食物垃圾处理器设计

前言1.1课题背景根据国家统计局发表的数据显示，截至2023年，常驻人口数量达到500万以上城市已经有29个，常驻人口数量超过1000万的城市有11个。随着城市化建设的全面铺开，各种待解决的社会问题也随之而来，其中尤以环境保护问题最为迫切。城市生活垃圾已经成为现代城市最主要的污染源之一，生活垃圾的不当处理会造成环境污染、生态失衡，甚至威胁人类的身体健康，如何正确对待并解决生活垃圾减量化、资源化目标成为现代化城市建设的必由之路。随着我国经济水平的迅猛提升，人们在满足温饱的基础上，开始愈发注重改善生活条件与生活质量，尤其是在饮食方面的要求日益提高。这一需求的增加使现在社会中各类餐饮产业也在不断地发展，发展水平也在不断升高，像实体餐馆产业的增多以及各种外卖平台的活动开展，产业之间相互产生了更多的竞争。但是对于环境的发展来说，很多餐馆商家对厨余垃圾的处理却毫不留意，很多厨房中的垃圾被随意地扔到不规范处理垃圾的地方，慢慢导致很多地方的环境越来越差，严重影响着社会的稳定和人们的生活质量REF_Ref31080\r\h[1]。在全球，城市垃圾同样造成着各种各样的环境影响，但是随着经济水平得不断发展，各国都开始重视城市垃圾给人类带来的危害，垃圾总量成下降的趋势，回收垃圾处理等方面得能力也在提升REF_Ref31390\r\h[2]。目前来说，焚烧和填埋是全球处理城市生活垃圾使用最多的方法REF_Ref32765\r\h[3]，但是这种处理方式会造成资源的浪费以及环境的污染。本文章中所研究设计的食物垃圾处理器可以安全便捷的解决这个问题，通过粉碎处理对厨余垃圾进行有效的处理，通过这一方式，可有效减少食物垃圾在运输、清理环节中造成的环境污染，减轻其对人类生存环境的生态危害。1.2厨余食物垃圾处理器的发展及应用现状1.2.1国内现状我国总人口数量位居世界首位，约占全球总人口的五分之一，人口规模优势显著。由于我国人口众多，人们每天在餐饮方面的花销也很大，近年来，我国餐饮业发展迅速，消费者外出就餐的频率显著提升，这一趋势也大大推动了我国经济的迅速增长。然而，许多餐厅的食物生产习惯都不太好，不注意食物垃圾的安全处理，从而产生了许多危害环境的现象，并且市场上的食材种类很多，食材的需求量也很大，这就造成了各种生活垃圾的增多。我国生活垃圾年产量不仅基数庞大，近年来更呈现出迅猛的增长趋势，甚至已经达到了将近每年百分之十的增长速度，在城市生活垃圾的总量上涨的同时，垃圾成分也在进行改变，厨余垃圾和有机塑料在逐渐上涨REF_Ref249\r\h[4]，所以非常常见的是在一些郊区周围会出现很多垃圾堆积成山的现象，垃圾堆积问题会直接导致城市美观大幅下降，同时对空气、土地生态造成持续性污染。面对日益严重的垃圾处理问题，人们的环保意识也在逐步提高，各国政府纷纷开始注重垃圾处理问题，并积极出台其相关的垃圾分类政策，如中国2019年开始在46个城市执行垃圾分类入法政策。这使得居民处理厨余垃圾的成本和难度增加，而食物垃圾处理器能够帮助居民快速处理厨余垃圾，符合政策导向，有望得到更多政策支持和推广。国家提出倡导节能减排、环保第一的口号，并在北京颁布了我国首例关于垃圾处理的规范地方性法规《北京市生活垃圾管理条例》REF_Ref31080\r\h[1]，对各个垃圾种类进行解释，对其标准进行了详细的界定，旨在有效推进生活垃圾分类，促进生活垃圾从根源减少REF_Ref409\r\h[5]。据我们在国内中大城市中所做的调查显示，有七成以上的家庭都在为食品安全问题感到担忧，更有将近百分之九十五的人为了自己和家人的健康希望每年不用出家门就可以安全、快速便捷的处理好厨余垃圾。关于上述问题，研究发现利用食物垃圾处理装置可以很好地解决目前关于厨房中垃圾处理等问题，能够便捷解决掉厨房中的过期、腐烂的食物和在加工过程中产生的其他垃圾。经调查研究，常金攀REF_Ref24646\r\h[6]所设计的渐变螺旋结构餐厨垃圾处理器的核心是固液分离以及油水分离，其分别通过螺旋挤压、盘式油水分离器与气浮的方式，集粉碎、螺旋、挤压油水分离、自动化一体，并对结构进行了仿真分析评估了可行性。王凯REF_Ref24705\r\h[7]通过对原有食物垃圾处理器等进行优化改良，使其更加符合人们的生活习惯，从而改良食物垃圾处理器的使用现状。两种设计方法在厨余垃圾处理分析中都具有一定的适用性，但在具体应用时需要根据实际情况选择合适的方法。我国对于环境保护问题的密切重视关注，在国内许多城市展开试点测试工作，并取得了不错的成效REF_Ref468\r\h[8]。在厨余食物垃圾处理能力方面，我国与其他发达国家还有一定的差距，无害化处理垃圾的能力还需要进一步提高，仍需根据社会和人们的需要加以完善，例如提高食物垃圾处理器的研磨能力、静音、价格高昂、技术成熟度以及适配性问题等，这些仍然可能没有满足消费者便捷使用的需求，需要让企业根据消费者提出的使用痛点，不断进行本土化、国民化的创新研究，才有可能让食物垃圾处理问题得到更好的优化发展REF_Ref1891\r\h[9]。目前，国家与高校合作共同研发了利用多种微生物发酵技术原理的厨余食物垃圾处理设备，这些设备同时开展研究，并取得了明显的成果。图1-1、1-2为智能餐厨就地处理工艺和设备图。图1-1智能餐厨设备处理食物垃圾流程图图1-2智能餐厨设备图1.2.2国外现状日本通过厨余垃圾与废纸混合两相发酵制备燃气技术来实现有机废弃物资源化以及能源化转化率双提升REF_Ref1921\r\h[10]，以及开设厨余垃圾发电厂和严格立法实施垃圾分类制度，通过出台政策以及技术双结合，达到垃圾处理的良好改善。在上世纪40年代，西方国家政府对食物垃圾处理系统开始重视起来，并且逐步开始在各个地区普及应用，为了能将食物垃圾处理系统纳入厨房的必备用品，许多国家政府还专门制定了相关的法律法规，据不完全统计，垃圾处理系统全球总使用量超1000万户。美国的垃圾处理体系更加完善一些，1995年就有垃圾焚烧发电站121座，装机共326万KW，平均每吨垃圾发电660KW·h，这除了垃圾发热量的因素外，还得益于将垃圾进行预处理后，可燃物再粗加工为固型燃料，其发热量可达20MJ/kg，既便于运输，又可合理燃烧和减少污染物的排放REF_Ref16146\r\h[11]。自2000年后，美国人均垃圾产生量呈下降趋势，但仍是我国的两倍多，其产生的生活垃圾有机材料占大部分REF_Ref1944\r\h[12]。但是美国在各个州之间建立起了独立的相关政策，根据各个州之间独立的特点来实行不同的政策方式。欧洲同样也很重视厨余垃圾的处理和再利用，并针对厨房产生的各种垃圾，专门制定了一系列回收处理的制度。例如丹麦禁止对垃圾进行填埋的处理，防止垃圾进一步污染土地和腐烂后的食物产生的各种有害气体污染空气；德国是最早开展垃圾分类以及回收的国家，其采用不同颜色的垃圾桶来对不同的垃圾进行分类处理，统一回收统一分类REF_Ref1983\r\h[13]。1.3研究意义目前全世界的垃圾正以每年超过10%的速度增加。全世界每年制造产生的垃圾多达5吨，作为一个人口大国，中国一年就产生将近2吨的垃圾，接近全球产量的1/5。由此可以看出，厨余垃圾的规范化处理在今后将是一个非常重要的产业发展方向，并且随着国内垃圾处理市场规模的逐步完善壮大，环境也会变得更加美丽，维护好生态自然平衡。目前生活中常见的垃圾处理方式有三种：填埋、焚烧、堆肥等REF_Ref2002\r\h[14]。但是调查研究和实践证明，这样的处理方式不仅会造成资源浪费，甚至还可能会对环境造成二次破坏。据统计，我国城市生活垃圾中食物垃圾的占比高达40%-60%，而最主要的垃圾处理方式是集中填埋，大量的填埋不仅会占用土地资源，造成土地资源的短缺和自然生态环境的破坏，且食物垃圾中可能残留的重金属的超标物质会有害于环境，填埋的食物垃圾在厌氧环境下还会产生大量渗滤液（含高浓度有机物、重金属等）和甲烷气体。渗滤液易污染地下水和土壤，甲烷则是强温室气体（温室效应强度为CO₂的25倍）。研究显示，我国每年因厨余垃圾填埋产生的甲烷排放量占全国总排放量的3%-5%；焚烧可能会产生各种有害气体，比如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，造成空气环境污染REF_Ref2025\r\h[15]；未经过任何处理的厨余垃圾若直接作为饲料使用，很容易引发家禽传染性疾病，并可能人们在食用后引发人类间的传染。因此目前多个城市均已出台相关法规，明文禁止此类处置方式。所以，与上述的三种处理方式相比较，建立一种安全便捷的关于食物垃圾处理的方法就显得尤为重要，而食物垃圾处理器的研究与推广是解决城市垃圾问题的重要突破口，兼具环境效益、社会效益和经济效益。其存在的意义不仅在于源头减量和污染控制，更在于推动形成绿色生活方式、优化城市治理体系，并为低碳经济和循环经济发展提供新动能。未来需进一步去完善技术标准（如粉碎颗粒度对污水处理的影响）、配套政策（如污水处理费调整机制）以及公众教育，以促进该技术的规模化应用，让更多人接受并积极使用。结合当前垃圾处理现状和人们的实际需求，设计一台结构合理、使用方便的食物垃圾处理器，并符合《废弃物污染环境防治法》和《循环经济促进法》提出的“减量化、资源化、无害化”原则，是一种较为理想的解决方案。2食物垃圾处理器方案的确定2.1食物垃圾处理器参数和标准的确定结合调查结果，并根据高校食堂厨余垃圾种类多、数量大等特点，设计一台符合相关标准的食物垃圾处理器，有助于提升垃圾处理效率，减少环境污染，同时推动校园绿色环保建设。其设计参数如表2-1所示：表2-1食物垃圾处理基本参数参数各参数取值一次性处理量200L搅拌量40kg/min搅拌轴转速120r/min传动减速比8单次搅拌处理时间60s单次搅拌处理量20kg处理周期24h所设计的食物垃圾处理器需满足以下设计准则：（1）符合国家标准要求，符合厨余食物垃圾处理规范。（2）设备体积合适，大小适用于所处环境，在设计当中不能只去考虑独特创意，要有合理的设计思维。（3）通过对机器的高度、食物垃圾处理器的处理准确性、工作流程的快捷性等需求，要尽可能地去减小人工操作强度，提高机器的工作效率。（4）设备便于拆卸、清理和维修，避免出现腐蚀等情况，使用寿命长。2.2方案的对比和确定根据调查研究发现，对于卧式厨余食物垃圾处理设备来说，由于罐体是采用水平放置的结构，设备整体的体积较大，占地面积也相对较大。主要有以下三点特点：第一，其搅拌轴呈横向布置，结构相对简单，受力分布均匀，支撑点位于搅拌槽的两侧，能有效分散负荷，避免将载荷集中在底部，提高了设备的承载能力；第二，水平结构的接触面积大，转矩也较大，因此在运行时效率较高，性能更稳定；第三，设备的进出口分开布置，有利于密封处理，减少气味和泄漏问题。这类设备常用于垃圾处理量较大的场所，如学校食堂和大型餐馆等，如图2-1所示：图2-1卧式厨余食物垃圾处理器设备图立式厨余食物垃圾处理器因为结构紧凑，整体负载集中在底部支撑点上，因此承载能力有限，不适合处理大量垃圾。它对密封性的要求较高，结构相对复杂，通常通过离心力对垃圾进行粉碎处理。但在粉碎效果和效率方面相较于卧式设备存在一定差距。因此，这类设备更适用于处理量较小的场所，如家庭厨房或小型餐馆，如图2-2所示：图2-2立式厨余食物垃圾处理器设备图2.3整体方案的确定根据以上两种设备对比卧式结构更适合应用于高校食堂的食物垃圾处理器。其主要由驱动电机、搅拌粉碎机构和带传动机构等组成。其中电机经减速机通过带来带动粉碎机里的主轴转动，粉碎机主轴上装有交错式粉碎刀盘叶片，通过旋转来粉碎放入的食物垃圾，粉碎后的食物垃圾经下料口流出，可进一步用于发酵、养料等，实现食物垃圾的绿色循环利用。2.4工艺流程通过阅读文献和调研发现，相比家庭和餐饮行业，高校食堂的厨余食物垃圾具有种类较为集中的特点。其中，谷物类所占比例最高，有机物含量大，杂质和塑料制品较少，整体成分较为单一。根据调查，蔬菜、肉类/鱼类、谷物和其他成分的比例大约为3:1:5:1。针对高校厨余垃圾来说，可以采取机械粉碎的方式，使其高效地处理。首先，研究其工作原理，即食物垃圾从入料口进入粉碎机构，电机带动粉碎刀盘进行转动，随着刀盘的转动，食物垃圾在刀盘的转动下被剪切，最终被破碎，经下料口流出后，便于进行下一步发酵等绿色处理。食物垃圾处理器主要由驱动电机、粉碎机构和带传动三部分组成。驱动电机为粉碎刀片提供动力，通过减速器后再通过带传动带动粉碎刀片旋转。粉碎机构内部的转轴上安装有粉碎刀盘，是垃圾被粉碎和研磨的主要部位，也是整个设备中最核心的部分，其粉碎效果将会直接影响处理效率以及处理效果。因此，本文将重点对粉碎机构和传动部分进行分析与设计，其主要结构如图2-3所示。图2-3食物垃圾处理器主要结构图2.5本章小节通过对厨余食物垃圾处理的现状分析以及市场调研，初步确定了厨余食物垃圾处理器的方案确定和总体框架的规划，结合技术规范、政策要求及用户需求方面整体考虑，从实际出发，从需求到调研到设计到三位一体的研究框架，不仅解决了用户需求以及环境资源破坏等痛点，更为垃圾分类化处理提供了有力的推动支持，具有显著的环境效益与产业化应用潜力。3电机的选定3.1电动机的选择与电动机参数的计算3.1.1电动机参数的计算1、计算电动机功率：电动机在传动时所需要的总体功率：电动机在工作时，电机轴和滚筒之间的传统效率可以通过如下计算公式来获得： （3-1）式中：查阅相关资料可以得到上述参数的具体数值为、（8级精度）、（深沟球轴承）、。通过上述参数可以进行电机在进行传动时候的传动总效率为：2、计算作用力：式中：3、计算扭矩： （3-2）式中：F——扭力其单位为N；R——作用半径，其单位为m；4、计算电动机的功率： （3-3）式中：n——转速rap/min，n=960rap/min所以需要的电动机的使用功率计算得电动机的额定功率需保证。查阅关于电动机的使用手册，选择本装置中使用的电动机的使用功率为0.75kw。5、电动机转速计算和电动机选型：通过对电机类型进行分析，确定设备所使用的搅拌轴工作时需的转速为120rap/min，且减速箱的减速比i为8。公式为：根据《机械设计》中的相关数据，选取圆柱齿轮传动的减速器传动比为8。由此可得，在设备工作状态下，电动机的输入转速范围应控制在700~1600r/min，以确保经过减速后，输出端能够满足粉碎机构所需的合理转速。查阅相关资料，满足上述使用要求的电动机转速有三种，分别为950、1600和1700r/min。3.1.2电动机型号的选择表3-1电机型号参数方案电机型号额定功率kw电机转速r/min传动效率％同步转速满载转速1Y80M-20.7530002830872Y80M-41.115001390903Y80M-60.751000860754Y80M-80.5575063093通过比较以上参数，并对目前市场上常见的电机型号进行调研，最终选定了一台三相异步电机，型号为Y80M-6电机，工作时的额定功率为0.75kw。如图3-1：图3-1电动机模型图3.2单级圆柱齿轮减速机的结构设计和计算3.2.1减速箱机构的选择在机械工程中，减速结构是一种应用广泛且至关重要的基础机构，其主要类型包括齿轮啮合结构和蜗轮蜗杆结构。齿轮啮合通过齿轮之间的咬合实现降速，而蜗轮蜗杆结构则依靠蜗杆与蜗轮的相对运动来完成减速。齿轮传动结构在实际使用中形式多样。从结构方式来看，常见的有由平行轴组成的普通结构，也有以行星轮为核心的组合结构；从齿形来看，主要有直齿轮和斜齿轮；根据传动级数，还可分为一级减速和二级减速装置。与齿轮传动相比，蜗轮蜗杆机构在运行过程中容易产生较大噪音，同时零件磨损较快，影响使用寿命。因此，在对设备性能和耐久性要求较高的场合，更适合选用齿轮结构。直齿轮结构对啮合精度要求较低，制造较为简单；斜齿轮虽然精度和使用寿命更高，但结构相对复杂，多用于大型设备中。综上所述，本文设计的食物垃圾处理器选用单级圆柱直齿轮减速结构，既能满足性能需求，又具备较高的实用性与可制造性。图3-2减速机结构图3.2.2齿轮基本参数和尺寸的计算本设计中选择的齿轮类型为直齿轮，选择主动轮齿轮材料为40Cr，齿面硬度280HBS；从动轮材料为45钢，齿面硬度为240HBS。齿轮的模数选择为3，选用8级精度，齿数选择为z1=50，z2=1(1)压力角的选择通过查阅相关的资料可知，直齿轮分度圆上的压力角选择为20°。(2)按齿面解除疲劳强度设计1.由式试算小齿轮分度圆直径： （3-4）试选载荷系数KHt=1.6。计算主动轮传递的转矩：选取齿宽系数。根据机械设计手册查取区域系数ZH=2.5，弹性影响系数ZE=189.8MPa。计算解除疲劳强度用重合度系数：端面压力角：端面重合度：重合度系数：接触疲劳许用应力：查得主动轮和从动轮的接触疲劳极限分别为.。应力循环次数：主动轮应力循环次数：从动轮应力循环次数：查取接触疲劳寿命系数：KHN1=0.89、KHN2=0.92。取失效概率为1％，安全系数S=1，得：取许用应力较小的值作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即：(3)计算小齿轮分度圆直径：圆周速度v：齿宽b：计算实际载荷系数KH：由机械设计手册查得使用系数，且v=1.2m/s、8级精度，动载系数。齿轮圆周力计算：查阅机械设计手册齿间得载荷分配系数为1.2。(4)计算分度圆直径由分度圆计算公式，通过公式来计算两个齿轮的分度圆直径的大小为：(5)两齿轮齿顶直径式中：ha∗——齿轮的齿高系数，查阅机械设计计算两个齿轮之间的齿根圆的直径：式中：ca∗——齿轮在径向上的齿轮间隙系数，查阅机械设计手册得径向间隙系数为0(5)计算两齿轮的基圆直径(6)计算中心距：(7)计算齿轮宽度：(8)校核齿根弯曲疲劳强度：齿根弯曲疲劳强度条件： （3-5）根据齿数查机械设计手册得齿形系数和应力修正系数为：YFa1=2.66，YSa1=1.59YFa2=2.17，YSa2=1.83计算实际载荷系数KF：载荷分配系数则载荷系数为：计算齿根弯曲疲劳许用应力：查得主动轮和从动轮的弯曲疲劳极限分别为：取弯曲疲劳寿命系数：取安全系数S=1.4，得：齿根弯曲疲劳强度校核：齿根弯曲疲劳强度满足要求。图3-3减速机主动轮图3-4减速机从动轮3.3V带传动的设计（1）选择带型如图3-5选取。图3-5电机功率转速/带轮转速图设计电动机设每天工作8h，取工作系数KA=1.1，根据计算和分析，取电机的使用功率为0.75kw以及尺寸的小带轮转速为120r/min，得出选择A型V带，故：（2）确定带轮的基准直径并验证带速查阅相关资料得带轮的基准直径一般为112～140mm，本设计取根据公式：计算带速：满足的要求，故验算带速合适。（3）中心距离确定由式，，选取所以有：查阅资料可以查得实际中心距：由式 （3-6）可知，中心距的变化范围为476~546mm。（4）验算小带轮上的包角（5）确定带的根数z通过查阅相关资料取，查表3-3得查机械设计课程得表3-2包角修正系数小带轮包角a/°180175170165160155150145140135130125120Ka1.000.990.980.960.950.930.920.910.890.880.860.840.82计算带的根数根数取3根。（6）计算单根V带的初拉力由表3-4得A型带的单位长度质量，所以（7）计算压轴力（8）V带轮设计据上述计算和调查，带轮选择铸铁，铸铁的材料选HT250，模型如图3-6：图3-6V带轮的模型4粉碎机构的设计与计算4.1粉碎刀盘叶片结构的设计与计算4.1.1粉碎刀盘叶片基本尺寸的确定在本文设计的厨余食物垃圾处理器中，粉碎刀盘叶片是关键部件，其结构设计会直接影响粉碎效果。由于粉碎叶片在工作中需长时间接触各种湿润、有腐蚀性的厨余垃圾，因此材料选择非常重要。粉碎叶片必须在高强度使用和持续摩擦的条件下保持良好的性能，不易变形，并具备良好的防锈能力。为满足上述要求，选用的材料密度为，泊松比为μ=0.3，弹性模量E=200GPa，具有较高的强度与刚性，适合粉碎叶片的使用环境。根据预估的搅拌量为25kg/min，初步设计采用两组搅拌轴，对厨余垃圾进行挤压和粉碎。拟定搅拌叶片直径为173.2mm，搅拌轴与箱体平行布置，叶片数量为12层，安装于搅拌装配体内。每片叶片的厚度设为30mm，并将在此参数基础上进行后续详细设计。4.1.2粉碎刀盘叶片的力学分析及材料的选择Ⅰ.粉碎刀盘叶工作时的载荷计算：当食物垃圾进入粉碎机后，粉碎刀盘叶片需长期承受与垃圾接触产生的载荷，同时还会受到腐蚀等外界因素的影响。因此，在设计中必须从多个方面考虑叶片的机械性能，确保其具备足够的强度、刚度和疲劳寿命。为实现这一目标，结构设计不仅要满足功能需求，还需对叶片的承载能力进行力学分析。设计过程中，可将粉碎刀盘叶片简化为具有特定厚度的圆盘状结构模型，通过施加等效载荷，开展应力、以及疲劳寿命等方面的分析，为后续优化提供数据支持。(1)计算流体旋转阻力矩在食物垃圾粉碎过程中，粉碎刀盘叶片始终承受由垃圾接触产生的负荷。为了确保其在长期运行中的可靠性，必须满足刚度要求和疲劳寿命等关键性能指标。因此，在结构设计阶段，除了对叶片的功能结构进行合理优化外，还需结合实际工况对其承载能力进行力学分析。为便于分析，可将粉碎刀盘叶片的工作状态简化为绕垂直轴旋转的类圆盘模型。在圆盘旋转过程中，其周围的流体会受到带动而发生运动。一部分流体在离心力作用下向圆盘边缘迁移，另一部分则保持贴近盘面的流动特性。基于该简化模型，可建立相对稳定的流体力学分析体系。圆盘上的切应力与圆盘成一定角度，计算出在径向的分量为： (4-1)在径向上的分量进行离心力旋转且力之间是一种平衡状态，可计算力为： (4-2)式中：——随圆盘转动的流体的厚度；——圆盘在旋转过程中的旋转角速度；——圆盘自身的半径；故切应力在径向上的的径向分量与成比例，即： (4-3)计算应力的在周向上的分量： (4-4)根据量级可以计算： (4-5)圆盘在旋转时的速度可以计算为： (4-6)将式(4-3)代入式(4-6)得：的数值为一个常量，对上式进行简化得： (4-7)根据运动中的粘性系数可以得到下式： (4-8)式中：Γ——运动中的粘性系数，μ——粘性系数，ρ——密度将式(4-8)代入式(4-7)得： (4-9)将式带入得：由于φ是一个常量，可以得出下式： (4-10)查阅资料可以知道转矩M与τbi×面积×力臂成一定比例 (4-11)对于半径为r和周向速度为V的圆盘，其系数为3.84/2，且ω=ν/r，故阻力矩为： (4-12)得叶片转速的计算:使用计算旋转圆盘上流体阻力矩的公式：根据上面式子综合可以的出来得：根据计算公式：计算出来流体的阻力为：(2)食物垃圾形成过程中的阻力：由于厨余食物垃圾大部分都是菜叶、骨头等，硬度普遍比较低，在粉碎处理的过程中产生的阻力相对有限。经文献调研与数据汇总可知，常规的厨余食物垃圾在粉碎工作时所受的工况阻力大致为Ⅱ.粉碎刀盘材料的确定：考虑到粉碎刀盘叶片在运行过程中需承受高载荷、强摩擦以及腐蚀等复杂工况，其材料选择必须具备高强度、高刚度，同时具备良好的耐磨性和抗腐蚀能力。结合加工可行性和成本控制原则，对1Cr13和9Cr18两种不锈钢材料进行了综合比较。根据表4-1中的分析结果，在满足强度、刚度和耐腐蚀等基本要求的前提下，1Cr13材料在加工性能方面优于9Cr18，整体性能更为均衡，尤其在耐腐蚀性上表现更为突出。因此，选取1Cr13材料作为本文所设计粉碎刀盘叶片的材料。表4-1材料1Cr13，9Cr18参数表参数名称1Cr139Cr18化学成分(质量数%)C≦0.11Cr≦12.50～13.50C≦0.90～1.30Cr≦14.00～17.00密度(t/m3)7.457.5硬度(HBS)≦139≦245屈服强度335——抗拉强度550——加工性能作为普通材料，切削难度小加工难度大价格(千元/吨)55用途耐腐蚀性好，一般用在加工使用刀上一般用作手术中使用的刀片以及一些耐磨性好的设备零件中4.1.3粉碎刀盘叶片的结构设计如图4-1所示，粉碎刀盘叶片整体大致采用圆形几何构型设计，该外形能够在旋转过程中形成规则且稳定的运动轨迹，保障粉碎过程的均匀性与连续性。其工作面创新采用错位齿形布局，各齿牙通过精确计算的角度与间距进行排列，相邻齿圈间的错位设计有效避免了粉碎盲区的产生，确保食物垃圾在任意接触位置均能获得充分破碎。这种齿形结构不仅增大了与物料的接触面积，还通过交错形成的多级剪切路径，大幅提升了粉碎效率与粉碎效果。在机械装配方面，粉碎叶片通过中心高精度安装孔与装置中间轴进行过盈配合连接，这种装配方式既保证了动力传递的稳定性，又能够承受高速旋转与复杂载荷下的扭矩作用。动力传输系统中，外部电机输出的高转速动力经由减速器进行变速处理，通过齿轮传动或蜗轮蜗杆传动等减速机构，将转速转换为适合粉碎作业的低速大扭矩输出，最终驱动叶片稳定转动。在粉碎原理层面，当刀盘高速旋转时，齿圈间形成的精确剪切间隙发挥核心作用。该间隙确保在粉碎刀盘旋转过程中产生的剪切应力能够高效作用于食物垃圾，通过撕裂、挤压与研磨作用，将垃圾破碎至理想颗粒状。同时，相邻叶片间在安装时刻意预留的特定间隙，构成了独特的切割通道。该间隙一方面能够对块状物料进行有效切割，另一方面为粉碎后的垃圾提供顺畅的排出路径，避免物料堆积堵塞，配合刀盘的旋转离心力，实现粉碎与排料的高效循环，显著提升设备整体工作效率与处理能力。图4-1粉碎刀盘叶片的外形由于我国饮食结构丰富多样，厨余垃圾中食材种类繁杂，不同食物原料（如蔬、肉类、根茎类等）在硬度、韧性等物理特性上存在显著差异，为实现高效粉碎处理，本设计采用12片粉碎刀盘叶片构建粉碎组。叶片采用并排密集阵列式布局，通过精确控制安装间距，形成多层级的粉碎路径，确保对不同硬度物料均能实现有效破碎。外部安装基座采用高强度合金钢一体成型，通过精密机械加工工艺确保安装定位精度，同时预留标准化接口，可与驱动轴、减速装置等部件快速装配，兼顾结构稳定性与设备维护便捷性，如图4-2、4-3所示。图4-2粉碎刀盘组合图4-3粉碎机装配体4.2轴的材料选择和热处理工艺根据本文设计的食物垃圾处理器所需的实际情况，旋转轴在工作运行过程中同样需要满足强度和硬度的要求，且考虑到装置在使用过程中性能的可靠性以及工作环境，综合多种因素考虑，材料最终选定为45钢，许用弯曲应力为64MPa。4.3搅拌轴的直径计算由前计算可以得到以下数据：的值为0.75KW，的值为120r/min。式中A0取112，考虑到设计的结构中含有键槽，所以将该轴径加大8%，则：根据机械设计相关资料中可知，轴的直径一般取为整数，取为55mm。图4-3搅拌轴的设计图4.4键的选择键选A型圆头普通平键，材料选择45钢，在本文设计的传动系统中，基于扭矩传递可靠性、安装便捷性及成本效益等多维度考量，键连接部件选用A型圆头普通平键。该类型平键相较于B型平头平键与C型单圆头平键，其独特的端部造型能够有效适配轴上键槽的圆弧形底部，不仅消除了应力集中现象，提升了键与轴的配合精度，还降低了高速旋转工况下因应力突变导致的疲劳断裂风险。材料方面，选用45钢作为键体材质，该中碳优质碳素结构钢经调质处理后，具备良好的综合力学性能，屈服强度可达355MPa，抗拉强度约600MPa，既满足键在传递粉碎刀盘扭矩时的抗剪切、抗挤压需求，又通过适当的硬度保证与轴、轮毂键槽的适度磨合，避免过度磨损，进而保障整个传动系统的动力传递稳定性与工作可靠性，为食物垃圾处理器的高效运行提供坚实基础。相关尺寸如表4-2所示：表4-2键的公称尺寸表轴键键槽半径r公称直径d公称尺寸b×h宽度b深度公称尺寸b极限偏差轴t毂t1一般键联结轴N9毂Js公称尺寸极限偏差公称尺寸极限偏差最小最大288×780-0.036±0.0184.0+0.203.3+0图4-4键的结构设计图4.5键的校核4.5.1键的剪切强度校核轴在使用过程中会由于传递的动力较大而受到剪切破坏，所以需要进行必要的强度校核，其受力如图4-5所示：图4-5键剪切受力图键的剪切受力图如图4-5所示，由图得到b为9mm，L为15mm。键自身的许用剪切应力为[τ]为34MPa，根据前文中的计算，轴在工作时受到的转矩其中D为带轮轮毂直径，通过校核计算可以得知结构合理。4.5.2键的挤压强度校核在键连接动力传输中，当设备运行时，键作为扭矩传递的关键部件，会承受剪切力、挤压力等多种动态载荷。在应力作用下，键与轴槽、轮毂槽的配合界面易出现微小的位移偏差，这种偏移现象会打破原本均匀的受力状态。随着运行时间增加，偏移引发的局部应力集中效应加剧，导致配合面间产生微动磨损、塑性变形甚至疲劳裂纹，最终造成键连接结构的失效破坏，严重影响动力传输的稳定性与可靠性。受力如图4-6所示：（许用挤压应力[σbs]图4-6键挤压受力图又有：所以键的结构合理。本文采用半圆键连接方式，主要出于轴毂快速拆卸的便利性考量。该结构允许键在轴槽内绕轴线摆动，能自动适应轮毂键槽的倾斜度，特别适合锥形轴端等需要频繁装拆的场景。然而，半圆键的键槽较深，会对轴的横截面造成较大削弱，理论计算表明，在相同轴径条件下，采用半圆键连接的轴强度较平键连接降低约15%-20%。针对本装置的实际工况，尽管半圆键对轴强度有一定削弱，但在当前载荷条件下，该连接方式仍能满足安全系数要求（实测安全系数为4.4），同时充分发挥其可拆卸性优势，实现结构设计与工况需求的优化匹配。计算半圆键之间在进行连接时的连接强度条件： （4-13）通过公式可以计算为，此处h代表键的高度，单位为mm；T代表传递过程中的传递转矩计算公式为： （4-14）通过对轴的直径进行计算可以得到为55mm，轴的直径选取为大于等于50~58mm，选取16*10的公称尺寸。带入式5-4得：查找课程中学到的相关知识得到如表4-3：表4-3不同情况下的挤压应力联接的工作方式联接中较弱零件的材料许用挤压应力静联接钢静载荷轻微冲击载荷冲击载荷125~150100~12060~90由表可知工作中的应力小于许用应力，校核满足要求。5其他零部件的设计5.1机架的设计本次设计的食物垃圾处理器机架底座，选用方形管型材作为主体结构，通过焊接工艺完成加工制造。材料方面选用Q235B低碳钢方管，该材料兼具良好的焊接性与结构稳定性，能够有效抵御设备运行时产生的振动与冲击载荷。制造工艺上，采用数控激光切割机精准下料，确保管材切割面的垂直度与尺寸精度误差控制；焊接通过多层多道焊工艺保证焊缝强度与美观性，确保焊接质量符合GB/T11345-2013标准要求。这种以方形管型材焊接而成的底座结构，不仅具备高刚性、轻量化的特点，能够有效分散设备运行时产生的应力，还通过开放式框架设计，为传动部件、电机及预留了充足的安装空间与检修通道，实现功能性与实用性的统一，结构如图5-1所示：图5-1架体结构图5.2箱体的设计箱体是食物垃圾处理器粉碎机构中不可或缺的功能性结构，集成了支撑、防护、导向、密封、减少噪音等多重作用，根据本文中设计的产品所需面对的粉碎食物的硬度、腐蚀性、易清洁性等特性，选用316L不锈钢材料作为箱体的设计材料，箱体采用上下箱体结合加工而成，其结构如下图所示：图5-2上箱体的设计图图5-3下箱体的设计图5.3入料口设计在入料口的设计当中，因考虑到方便倾倒食物垃圾，减少溅洒的风险，所以采用了上宽下窄的漏斗形状，大开口的设计可以适应多种厨余垃圾（如菜叶、果皮、骨肉等），以提高使用效率。材质方面依旧选用316L不锈钢合金材料，提升抗腐蚀能力，适应处理含盐、酸性或者潮湿的厨余垃圾，结构如图所示：图5-4入料口模型图5.4卸料机构卸料机构采用的是拉动的方式，拉动杆连接出料口，设备工作时将出料口拉开，方便粉碎后的食物垃圾颗粒落入下方下料板，如下图5-5所示：图5-5卸料机构图5-6下料板模型图根据图5-5、5-6所示可知：其结构主要由拉伸杆，卸料门以及下料板等其他辅助零部件组成，食物垃圾粉碎后经卸料口落入下料板，因下料板处倾斜状态，方便粉碎后的垃圾滑落。5.6食物垃圾处理器整体图纸绘制图5-7食物垃圾处理器结构简图图5-8食物垃圾处理器结构图6结论与展望6.1结论在本次食物垃圾处理器的设计实践中，我对机械结构设计的系统性与复杂性有了深刻认知。从关键部件的功能实现角度来看，通过对粉碎刀盘叶片、传动带轮等核心结构的设计优化，深刻体会到结构设计需紧密围绕设备结构需求，例如采用12片密集排列的错位齿形叶片，既满足不同硬度食材的粉碎效能，又考虑了材料力学性能与加工工艺适配性。在设计过程中，结合课堂理论知识，运用机械设计手册、材料性能参数等资料，对结构强度、刚度进行校核，最终确定旋转轴、键体等关键部件的材料，确保设备在复杂工况下的可靠性。设