脚踏式垃圾处理器.doc

脚踏式垃圾处理器设计说明书队长队员1队员2队员3队员4姓 名许伟李广林王雪飞王宇阳卢琦院系机电机电机电机电机电年级2009级2009级2010级2010级2010级班级机械二班机械二班机械一班机械一班机械一班联系电话1526611459515266110140187663172111506514987018263178717 2012年4月摘 要本设计依据我国实际情况，研制适合本国的厨房食物垃圾预处理装置食物垃圾处理器。垃圾处理器的驱动电机和粉碎刀盘为机器的关健部分，直接影响机器的使用效果，所以本设计着重对粉碎刀盘和驱动电机进行设计论述。对于粉碎刀盘和刀片，先对工作载荷进行力学分析，计算流体阻力，进而选择材料及对刀盘、刀片进行强度校核。根据我国食物垃圾的特点，设计采用组合刀盘式粉碎刀。设计中驱动电机的运行特征为时间短，启动频繁，断续工作，其性能直接影响着脚踏式垃圾处理器质量的好坏，本设计采用电机为永磁直流电动机，它的优点是结构简单、体积小、出力大、效率高。此次设计的食物垃圾处理器，避免了目前同类产品完全采用交流电机、选用昂贵材料的做法，使机器的制造和使用成本降低。关键词：脚踏；垃圾；刀盘；粉碎目录1 绪 论- 4 -1.1 厨房食物垃圾处理的紧迫性- 4 -1.2 厨房食物垃圾的特征及其危害- 5 -1.2.1 厨房食物垃圾的特征- 5 -1.2.2 厨房食物垃圾的危害- 6 -1.3 食物垃圾处理的方法- 7 -1.3.1 卫生填埋- 7 -1.3.2 焚烧- 8 -1.3.3 堆肥- 8 -1.3.4 作牲畜饲料- 9 -1.4 食物垃圾处理器的设计灵感- 9 -1.5 课题目的和研究意义- 10 -2 脚踏式垃圾处理器的设计- 11 -2.1 脚踏式垃圾处理器的工作原理及组成- 11 -2.1.1 原理：- 11 -2.1.2 工作流程：- 12 -2.1.3 脚踏式垃圾处理器的组成- 12 -2.2 粉碎刀盘组合刀具结构设计- 13 -2.2.1 刀具基本尺寸的确定- 13 -2.2.2 粉碎刀盘的力学分析及材料的选择- 13 -2.2.3 粉碎刀轴的强度校核- 18 -2.2.4 刀片的强度校核- 21 -2.4传动机构的选择- 22 -2.5 其它部分设计- 23 -3 产品功能- 23 -4 创新点解说- 24 -5 独特优势- 24 -参 考 文 献- 26 -谢 辞- 27 -1 绪 论1.1 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，人们在不断美化居室、追求生活的整洁、卫生和科学化的同时，往往会忽略一个严重的问题，即食物垃圾或下角料的处理，从而造成生活垃圾的排放量急剧增长。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，各种生活垃圾的排放量每年仍以8-10%的速度增加。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产总量的45%，有近一半的生活垃圾不能及时处理而随意堆置，剩饭和剩菜以及下角料等常常倒入洗涤盆的下水管内，如不及时处理，这些食物垃圾就会堵塞下水道并在下水道内腐烂、发臭，造成细菌滋生、老鼠横行、污水横流，严重污染家庭和公共场所环境，夏天尤其严重，由此给生活带来许多麻烦，严重的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，远远低于世界人均的水平，可全国未经处理而堆存的垃圾达60亿吨，占用土地约50万，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个贫水国之一，全国668座城市中有400多座城市缺水，其中110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。在我国，垃圾处理主要采用填埋技术，但填埋的技术不过关，在耗费大量财力的同时产生垃圾的二次污染，严重影响着人们的正常生活环境。垃圾产量的迅速增长，己经制约了城市的发展，我国政府对垃圾处理问题高度重视，在不断的增大投资力度，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，结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。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，是城市生活垃圾的主要组成部分，在城市垃圾中所占比例北京37%，天津54%，上海59%，沈阳62%，深圳57%，广州57%，济南41%。与其他垃圾相比，具有含水量、有机物含量、油脂含量及盐分含量高，营养元素丰富等特点，具有很大的回收利用价值。一般在食品加工过程中产生的食物残余称为厨余，饮食消费后的食物残渣称为浴脚，从化学成分上看主要是淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等。食物垃圾的来源比较集中，主要是城镇菜场垃圾、餐馆饮食垃圾、家庭厨房垃圾及各种市场的瓜果皮等城镇垃圾。我国食品结构复杂，食物垃圾呈现多、硬、杂、粗等特点。1.食物垃圾具有较低的发热值发热值又称发热量，是指1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。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，有实验表明粗脂肪消化率为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，各种垃圾都混合在一起，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，嶂螂等害虫横行，传播疾病。加之人们环保意识比较薄弱，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，甚至用“浴水油”提炼色拉油来加工食品，毒害百姓。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 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。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。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%，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%。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，中等城市的财政难以承受。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 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，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60万升的水，1节一号电池可以使的土地失去其使用价值。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。1.3.4 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。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 食物垃圾处理器的设计灵感随着我国经济的发展，城市生活水平的提高，人们在不断美化居室的同时，也在追求厨房的整洁、卫生和科学化。然而，厨余垃圾或下角料的随意处理，造成了生活垃圾的排放量急剧增长。目前，我国生活垃圾日处理量仅占垃圾生产总量的45%，而厨房垃圾含水量大，给垃圾处理带来很大的困难，制约了城市的发展。不仅如此，有时会随手将剩饭和剩菜等倒入洗涤盆的下水管内，这些食物垃圾就会堵塞下水道并在下水道内腐烂、发臭，造成细菌滋生、老鼠横行、污水横流，严重污染家庭和公共场所环境，夏天尤其严重，由此给生活带来许多麻烦，严重的影响着人们的生活环境和身体健康。灵感来源于问题，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路排到阴井中。这样既方便快捷，也在源头上避免了食物垃圾造成的污染，实现了城市生活垃圾的减量化的目的，研磨后冲走的垃圾颗粒还可以在污水池处理厂制成土壤改良剂而得到再循环利用。目前市场上已推出电机驱动的家用垃圾处理器，体积较大且笨重，价格昂贵，并且存在安全隐患，难以被大众接受。由此，我们设计出了人力驱动的脚踏式家用垃圾处理器。1.5 课题目的和研究意义国外成功的应用食物垃圾处理器来减少食物垃圾的经验，为我们处理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处理器。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 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 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。3 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。2 脚踏式垃圾处理器的设计2.1 脚踏式垃圾处理器的工作原理及组成2.1.1 原理：它是应用机械原理设计的，利用脚踏力带动不锈钢刀架组合高速旋转，通过切削，挤压等方式，在极短的时间内将食物垃圾研磨成细小的颗粒，在水流的作用下，随下水道顺利排出。2.1.2 工作流程：水脚踏力食物垃 圾食物垃圾处理器粉碎刀 组5的颗粒流入下水道下水道污水处理厂2.1.3 脚踏式垃圾处理器的组成设计的脚踏式垃圾处理器主要有入口部分、粉碎室、驱动机构和排污管组成，食物垃圾处理器工作原理如上图所示。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旋转刀组中，随着旋转刀组的旋转，粉碎室内的垃圾被绞碎。落入粉碎室的水果皮、鱼刺、碎骨、蛋壳、剩饭菜等废物通过切、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。其中传动机构和旋转刀组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。2.2 粉碎刀盘组合刀具结构设计2.2.1 刀具基本尺寸的确定食物垃圾研磨机的最关键部件是粉碎刀盘的结构设计，由于它独特的位置和功能,在设计时必须保证它既耐腐蚀、不容易生锈，又要满足一定的强度和刚度，根据这些特点，我们选取1Cr13不锈钢材料，其材料参数为：弹性模量，泊松比，密度。接口及刀盘尺寸的确定是参考我国厨房洗涤盆下水口的结构尺寸及食物垃圾多、硬、杂、粗等特点，目前我国厨房洗涤盆下水口的结构尺寸基本上是统一的，直径为，只是在轮廓上有大小、深浅之分。经计算确定了刀盘的直径：，厚度：。2.2.2 粉碎刀盘的力学分析及材料的选择.粉碎刀盘工作的载荷：组合刀盘工作时需克服阻力，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，在它上面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，转轴通过圆盘的中心且与圆盘垂直。由于圆盘旋转时，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食物垃圾为软垃圾，粉碎时产生很小的阻力，在对食物垃圾(不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛)中常见的鱼刺、剩菜等进行破碎测试时得到阻力大约为.粉碎刀材料的选择：前面我们已经就材料作出选择，下面我们就材料的选择过程进行描述：脚踏式垃圾处理器的关键部件之一是刀片。在材料的选择上必须保证它既耐腐蚀、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。(1) 材料中C的含量越高，其耐腐蚀性越差；(2) 在钢中加入Cr能显著提高钢的抗氧化作用，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中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，本文所用机器的刀盘及刀片选用1Cr13作为材料来加工。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2.2.3 粉碎刀轴的强度校核粉碎刀轴受到循环载荷的作用，能发生疲劳破坏。刀轴是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。曲线如图所示。-N曲线对于钢材来说，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)图为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：轴上最大的应力应在截面周边各点，故代入： (2-15)根据材料力学知识，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 代入式(2-15)得： 可见 即 依据曲线，当，时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏，设计中刀轴满足强度要求。2.2.4 刀片的强度校核由于刀片绕固定轴旋转，运动形式相同，所以校核方法相同。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。2.4传动机构的选择驱动电机是食物垃圾处理器工作能量的提供源，也是关键部件之一，其性能直接影响着脚踏式垃圾处理器质量的好坏。上图所示部件相关参数（未说明部分均采用相关标准）部件名称mzd1涡轮1.61828.82蜗杆1.66203齿轮120204半齿轮1160160根据上表 得传动比i=2.3转速r可达300rmin人脚的轻微力为200N左右，传动机构满足要求，如果所需力过大，可以利用杠杆原理适当加大距离。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。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。粉碎室为铝压铸件，附庸蚀，不生锈。破碎角爪能360旋转，轻巧灵活，粉碎效果更佳。3 产品功能将厨余垃圾倒入处理器中，轻踩踏板，打开水龙头，厨余垃圾被迅速切削、挤压为小块颗粒，随下水道排出，采用透明盖子，当看到处理器中的垃圾排入管道中即可不再踩踏板，操作方便简单。本产品一般的厨余垃圾都能处理，如剩饭菜，鱼骨头，蔬菜叶，果皮，蛋壳，鸡骨头等等，并且不用电机，大大降低了安全隐患，不仅如此，降低成本，节约电力，真正意义上实现了低碳环保。4 创新点解说 目前市场上的家用垃圾处理器都是以电机驱动，存在安全隐患，且成本高，市场平均价格在一千元以上，市场上大部分的家用处理器的电机运转时间是固定的，不能智能化的根据垃圾量来处理垃圾，而我们设计出的垃圾处理器是应用机械原理以人力驱动，大大降低了安全隐患，缩减了成本，并且采用透明盖子，人可以根据垃圾量控制刀盘运转时间，更加智能化。不仅如此，我们优化了瓶颈式细口的入口结构，采用圆筒式的结构，更加便于向处理器里倾倒垃圾。5 独特优势 相对于其它同类产品，此设计采用脚踏作为驱动力处理垃圾，与电机作驱动相比