厨房食物垃圾处理机结构设计【含CAD图纸、说明书】
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厨房食物垃圾处理机结构设计摘 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，其性能直接影响着厨房食物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：食物；垃圾；刀盘；永磁电机IIAbstractAccording to the characters of food garbage, the paper design a new device一kitchen food garbage disposal. For the kitchen food garbage disposal, the motor and cutters are crucial parts, so the paper mainly discusses them.Through analyzing mechanical, the article figures out liquid resistance and liquid pressure; we obtain resistance of trash when it be smashed. because the garbage in our country own different rigid and stickiness, so the cutter is made up by fasten-cutter, swing-cutter and rotation cutters .In this paper, electric machine has features that it star frequency and work intermittence. For it is crucial for the device, so it is important to choose a appropriate motor. Now, we decide to apply permanent magnet direct current motor, the magnetic pole of permanent magnet direct current motor is a permanent magnet material, it is excellent in simple structure: small volume, powerful output and high efficiency.In this paper, Compared to foreign machine, improve crush efficiency through alter the structure of combination cutters, then, decrease the cost .Keywords：Food； Garbage； Cutters； Permanent magnet motorIII目 录摘 要IAbstractII目 录1第1章 绪 论31.1厨房食物垃圾处理的紧迫性31.2厨房食物垃圾的特征及其危害41.2.1厨房食物垃圾的特征41.2.2厨房食物垃圾的危害51.3食物垃圾处理的方法51.3.1卫生填埋51.3.2焚烧51.3.3堆肥61.4食物垃圾处理器的发展及应用现状61.5课题目的和研究意义71.5.1课题目的71.5.2研究的意义71.6方案论证81.7本章小结8第2章 厨房食物垃圾处理器的设计92.1厨房食物垃圾处理器的可行性分析92.2厨房食物垃圾处理器的工作原理及组成102.2.1厨房食物垃圾处理器的工作原理102.2.2厨房食物垃圾处理器的组成112.3粉碎刀盘组合刀具结构设计122.3.1刀具基本尺寸的确定122.3.2粉碎刀盘的力学分析及材料的选择122.3.3粉碎刀盘的强度校核152.3.5粉碎刀盘的结构设计182.4本章小结18第3章 驱动电机的结构设计193.1驱动电机的选择193.1.1电动机种类的选择193.2其它部分设计223.3厨房食物垃圾处理器的装配223.4本章小结23结 论24致 谢25参考文献26第1章 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的同时，也在追求厨房的整洁、卫生和科学化。然而，人们在厨房精工细作时，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135亿吨/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，我国生活垃圾的每日处理量只占了生活垃圾生产总量的45%，有近一半的生活垃圾不能及时处理而随意堆置，吃剩的食物残渣和作料等常常倒入洗涤盆的下水管内，如果不能及时处理这些，这些食物垃圾就会堵塞下水道，并且在下水道内变质，发出臭味，滋生病菌，会增加疾病传播，还会引来老鼠、飞虫等有害动物，严重污染家庭和公共场所环境，给生活带来许多麻烦，严重的影响着人类的身心健康和生活环境。同时，中国的人均耕地面积不足，远远低于世界人均耕地面积的水平，可是全国未处理就堆放的生活垃圾达到60亿吨，占用土地约50万hm2，严重的浪费着宝贵的土地资源，也对土地有着极强的污染。在水资源方面，中国是世界上的缺水国家，全国六百多座城市中有四百多座城市缺水，其中一百一十座城市达到严重缺水的程度，每年，垃圾中的的重金属含量和滋生的细菌病菌无时无刻不在污染着我国的水源。在我国，对于生活垃圾地处理主要采用的技术是填埋技术，但是由于填埋的技术不过关，会在处理垃圾的过程中出现二次污染的现象，同时也耗费这大量的资源和金钱，严重影响着人们的正常生活环境。由于垃圾产量的增长，我国的城市发展已经受到了影响，目前对于垃圾处理的问题，已经引起了政府的高度重视，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，根据我国的生活垃圾特性，研究开发出新的较为有效的处理技术已经成为了重中之重。近几年来，由于人类生活水平的提高，生活垃圾的成分也产生了很大变化。集中供热和煤气的广泛应用，使垃圾成分中煤灰的比例大为减少，而食物垃圾的数量却越来越大，占城市生活垃圾总量的一半，并呈上升趋势。在一线城市里，每日产生的食物垃圾(如剩菜剩饭)等已经占据生活垃圾总量的一半以上。不过从不同角度来说，食物垃圾的性质也有些不同，从环境保护方面来说，食物垃圾污染着我们的生活环境，是一种很强大的污染，但是若从资源角度来看，它却是一种可再生资源，这些被丢弃的有机物可以通过生物技术变为优质的有机肥料，清除有机物后，把它们进行焚烧可以发电，对我国的电力资源是一种缓解。具有生态环境效益和社会效。表1为上海市1988-2000年生活垃圾成分调查统计以及20052015年预测。表1 1988-2000年上海市生活垃圾成分调查统计及2005-2015年预测值年份产生量有机垃圾（）无机垃圾（）纸类塑料竹木布类厨余果类金属玻璃渣石19882404.302.991.941.6870.6110.941.022.913.6119903014.264.191.441.1470.0512.040.103.742.9119933358.367.541.891.9761.0911.080.724.741.8619953726.5011.211.472.1756.6611.990.913.812.2919974548.0511.781.442.2458.0612.030.584.001.8220006418.0213.931.432.8154.6612.840.854.151.26200570910.8313.211.933.2162.370.835.452.70201086312.8212.982.494.4158.760.985.641.922015105015.4412.62.865.2855.780.875.361.79通过该表可见，在上海市的生活垃圾中，有机易腐败的垃圾成分(厨房垃圾)和可燃成分(纸张、塑料橡胶、织物等)占有很大比重，其中厨房垃圾是生活垃圾中有机垃圾的主要成分，而无机垃圾成分是在持续下降的。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厨房垃圾是居民在生活消费过程中形成的生活废物，居民区、饭店、各种企事业单位的食堂是其集中排放的场所。尽管厨房垃圾的组成、性质和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、饮食结构、季节变化的不同而有所差别，但具备如下总体特征：1.高含水率：厨房垃圾的含水率高(水的质量分数大于80%)，这给其收集、运输和处理都带来很大的难度。垃圾渗滤水可通过地表径流和渗透作用，污染地表水和地下水，而且由于厨房垃圾单位质量的热值在2100kJ/kg左右，不能满足垃圾焚烧发电的热值要求。2.易腐烂：厨房垃圾中有机物含量高(约占干物质质量的95%以上)，易腐败发臭，易滋生病菌，会造成疾病的传播。3.营养丰富：除了有机物含量高之外，厨房垃圾还富含氮、磷、钾、钙以及各种微量元素，具有营养元素齐全、再利用价值高的特点。厨房垃圾的以上特征表明，一方面具有较高的利用价值，另一方面必须对其进行适当的处理，才能得到社会效益、经济效益和环境效益的统一。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。1.2.2厨房食物垃圾的危害食物垃圾对环境的危害可以说是相当严重，长期堆积会引来害虫，老鼠等有害动物，增加疾病传播。一旦进入水中，会污染江河湖海，会引起水中生物的死亡，破坏生态平衡。变质后产生的气体也会污染空气，对人类的生活会造成各种不良影响。食物垃圾也是威胁城市居民身体健康的重大病菌的产生源头。国外权威微生物实验室对食物垃圾(泔水)中微生物进行检测的结果显示，泔水中有沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、结核杆菌等，这些细菌都是具有强烈感染性的致病菌，一旦在环境中扩散传播将对人体健康造成很大威胁。而一些农村、城市郊区的饲养户普遍用食物垃圾(泔水)饲养畜禽，这样一来，食物垃圾中的致病菌等有害物质会通过食物链转移到人体，危害人体健康。同时，食物垃圾中的油脂也是“地沟油”的主要来源。人们在食用后会发生头痛、呕吐、腹部疼痛及肠胃道疾病；废弃食用油脂经过反复油炸后，含有大量致癌物质，如苯并芘、黄曲霉素等，长期食用会导致慢性中毒，容易患上肝癌、胃癌、肠癌等疾病。所以如果能够从根源上有效处理和缓解食物垃圾不仅是保护了我们共同的家园，更重要的是保护我们自己及家人。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卫生填埋卫生填埋，是指对城市垃圾和废物在卫生填埋场进行的填埋处置。为防止对环境造成污染，根据排放的环境条件，采取适当而必要的防护措施，以达到被处置废物与环境生态系统最大限度的隔绝，称为固体废物“最终处置”或“无害化处置”。固体废物最终处置途径可归纳为两种：陆地处置与海洋处置。经验证明，陆地填埋处置是最终处置城市垃圾最经济有效的方法，这种处置方式是基于环境卫生角度，因而又称为“卫生填埋”。原理：为了防止填埋废物与周围环境接触，尤其是防止地下水污染，在设计上除了必须严格选择具有适宜的水文地质结构和满足其他条件的场址外，还要求在填埋场底部铺有一定厚度的黏土层或高密度聚乙烯材料的衬层，并具有地表径流控制、浸出液的收集和处理、沼气的收集和处理、监测井及适当的最终覆盖层的设计。特点：在操作管理上必须严格限制危险废物入场处置，要对每天填埋的废物进行压实覆盖，并特别要注意封场后填埋场的维护和管理。1.3.2焚烧焚烧法是将垃圾置于高温炉中，令其燃烧充分转化为氧化物，燃烧产生的热量还能加以利用，例如供暖，发电。目前较为先进的垃圾转化能源系统可将湿度较高垃圾干燥来焚烧，焚烧效率非常高，达到95%以上。同时，焚烧炉表面的高温能将热能转化为蒸汽，用于各种方面。焚烧的优点是减量效果好，对垃圾的处理彻底，处理过程中还能对产生的能量进行利用。不过缺点也很明显，垃圾中含有的某些重金属燃烧后具有毒性，会对空气进行二次污染，并且采用焚烧的方法代价昂贵，必须使用助燃剂，而助燃剂也是一笔不小的费用。所以，目前焚烧的方法在我国并非主流。1.3.3堆肥将生活垃圾堆积成堆，保温至70储存、发酵，借助垃圾中微生物分解的能力，将有机物分解成无机养分。经过堆肥处理后，生活垃圾变成卫生无味的腐殖质。既解决垃圾的出路，又可达到再资源化的目的，但是生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏，所以，堆肥的规模不易太大。发达国家的垃圾处理原则是这样的：首先是尽可能进行回收利用，其中包括尽可能对可生物降解的有机物进行回收利用如堆肥处理和厌氧消化处理；其次是尽可能对可燃物进行焚烧处理；最后是对不能进行其他处理的垃圾进行填埋。原理：利用微生物对垃圾中的有机物进行代谢分解，在高温下进行无害化处理，并能产生有机肥料。1.4食物垃圾处理器的发展及应用现状中国是世界上人口最多的国家，中国有13亿的人口，饮食消费数量巨大，加上传统不良的饮食习惯，再伴随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，生活垃圾的数量急剧增长，并以每年8%10%的速度递增。另一方面，中国垃圾无害化处理率却不到6%，环卫清运能力仅达60%。大量的垃圾在城市郊区堆积如山，以致全国有三分之二的城市深陷垃圾围城，而其中半数以上为食物垃圾。每年在餐桌上的浪费惊人。以通常每万人每天一吨的餐厨垃圾量计算，每天的餐厨垃圾就有13万吨之多，一年就有5000万吨餐厨垃圾白白地浪费，也给垃圾处理行业带来了巨大的压力。为此，通过食物垃圾处理器处理厨余垃圾的方法逐渐走进了人们的视野。在国家不断倡导节能减排、环保第一的口号下，垃圾处理行业迫切需要更给力的垃圾处理方式，这也意味着其中蕴含了巨大商机。在中国各行各业竞争激烈的情况下，唯一市场硝烟稀少的垃圾处理行业，备受各类投资者关注。3月1日，国内首部以立法形式规范垃圾处理行为的地方性法规北京市生活垃圾管理条例正式实施，其中明确规定“本市鼓励净菜上市，提倡有条件的居住区、家庭安装符合标准的厨余垃圾处理器。”同时，上海也出台了上海市城市生活垃圾分类设施设备配置导则(试行)，旨在有效推进生活垃圾分类，促进生活垃圾源头减量，鼓励“在区域排污管道具备条件的地区，新建的全装修住宅内，应配置厨余果皮(湿垃圾)粉碎机；其他具备条件的住宅，同时鼓励安装食物垃圾处理器。”应用现状：在国外，食物垃圾处理器已经得到了较广泛的使用，欧洲的普及率达到了70%，美国则高达90%以上，垃圾处理器几乎成为厨房内必备的用品。而目前，在国内，随着消费者生活习惯的改变，消费者正在接受食物垃圾处理器。且如今，80后对新鲜事物的接受程度越来越高。据在中国27个大中城市的调查统计，有84.3%的被访者对自家餐桌的食品安全表示担心，同时更有92%的被访者愿意付出额外的代价换取家庭环境的健康保障，更有高达99%的被访者愿意付出额外的代价解决每天下楼丢弃垃圾的烦恼，这也是当前食物垃圾处理器市场火爆的原因。厨房食物垃圾处理器是一种现代化的家用电器，能够快速解决掉易腐烂变质的餐厨垃圾，从而改善消费者的生活方式。食物垃圾处理器它能够采用全新的方法来处理现代家庭中的食物垃圾：残羹剩饭、肉鱼骨刺、蔬菜、瓜皮果壳、蛋壳、茶叶渣、咖啡渣、小块玉米棒芯、禽畜小骨等，避免食物垃圾因储存而滋生病菌、蚊虫、蟑螂，减少厨房异味，从而有效促进家人健康、优化家居环境，并彻底解决下水道容易堵塞的问题。食物垃圾处理器之后，下水道油脂积累情况会得到明显改善，垃圾袋的使用量也会明显减少，同时也因为带来更清洁卫生的厨房环境让消费者的健康更有保障。事实上，通过广泛使用食物垃圾处理器，还有更大的好处：能明显净化居家环境与公众环境；能有效缓解大量食物垃圾减少城市垃圾处理站的压力；来自食物垃圾处理器的处理物不会明显增加污水处理厂的处理量。这些都让食物垃圾处理器的普及应用成为一种发展的必然，也是时代的一种进步。1.5课题目的和研究意义1.5.1课题目的依据我国目前情况来看，研制厨房垃圾预处理装置厨房食物垃圾处理器，可以使人们在家中即可对厨余垃圾进行简单处理，减少厨房垃圾对人类的危害，对生活环境的影响也将大大减小，也实现了城市生活垃圾的减量化。1.5.2研究的意义随着社会的发展，科技的进步，人们的饮食水平在不断地提高，但与此同时到来了就是食物垃圾问题，食物垃圾不仅破坏环境，还对人们的身心健康有害。因此，厨房食物垃圾处理器就显得尤为重要。它不仅能快速干净的处理掉食物垃圾，还能产生大量宝贵的可再生能源。目前，它已经成了家家户户必不可少的家用电器。在越来越快的科技以及经济的发展下，人们的生活发生了质变的发展，同样的，在文明发展的同时，环境问题的困扰也日益严重，许多城市渐渐出现了垃圾围城的状况，那么面对越来越多的垃问题，我们应该如何来解决经济迅速发展的背后，从而导致的这些一连串的垃圾围城的问题。在城市化进程中，垃圾作为城市代谢的产物曾经是城市发展的负担，垃圾围城的现象曾在世界上许多的城市发生。而如今，垃圾却成为了最具潜力的能源，被称为“放错地方的资源”。这既是对垃圾认识的深入和深化，也是城市发展的必然要求。其体积小巧，适于安装在水槽之下，不会造成任何妨碍。它不同于粉碎机，里头有高速的旋转电机，可将食物垃圾研磨成细小的颗粒，随同自来水通过排水沟管道进入下水道，使用多年也不用疏通下水管道。随着环境问题逐渐被重视，节能、环保成为各国的发展主题，已经开始为垃圾处理提供产业发展的机会。全世界垃圾年均增长速度为8.42%，而中国垃圾增长率达到10%以上。全世界每年产生4.9亿吨垃圾，仅中国每年就产生近1.5亿吨城市垃圾。中国的垃圾量占全世界总值的五分之一。在如此情况下，很明显可以看出，厨房食物垃圾处理器的前景将非常的好，目前我国的垃圾处理市场正在走向成熟期，相信在众多方面的努力下，将会越来越好。1.6方案论证方案一：设计的机器利用活动齿盘和固定齿盘间的高速相对运动，使被粉碎物经齿冲击、磨擦及物料彼此间冲击等综合作用获得粉碎。这种机器结构简单、坚固、运转平稳、粉碎效率良好，被粉碎物可直接由主机磨腔中排出，粒度大小通过更换不同孔径的筛网获得。机壳内壁全部经机加工达到表面平整光滑，改变了老机型内壁粗糙、粉尘堆积的现象，但是作为食物垃圾处理器我们需要的是占地面积小，便于连接，同时耗电量能被一般家庭所接受。方案二：设计的机器工作原理在刀盘高速旋转时，被处理物不会与刀盘同步旋转，从而产生一个速度差，加上离心力对被处理物的作用，使被处理物与刀盘的运动又不同向，这样，依靠内齿环和端齿环及高速旋转刀共同对被处理物的破碎，撕拉等作用，使食物垃圾迅速变为35mm颗粒。垃圾处理器由投入口、粉碎室、驱动电机和排污口四部分组，驱动电机为处理器提供动力来源，粉碎室内装有多重多向粉碎功能的粉碎刀盘，是食物垃圾进行粉碎的场所，驱动电机和粉碎刀盘是垃圾处理器的关键部分，直接影响垃圾处理器的使用效果，这种机器更加适合我国的食物结构和住宅特点。避免了目前同类产品完全采用交流电机、国外进口电机、选用昂贵材料的做法，使机器的制造和使用成本降低，满足一般家庭的使用需要。因此，我们决定采用第二个方案。1.7本章小结本章通过介绍厨房垃圾处理的紧迫性，分析了厨房食物垃圾的特征及其危害，研究出食物垃圾处理的方法以及处理器的发展及应用现状，领会课题目的和研究意义并列举出方案进行论证。第2章 厨房食物垃圾处理器的设计2.1厨房食物垃圾处理器的可行性分析固体垃圾的破碎装置有碾磨、剪切、粉碎等多种方式，这是固体垃圾处理的预处理阶段。本文所要设计的厨房食物垃圾处理器就是利用粉碎、剪切等方法把厨房食物垃圾快速粉碎成3-5mm的颗粒状，通过下水装置排入污水管道系统。排入污水管道的垃圾，其颗粒越小或密度越接近于水的密度，则颗粒不会沉淀。据上海市环境研究所和美国宾夕法尼亚的环境工程研究院最近联合调查显示，经美国挚通公司的U系列食物垃圾处理器处理过的食物垃圾在单位体积内的分子数平均低于水分子的含量，食物垃圾的沉淀量少。废水由高处依靠重力作用以一定的流速流入污水管道系统。由于在进行污水管道的水力学设计时，其原则是：不冲刷、不淤积、不溢流、要通风。所以在我国规定，污水沟道的最小流速为0.6m/s。被粉碎到一定粒度的颗粒进入下水道后，在此流速下完全可随水流沿城建管道送入生活污水处理厂进行处理。食物垃圾处理器的工艺流程图如图2-1所示：220V交流电源水旋转电机食物垃圾食物垃圾处理器粉碎室粉碎刀 组5的颗粒流入下水道污水处理厂图2-1 食物垃圾处理器的工艺流程图荷兰有人在荷兰选取一些老城区做的研究表明：在设计的城市管道容量下，不会堵塞排水管道，而目前，我国现在正在增加城建管道的容量，广泛使用塑料管道，增加了管道的耐腐蚀性，加大污水厂的处理能力等各项措施，都有利于食物垃圾处理器进入千家万户。但是，由于国外情况与我国并不完全相同而且食物垃圾处理器对人们来说还是一个新事物，所以它能否被人们所接受，大量使用后的状况如何等问题还需要进一步去验证。厨房食物垃圾经过处理器后会变为破碎状，破碎后的颗粒随水流动，在此过程中，有可能被管道上的障碍(如污泥，石子等)所阻挡而滞留，这时有机颗粒依靠厌氧菌群和兼性菌群进行厌氧发酵。这一过程极为复杂，原因在于参加此反应的微生物过多所致。一般可分为两个阶段，碱性发酵和酸性发酵。其中在酸性发酵的过程中，淀粉、纤维素等碳水化合物遇水分解，成为单糖，蛋白质水解成氨基酸，再经脱氨基作用形成有机酸和氨。脂肪水解后形成脂肪酸和甘油，并进一步分解形成各种低级的有机酸。产氢和产乙酸菌群把上述水解发酵产物又再一次分解为氢、乙酸和二氧化碳。在产甲烷菌群的作用下，生成二氧化碳和甲烷，最终完成对有机废物颗粒的消化过程。其中流入生活污水处理厂的有机颗粒可作为营养元素作为肥料，亦能对污泥进行提供营养。2.2厨房食物垃圾处理器的工作原理及组成2.2.1厨房食物垃圾处理器的工作原理厨房食物垃圾处理器就是把废弃食物倒入水池，随水流下，落入粉碎室内腔的转盘1上。盘中短柱轴2上装有两只可动破碎角爪3，盘上下各有一把三角形粉碎切刀4，其根部相连。前部短片呈齿爪状，位于垂直方向有夹角的个平面内。盘上可动破碎角爪与盘下粉碎刀组成旋转刀组如图2-2所示。粉碎室内壁由两个半圆圈组合成一体，并且包裹住转盘，但留有一定的间隙。它与转盘之间有一定间隙。半圆圈如图2-3所示。图2-2 旋转刀组图A-A图2-3 半圆圈图转盘由下部高启动转矩永磁电机驱动高速旋转，依靠内齿环和端齿环及高速旋转的刀共同对被处理物进行破碎，撕拉等作用，通过固定刀组与旋转刀组实现多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、鱼肉碎骨、果壳、蛋壳、剩饭、剩菜、蔬菜皮、咖啡渣、茶叶等废弃物通过切、敲、磨、捣、撕等多重机械粉碎迅速变成微小颗粒,与水混合成糊状浆液，使食物垃圾迅速变为35mm颗粒，随水流冲入下水道。这种垃圾处理方式不会阻塞化粪池，使食物残渣容易清理，厨房环境更加清洁。2.2.2厨房食物垃圾处理器的组成设计的厨房食物垃圾处理器主要有入口部分、粉碎室、驱动电机和排污管组成，食物垃圾处理器工作原理如图2-4所示。 图2-4 食物垃圾处理器工作原理图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固定刀组和旋转刀组，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转盘上盘中短轴上装有两只可动锥形破碎角爪，盘上有菱形粉碎刀，盘上可动破碎角爪与固定粉碎刀组成旋转刀组。粉碎室内壁四周嵌有套装成一体的由内齿环和端齿圈组成，作为固定刀组的齿形碾磨环，它与转盘之间有一间隙，转盘由永磁电机驱动高速旋转，通过固定刀组与旋转刀组实现多重多向粉碎功能。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5mm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。其中驱动电机和粉碎刀盘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。2.3粉碎刀盘组合刀具结构设计2.3.1刀具基本尺寸的确定食物垃圾处理机的最关键部件就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E=200GPa，泊松比=0.3，密度=7.8t/m。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114mm，只是在轮廓上有大小、深浅之分。经计算确定了刀盘的直径：d=114mm，厚度：t=3mm。2.3.2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bi的方向与圆盘成角。F径向=bisin切应力的径向分量 F径向=bisin (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， F离=2r (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2r成比例，即： bisin=2r (2-3)即： bi=2 r/sin应力的周向分量 F切周=bicos (2-4)按其量级可表示为 bicos = / (2-5)圆盘的旋转速度等于旋转角速度乘以圆盘的半径=r所以 bicos=r/ (2-6)将式(2-3)代入式(2-6)得： 2 rcos/sin=r/由实验可知：与半径无关，为一个常量，则化简上式得： 2=/r (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=/ =(/)1/2 (2-9) 将式(2-9)代入式(2-3)得： bisin=2 r由于为常量，所以 bi=(/)1/2r bi=r(/)1/2转矩M与bi面积力臂成比例 M=r4(/)1/2对于半径为r和周向速度为V的圆盘，其系数为3.87/2，且=/r，故阻力矩为M=3.87/24(/)1/2 =3.87r31/2v2/r(/vr)1/2依据食物垃圾迅速变为3-5mm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 n=3000r/min =r =2n/60r =23.1430000.057/60 =17.90m/s使用计算旋转圆盘上流体阻力矩的公式： M=3.87r31/2v2/r(/vr)1/2 (2-1) =3.870.5731.01031.792(1106/17.90.57)1/2 =0.1103NM由此可以得出，流体阻力矩 M=0.1103NM由公式 M=Fr (2-11)得： F1=M/r =0.1103/0.057 =1.9N所以流体阻力为： F1=1.9N(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 F2=11.5N.粉碎刀盘、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：厨房食物垃圾处理器的关键部件之一是组合刀盘及刀片。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2-1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。根据表2-1的分析可以看出，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。表2-1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(t/m3)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2.3.3粉碎刀盘的强度校核粉碎刀盘受到循环载荷的作用，能发生疲劳破坏。刀盘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-N曲线或疲劳极限来衡量。-N曲线如图2-5所示。图2-5 -N曲线对于钢材来说，-N曲线有一条水平渐近线max=R，这意味着当R时，试件经受有限循环会发生疲劳破坏；当maxR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：0.25R/LA0.5材料1Cr13的抗拉强度LA=540MPa，进行保守估计，我们取的R下限：R=0.25LA =0.25540 =135MPa即：R的最小值为135MPa计算盘max：设在距圆心为处取一微面积dA，其上内力dA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2-5 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I表示，所以 (2-14)将式(2-14)代入式(2-13)得： max=max=Mx/I圆盘上最大的应力应在截面周边各点，故=max代入： 盘max=Mxmax/I (2-15)根据材料力学知识，对于实心圆轴的极惯性矩：I=d4/32其中d为圆轴横截面的直径。 F离=m2R =d2/4h(2n/60)2R =7.753.140.05720.15(19.7/0.057)20.057 =66.67N F合=F离+F2+Fcos90 =66.67+11.5+1.9cos90 =78.2N将公式 Mx=F合R (2-16)代入式(2-15)得： 盘max=Mxmax/I =F合R2/d4/32 =321678.2/3.140.05732 =41.4MPa可见 41.4135即 盘R依据-N曲线，当盘maxR，时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏，设计中刀盘满足强度要求。2.3.4刀片的强度校核由于刀片与刀盘都绕固定轴旋转，运动形式相同，所以校核方法相同。依据-N曲线，只要当刀片的盘maxR时，刀片满足强度要求。设计中，刀片的半径 r=0.035m速度 v刀片=r =2n/60r =23.143000.035/60 =11m/s则依据公式(2-10) M刀片=3.87r31/2v2(/vr)1/2 =3.870.03530.51.0103112(110-6/110.035)1/2 =0.0158NM因为： M刀片=F刀片r故流体对刀片阻力： F刀片=M刀片/r=0.158/0.035=4.5N又因为： F离=m2r =d2/4h(2n/60)2r =15.42N F合=F离+F2+Fcos90 =26.92N将公式 Mx=F合r代入式(2-15)得： 因为 35.3135所以 刀片maxPw，且留有余量取Pd=1.2Pw按以上参数的选择，我们最终选取电机的技术数据如下：转速：3000r/min，功率：390W， 电压：220V，电流：2.4A，重量：3kg。这种永磁直流电动机采用铁氧体永久磁铁激磁，铁氧体的化学组成用。表示，其中M为Ba,Sr,Pb中的一种或两种以上的二价金属离子，材料分为各向同性和各向异性两类。它的矫顽力高，时效变化少，不含镍、钻等元素，价廉，原材料丰富。永磁直流电动机设计时采用了一些特殊技术：1.磁钢径、轴向聚磁以加大极弧面来提高气隙磁密，从而提高出力及快速响应能力。2.采用不均匀气隙设计和磁钢极尖削角来保证对负载电流引起的电枢反应有良好的抑制作用，提高线性度并降低功耗。3.电机槽和换向片，极弧宽度和齿槽的合理配合以达到减小转矩波动、噪声，保证平稳运行。本此设计的电机体积小，重量轻，寿命长、噪声低，有换向性能，零部件通用化程度强等特点，系封闭自冷式。而目前在市场上的同类产品都为国外进口电动机，不仅价格昂贵，而且零部件配套难，维修困难，给顾客的使用带来不便。3.2其它部分设计厨房食物垃圾处理器的其它部分的设计为非主要部件，主要包括：投入口、排污口等。由于我所设计的产品是实验产品，没有能力进行加工，也没有必要加工，所以非主要部件的制作主要选用标准件。排污口由弯管法兰、橡胶密封圈和排水弯管组成。排水弯管被弯管法兰固定在处理器上，橡胶密封圈起密封作用，为防止垃圾残渣残屑和水分的外泄。食物残渣等垃圾是由投入口进入垃圾处理器的。它的主要组成是缘铆合件、防溅罩、装配环、支撑环、水槽凸等几部分。装配环、支撑环与水槽凸缘铆合件直接相接。水槽凸缘铆合件的上半部分安装在洗涤盆的下水口，水槽凸缘铆合件的下半部分通过螺纹与支撑环连接，装配环的卡槽与垃圾处理器的卡锁连接。在衔接中分别起密封作用的是有橡胶密封垫圈、石棉垫圈和垫圈。由于食物垃圾在粉碎过程中容易贱出，所以增加一个防溅罩以防止这种情况。磨碎机外壳的设计也是需要攻克的难点之一，根据其独特的安装位置(在洗涤盆下，空间狭小且污杂潮湿)和安装形式(必须采用立式、卧式达不到理想的效果)。因此外壳必须选用质量好的轻料，它需要具有耐腐蚀，不生锈等特点。所以满足以上要求的材料优先选择塑料，但塑料成型时，需要必须先制造模具，由于模具制造价格较高，制造模具相应地提高了磨碎机的成本；因此，我们选用不锈钢做成一个法兰筒，套住电机，上盖则用采用尼龙棒材料以减轻重量，这样不但外观美丽，而且也非常安全，同时又保护了电机25。粉碎室为铝压铸件，附庸蚀，不生锈。钥制电镶的粉碎盘坚固附用。破碎角爪能360旋转，轻巧灵活，粉碎效果更佳。电机和粉碎室之间设有水封，防止水流入电机。锁定装配改进为旋转快速镇定设计，使安装更便利、快捷。电机装有过电流保护器，能确保使用安全。3.3厨房食物垃圾处理器的装配依据图纸，对加工后的零件进行安装。其中，研磨刀盘与电动机相连，电动机电源从外壳底下引出。组合式刀盘上有各种大小高低不同的短轴柱，分别装有摆动刀和用于粉碎的刀片，放入粉碎腔中，在粉碎腔内壁装配有两种齿环，分别是内齿环与端齿环。壳体1和壳体2用螺钉进行连接。排水弯管套上垫圈和弯管法兰用螺钉固定在排污口出。用于支撑的支撑环套在装配环中与水槽凸缘铆合件用螺纹进行连接，水槽凸缘铆合件压在洗涤盆口，装配环用卡锁与处理器相连。防溅罩和堵塞安装在水槽凸缘铆合件内。控制电路中的电器元件在电路板上焊接，固定在垃圾处理器上。安装时需注意：1.在安装支撑环和装配环之间的弹性垫圈时，需要提起装配环，将弹性垫圈(大头向下)的内槽与水槽凸缘底部凸边卡住。手指沿弹性垫圈边缘轻轻压下，不能太用力。弹性垫圈装好后，可将装配环放下，盖住弹性垫圈并可以轻松的转动。2.装配环与处理器相连时，先将处理器对准固定装置的下端，再将处理器的卡锁插入装配环中，向右转动大约6毫米，使处理器暂时卡住，转动装配环和处理器，直至处理器的排污口和排水管道对准，向右转动装配环，直到拧紧，处理器的卡锁拧入装配环最左端的卡锁槽内。3.在与洗涤盆相连时，先顺时针拧动装配环，使装配环与处理器分离。将装配环升至水槽凸缘，移出弹性垫圈，再取出装配环，将螺口支撑环从水槽凸缘上拧下，再取下纤维垫圈，将剩下的水槽凸缘和橡胶垫圈插入水池的排水口中，最后，从水池下面滑上纤维垫圈和螺口支撑环拧紧。3.4本章小结本章主要是电
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