新农村生活垃圾处理——多功能垃圾机设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321新农村生活垃圾处理多功能垃圾机 40 摘 要本文主要研究的是小型的多功能的厨余垃圾处理机。主要设计了垃圾机的工作功能结构。碎化采用的是类滚筒的设计，其原理是齿轮的啮合带动碎化垃圾。压实中主要的是进料和出了的凸轮式结构。本文的电气控制重点是通过PLC的智能控制来带动机械结构实现垃圾的碎化和压实，还有变频器的应用，减轻人的劳动强度，提高垃圾的收集和处理效率，减少了处理设备成本。因此非常适合应用出海远行的船只和山区农村等垃圾难以收集处理的地方，垃圾机除了其使用价值外，作为减少污染，改善环境的一种工具，它的社会价值、环保价值和人文价值更值得推广。关键词：农用垃圾机，污染治理，厨余垃圾ABSTRACTIn this paper, the study is a small utility kitchen waste garbage disposal. The main design o the structure is the work function of the garbage machine. Fragmentation is a drum-like design, the principle is the meshing of the gear drive fragmentation garbage. Compaction in the main feed and a cam structure. The electrical control focused on the mechanical structure to achieve fragmentation and compaction of the refuse, as well as application of the inverter driven by PLC intelligent control, reduce the labor intensity and improve garbage collection and processing efficiency, reduce the cost of processing equipment . Therefore very suitable for the application of sea travel of vessels and mountainous rural areas, garbage collection is difficult to deal with the place, garbage machine in addition to its use value, as to reduce pollution, improve the environment as a tool, its social values, environmental values and humanistic value worthy of promotion.Key words:rural garbage machine, pollution control, kitchen waste目 录1 课题来源和设计意义11.1 前言11.2 课题来源11.3 垃圾处理的现状22 方案设计72.1 主要设计内容72.2 工作原理及原理图83 机械设计与计算103.1 原动件的选型与定位与校核103.2 碎化功能的实现与机构的设计123.3 压实功能的实现和传动机构的设计153.4 主要部件校核以及相关附件的校核194 电气控制设计264.1 控制方案设计264.2 硬件设计294.3 程序设计325 总结34参考文献35致谢361 课题来源和设计意义1.1 前言目前垃圾的处理方式是焚烧和填埋。无论是哪种处理方式，垃圾的含水量都会影响处理垃圾的效果，水分过多焚烧的燃点就会大大降低，同时水分过多填埋时渗透液就会沿着土壤直接或者间接的污染地下水和就近的生态环境。就这一问题主要的措施有在垃圾收集处或者是在垃圾堆积站使用压实车将垃圾进行初级的压缩，再建立相关或者配套的渠道将渗透液引至城市下水道，但是其效果有限，成本更是巨大。所以垃圾机的出现对垃圾的处理效率有重大意义。就垃圾机的设计，它涉及到机械设计，控制系统设计，传感技术，力学，材料许多基础学科的知识等。它的特点是一键完成垃圾的碎化和压实，还可以通过手动控制垃圾的处理量。使用垃圾机处理垃圾，减少了垃圾的运输重量和体积和垃圾运输的成本，同时将垃圾中的污水剔出单独处理，处理效果和处理效率得到显著的提高。其次垃圾机作为碎化压缩的结合的设备，方便移动使用灵活，其扩展性和可升级性也是其亮点。例如：垃圾的进口可以加入分拣机器手；垃圾的出口也可增设码垛机器手等；污水处理口也可以接污水处理设备，油水分离器等。还有很多很多功能可以加入。同时在垃圾机使用一段时间后，也单独对碎化和压实部分进行升级。本文所设计的垃圾机是用于西藏新农村的建设中，是农村实现垃圾分类处理的一次尝试，同时也是新农村改革在环境保护方面的一次摸索。西藏的环境恶劣，大部分农村身处高原，常年处于是寒冷、缺氧、风大的环境中。怎样在恶劣的环境中完成垃圾的预处理，即节省人力，提高效率，又切切实实的减轻环境污染问题。这就是垃圾机设计的意义之一。1.2 课题来源上海“十二五”援藏资金15.1亿中的第七批项目，具体为定日县新农村建设示范点，13家农户的污水垃圾处理，采用风光互补零碳系统。怎样处理好生活垃圾，又不产生二次污染。西藏的环境是高海拔，高寒，而且农村的基础建设也不是很健全，所以垃圾机设计是一种可行方案。本装置的产业化对分散型水库河道边农舍、度假别墅、新农村建设、安居工程、抗震救灾临时住宅以及流动型房车、船舶、游艇等的环境保护具有重大意义。垃圾处理机不同于以往的垃圾处理方式，坐等垃圾送上门来，而是自己主动上门处理垃圾。垃圾一产生就将其在家门口处理掉。及时，可靠，方便，降低污染和适合在分散居住的农村是垃圾处理机的主要特点。正是这种灵活性和便捷性使垃圾机的市场值得看好。现有的垃圾处理方式已经不能满足人们日益增长的垃圾产量，无论是从处理效率或是处理方式的环保性方面都不符合时代的要求。所以变革垃圾处理方式是符合市场的前进方向。所以多功能的垃圾机在垃圾处理方式的改革方面也未尝不是一次很好的尝试，其前景，市场和价值意义十分重大。1.3 垃圾处理的现状1.3.1 垃圾污染现状餐厨垃圾是指在家庭、学校、机关公共食堂以及餐饮行业的产生的食物废料和食物残余，是城市生活垃圾的重要和主要组成部分，在城市垃圾中所占比例各个城市的比例都不禁相同，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，具有含水量高、有机物含量高、油脂含量高及盐分含量高，营养元素丰富等特点，具有很大的回收和利用价值。 面源污染防治是世界环境保护领域的难题，多年来都没有有效的治理成效，尤其是水源地周围居住点的垃圾污染治理与污水的污染治理，直接或者间接的对人类的生存和生活安全造成了威胁。垃圾的填埋一方面需要占用大量的土地资源，另一方面垃圾场周边的环境也受到严重的影响。尤其是垃圾的渗透液经过沉降、稀释和渗透直接影响到周围生态环境，尤其是地下水和地表水的水质，在长期的干扰下极易受到污染。与此同时，垃圾的运输过程中也有不少问题。在中国垃圾的分类不是十分完善的情况下，可回收垃圾的回收效率很低、不可回收的垃圾污染环境的程度更严重，干垃圾与湿垃圾混合倾倒大大增加了运输成本，同时在运输过程中也产生了二次污染（空气污染等）。除了看得到的影响，还有些是长期调查和取样分析才能显现的。怎样有效的，长久的解决垃圾处理方面的问题是全世界人民在未来几年几十年甚至是几百年都无法回避的共同的难题。1.3.2 垃圾机处理的现有水平和先进性根据我国生活垃圾处理现状分析及对策建议统计，截止至2008年底，在现有大型城市共有填埋场465座，处理能力约占总量的80.3%；焚烧厂90座，处理能力约占总量的15.5%；堆肥厂20座，处理能力约占总量的3.5%；其它处理设施4座，处理能力约占总量的0.7%。在各级县城共有填埋场198座，处理能力约占总量的93.8%；焚烧厂4座，处理能力约占总量的1.9%；堆肥厂6座，处理能力约占总量的2.8%；其它处理设施3座，处理能力约占总量的1.5%9。随着城市化进程的加快发展和城市人口的快速持续的增长，城市垃圾处理方面的问题也在不断的爆发，2009年以来甚至开始呈现愈演愈烈的趋势。 垃圾清运能力已经不能满足垃圾产量，在人们日益要求注重环保的呼声中，其矛盾在不断凸显出来。同时，垃圾处理方式的过分简单化也备受社会各界的诟病。主要是各地纷纷上马的垃圾发电厂在没有细致的论证和排放物检测的情况下，遭到各地居民的强烈反对。垃圾处理方式-目前垃圾处理主要有填埋、堆肥及焚烧三种方法： 填埋处理:垃圾填埋是十分常见的处理方式。因为该方式操作简单、投资少，可以处理的垃圾种类有很多，所以是世界各国各地政府广泛使用和沿用一种方式。从没有控制的填埋，在到有卫生处理方式的填埋，包括滤沥的循环填埋、压缩垃圾式的填埋、破碎垃圾式的填埋等等。 堆肥处理:堆肥是中国、印度等发展中国家处理垃圾、粪便、产生农肥的相当传统的古老的技术，也是当今世界各国都有在使用和利用的一种方法。堆肥是将垃圾、粪便中的有机物集中在一起，利用微生物的作用，进行生物和化学的反应形式，最后形成一种与腐殖质土壤的物质十分相似的物质，作为肥料或改良土壤在农业上广泛的使用。 堆肥技术的工艺相对比较简单，适合于容易腐烂的、有机物质含量相对较高的垃圾处理，可对垃圾中的部分组成成分进行回收和再利用，且处理相同质量垃圾的投资比单纯的焚烧处理大大降低。 焚烧处理:焚烧是指垃圾中的可燃烧的物质在焚烧炉中与氧进行化学反应，通过燃烧的方式可以将可燃性的固体废物氧化分解，达到去除其有毒性、回收释放的能量及在释放过程中获得副产品的目的。几乎所有的有机性废物都可以用焚烧法处理。对于无机-有机混合性固体废物，如果有机物是有毒有害物质，一般也最好采用焚烧法处理，焚烧法适用于处理可燃物较多的垃圾。 垃圾焚烧后，释放出热能，同时产生烟气和固体残渣。热能要回收，烟气要净化，残渣要分解，这是焚烧处理必不可少的工艺过程。采用焚烧法，必须注意不造成空气的二次污染 焚烧处理技术的特点是处理量大，减容性好，无害化彻底，焚烧过程产生的热量用来发电可以实现垃圾的能源化，因此是世界各发达国家普遍采用的一种垃圾处理技术。传统的集中式处理无法处理此类生活垃圾和污水，困难在于收集和运输。因此小型的处理垃圾和垃圾污水的装置目前属于空白状态。现有的处理垃圾的装置不少，处理垃圾污水的也有。但是将其两者结合的甚微。其中技术难点存在，更多的是国人的环保意识不够。只要国人的将环保意识有所提高，技术人员致力垃圾处理机器的研究，就一定能弥补国内垃圾处理的装置领域的空白。多功能垃圾机通过对生活垃圾的分拣、碎化、压缩、打包，以及对生活垃圾产生的污水进行油水分离、消毒除臭、一级处理。普通的垃圾机器就是对垃圾进行一般的碎化或者是压实，对垃圾的前处理不是很到位，对垃圾的后处理也没有十分完善的措施。多功能不仅体现在其功能的多样，还有其可扩展性和替换性。除了垃圾机的主要功能，其他的子功能都不仅与主功能相辅相成，又自成一个子系统。就像手机的储存卡，可以不断的更新扩充。1.3.3 垃圾处理方案比较和分析美国，早在20世纪40年代，美国就已经成功地研制开发出了家庭食物垃圾处理机，解决了倾倒家庭食物垃圾和存放家庭食物垃圾的烦恼。如今美国有百分之九十以上的家庭正在使用这种机器，一些城市甚至强制每户家庭使用。在美国，餐厨垃圾产生量较大的单位必须设置垃圾粉碎机和油脂分离装置，餐厨垃圾经过粉碎机的粉碎后再进入油脂分离装置，碎料被排入下水道，油脂则被送往相关加工厂（如制皂厂）加以利用；餐厨垃圾产生量相对较小的单位，则将垃圾混入有机垃圾中再进行处理（在这里前提是美国的生活垃圾的分类收集实施的比例很高。厨房垃圾必须分门别类放置：塑料制品、铁皮罐头盒、铝罐饮料等扔入黄色垃圾桶；皮纸扔入蓝色垃圾桶；、残羹剩饭等有机物倒入绿色的“生态桶”；剩下的才倒入黑色的普通垃圾桶），近时期的垃圾处理方式的发展则是倾向于向采用堆肥工艺制成肥料或者加工成动物饲料在进行资源化分类回收利用。 日本，餐厨垃圾处理率也达到了百分之三十五以上，日本松下电子工业公司于1993年研制出MS-N40和MS-N31两种厨房垃圾处理机，34h可以处理0.7kg垃圾，机器内部设置了臭氧除臭器，用以除去垃圾中的多种气味。而日本精工公司2000年5月则成功地开发出了能够使用磁控管的食物垃圾处理装置。这种装置最大的特点就是能够将食物垃圾的水分蒸发掉，在将其干燥后磨碎。这种装置采用的是微波处理的方式，可以同时杀灭垃圾中的细菌一并防止产生有害气体，该装置的体积如同复印机一般大小，可放置在室内，底面有轮子可以随意的移动，因此对市区饮食店和小型超市十分合适，具有广阔的市场。但是这种装置耗电量比较大。 近几年，国外市场蓬勃兴起了一种新的有机垃圾处理方式生化处理型餐厨垃圾处理机。根据出料时间和出料量的不同，分为“消灭型”和“堆肥型”。消灭型重在垃圾的减量，适合于居住小区的有机垃圾就地消除，消除臭味，避免蚊蝇的滋生，减少了收集运输过程中的环境二次污染的问题。其原理是将催化剂掺进生活垃圾中，搅拌使分解垃圾的细菌具有活性，经过数小时的搅拌后垃圾被分解成水和二氧化碳。其分解使用的催化剂大多为各公司开发的专利技术。如日本三洋公司推出的餐厨垃圾处理机，采用微生物来分解垃圾，使垃圾转化为水和二氧化碳，其产品更适合用于城市的家庭。堆肥型处理机则是兼顾了餐厨垃圾的减量化和资源化，是一种添加了高效菌种并控制堆肥条件的动态的快速的有机垃圾堆肥器。将餐厨垃圾转变为有机肥料，其基本技术可分为好氧发酵堆肥法和厌氧发酵消化法。并且根据对通风条件、湿度值、搅拌程度、温度的高低的不同控制以及对菌种和菌种的添加方法的不同，可以演变为多种工艺流程。垃圾堆应该被设在堆肥房的屋内，用塑料膜覆盖。无论是室内堆肥或者是室外覆盖堆肥，都应该减少人员直接接触垃圾的机会，进而保护工作人员的身心健康。经过堆肥后的垃圾肥效高、肥效快、肥效稳定、体积少和致病菌少等优点。该方法的不足之处就是必须要将垃圾堆进行间歇性的翻堆，这样才能增加厌氧菌种同垃圾接触的机会，提高垃圾厌氧发酵的速度和效率和确保垃圾处理的效果和进度，尤其是对致病菌的消灭的效率。这种方法的堆肥时间应该在23周以上，才能使厌氧反应进行的较彻底。同样也是非常耗电的一种垃圾处理方式7。 制作饲料是餐厨垃圾的除了焚烧填埋后的第二种大的用途，技术方面主要是高温消毒法和好氧发酵法。如韩国公司通过将微生物菌种集中起来处理分解餐厨垃圾来生产出制造出饲料。餐厨垃圾收集运输后，分拣出的大骨头、汤勺等坚硬的固体废弃杂物，然后垃圾将进入粉碎机被粉碎，在经过高温消毒后，将微生物、碎玉米、糖等各种添加剂充分混合后装入桶直接送往禽畜牧场。一套像这样的完整的垃圾处理系统可处理餐厨垃圾的量在50吨每天，靠出售的饲料的利润就能对这套系统进行维持和运转。据了解，这种微生物不仅能分解垃圾中的食物，还能防止生成的饲料变质，他们正在积极开发“食物残渣加工回收利用”的设备，目的在于是更好地对餐厨垃圾进行回收利用。中国有着悠久的饮食文化传统，各地美味佳肴数不胜数，菜肴中除了肉，蛋，蔬菜等食材外，还有烹制所加入的食用油。也就是说，餐厨垃圾中除了含有大量的有机物外还存在油脂类废弃物，因此，在处理餐厨垃圾时应对废弃油脂采取相应的解决办法。餐厨垃圾中的油脂部分通常在预处理阶段通过油水分离的方式从垃圾中分离出去。这些油脂可以同回收的“地沟油”及废食用油一起，经过化学方法或生物方法处理后转变为生物柴油或其他化工工业原料，可实现较好的经济效益。通过油脂的分离处理利用，既实现了废弃资源的重新利用，产生较好的经济回报，又能够从源头上消除“地沟油”的生产，使得“地沟油”不再回到人们的餐桌上，保证食品安全，避免人们的身体健康受到危害。根据中国的餐厨垃圾的特点:含水量高，有机物含量高。目前，我国的餐厨垃圾主要处置方式是：城市近郊的农民或者个体贩运者通过大的餐饮营业点回收，然后运至城郊的小型饲养场，用以喂养家畜；普通居民产生的餐厨垃圾大部分都混入生活垃圾，作填埋处置。无论哪种处理方式都存在环境影响的问题，而且未处理的餐厨垃圾用来喂养家畜，家畜的健康和质量就很容易受到影响，提高传染病的传播12。中国的餐厨垃圾的解决方法应该是具体问题具体分析，可以借鉴美国和日本的经验，同时也要找出适合自己的国情的解决方案。城市和农村的处理方式也应该是分开讨论，可以相互借鉴。1.3.4 垃圾处理的新方案以上是垃圾处理大的方向上的概述，具体通过什么系统、设备装置怎样去解决完成垃圾处理的环节，本文就是以减少环境污染，降低垃圾对环境和水源地的污染为出发点。垃圾与污水是精密相连的，治理好垃圾污染就能有效的减轻污水处理的压力。就城市污水处理而言。城市污水处理系统的三个处理级别中的第一级，用以去除废水中的漂浮物和部分悬浮状态的污染物，调节废水pH值，减轻废水的变腐程度和后续处理设备的负荷。这一级一般达不到排放标准，所以一般来说是作为预处理，以二级处理为主体，必要时再进行三级处理，从而达到排放标准，补充工业和城市用水。本文的垃圾机就是有预处理而诞生的。具体的处理方式有筛滤法，沉淀法，上浮法，预曝气法。沉淀法主要是通过重力的沉降和分离废水中呈悬浮状态的颗粒污染物。这种方法应用非常广泛，简单易行，分离效果良好。主要建筑物设备有沉砂池和沉淀池。沉砂池的作用是从废水中分离比重较大的砂土等无机颗粒。沉砂池内的污水流速控制到只让比重大的无机颗粒沉淀，而不让较轻的有机颗粒沉淀，以便把无机颗粒和有机颗粒分离开来，分别处置。作为一级处理的沉淀池，通常称为初次沉淀池。其作用有：去除污水中大部分可沉的悬浮固体；作为化学或生物化学处理的预处理，以减轻后续处理工艺的负荷和提高处理效果。上浮法用于去除污水中漂浮的污染物，或通过投加药剂、加压溶气等措施使一些污染物上浮而被去除。在一级处理工艺中，上浮法主要是用于去除污水中的油类杂质。隔油池就是用来分离污水中颗粒较大的油品的。预曝气法:在污水进入处理构筑物以前，先进行短时间（1020分钟）的曝气。其作用为：可产生自然絮凝或生物絮凝作用，使污水中的微小颗粒凝聚成大颗粒，以便沉淀分离；氧化废水中的还原性物质；吹脱污水中溶解的挥发物；增加污水中的溶解氧，减轻污水的腐化，提高污水的稳定度。筛滤法用来分离污水中呈悬浮状态污染物。常用设备是格栅和筛网。格栅主要用于截留污水中大于栅条间隙的漂浮物，一般布置在污水处理厂或泵站的进水口，以防止管道、机械设备及其他装置的堵塞。格栅的清渣，可采用人工或机械方法。有的是用磨碎机将栅渣磨碎后，再投入格栅下游，以解决栅渣的处置问题。 最后一种方法给了我启发，可以使用机械或者电气控制来达到自动的研磨、打碎垃圾从而减轻污染，也为污水处理提供便捷6。2 方案设计2.1 主要设计内容(1) 碎化部分的动力源，传动机构和执行机构。主要是电源的选型，传动类型的选择（齿轮传动、链传动、涡轮蜗杆等）和碎化执行机构是齿啮合粉碎还是离心分离等。(2) 压实部分的动力源，传动机构和执行机构。主要是电源的选型，传动的选型和执行机构是齿条齿轮还是螺杆螺纹等。(3) 滚筒轴上的配件设计轴承盖，轴承等(4) 压实仓的上、下板的联动设计。压实结构的设计，校核等。说明：污水设备使用的是上海华业污水处理设备，本论文不做设计。垃圾处理总流程： 生活垃圾 瓶子类 网兜（定期回收）滚动进入人工丢入垃圾进料口不可碎化垃圾污水可碎化垃圾碎化装置 杂物箱（定期处理）油水污水油水分离 碎化箱 压缩装置 集中焚烧（定期回收）油水罐 一级污水处理装置 排放或者回用（定期回收）图2-1 多功能垃圾处理机处理流程由于多功能垃圾机的处理对象主要是含水量较多的厨余垃圾，所以在垃圾的收集方面就要做好垃圾的分类工作，尽量减少不可碎化、压缩的垃圾（如金属、石头等）和不易压缩碎化的（如大块的骨头等）。这里可以进行人工的分拣，和网兜形式筛选掉不易处理的垃圾。垃圾污水处理，垃圾机主要是将垃圾碎化后的污水有收集罐收集后，由管道引向污水处理设备。因为现在的小型污水设备市场上还是有些比较成熟的，例如华业的污水处理设备，其污水处理的方式和方法有其创新性和先进性，与垃圾机的结合算是功能的互补吧。当然这部分本论文不做具体设计，只是选用华业的ACFB反应式污水处理设备。垃圾压缩后的处理方式有很多种，这里就举例一种垃圾的焚烧。经过碎化、压实后的垃圾，汗水量降低，其燃烧值升高，燃烧效率也大幅提高。这样垃圾机的价值也就体现在这。2.2 工作原理及原理图对象：生活垃圾（重点是厨余垃圾）场合：分散型农户、别墅、房车、船舶、部队哨所、旅游景区目的：将厨余垃圾进行初步的固液分离，分离出的污水由污水处理设备处理，分离后的固体垃圾经压实后运输（减少垃圾的重量和体积）。原理：首先是对要处理的垃圾进行手动的分拣，将可视的不可回收的金属，木块等还有体积大的骨头剔除，减少机器故障不能工作的几率，将垃圾倒入设备上的一个网格，经网格的筛选后，进入滚筒箱，经由滚筒进行碎化，滚筒是一对相互啮合的带齿轮的圆柱筒，垃圾进入啮合区，受到挤压进而将水分挤出。之后，垃圾受重力作用滑到出口，出口板由一电机带动凸轮带动，受PLC控制其开闭。凸轮的形状决定了上盖打开和关闭的时间，这样就可以使垃圾机连续的工作。在电机带动板开时碎化垃圾落入方形的盒子中，再由电机带动螺杆将其压实，由接近开关的信号决定进给量。最后由电机带动下板，将压实垃圾落入收集槽。由设计参数和参考市场上的功能相似的产品，得出处理流程图3-2，从而构思设想得出原理图。设计思路为顺序处理垃圾，先碎化、后压实。碎化和压实的过程中相应的要将污水引到过滤槽，实现固液分离。由于驱动是电机驱动，所以选用滚筒碎化的方式，主要是考虑其工作稳定和工作效率可靠。压缩部分采用PLC控制。图2-2 碎化和压实原理结构简图污水进出水出油臭氧+活性炭臭氧消毒过滤桶油水分离桶沉淀桶图2-3 污水处理原理图污水的一级处理主要是沉淀杀菌，油水分离，过滤消毒。本论文不做设计，此处选用上海华业有限公司的污水处理设备。该设备原理图如图3-3，在使用效果上很有建树，处理能力十分显著。3 机械设计与计算外形尺寸初定为8060100(长宽高cm)，外形的设计主要是由其适用场所和处理量决定的。100cm的高度使操作者方便加入垃圾，长和宽主要是其体积不能过大，处理量要适中，提高处理和使用效率。由于是用在农村等偏远的地区，对象基本是农村的阿姨等妇女，不能太高，外形要能使使用者方便使用。3.1 原动件的选型与定位与校核由给定参数：适用场合：西藏日喀则新农村示范点，13户，50人左右。处理量：人均日产3kg垃圾 总共150kg生活垃圾。经研究调查数据得出：厨余垃圾的压缩率在19左右。取150kg垃圾为例，经过初步的碎化、压实得到的污水为130kg，同时得到20kg的固体垃圾。根据要求，碎化时转速为1r/s,碎化力1000N。机架总体设计100cm分为四段滚筒定位支架30cm电机1支架40cm电机2支架20cm收集槽支架10cm碎化电机：Y132S-4，P=5.5kw，n=1500r/min压实电机：Y80M1-4，P=0.55kw，n=1500r/min凸轮电机：Y80M1-4，P=0.55kw，n=1500r/min3.1.1 碎化电机的校核 表3-1 电机选型表n=1500r/min电动机型号额定功率/kW满载转速/(r/min)Y80M1-40.551390Y100L2-431420Y132S-451440 根据电机的选型表选用方法。碎化电机暂选Y132S-4进行验算：计算加在电机轴上的总转动惯量对于钢制轴、轴承、齿轮、联轴器等圆柱体对自身回转轴的转动惯量J计算公式： （3-1）式中：D为圆柱体的直径（mm），L为圆柱体的长度（mm）。传动件折算到步进电机轴上的转动惯量计算公式为： （3-2）式中：i为电机轴到传动件的传动比滚筒 l=300mm ，R=170mm （3-3） （3-4） 大齿轮R1=260mm，l1=35mm 小齿轮R2=60mm，l2=40mm 各部件折算到电机上的转动惯量 （3-5） 电机上的总转动惯量JN （3-6）电机的轴的转动惯量Jm小于10-3kgm-2，可以忽略不计。计算加在电机轴上的负载转矩TM。本设计中，近似地认为加速速规律按直线规律加速（实际上是按指数规律加速），假定从静止转过360需时1s。角加速度的计算 （3-7） 传动效率的计算由于摩擦阻力不考虑，其他环节的摩擦按传动件传动效率考虑，取 （3-8）最大加速转矩Tamax （3-9）Tamax=0.386.28/0.9604=2.48Nm负载转矩TM矩TM= Tamax=2.48Nm （3-10）TMFN=1000N(碎化力)由于空间的限制需要加入传动机构，不仅加大转动，同时也增大传动比，减少了转速，一举两得。3.2.1 滚筒的设计机械零件的强度设计分为静应力强度和变应力强度两个范畴。应变化的次数小于103的通用零件均可按静应力强度设计。(1) 材料的疲劳强度设计材料的疲劳强度一般由实验得来。实验的结果主要有两种表达方式。第一种是图2-4描述的在一定的应力比r下，疲劳极限max与应力循环次数N的关系曲线。第二种是图2-5描述的在一定的循环次数N下，疲劳极限的幅值max和平均应力m的关系曲线。滚筒的疲劳曲线选用第一种，因为这样方便计算同时也方便校核。滚筒的作用是碎化作用，质地要很坚硬，初步选材为45钢。中等尺寸钢的零件N0=5x106，N=2x106，r =241MPa。 （3-12）图3-1 材料疲劳曲线一图3-2 材料疲劳曲线二假设滚筒的工作时的输出力为1000牛，滚筒间的硬物与滚筒齿的接触面积为1cm。滚筒所受的应力为 （3-13）rN(2) 齿廓的选择：生产实际中结合设计、制造、安装和使用方面的诸多要求(如强度、效率、磨损、寿命、互换性)，通常选用的定传动比齿廓曲线有渐开线（involute）、摆线和圆弧。由于渐开线齿廓具有制造容易、便于安装、互换性好等多方面优点,所以滚筒采用渐开线齿廓。齿形的选择：齿轮的失效形式，较为常见的有轮齿的折断、工作齿面的磨损、点蚀、胶合及塑性变形等。滚筒的作用就是碎化垃圾，经常会碰到较为坚硬的骨头，杂物等，其失效形式主要是齿面磨损。所以采用的措施是采用闭式齿轮。齿形主要分为直齿、斜齿和人字齿。根据要求可选择的是直齿，这样方便垃圾进入啮合区，同时也减少了轴向的应力变化次数。(3) 滚筒齿数模数的选择：由滚筒的尺寸和工作对象，暂选为m=15，z=20。滚筒的本质是齿轮，所以校核其是否符合要求，主要校核齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度。(4) 齿根弯曲强度校核：齿轮在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳值是最重要的。所以要进行齿根弯曲强度的校核。表3-2 材料弹性系数取值表ZE 单位MPa1/2小齿轮材料大齿轮材料钢铸铁灰铸铁钢1898188.9162铸钢-188161.4灰铸铁-143.7YFa齿形系数，YFa=2.8；YSa应力校正系数，YSa=1.55；K载荷系数，K=1.3；Ft正应力，Ft=1000N；b齿宽，b=300mm；d1公称直径，d1=300mm； （3-14）F=380MPaF F(5) 齿面接触疲劳强度ZE弹性影响系数ZE=188MPa1/2；ZH区域系数ZH=2.5； （3-15）H=550MPaHH经验算滚筒的齿数和模数的选择均达到齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度要求。3.3 压实功能的实现和传动机构的设计3.3.1 尺寸设计尺寸主要是压缩空间的长宽高，由设计原理而定，因为在垃圾经过初步的碎化后，其含水量大幅减少，压缩率也同时降低，有经验得大致在1/23/4之间，同时为了使压缩更加充分，加入了压力感应器。未压缩时，各活动壁构成的空间大小270100140（LWH）mm3。压缩后空间为27025140（LWH）mm3。3.3.2 传动设计由于受到空间的限制，压缩传动机构使用的是螺杆传动。螺杆的公称直径d为20mm，模数m为2mm，螺杆的直径主要是受联轴器的部分限制，其次是受到压实板的整体尺寸的限制。3.3.3 螺杆设计垃圾机的压缩部分采用的是螺旋传动。螺旋传动是通过螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要将回转运动转变为直线运动或者将直线运动转变为回转运动，同时传递运动和动力。根据螺杆螺母的相对的运动关系可以分为：螺杆转动螺母移动或者螺母转动螺杆移动。本文的设计是螺杆由电机通过联轴器的连接带动转动，螺母作直线移动，同时螺母带动压实板进行压实动作，从而将碎化后的垃圾近一步风压实。根据螺旋传递用途分为：传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。传力螺旋：它以动力传递为主，要求以较小的转矩能够产生较大的轴向推力，用以克服在工作中工件的阻力。这种螺旋装置一般承受很大的轴向力，一般选用间隙性工作，每次工作的时间也较短，工作速度不高，通常带有自锁的能力。传导螺旋：它以运动传递为主，有时承受较大轴向载荷，如机床的进给螺旋装置。传导螺旋一般需要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，要求较高的传动精度。调整螺旋：它用以调整、固定零件的相对位置。根据螺旋传动的螺旋副的摩擦性质不同分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋15。根据要求螺杆选择为：运动方式为螺杆转动螺母移动；用途是传力螺旋；摩擦性质是滑动螺旋；螺杆的主要功能参数暂选为公称直径d=24mm，矩形螺纹，螺距P=8mm，牙高h=4.1mm，螺杆的材料是45钢，螺杆传动的原动机是Y80M1-4,P=0.55kw,n=1500r/min。表3-3 螺旋传动常用材料螺旋副材料牌号应用范围螺杆Q235、Q275、45、50材料不经热处理，适用经常运动，受力不大的传动螺母ZCuSn10Pl材料耐磨性好，适用于一般传动螺杆的校核根据螺杆的传动类型、工作条件及失效形式等，选择不同的设计准则，不必逐项进行校核，要分清主次，主要满足相关的强度要求即可。(1) 耐磨性的计算滑动螺旋的磨损程度与螺纹工作面上承受的压力、螺纹间相对的滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中主要的是螺纹工作表面上的压力，表面压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。所以耐磨性的计算主要是限制工作表面压力p小于螺纹材料的许用压力p。F螺杆的轴向力，F=1000N；A螺纹的承受面积，A=d/4=314mm；d2螺纹的中经，d2=20mm；h螺纹工作高度，h=4mm；P螺纹螺距，P=8mm；H螺母高度,H=80mm；u螺纹工作圈数，u=H/P=10；图3-3 螺旋副受力 （3-16） p=1000/(3.14202410)=0.02MPap=7.5-13MPapp(2) 螺杆的强度计算螺杆工作时承受轴向压力F和扭矩T的作用。螺杆危险截面既有压缩又有切应力。因此校核螺杆时，应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力ca。F是螺杆所受的轴向压力，F=1000N；A螺杆的螺纹段的危险截面面积；WT螺杆螺纹段的抗扭矩截面系数；T螺杆所受扭矩；螺杆材料的许用应力，=71MPa；S 材料的屈服强度，45钢的S=355MPa； （3-17） （3-18） （3-19）ca=3.88MPaca表3-4 滑动螺旋副材料的许用应力螺旋副材料许用压力/MPab螺杆钢s/(35)螺母铸铁-455540钢-(11.2) 0.6(3) 螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙一般多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，所以只要校核螺母的强度即可，当螺杆和螺母的材料相同时，故应该校核螺杆螺纹强度。b螺纹牙根部厚度，矩形螺纹b=0.5P=4mm；D螺纹大经，D=20mm；l弯曲力臂，l=2mm；螺母材料的许用切应力；b螺母材料的许用弯曲应力；危险截面的剪切强度条件为 （3-20）=1000/(3.1420410)=0.398MPa （3-21）危险截面的弯曲强度条件为 （3-22）=610002/(3.1420410)=1.19MPa （3-23） Ss3.3.4 凸轮的设计(1) 凸轮的外系设计根据功能的要求，凸轮分为四部分:压实上板打开入料在关上，压实电机工作压实，压实电机后退下料，压实电机回到起始位置。根据压实板运动的行程：各个动作凸轮转过的角度就能得出为60，90，150，60。R=150mm，r=150-100=100mm，厚度根据电机安装的尺寸，总体审计的尺寸而定，暂定b=20mm。(2) 滚子的设计滚子通过滚子杆连接压实上板，通过螺纹连接。螺杆长度由压实版左端与电机轴线的距离而定l=550mm，直径16mm，底部螺纹是M=10mm。3.4 主要部件校核以及相关附件的校核3.4.1 直齿齿轮初步拟定已知条件为：传动比i=5，n=60 r/min，工作寿命为20年（每天工作5小时，一年工作360天）(1) 选定齿轮类型、精度、材料、齿数按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。由于该减速器传动功率不大，所以小齿轮选用材料为45Cr，经调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS。选取精度等级为7级（GB10095-88）。选取小齿轮齿数Z1=100，大齿轮齿数Z2=1005=500。(2) 按齿面接触强度计算设计进行试算。确定公式内各计算数值。载荷系数Kt=1.3。确定小齿轮传递转矩，由于所选电机Y132S-4的最大静转矩为T1=19.1Nm。取齿宽系数d=0.5。查得材料的弹性影响系数。查得大、小齿轮的接触疲劳强度极Hlim1=600Mpa, Hlim2=550Mpa。计算应力循环次数 （3-27） （3-28）根据应力循环次数查得接触疲劳寿命系数为：KHN1=0.96 ， KHN2=0.98。计算接触疲劳许用应力 ：取失效概率为1%，安全系数S=1。 （3-29） （3-30） 试算小齿轮分度圆直径d1,代入中较小的值 （3-31） 计算圆周速度V （3-32） 计算齿宽b计算齿宽与齿高比b/h模数mt （3-33）齿高h （3-34）b/h=22.59/2.025=11.15计算载荷系数：根据V=3.5m/s，7级精度，查得动载荷系数：KV=1.04；由于所设计的齿轮为直齿轮，查得7级精度未经表面硬化齿轮：KHa=KHa=1；查得使用系数为，均匀平稳状态：KA=1；查得7级精度，小齿轮悬臂布置时：KH=1.16由b/h=11.15, KH=1.16查的KF=1.18。故载荷系数为： （3-35）K=11.041.16.1.18=1.42 按实际载荷系数校正做得分度圆直径d1 （3-36）计算模数m （3-37）(3) 按齿根弯曲强度设计进行弯曲强度试算。查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500Mpa，FE2=380Mpa。查得弯曲寿命系数KFE1=0.95，KFE2=0.99。计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数s=1.4 （3-38） （3-39）计算动载荷系数K：K=11.0411.18=1.23 查取齿形系数Z1=100时， YFa1=2.06 ；YSa1=1.97 Z1=500时， YFa2=2.06 ；YSa2=1.97计算大、齿轮的并加以比较 （3-40） （3-41）取小值。设计计算 （3-42）对比计算结果，可由齿面接触疲劳强度，取模数为标准值m=1mm。 (4) 几何尺寸计算计算分度圆直径d （3-43） （3-44）计算中心距a （3-45）计算齿轮宽度B （3-46）3.4.2 轴承轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件