污染和保护环境方面产生积极地作用。目前我国都市生活垃圾常采用的填埋、焚烧和堆肥处理都存在一定程度的劣势。这一问题可以通过先分类回收城市生活垃圾，再生大部分有用物质，然后在进行填埋焚烧堆肥处理解决。这样不能能在经济方面节省大量资金，更为重要的是最大程度的实现了垃圾无害、减量和再资源化。手选，粉碎，筛选，分离，干燥等方法，可以回收从垃圾中有用的材料，不仅减少环境污染，而且具有较高的经济效益。城市生活垃圾资源化的实现，可以减少垃圾对环境的负面影响，无论是生活垃圾的填埋还是焚烧和堆肥，必须有一个预处理，将生活垃圾按一定特性分类收集和处理将得到的有用物质加以利用。特别是对中国目前的废物大部分混合收集状态更是如此。鉴于城市垃圾成分的复杂性和处理方式的多样性，分选垃圾的资源化、能源化方面的重要操作。国内年均垃圾产量逐年增多，垃圾分选机械有很大用武之地，但目前国内垃圾分选机的研发还不成熟。因此设计一个适用于国内的分选机械进行垃圾分类，不仅可以缓解工人的劳动压力和强度，还有利于垃圾的分类处理，既使得垃圾得到充分的利用，还有效的节约了资源，保护了环境。通过分选从垃圾中提取出废纸张、废塑料、废金属等有用物质，不但节约了资源，而且还减少了垃圾运输处理量。废物资源化处理，减少了废物填埋和焚烧量，还对自然环境和我们的居住环境起到了保护作用。垃圾加工过程当中出现的渗沥水，也是植物无土栽培优良的肥料。综上所述垃圾分选在城市垃圾处理中起着极为关键的作用。现阶段国外厂家掌握优秀的设备及核心技术，这些设备和技术在工作效率和工作能力十分出众，在垃圾分选方面有很好的表现。引进国外先进设备和技术的同时加大国内对分选机械的研发投入，对于提升我国垃圾综合处理的能力与水平尤为关键。1.4 研究的主要内容和方法本课题研究的内容为城市生活垃圾分选机的设计与研究。通过调查研究，掌握相关信息设计垃圾滚筒筛分选机。本次设计的分选机主要根据混合垃圾中不同物质的不同物理尺寸进行分选，使用圆筒筛进行分选。目前国内外有许多垃圾分选机的资料，垃圾滚筒筛分选机与其他分选机在结构上有部分相似之处可以借鉴，以此帮助完成本次设计。主要研究内容有以下几个方面：(1)确定垃圾分选机的筛分类型及其基本参数；(2)对比其他分选机的，找出圆筒式筛分选机的优势与劣势，进行应用可行性分析；(3)参照其他分选机，设计出城市生活垃圾圆筒筛分选机。主要需要选定分选机的动力装置，对筛筒进行设计，设计传动装置，出料斗和其他辅助装置。(4)用AutoCAD绘制工程图。(5)对垃圾圆筒式分选机各参数进行验证。1.5本章小节本章分析了国内外城市生活垃圾的产生历史和现有状况，并分析了多种城市生活垃圾分选设备的性能特点，在此基础上，针对我国目前经济和社会发展的需要，确立了本课题的研究内容与方法。第二章垃圾分选机的主体结构设计2.1垃圾分选机的总体设计2.1.1垃圾分选机的总体技术要求垃圾分选机是实现垃圾无害化、垃圾减量化和垃圾资源化处理过程中的重要设备。垃圾分选机工作的目的就是分类具有不同特性的垃圾。本次设计的分选机主要根据混合垃圾中不同物质的不同物理尺寸进行初步分选。使垃圾得到适当的分类和充分的回收利用，最终实现垃圾无害化、减量化和资源化。目前垃圾处理中使用较多的筛分设备包括滚筒筛、固定筛、摆动筛、振动筛等。通过进一步查阅资料，决定使用的筛分结构为圆筒筛。其工作原理就是圆筒筛体作旋转运动把垃圾按大小分级。筛面为打孔薄板，筛筒倾斜安装，当物料进入筛体内部，将随筛体的转动做螺旋状翻动，在此过程中留在筛体内的物料成为筛上物，从筛体底端排出。大小比筛孔小的物料被筛下成为筛下物。筛管长度，速度，直径，孔的直径，角度等影响筛分效率，各参数应满足垃圾分离功率的需要和条件的停留时间。为了方便物料出筒，分选机的筛筒径向应该要有3-5的倾斜角，便于垃圾在筒内轴向前进。本次设计将筛孔设计为圆形，孔径60mm。考虑到需要分离的垃圾成分较为复杂，在筛筒内有可能相互发生缠绕，并且筛片也易磨损，故设计应该能够方便清理和修理更换筛片。通过资料查阅，该垃圾分选机的基本设计参数初定如下：(1)处理量：1520t/h;(2)能耗：小于1kwh/t;(3)筛筒转速：510r/min;(4)筛筒内径：1.5m；(5)筛筒长度：4.6m；(6)筛筒倾角：3-5。2.1.2垃圾分选机的总体结构垃圾圆筒筛分选机作为城市生活垃圾的预分选和堆肥处理的一种分选机械应用十分广泛。如下图所示，分选机主要由筛筒，减速器，支撑轮，传动长轴，电机，进料斗，出料斗和机架组成。筛筒驱动方式为单侧摩擦驱动。筛体分为四段。筛体依靠两端摩擦轮圈传动。生活垃圾圆筒筛分选机设计应考虑筛筒结构、驱动方式、传动形式、性能参数等。图垃圾分选机整体结构示意图2.2垃圾分选机动力输入设计2.2.1电动机的选用一般机械的动力来源通常有电动机、汽油机和柴油机等。一般来说，柴油机和汽油机在移动频繁的机组上使用较多，以便能随时移动位置但操作复杂，噪音也较大，而且不利于长时间连续工作。电动机相比前两种动力来源则较容易操作，噪音也较小，经济性也较好。垃圾分选机在厂房内工作，不需要频繁移动，所以本次设计动力来源选为电动机。为了满足生产机械的要求，通常首选的电动机具有结构简单，工作稳定，维修方便的优点，较低的价格。一般来说采用交流电动机，其中交流异步电动机比交流同步电动机更适合生产机械。在垃圾分选机的工作过程中，电机固定在机架上，无其他特殊要求，因此在设计中选用Y系列三相异步电动机。Y系列三相异步电动机是一般用途的全封闭扇冷式鼠笼型三项异步电动机。功率等级与安装尺寸相同，额定电压为380V，额定频率为50Hz。宜使用在没有特殊驱动要求的设备上。Y系列电动机特点是高效、节能、噪音低、振动小、运行可靠，标准化程度高。徐州七洲特种电机有限公司和江苏贝得电机股份有限公司等国内厂商均生产该类型电动机。根据工作参数的要求，处理量为1525 t/h，能耗小于1KWh/t，则可选择1525KW的电动机。通过参考国外垃圾分选机的设计参数，确定采用电动机功率为15KW。常见电动机有开放型，保护型，封闭型和防爆型几种类型。开启式电机价格低廉，良好的到散热条件，但外界的灰尘，油脂，水，铁和其他异物很容易进入机器，影响电机的正常运行。所以开启式电机通常只能在干燥洁净的环境下使用。防护式电机能防止水滴、铁屑等外界异物的进入，但是不能防潮，灰尘也容易进入电机内，所以常在干燥无尘的环境中使用。封闭式电机又分为自冷，强制通风和密封。前两个电机能防止来自任何方向的水滴或杂质，灰尘和水分不易进入，适用于潮湿，多土，风雨侵蚀，蒸汽或气体腐蚀的环境中；密闭式常用于液体的工作环境等。防爆式电机和封闭式电机一样为密闭结构，分为隔爆、增安和正亚三种不同类型，适用于较为危险的工作环境，比如周围有易燃易爆的情况下常使用防爆式电机。外壳防护型电动机必须与环境相适应，否则电机不能正常运行或损坏，或造成灾难的电机故障。由于垃圾分选机的实际工作环境处于开放环境，处理垃圾过程中现场环境恶劣，垃圾分选过程中可能有灰尘和污水外泄，需要防止灰尘和其他异物进入电机，影响工作状态，而且需要保证操作人员安全。查表10-2-1和表10-2-2，选择外壳防护等级为封闭式（IP44）。封闭式电机能够防止粗导线接近壳内带电或转动部件，还能防止颗粒较大的异物进入电机并且水飞溅任何方向对电机均无不良影响。电机的安装型式分为立式与卧式。由于卧式电机安装简单方便，价格便宜所以应用较多。在需要垂直运转和简化传动装置时采用立式电机，立式电动机的价格较贵。考虑经济性。采用B3安装型式，安装到基础构件（机架）上。在垃圾分选机工作过程中，对电动机的安装方式无特殊要求。因此从简单经济性出发，选择卧式安装方式。查表10-4-1与15KW电机对应的电机座型可选择2级、4级和6级，2级电机的同步转速为3000r/min，4级电机的同步转速为1500r/min，传动比都比较大，但机器空间较小，使传动受到限制；6级电机的同步转速为1000分分，传动比较小，因此选定6级电机。根据以上分析，查表10-4-1，选定垃圾分选机的电动机为15kw的系列防护式（IP44）三相异步电动机，型号为Y180L-6，其同步转速1000r/min，满载转速970 r/min，额定最大转矩2.0knm满载效率89.5%，净重200kg。查表10-2-3，选有底脚和有轴伸，安装到基础构件上的安装型式。电动机Y180L-6的机座号为180L，查表10-4-2，得到机座号180L的安装尺寸。2.2.2减速器的选用电动机的输出转速很高，一般不能直接连接到设备上使用。中间都需要减速器先将速度降低，才能满足设备工作需要。Y180L-6电机同步转速1000r/min，满载转速970r/min，直接输出对于垃圾分选机显然转速太高，不能满足垃圾分选机的实际工作要求，所以需要减速器降低转速。减速器是在电动机和工作机之间的独立传动部件。一般以齿轮、蜗杆传动等传动件装在铸造或焊接的刚性箱体中而构成。一些减速器和电机构成一个组合，结构紧凑，易于使用。在我国，已经有许多国家标准的减速器，都在大批量生产，可以按照样本选择。根据选择减速器的一般原则，对于垃圾分选机使用减速器的具体型号进行选择。具体考虑以下几个方面的问题。1按照整体布局要求进行减速器型式的选择在没有其它特殊要求的情况下，常首先考虑选用圆柱齿轮减速器，其输入轴与输出轴互相平行。因为这类减速器加工方便，效率高，成本低。当要求电动机轴与输出轴之间成90角布置时，可以采用圆锥齿轮或圆锥一圆柱齿轮减速器。当传动比大，要求结构紧凑时，可以选用蜗杆传动，但蜗杆传动效率较低，适用于短期间歇使用。当要求结构紧凑、传动比大、效率高、重量轻时，可以选用行星齿轮减速器（如渐开线齿轮行星传动、摆线针轮行星传动）或谐波齿轮传动。在垃圾分选机的传动过程中，对减速器的传动无特殊要求。因此主要应该从结构简单、效率好、安装维护方便和经济适用方面考虑。则该设计选用硬齿面圆柱齿轮减速器。硬齿面圆柱齿轮减速器主要包括ZDY（单级）、ZLY（两级）、ZSY（三级）和ZFY（四级）四大系列。硬齿面圆柱齿轮减速器适用于冶金、矿山、运输、建筑、化工、轻工、能源等行业。该型号减速器齿轮均采用优质合金钢经渗碳淬火而成，齿面硬度达HRC54-62。中心距，传动比等主要均经优化设计，主要零、部件互换性好。采用磨齿工艺，体积小、重量轻、精度高、接触好、可靠性高、传动平稳、噪音低。承载能力大，比齿面减速器承载能力提高七倍。传动效率高，可达96，使用寿命长。一般采用油池润滑，自然冷却，当热功率不能满足时，可采用循环油润滑或风扇，冷却盘管冷却。泰兴市华夏减速机厂、上海诺为传动机械有限公司和德州奥力机械有限公司等国内厂商均生产该类型减速器。2.根据传动的主要参数选择减速器的传动级数和尺寸根据减速器传递的功率P，输入轴转速n，总传动比i（或输出轴转速）确定减速器的级数。如对圆柱齿轮减速器，i=810可用单级圆柱齿轮减速器，i860可选用二级圆柱齿轮减速器，i40400可用三级圆柱齿轮减速器。己知p、n，i则可按减速器样本选定减速器的型号。对于常用标准的硬齿面圆柱齿轮减速器，根据表9-2-1，公称传动比范围为，一级圆柱齿轮减速器i1.256.3，二级圆柱齿轮减速器i6.320，三级圆柱齿轮减速器i22.4100。根据设计参数，可以初步计算出减速器应该采用的传动比的范围。按照筛筒转速815r/min进行计算：(1)求总传动比i: (2-1)设计筛筒传动圈直径1500mm左右，减速器联接驱动的托轮直径350mm左右。(2)求出第二级传动比: (2-2)(3)则求出减速器的传动比i1 (2-3)在垃圾分选机的设计中，确定减速器传动比为i120 查表9-2-1用二级圆柱齿轮减速器（ZLY型）。3.考虑其它要求选择减速器型式有些减速器还有其它要求，如机器人传动装置的减速器有运动精度、刚度、回差等方面的要求。在高温、低温、高速等条件下工作的减速器也有许多特殊要求。在垃圾分选机的工作过程，对减速器没有其他的特殊要求，因此确定选用二级硬齿面圆柱齿轮减速器。根据电动机额定功率15kw，效率89.5%，可以计算电动机的最大输出功率（即减速器的最大输入功率）为： (2-4)查表9-2-3，公称传动比i为20，输入转速1000r/min的情况下，ZLY减速器低速级中心距125mm时许用输入功率为12kw，低速级中心距140mm时许用输入功率为18kw，低速级中心距160mm时许用输入功率为26.5kw。由此可得， (2-5)选用低速级中心距140mm的减速器，能够满足功率需要。根据垃圾分选机的总体结构，选择ZLY减速器的装配型式为II型，即左后侧输入，右前侧输出。由此确定减速器的型号为ZLY140-20-1，ZBJ19004-1988。对硬面圆柱齿轮减速器的承载能力进行计算。(1)由于电动机输出轴直接通过联轴器联接减速器输入轴，按下面公式进行强度计算： (2-6)式中：减速器的允许传递功率，kw；减速器名义输入功率，kw；Ka工况系数。由表9-2-3，18kw；由于传动采用摩擦传动，转速慢，电动机驱动按轻微冲击（均匀）载荷，每天工作8h，由表9-2-6，Ka1；由前面的计算，取P13.4kw，得 (2-7)所选减速器强度足够。(2)由下面公式进行热功率校核： (2-8)减速器的热功率；环境温度系数；负荷率系数；功率利用系数；垃圾分选机减速器的使用环境条件主要为较大的厂房场所，也可以在户外、露天。采用空气自然冷却。查由表9-2-5可得，减速器热功率为35kw：由表9-2-7，减速器是自然通风冷却，按夏天室内最高温度不超过400温度，取1.35，负荷率按100计算，取=1，由许用功率利用率p/p1=13.4/15=0.895.取=1，由此得 (2-9)所选减速器散热能力满足要求。由此，可以选择ZLY140-20-1 ZBJ19004-1988减速器。查表9-2-2，得到ZLY 140-20-1减速器的安装尺寸。2.2.3电动机和减速器之间联轴器的选用在电动机和减速器之间的传动，要通过联轴器来实现。根据垃圾分选机的需要以及电动机和减速器的型号选用合适的联轴器。根据在垃圾分选机的工作过程中，传动轴有3倾角，载荷比较平稳的特点，以及简单实用原则，查表5-2-1，选用TL型弹性套柱销联轴器。其特点是结构简单，维护方便，承载能力大，具有一定补偿两轴相对偏移和一般减振性能。一般应用于启动品、经常正反转、载荷平稳的工况。镇江市远程传动机械有限责任公司、西宁市星泰减速机成套设备有限公司和河北省吴桥东风减速机厂等国内厂商均生产该类联轴器。一般连轴器是根据载荷情况、转矩、轴直径和工作转速来选择。转矩Tc由下式求出： (2-10) 式中理论转矩，Nm；公称转矩，Nm；计算转矩，Nm；P驱动功率，kw；K工作情况系数；n工作转速，r/min；由设计可知，联轴器联接电动机和减速器，联轴器的工作转速n也就是Y180L-6电动机的输出转速，最大为n1000r/min。由设计知道，垃圾分选机属于均匀载荷，查表5-2-2，得工作情况系数为K1.01.5，取K1.5计算。驱动功率也就是电动机的功率P15KW。 (2-11)由表10-4-2，电动机Y180L-6的输出轴轴径为：48m。由表9-2-9，ZLY140-20-1减速器的输入轴轴径为28mm。根据电动机和减速器的轴径，查表5-2-22，发现没有标准的LT型弹性套柱销联轴器能够满足轴径要求。根据公称转矩，初步选定电动机和减速器之间的LT型弹性套柱销联轴器型号为TL7，轴孔需要自行加工。TL7公称转矩为Tn500。因为，所以选用TL7型弹性套柱销连轴器满足功率要求。2.3垃圾分选机筛筒的设计2.3.1筛筒的整体设计根据对现有国外的垃圾圆筒筛和国内多种其他用途的圆筒筛的调查利研究，圆筒筛有多种类型。根据同一圆周上筛片的多少可分为单片筛和多片筛结构。单片筛便于制造，但是安装和更换不方便。多片筛在制造要求上相对复杂，但是更换更方便，便于维护。图22筛筒的整体设计图筛筒的结构形式也有多种：圆形、多边形和圆加多边复合形。通常采用圆形，因为圆形平衡度好，圆转平稳，加工简单。多边形和复合形的平衡度差，运转震动冲击大，适宜圆筒直径较大和速度较低的情况。在本设计中，我们设计筛筒结构为圆形。采用多筛片安装到筛架上，方便拆卸更换和维护。筛筒的两边同时设计滚圈，作传动环使用。如图2-2所示。2.3.2筛片的设计筛片材料采用8mm厚的Q235钢板。查表2-1-5，采用1.1m宽、8mm厚的钢板制作。筛筒采用同一旋转面六筛片组合，每片筛成6俨弧，内接圆直径为1500mm。筛孔的形状有方孔、圆形孔、六边形孔等。我们将筛孔设计为60圆形孔。筛片设计如图2-3所示。通过螺栓与筛架联接，方便拆卸和维修。根据设计要求的筛简直径1.5m，筛片展开为1080mm总共48块筛片采用钢板16块774mm。可以采用1.1m宽、2.4m长的钢板分为三块。图23筛片设计图2.3.3筛架的设计筛架起着支撑筛片的作用，要达到一定的强度。并且根据总体设计，筛架两端还要设计传动滚圈，传递动力。筛架各部分可采用螺栓连接或直接焊接。螺栓连接的好处是可以方便更换部件。焊接的好处是强度要更高，结构更可靠。根据实际情况，筛架没有必要频繁更换筛架部件，所以采用焊接成型。筛架两侧传动滚圈和中间联接圈、进料端和出料端两侧挡缘均采用18mm厚Q235-A钢板；中间圈焊接加强肋缘，用15mm厚Q235-A钢板。各部分结构如图2-4所示。24中间圈、传动滚圈和挡缘零件示意图中间筛环肋条采用45X45X5的Q235-A角钢。角钢上打孔，方便安装筛片，如图2-5。每条肋由两条角钢背向焊接而成。筛架共用角钢48条。图25肋角钢的设计图图26筛架的设计图筛架各部件做好后进行焊接，设计如图2-6所示。焊接应保证筛架的圆度，特别是两端的传动滚圈。由于筛筒径向与水平面有倾角，筛筒转动过程中上侧挡缘要承受一定的力，因此在出料端上侧焊接缘托，采用12mm厚钢板。筛架总跃4680mm。对筛架承重进行初步校核。粗算筛筒内垃圾物料重。根据设计要求，并已知电机转速和减速器减速比，筛筒的转速可租略计算为： (2-12) 垃圾在滚筒内的运动是一个复杂的过程。近似把垃圾的运动简化作先随滚动到筛筒顶端，然后往下作自由落体到筛筒底端的运动。则垃圾在这一过程中的时间为筛筒运动半转的时间加上从顶端自由落体到底端的时间。前半段时间为： (2-13)后半段时间为： (2-14)整段过程前进距离为： (2-15)则前进速度约为： (2-16)则大块垃圾在筛筒内的总时间为： (2-17)取处理量为15t/h，垃圾一般筛下物比较多，假定在筛筒内有1/3。则分选机工作时，同一时间在筛筒内的垃圾量为： (2-18)经过计算，筛筒部件重量为1747。总重为1907。则工作时筛筒部件重力为： (2-19)由筛架设计知两轮中间距离4.53。将整个筛架看着一个整体，筛体均由肋角钢支撑重量。则可近似按均布载荷计算肋角钢承受的摄大弯矩： (2-20)按每条肋板平分载荷计算，周向为6条肋扳，每条肋由两条45x45x5角钢焊接成，则每条 (2-21)2.3.4筛筒的倾斜角确定垃圾分选机工作工程中，垃圾从筛筒一端进入，小尺寸的物料筛分后从筛筒下部送出，大块物料从另一端送出。为了使物料能够从一端运动到另一端，一般可以采用导流板或者使筛筒倾斜的方法。该设备采用了筛筒倾斜安装的方法。筛筒的倾角靠机架的整体设计保证。设计机架前设计筛筒的倾角。圆筒径向倾角一般为35。垃圾分选机筛筒的倾斜角会影响垃圾物料在筛筒内的滞留时间口”。在该设计中，垃圾分选机筛筒的倾斜角设计为5。2.4垃圾分选机的传动设计一般传动方式有链传动、齿轮传动、皮带传动。该设备采用摩擦传动。这是一般传动中不多见的。摩擦传动的运动平稳、噪声小，传动效率随外载荷变化而变化，效率低。驱动滚轮与筛筒滚圈的接触面积不能太小，太小筛筒体会发生滑动，功率得不到充分利用，特别是在处理垃圾的物流量小载荷低的状态下，更容易发生滑动。因此，对于采用摩擦传动的垃圾圆筒筛，其滚轮和滚圈的接触面积应该保证。图29总体传动图按照筛筒驱动方式，可分为圆筒中心轴驱动和圆筒外侧驱动。中心驱动的好处便于设计和单个零件的制造，能够合理分配动力。但是对于有倾斜角度的筛简，轴的对心要求高，对安装的要求较高。而且由于垃圾中成分复杂。中心轴容易缠绕杂物，而且由于中心轴的存在，使筛筒内空间缩小，不便于对筛筒内部进行清理。外侧驱动又分为单边驱动和双边驱动。对于双边驱动又可分为集中驱动和分别驱动两种。外侧驱动由于转动轴不再筛筒内部，不会产生分离物缠绕，也便于对筛筒内部进行清理和检修。在驱动选择上，单边驱动设计制造简单。便于控制。双边驱动设备平稳，功率利用合力。双边驱动的分别驱动情况下，如果垃圾物流量小，则可以关掉一边驱动，节省运转成本。考虑驱动简单化原则，在本设计的生活垃圾圆筒分选机中选用单边摩擦驱动。总体传动如图2-9所示。2.4.1传动长轴的设计在本设计中，筛筒采用单侧传动。由于前后距离很长，需要设计一根长轴来连接前后的驱动轮（主动主动托轮和后端主动托轮）。由于整个设备处于5倾角状态，而且轴比较长，所以与两端的驱动轮轴采用万向节联接。该轴主要是起传递转矩的作用。根据轴的载荷情况可分为转轴、心轴、传动轴三类。转轴承受弯矩和转矩；心轴只承受弯矩，不传递转矩：传动轴主要承受转矩，不承受或只承受较小弯矩。由设汁知传动长轴只传递转矩，只承受自重产生的弯矩，为典型的传动轴。1.选择轴的材料轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小所以应用较为广泛。45号钢等优质中碳钢是直轴最常用的材料。Q235-A等普通碳素钢用于不重要的轴或者受栽较小的轴。合金钢具有较高的机械强度，用于受载大、结构尺寸受限制、需提高轴颈的耐磨性及处于高温或腐蚀等条件下的轴。铸钢、球墨铸铁和一些高强度铸铁，易于铸成外形复杂的轴，它们吸振性好，对应力集中敏感性低。由于该轴比较长，设计该轴中间为空心轴。空心轴的两头焊接实心轴头。由于该轴只传递转矩，受载较小，查表5-1-1，中间空心轴选用20钢制作，轴头选用45钢制作。2.计算轴径对于尺寸较大的轴一般采用锻造毛坯，而对于较小的轴一般采用圆钢车制。该轴的轴头亦采用圆钢车制。为了减轻质量或者结构需要，有一些机器的轴采用空心的截面。因为传递转矩主要靠轴的近表面材料，所以空心轴比实心轴在材料的利用上较为经济。所以中间段采用钢管为空心轴。按扭转强度计算只需知道转矩大小，方法简单，但计算精度低。主要用于下列情况：1)传递转矩或以转矩为主的传动轴；2)初步估算轴径以便进行机构设计；3)不重要轴的最终计算。已知该长轴主要是传递转矩，可以只按轴所受的转矩进行计算。扭转强度条件为：式中：T轴传递的转矩，轴的抗扭截面系数，mm； P轴的传递功率，kw； n轴的转速r/min；轴材料的许用切应力，Mpa。对实心轴，则实心轴径选择的计算公式为：对空心轴，而空心轴径选择的计算公式为：上两式中：轴的直径，mm； T轴传递的转矩，；轴传递的功率，kw；轴的转速，r/min；轴材料的许用切应力，Mpa；系数，； y空心轴的内径和外径之比，传动长轴实心轴头用45钢，查表5-1-1，由于弯矩相对转矩较小（只受自重的弯矩），且载荷平稳，故取，A=103。由于前后两个拖轮驱动整个筛筒，。按前后拖轮功率平分原则计算，传递功率按平时输出功率计算，则电动机转速。减速器减速比i=20，则传动轴的转速为，则传动长轴的实心轴头轴径为：传动长轴空心轴用20钢，查表5-1-7，取，A=126。取y=0.8则传动长轴的空心轴外径为：由此，取传动长轴实心轴头轴径为60mm，空心轴轴径为80mm，由y=0.8，则内径为64mm，壁厚8mm。3.传动长轴的总体结构设计由设计条件得知，该轴为光轴，轴上无其他部件，该轴主要是传递转矩。简单的设计结构如图2-10所示。实心轴头采用直径80mm的45钢制作。中间空心轴采用外径80mm，壁厚8m的20钢无缝钢管制作。实心轴头与空心轴的联接采用焊接。为了联结牢靠，在联接头处开V型槽焊接，焊接牢固后，在螺纹联接的中段圆周方向间隔90配打四个直径15，深14mm的孔（含空心轴壁厚8mm）堆焊，将轴头和空心轴联结为一体，增加轴传递扭矩的牢固性。传动长轴通过万向节联轴器与前端主动托轮轴和后端主动托轮轴联接。图2-10传动长轴示意图 2.4.2前端主动托轮组的设计图2-11前端主动托轮组主动托轮除了传动作用之外，同时也起作支撑轮的作用。前端主动托轮轴的前端通过联轴器联接减速器输出端，后端通过万向节联接传动长轴。如图2-11所示。为了统一规格和简单设计，后端主动托轮和支撑托轮除托轮轴头和相应的轴承端盖不同之外，其他设计完全相同。为设计简单，联轴器同样选择TL型弹性套柱销联轴器。查表9-2-9，ZLY 140-20-11减速器输出轴直径为65mm。1.托轮的设计托轮起着给筛筒传递动力和支撑托轮转动的作用。因为垃圾分选机采用摩擦传动，钢与钢的摩擦系数较小，而且制作过程中，不能同时保证制作精度和摩擦系数，所以在托轮外圈加橡胶圈作为摩擦圈。托轮主体采用ZG270-500材料铸造。外圈采用聚丁二烯橡胶制作。为了保证外圈橡胶在传动过程中不至于脱落，在托轮主体上设计凸槽。同时为了防止传动时橡胶圈在钢圈外打滑，在钢圈外圈径向上设计沟槽。设计如图2-12所示。托轮宽为100mm，直径360mm。图2-12托轮示意图、前端主动托轮轴的设计前端主动托轮轴前端轴头和后端轴头都只传递转矩。中间安装托轮段还要承受筛筒和托轮本身产生的弯矩。前端主动托轮轴后端轴头受力和传动民轴轴头相同，设计为相同轴径，为60。分选机传动到前端主动托轮轴的总效率为：式中：电机与减速器之间联轴器的传动效率，查表取值0.98 减速器的传动效率，查表取值0.96 减速器与前端主动拖轮轴之间联轴器的传动效率，同故=0.980.960.98=0.92，则前端主动拖轮轴前端的传动功率为： = 由前端主动拖轮轴传递功率p=12.3kw，转速为n=50r/min,采用45钢制作，查表5-1-7，取兆帕，取A=103 前端主动拖轮轴前端轴头的轴径为：则取轴径为65mm，与减速器输出轴相同。前端主动拖轮轴的中间段既要传递转矩，又要承受筛筒和拖轮轴自身的重量产生的弯矩，按弯扭合成强度计算前端主动拖轮轴中间段，查表5-1-9，实心轴按弯扭合成强度计算公式为：式中：轴的直径，mm；轴在计算界面上的工作应力，Mpa 轴在计算截面上的合成弯矩，轴在计算截面上的转矩，许用弯曲应力，Mpa 根据切应力变化性质而定的校正系数，切应力按对称循环变化时，=1，切应力按对脉动循环变化时，切应力按对称循环变化时，由于垃圾分选机，前端主动拖轮轴的切应力是有重力产生，属于对称循环变化，则=1。由计算可以得知，筛筒的重量为1747+160=1907（kg），按四个拖轮平均承担筛筒重量，则单个拖轮承受的重量为，又知单个拖轮重32kg。则前端主动拖轮轴承受的重量为477+32=509（kg），又知拖轮宽100mm，两端设计60mm间隔，以轴承边缘为支撑点，假定载荷为集中载荷，则轴的最大弯矩为：前端主动拖轮轴的传递的转矩为：查表5-1-1，45钢正火和回火时，=55Mpa，则前端主动拖轮轴中间段轴径为：则前端主动拖轮轴中间段的轴径为80mm。动力输入端轴头开18mm宽，长100mm的键槽，安装平键传动。轴与托轮也采用键链接传动，轴上键槽为22mm宽，100mm长。由此前端主动拖轮轴如图2-13所示。图2-13前端主动托轮轴3.轴承的选择轴承有滚动轴承和滑动轴承两大类。通常使用的是滚动轴承。按照承受载荷的方向和公称接触角口值来划分，滚动轴承可分为向心轴承、向心角接触轴承、推力轴承和推理角接触轴承由于整个机构有5倾角，受力分析知轴承会有5的接触角。根据载荷方向，选择向心接触轴承中的圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承可以承受以径向载荷为主的径、轴联合载荷，外圈可以分离，内圈和外圈可以分别安装，在安装和使用过程中，可以调整轴承的径向和轴向游隙，一般成对使用。根据均分承担载荷原则，前端主动托轮轴承受的重量为437+32=469（kg），又知前端主动传动轴中间段重为12kg。则一对轴承承担总重为469+12=481（kg）。则单个轴承静载荷为： (2-39)同时根据轴的结构，查表6-1-54，选择内径80mm的圆锥滚子轴承30216(GB/T297-1994)。4.安装及其他部件设计根据轴、轴承设计轴承座、轴承盖和隔套等部件。在轴承靠近轴承座两端外侧安装油封，防止灰尘等异物进入轴承内部，影响传动效率。2.4.3后端主动托轮组的设计在传动长轴的后端，通过万向节联轴器联接后端主动托轮轴。和前端主动托轮相同，后端主动托轮除了传动轮作用之外，同时也起作支撑轮的作用。后端主动托轮轴如图2-14所示。参照前端主动托轮组，后端主动托轮组结构与前端主动托轮组基本一致。图2-14后端主动托轮轴 2.4.4支撑托轮组的设计传动轴的另一侧，有两个支撑托轮。支撑托轮是起着支撑筛筒转动的作用。除没有动力输入和输出轴头外，支撑托轮组的主体结构和主动托轮组一致。组装后支撑托轮组如图2-17所示。图2-17支撑托轮组2.4.5传动可靠性的校核根据整体设计，两托轮之间距离为945mm，而托轮轴与筛筒中轴的距离为930mm（托轮半径与筛筒半径之和），则两边几乎相等，筛筒轴和两托轮轴连线组成的三角形为等边三角形。由于筛筒倾角较小（倾角为5），近似为水平放置进行受力分析。筛筒静止时候受力如图2-18图（1）所示。根据受力，知N1=N2=根号3/3G。由于前端两个托轮受力和后端两个托轮受力相同。则此处G为筛筒重的一半。垃圾分选机工作时，筛筒受力如图2-18图（2）所示。由受力分析知道，工作时增大了正压力。查表1-1-41，钢与钢的摩擦系数为0.15，而钢材与橡胶皮的摩擦系数为0.8。由于筛筒转速低（11r/min），所以在高摩擦系数情况下，筛筒不会出现打滑现象。(1)静止受力 (2)工作受力2-18传动受力示意图2.4.6传动联轴器的选择1.主动托轮轴和减速器之间联轴器的选择根据轴的大小，查表5-2-22，主动托轮轴和减速器之间联轴器选用LT8GB/T4323-1984联轴器。2.传动长轴两端联轴器的选择由于传动长轴比较长，而且机构有5倾角，所以传动选用万向联轴器联接。根据传动长轴轴头直径为60mm，前端主动托轮轴和后端主动托轮轴的联接轴头也为60mm的特征，查表5-2-20，选用WSD8万向联轴器。2.5本章小结根据设计要求，选定城市垃圾圆筒筛分选机的电机，减速器和联轴器，并对分选机的筛筒以及传动托轮组件，支撑托轮组件，传动长轴等主要部件进行逐一校核和设计。第三章垃圾分选机的配套结构设计3.1垃圾分选机进出料斗的设计3.1.1进料斗的设计图3-1进料斗垃圾进料可采用料斗式或传送带式。料斗式结构简单、成本低，但需要较多人工操作；传送带式功率消耗大，结构复杂，但自动化程度高。为节约成本，也为了使设备具有较好的移动性能，本设计采用料斗式进料。进料斗是生活垃圾进入筛筒的入口。应该保证一定的进入倾角，使垃圾能够顺利进入筛筒进行筛分。垃圾物料黏度较大，设计进入进料斗自倾角45，加上设备整体的5倾角，共50倾角。根据受力分析，将垃圾重力分为沿进料斗斜面向下的分力和垂直于进料斗斜面的正压力两个相互垂直的力，而进料斗斜面对垃圾则有沿斜面向上的摩擦力和与进料斗斜面垂直的支撑力。显然，重力产生的正压力与垂直于斜面的支撑力相等。而摩擦力等于正压力乘以一个小于的系数，则摩擦力小于正压力。由于重力沿斜面向下的分力大于正压力，则重力沿斜面向下的分力大于摩擦力。所以，垃圾物料能够顺利进入筛筒。进料斗主体和挂耳材料均选用5mm厚Q235-A钢板。设计如图3-1所示。进料斗前端四个挂耳和进料端挡板通过螺栓连接。后段两个挂耳和机架上的进料立柱横梁连接。安装后进料斗上沿高2975mm，需要另做支架，方便倾倒垃圾。3.1.2终端出料斗的设计为了分选后大块料的筛上物能够顺利出简，方便收集，殴计终端出料斗。终端出料斗是分选后的大块料垃圾从一侧的出口。由于筛上物都是大块物料，黏度减小，故设计出料斗与水平面的角度为35。出料斗主体用5mm厚Q235-A钢板，挂耳选用6.3号Q235-A槽钢。如图3-2所示。出料斗通过挂耳用螺栓和机架的出料斗斜支撑连接。图3-2终端出料斗3.1.3下部出料斗的设计图3-3下部出料斗为了小尺寸的筛下物能方便收集，设计下部出料斗。下部出料斗侧扳同时作为防尘挡板，防止筛下物中灰尘飘散，同时防止筛出的物料缠绕和腐蚀传动长轴。如图3-3所示。3.1.4垃圾分选机的安全结构设计对于大型机械设备，在生产的过程应该注意对安全生产的重视。因此在设计的过程中，应该设计相应的安全保护措施，对于转动部件应该设置相应的保护。为了防止垃圾分选在工作过程中出现异物缠绕以及伤人情况，我们在两处联轴器、传动氏轴、四个托轮组等外露的旋转设备上都设计安全防护罩。这样既可以保障垃圾分选机工作时操作人员的安全，也可以防止异物缠绕。图3-4所示为联轴器罩。两处联轴器罩均采用1.5mm厚的图Q235-A钢板弯折焊接而成。边缘设计开口孔，用螺栓安装到机架上，同时方便拆卸。图3-4电动机与减速器之间的联轴器罩传动长轴和四个托轮的安全罩采用50503角钢焊接框，再在框内装孔为D3的钢丝网的结构。包括一个长罩（传动长轴一侧，如图3-5所示）和两个短罩。为了安装安全防护罩，在机架的上壳支撑立柱上焊接八块安装板，用螺栓连接。图3-5长罩示意图3.2垃圾分选机的辅助结构设计3.2.1破袋刀的设计图3-7破袋刀组件生活垃圾中含有许多用塑料袋打包好的垃圾，而且由于垃圾湿度比较大，在垃圾收集和运输的过程中，为了便于运输通常要进行压缩，垃圾就容易形成团块。在分选过程中如不将其打碎，分选效果就将受到影响。为了打破这些团块结构，在筛筒的内壁设计安装了破袋刀片。设计如图3-7所示。由于垃圾中成分复杂，为了增加刀片的使用寿命刀片由6mm厚45Mn钢板制作，先切割成型。为了更好破袋和防止缠绕，刀尖设计为锥形。立杆为18ram的Q235-A方钢，底板为12的Q235-A钢板。破袋刀安装到筛筒内侧。用螺栓安装到筛筒的肋角钢上。每个圆周上三件，间隔120安装一件。离筛筒进料端518安装第一组，以后每隔1092mm安装一组，共三组，九件破袋刀。如图3-8所示，图左侧为进料端。筛筒旋转使破袋刀运动到筛筒底部时，破袋刀组上的五个尖角依靠垃圾团块的重力扎破垃圾团块，大部分的团块成分已经脱落，少部分（塑料袋、纸张等）团块成分仍缠绕到刀尖。而当破袋刀运动到筛筒顶部时，在重力的作用下，这部分缠绕到刀尖的垃圾团块也从破袋刀上脱落。图3-8破袋刀的安装位置（标处为破袋刀的安装点）3.2.2出口端板的设计图39出口端板的设计设计出口端板是为了防止筛选过程中灰尘从筛筒的侧端向外飘散。出口端板采用3mm厚Q235-A钢板制作。端板周边打孔，用螺栓与顶部防尘罩联接（如图39所示）。在山口端板上，设计一个观察窗，材料用3mm厚无色玻璃。周边设计挡圈，用螺钉与出口端板连接，固定观察窗口。经设计组装后计算，观察窗口下沿离地面高度为1650mm，而且由于筛筒有5向下的倾角，可以容易的观察筛筒内的情况。出口端扳内侧安装一只150W照明灯，方便在垃圾分选机工作过程中，观察筛筒内的情况。筛筒转速小（11r/min），筛筒内物料基本不会产生飞溅对照明灯和观察窗玻璃造成破坏性影响。但为了防止意外发生山口端板上的照明灯采用了防爆灯（河南省金正石油电器有限公司、上海富菱防爆仪表电器有限公司和辽宁北方防爆电器制造有限公司均生产防爆灯产品154-161），观察窗采用有机玻璃。3.3垃圾分选机的其他设计要求3.3.1整机装配说明按照设计图纸，先将垃圾分选机的各部分组装完毕。(1)把焊接好的机架放置于水平位置。(2)将电机和减速器安装到机架上，并用联轴器连接，调整位置，使转动灵活。要求螺栓连接牢固，无松动现象。(3)将前端主动托轮组和后端主动托轮组安装上，并联结上长轴，调整位置，使转动灵活。然后安装另另一侧的支撑托轮组，使前后两对托轮的相对距离相等。(4)将筛筒吊装到安装好的托轮上。调整托轮使筛筒的位置正好。(5)安装出料斗和下料斗。(6)安装防尘罩。(7)安装进料斗。(8)安装保护罩。(9)检查体安装质量。整机装配后如图4-10所示。经粗略计算，垃圾分选机的整机重4570kg。图3-10垃圾分选机总装图3.4本章小结本章介绍了城市生活垃圾圆筒筛分选机的进出料斗、安全罩、防尘罩和破袋刀等结构设计方案，并对整机组装提出了要求。总结首先我在这里要感谢老师给了我们一个锻炼自己的机会，让我们再一次的学习和应用了我们专业课的知识。还有老师们给我们的各种帮助，让我们发现了自己知识的不足和考虑问题的不周。从开始选课题到我们把设计做出来我们用了三个多月的时间，在这段时间里老师的指点和同学们的帮助是我们能够准时的完成设计的关键。我能够在规定的时间里完成设计自己同样也付出了许多，老师有句名言“积极主动的态度成就辉煌的人生，消极被动的态度将是懊悔的人生”。所以这次毕业设计和我自己的努力是分不开的。其次毕业设计是我们专业课程学以致用检验的标注，我们如果能够把毕业设计做好，说明我们在学校时学到了真本领了。同样也是我们迈向社会参加工作的垫脚石。是考验我们的耐心和意志力的工作，俗话说“耐着寂寞好读书”。今后我们的大部分工作主要是集中在设计上面，这必须要求我们要能够有一个细腻的心、缜密的思维、牢靠的专业知识。同时还必须有一个敢于创新的精神，必须要有自己的想法自己的观念，不能够一味的附和，主动发现错误同时虚心请教并及时改正错误。当然做设计的过程是一个非常累的过程，从查询资料到初拟设计方案再到修改设计方案最后到确定设计方案，其中反反复复数十次。理论联系实际才能够确定出一个真真正正能够实施的颗可行的方案。当然做设计必须参考各种标注各种手册，在此期间我学会了在图书馆还有互联网上的资料的查询方法，这样以后在工作中就可以更快的找到自己需要的各种文档。同样在设计的过程中我要一直与office办公软件及autoCAD二维画图软件打交道，这两个软件是我们大学生走向社会所必须掌握的软件，通过对软件的使用我发现了自己是多么的弱，很多操作都不熟练这样就大大减缓了自己做毕业设计的进度。当然亡羊补牢，为时不晚。只有发现了自己的不足才能够成长，才能够进步。毕业设计是件开头难如山的工作，所以刚开始的时候感觉无法下手，只有在慢慢尝试的过程中才能够发现其中的难点。只要动手做了，只要开始了就不会太难，发现了问题自己解决不了的在老师和同学的帮助下你会发现自己的知识掌握的不牢靠。当然在解决一个问题后你就会觉得非常的了不起，自己有更进一步了，离完成设计的目标不远了，这就是成功感，成就感。这就是设计带给我们的快乐，是实现自己价值的欣悦感。在设计的过程中，我认识到如果我们不能够完全的自己设计出来要求的东西，那我们必须学会模仿，说的不好听一点就是抄袭。就是找到已有的设计，弄懂别人的设计，然后把它变成自己的东西，这说起来容易但做起来不是那么简单，你要学习别人的思维、思路。搞清别人思考问题解决问题的逻辑思维和方法，想一想是否还可以用其他方法，他的方法是否有缺点。我们还有哪些还可以改进的，这些都是我们要学习的。参考文献1 “十五”国家级火炬计划项目申报指南. /service/15.php 2 何品晶, 冯肃伟, 邵立明编著. 城市固体废物管理, 北京: 科学出版社, 2003. 3 何品晶, 冯肃伟, 邵立明编著. 城市固体废物管理, 北京: 科学出版社, 2003. 4 杨玉楠等编, 固体废物的处理处置工程与管理. 北京: 科学出版社, 2004.5王琪. 我国城市生活垃圾处理现状及存在的问题J. 环境经济. 2005(10) 6周菲. 杭州城市生活垃圾处理体系综合评价方法研究D. 中南大学 2010 7何品晶等编著.城市固体废物管理M. 科学出版社, 2003 8刘晓明. 城市生活垃圾简易分类装置设计与研究D. 东北农业大学 2010 9林建伟. 城市生活垃圾管理系统规划模型及其应用研究D. 重庆大学 2003 10罗涛. 深圳市宝安区城市生活垃圾特性实验研究及分选方案比选D. 华中科技大学 2006 11 SM series. . 12 Der EuRec-Scheibenseparator. . 13 WS 720 TAIFUN series. . 14 Waste Treatment Technology in Japan Crushing, Sorting, http:/nett21.unep.or.jp. 作者介绍：刘剑波，男，中国农业大学农业工程系硕士研究生，主要研究垃圾处理设备；蒋振山，男，中国农业大学农业工程系副教授，硕士生导师；王文科，男，中国农业大学农业工程系硕士研究生；刘向辉，男，国家知识产权局专利局专利审查员，硕士。(end) 附录：译文超薄HfO2薄膜纳米划痕测试的力学性能研究摘要：测试10nm的原子沉积HfO2薄膜的耐磨性和压痕硬度，从而研究退火对其力学性能影响。超薄片在低负荷时的耐磨损性能是通过原子力显微镜的纳米划痕试验测量。纳米划痕的深度随退火温度升高而降低，这表明退火后薄膜的硬度随退火温度的升高而增加。通过纳米划痕试验产生表面压痕。退火后的薄膜硬度变化的主要原因是由于退火产生了HfSixOy。 X-射线光电子能谱（XPS）测量证明，HfSixOy的硬度随退火温度的升高而增加。存在的HfSixOy扩大了界面，使界面层的厚度的增加。因此，表面硬度随退火产生的HfSixOy的增加而增加。关键词： HfO2；薄膜；纳米压痕；原子力显微镜；纳米压痕。1、介绍在半导体产业中，为了以较低的成本获得良好的功能和性能，晶体管的沟道长度和栅介电层厚度等特征尺寸被要求不断缩小1-3。二氧化铪（HfO2）由于其具有相对较高的介电常数，折射率大，并且具有宽的带隙，是一种很有前途的材料，以取代二氧化硅2-4用于减少栅极绝缘层的厚度。但是，氧化铪在硅片上不具有热稳定性。HfO2薄膜的热退火引起的结构和界面的稳定性的变化已经得到了广泛的研究。X射线衍射分析（XRD）表明，如相，结晶和晶粒度大小等结构性能由退火温度决定5,6。现通过光谱椭偏观察到的光学常数随退火温度的增加而增加6,7。电子电路应用程序的集成兼容性和长期可靠性取决于其机械性能，这是由于其耐磨损性，热循环和内应力依赖于它们。然而，由于热退火引起的力学性能变化并不完全取决于HfO2薄膜，特别是几纳米厚度的变化。在这篇文章中，10纳米厚的氧化铪薄膜的机械性能取决于耐磨性和压痕硬度。热退火的耐磨性和压痕硬度的变化分别从纳米划痕测试和表面纳米压痕获得。划痕的深度用原子力显微镜（AFM）测量，其被用作评价薄膜的耐磨性和硬度的指标8-10。通过表面纳米压痕确认纳米划痕测试的结果。此外，热退火引起结构特征的改变是通过X射线光电子能谱（XPS）来确定它们的原因。2、实验2.1样品制备和特征在以前的研究中，10 nm厚的HfO2薄膜是用原子层沉积（ALD）方法沉积在8英寸（20.32厘米）（100）p-型硅晶片上11。由于在进行ALD沉积之前没有清洗，二氧化铪（HfO2）层和Si基片层之间将会形成的氧化物（SiO2）。底层的SiO2层对HfO2薄膜的热稳定性没有明显的影响12。在Ar保护下，退火炉温度为450750，在退火炉中退火10分钟。通过透射型电子显微镜（FE-TEM，JEM-2100号，日本电子，美国）对膜的厚度，原沉积和退火HfO2薄膜的横截面进行了评价。高亮度肖特基场发射电子枪产生的FE-TEM的探针的小于0.2 nm。超高点至点FE-TEM分辨率为0.19纳米。通过双束聚焦离子束（DB-FIB）技术获得高200千伏分辨率的FE-TEM图像。最初的氧化铪薄膜样品切成1.0厘米的区域。通过DB-FIB进行10 pA至5 nA的抛光，直到通过FE-TEM测量样品的厚度达到大约为100 nm。采用XPS（VG ESCA，Scientific Theta Probe，UK）技术确定HfO2薄膜详细的化学结构的。单色和Al的K（1486.6 eV）的X射线源用于探测化学和结构的组合物。该系统配备了的电子分析仪其起飞角为53。膜表面通过Ar离子在3000 eV和1A的溅射进行化学元素Si，O，铪，和C的剖析。XPS经过能量为50 eV，步长为0.05 eV进行测量。2.2机械性能的特征通过商业AFM（尺寸3100 Nanoman，Veeco公司）的执行环境条件下进行纳米划痕实验。选择金刚石涂层的高耐磨损性的硅探针在HfO2薄膜表面形成反复划痕（纳米传感器DT-NCHR），目的是在划痕之后保持恒定的顶端形状。探头有10微米高的的三角锥型尖端和100纳米的曲率半径尖端，如图1（a）。探针的弹簧常数为42 N / m，谐振频率为330千赫。大约40N正常力产生3微米长的划痕，z方向如图1（b）所示，划痕速度为1000nm/s。划痕方向如图1（b）的x方向，垂直于所述悬臂长度方向（y方向）。需要注意的是退火后的氧化铪薄膜的晶体结构具有各向异性（X射线衍射获得的数据没有列出来）。因此，划痕的性能是所有方向的总体表现。在这项研究中，划痕的方向是随机选择的。薄膜划痕的探测是通过Ultrasharp硅探针（NSC15/50，硅MDT，俄罗斯有限公司）轻轻敲击，以防止对凹划痕产生额外的损害。硅刻蚀探针的针尖是NSC 15/50的圆锥形状和一个半径为大约10纳米，弹簧常数为45 N / m和谐振频率为350千赫的针尖。划痕的平均深度超过3m的18横截面划痕（AB，如图1）。通过动态的的接触系统（纳米压痕G200，安捷伦技术，美国）形成纳米压痕和计算水平接触表面的氧化铪薄膜的硬度13。在实验过程中，z轴位移的灵敏度与从负荷-位移曲线的噪声宽度有关系。薄膜表面通过半径约20 nm的Berkovich金刚石的三角锥形尖端产生划痕。通过三角锥形的金刚石尖端确定AFM划痕硬度，并与得到的纳米压痕进行比较。HfO2薄膜测试表面的泊松比为0.35。加载过程中漂移率低于0.05nm/s和恒应变速率约0.005 nm/s。3. 实验结果与讨论3.1 AFM的纳米划痕深度沉积和550退火后的氧化铪膜的FE-TEM横截面图像如图2，如FE-TEM图像所示为二氧化铪（HfO2）层的沉积样品，主要是嵌入在结构中的非晶态纳米晶体。图2（b）中可以清楚地观察到550退火样品结晶铪层。对于如此沉积的样品，氧化铪层的厚度约10.1 nm和界面层的SiO2厚度约0.9 nm。对于550退火的样品，二氧化铪（HfO2）层的厚度为约0.9 nm，这可能是由于厚度沉积均匀性不一致和FE-TEM横截面图像边缘测定所造成的。图3表明了550和750退火HfO2薄膜的典型沉积和相应的横截面图片的纳米划痕。观察沿突起两侧的划痕。非对称的V形锥体的AFM针尖的横截面轮廓形状如图1（a），由于非对称V形锥体的AFM的针尖划伤薄膜表面，会在凹划痕集中区域产生非对称突起，划痕右侧的突起高度远小于左侧。据此前报道14-16，在划伤过程中，磨损碎屑沉积物和塑性变形往往积聚在划痕的两侧，在凹划痕周围形成凸部，。此外，由于薄膜划痕硬度降低，划痕深度增加，凸部高度也增加。根据Tseng10,16,17和Kassavetis等人18，通过AFM针尖划伤产生的突起高度可以作为划痕深度。纳米划痕实验测量的划痕深度用来评价力学性能10,18,19。划痕深度定义为划痕底部到未刮开表面的距离，如图3。获得划痕深度为5.46 nm到12.51nm。在沉积膜中，探头正常力为6N时产生的划痕深度12.51nm。针尖通过氧化铪和SiO2层渗透Si底板。在550下，根据FE-TEM横截面图像，划痕深度为8.28nm，这是底部的二氧化铪（HfO2）层到界面附近的距离决定的，如图2。对于750的退火薄膜，深度为5.46，大约是到氧化铪层的一半。划痕深度随退火温度的增加而下降，表明退火后薄膜硬度随退火温度的增加而增加。结果表明，氧化铪薄膜的耐磨性随退火温度的增加而增加。3.2纳米压痕硬度退火引起的HfO2薄膜硬度变化是由金刚石锥体探针使用连续硬度测量（CSM）的方法13,20测量的纳米压痕进行评价。在纳米压痕的过程中，随着压痕载荷的增加驱动压头向样品移动。所施加的压头位移，作为函数连续记录一个完整循环的加载和卸载。沉积和氧化铪薄膜在550和750下的典型负载循环如图4（a）和基于CSM方法得到的硬度如图4（b）。HfO2薄膜的退火硬度大于原沉积的膜，并随退火温度的增加而增加。这一观察结果证实了纳米划痕实验得到的测量结果。由于硬度随退火温度的增加而增加，退火后的氧化铪薄膜难以划伤，样品在较高的退火温度下得到较低的划痕深度。简谐接触硬度也可以从加载的压痕试验和确定相同相和相的部分反应结果获得20-22。于图部分。如图4（b），根据各个相的反应结果推测压痕深度，谐波接触刚度沿各表面等效压痕深度测量。在第一个大约3nm的压痕中，接触硬度很大程度上受纳米压痕前端与最外层的超薄HfO2薄膜充分接触的影响22。因此，根据线性拟合，沿均匀性薄膜的渗透硬度得到的位移的范围为3至10 nm和10为20 nm。这表明，HfO2薄膜的结构在深度方向上有多层或梯度（非均匀）20。第一个10nm区域的曲线特征为谐波与硬度的联系，该区域包括HfO2的层以及薄的SiO2层。在压头到达Si基板的谐波接触的剩余部分硬度可以用一条直线来表示。然而，根据梯度结构膜（后面的XPS分析将会显示）和基板可以看出HfO2，SiO2和Si的测量压痕接口之间没有明确的分离点。3.3通过XPS分析HfO2薄膜的化学成分简谐接触硬度表面HfO2薄膜的ALD均匀性随深度变化。要检查退火引起的结构变化，通过X射线光电子能谱深度对HfO2薄膜进行化学分析。图5表明通过HfO2退火薄膜（750）的HF、O和硅元素的浓度评估XPS中Ar离子溅射时间。应当指出的是，溅射过程会产生物理和化学反应，从而改变溅射前HfO2的组成。如先前所报道23-25，在HfO2薄膜的HF，HfOx，HfO2的混合物内形成高能Ar离子。此外，在high-k薄膜中优先溅射会导致HF，O和硅元素溅射速率的变化23,26。例如，已经发现，铪会导致表面分离和屏蔽溅射过程中的硅原子，从而降低溅射率。这可能会大大降低H

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