【《垃圾处理机的机械结构设计案例分析》4100字】

垃圾处理机的机械结构设计案例分析1.1方案设计方案一：垃圾处理机通过活动齿盘和固定齿盘间的高速相对运动，使物体经齿冲击、磨擦及物体间的碰撞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，物体被粉碎后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。但是机器占地面积大，不便于连接，而且耗电量较大。该机器远远超过了普通的家庭的正常日常需求，功能过剩。方案二：垃圾处理机采用刀片切割和高速气流冲击，碰撞与粉碎功能于一体，在刀片切割粉碎过程中，转子产生高速气流随刀片切割方向旋转，物料在气流中加速，并反复冲击使物料同时受到双重粉碎，加速物料的粉碎率。这种机器能耗低，工艺流程短，占地面积小，无粉尘污染，产生热量小，成品粒度细，粉碎范围广。但是机器产生的噪音大，占地面积大，一般的家庭没有足够大的空间容纳它，还会对日常生活造成影响，危害居民的日常生命健康。方案三：垃圾处理机在刀盘高速旋转时，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，依靠粉碎刀具对被处理物的破碎、撕拉等作用，使被处理物迅速变为3-4mm尺寸的颗粒物。垃圾处理机由投入口、粉碎室、驱动电机、排污口和收集箱五部分组成，驱动电机采用直流电机，为垃圾处理机提供动力来源，粉碎室内装有粉碎刀盘和筛网，是粉碎厨余垃圾的场所，驱动电机和粉碎刀盘是垃圾处理机的关键部分。市面上同类产品是采用交流电机、国外进口电机、选用昂贵材料，可是却增大了成本，高昂的价格令普通家庭难以接受。相比之下，直流电机更物美价廉。本方案降低了制造和使用成本，能够满足一般家庭的使用需要。因此，本文采用第三个方案。1.2垃圾处理机的工作流程220V交流电源经过降压、整流等过程作用于直流电机，直流电机驱动粉碎刀盘旋转。粉碎刀盘通过研磨、剪切、粉碎、撕拉等多种方式对厨余垃圾进行处理。本文所设计的垃圾处理机就是利用粉碎、剪切等方式把厨余垃圾快速粉碎成3-4mm尺寸的颗粒物，通过收集箱收纳储存。垃圾处理机的工作流程如图1.1所示：图1.1垃圾处理机工作流程图1.3垃圾处理机的工作原理垃圾处理机采用双刀旋转粉碎结构，由电机带动刀盘和刀具高速旋转，当刀盘高速旋转时，厨余垃圾不会与刀盘同步旋转，从而产生一个速度差，加上离心力对厨余垃圾的作用，使其与刀盘的运动不同向，厨余垃圾被迫向刀盘的边缘处运动。将厨余垃圾倒入垃圾处理机的投入口，厨余垃圾落入粉碎室内腔的刀盘上。刀盘上装有粉碎刀具，可以对厨余垃圾进行冲击、研磨、剪切等作用，使厨余垃圾迅速变为3-4mm尺寸的颗粒。小于4mm尺寸的颗粒通过筛网或小圆孔滑落到底盘，再经过排污管，最后被收集箱收纳储存。图1.2是组合刀盘，图1.3是由两个半圆圈组合而成的筛网。图1.2组合刀盘图1.3筛网1.4垃圾处理机的组成本文的厨余垃圾处理机主要由投入口、粉碎室、驱动电机、排污管和收集箱五部分组成，垃圾处理机整体结构如图1.4所示：图1.4垃圾处理机整体结构图投入口下部连接粉碎室，粉碎室内装有粉碎刀盘，刀盘上装有两个粉碎刀具，粉碎刀具装在刀盘的销轴上。粉碎室内侧置有筛网，由两个半圆圈组合而成，围住刀盘，但留有一定的间隙。粉碎室下部还有一个底盘，其下端是电机，电机为粉碎装置提供动力。粉碎室侧壁设有排污管，排污管连接收集箱，由收集箱收纳储存处理后的垃圾颗粒。1.5粉碎装置的设计1.5.1粉碎刀盘的材料选择粉碎刀盘的结构设计是垃圾处理机最关键的部分，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。在满足性能需求的同时，还要考虑经济效益。因此，我在1Cr13和9Cr18两种材料中参考表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。我国Cr资源稀少，所以应尽量节约使用。根据表1的对比可以看出，在满足使用要求的前提下，1Cr13比9Cr18更容易加工，C，Cr的含量低，价位大体相当，所以垃圾处理机的刀盘选用1Cr13不锈钢材料进行加工。其材料参数为：弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.75t/m表1材料1Cr13与9Cr18参数表[26]参数名称1Cr139Cr18化学成分（质量数%）C：≤0.15Cr：11.50～13.50C：0.90～1.00Cr：17.00～19.00密度(t/m27.757.8硬度(HBS)退火，≤200HB淬火回火，≥159HB退火，≤255HB淬火回火，≥55HRC条件屈服强度淬火回火，≥345——抗拉强度淬火回火，≥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1.5.2粉碎刀盘的基本尺寸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114mmQUOTE。因为本文设计的垃圾处理机无需接驳厨房洗涤盆下水口，并且为了提高处理效率，确定刀盘的直径：d=160mmQUOTE，厚度：t=3mm[25]。1.5.3粉碎刀盘的载荷分析粉碎刀盘工作时需要克服阻力，设计刀盘时应该先对刀盘所承受的载荷进行分析，确保刀盘有足够的强度。将刀盘理想成一个绕中心轴旋转的扁圆薄板，分析可知：刀盘主要受到粉碎厨余垃圾时产生的阻力。因为粉碎室内的体积较小，空气有限，故不需要考虑空气阻力。厨余垃圾大多较软，粉碎时产生的阻力较小，在对厨余垃圾中较常见的鱼刺、鸡骨头、剩饭剩菜等进行粉碎实验时，得到的阻力大约为[27]：F1.5.4粉碎结构的设计粉碎刀盘设计为直径160mm的圆盘，刀盘上有多个直径4mm的小孔，可以起到筛选过滤垃圾颗粒的作用。较大的两个直径8mm的孔是销钉孔，是用来连接粉碎刀具与刀盘的。刀盘上有四个突起，是为了防止粉碎刀具松动而对其进行限位。粉碎刀具通过销轴与刀盘连接，固定住。当刀盘高速旋转时，粉碎刀具同步旋转，筛网与粉碎刀盘有一间隙，组合刀盘配合筛网利用间隙对厨余垃圾实现剪切、撕裂、研磨等粉碎功能。粉碎刀盘如图2-5所示。图2-5粉碎刀盘粉碎刀具厚度为1.5mm，孔的直径为8mm，中间突起部的厚度为3mm，高度为7mm，右端弯曲45°。粉碎刀具如图1.6所示。图1.6粉碎刀具1.5.5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σ−NQUOTE曲线或疲劳极限来衡量。σ−NQUOTE曲线如图1.7所示。图1.7σ−N曲线对于钢材来说，σ−NQUOTE曲线有一条水平渐近线σRQUOTE，这意味着当σmas＞σRQUOTE时，试件经受有限循环会发生疲劳破坏；当σmas＜σR时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏。因此，设计时应力水平应该很低，以便有足够的应力储备,以满足设计需要。疲劳极限与抗拉强度之间的关系如下：0.25<材料1Cr13的抗拉强度σ进行保守估计，我们取σRσ即：σR计算σ盘mas：设在距圆心为p处取一微面积dA，QUOTE其上内力对X轴之矩为τpdAp，将所有内力矩求和即得到截面上的力矩：QUOTEMx=ApτpdA图1.8横截面应力示意图其中A为横截面面积。根据剪切变形的胡克定律：τp=Gγ将式(1.2)代入式(1.1)中，并注意到dφdxQUOTE为常数，于是有M其中Ap2dAQUOTE是与圆截面有关的一个几何量，以极惯性矩Ip表示，所以Mdφdx=Mx将式(1.3)代入式(1.2)得：τ圆盘上最大的应力应在截面周边各点，故p=RQUOTE代入：τmas=RMxIpQUOTE根据材料力学知识，对于实心圆轴的极惯性矩：I其中d为圆轴横截面的直径。FF合F将公式Mx=F合代入式(1.4)得：σ盘mas=τmas=r可见86.5<135即σ依据σ−NQUOTE曲线，当σmas<σR，时，试件则能经受无限次循环而不发生破坏，设计的刀盘满足强度要求。1.6驱动电机的选择驱动电机是垃圾处理机工作的能量来源，也是关键部份之一，其性能直接影响着垃圾处理机的优劣。电机的种类繁多，价格、性能差别比较大，依照经济、实用的原则对电动机类型及型号进行选择是十分重要的。选择电动机应在满足机器对性能要求的情况下，优先采用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。根据机器的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求选择电动机的类型。交流电机转速比较稳定，使用寿命长，过载保护好。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。本文的垃圾处理机电动机的特征是频繁快速启动，有调速要求。依据直流电动机的特点，本设计选用直流电动机。选择电动机时，在电动机能够满足机器负载要求的前提下，选择电动机的功率和转速应该要考虑经济性和合理性。如果功率选得过大，电动机欠载荷工作，会造成浪费；如果功率选得过小，电动机将过载运行，造成电动机的过早损坏。所以，选择电动机应进行一些必要的分析和计算：(1)计算负载功率P(2)根据负载功率P1，预选电动机的额定功率P2，使P(3)校验预选电动机。根据前面计算，粉碎刀盘在工作时，需克服的阻力为：F=刀盘的线速度v=ω·R===15.072m/s负载功率：P=11.5×15.072=173.328W电动机的额定功率P2:PP=1.2×173.328=208W按以上参数的选择，我们最终选取电机的技术数据如下：型号：ZYT22-22018，转速：1800r/min，转矩：1.67N·m；功率：300W，电压：220V，电流：2A，重量：8kg。直流电机如图2-9所示。图2-9直流电机1.7其他部分的设计垃圾处理机的其他部分为非主要部件，主要有：投入口、排污管和收集箱等。本设计不需要具备自行加工模具生产的能力，所以非主要部件的制作尽可能地选用标准件。排污管由排水弯管、弯管法兰和橡胶密封圈组成。弯管法兰把排水弯管固定在垃圾处理机上，橡胶密封圈防止水分及垃圾残渣外溢，起密封作用。厨余垃