0048-廚房食物垃圾處理機結構設計【全套12張CAD圖】,全套12張CAD圖,廚房,食物,食品,垃圾,處理機,結構設計,全套,12,十二,cad 廚房食物垃圾處理機結構設計 摘 要 本設計依據(jù)我國實際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預處理裝置——食物垃圾處理器。垃圾處理器的驅動電機和粉碎刀盤為機器的關健部分，直接影響機器的使用效果，所以本設計著重對粉碎刀盤和驅動電機進行設計論述。對于粉碎刀盤和刀片，先對工作載荷進行力學分析，計算流體阻力，進而選擇材料及對刀盤、刀片進行強度校核。根據(jù)我國食物垃圾的特點，設計采用組合刀盤式粉碎刀。設計中驅動電機的運行特征為時間短，啟動頻繁，斷續(xù)工作，其性能直接影響著廚房食物垃圾處理器質(zhì)量的好壞，本設計采用電機為永磁直流電動機，它的優(yōu)點是結構簡單、體積小、出力大、效率高。此次設計的食物垃圾處理器，避免了目前同類產(chǎn)品完全采用交流電機、選用昂貴材料的做法，使機器的制造和使用成本降低。 關鍵詞：食物；垃圾；刀盤；永磁電機 II Abstract According 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 motor III 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 1 第1章 緒 論 3 1.1廚房食物垃圾處理的緊迫性 3 1.2廚房食物垃圾的特征及其危害 4 1.2.1廚房食物垃圾的特征 4 1.2.2廚房食物垃圾的危害 5 1.3食物垃圾處理的方法 5 1.3.1衛(wèi)生填埋 5 1.3.2焚燒 5 1.3.3堆肥 6 1.4食物垃圾處理器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀 6 1.5課題目的和研究意義 7 1.5.1課題目的 7 1.5.2研究的意義 7 1.6方案論證 8 1.7本章小結 8 第2章 廚房食物垃圾處理器的設計 9 2.1廚房食物垃圾處理器的可行性分析 9 2.2　廚房食物垃圾處理器的工作原理及組成 10 2.2.1　廚房食物垃圾處理器的工作原理 10 2.2.2　廚房食物垃圾處理器的組成 11 2.3　粉碎刀盤組合刀具結構設計 12 2.3.1　刀具基本尺寸的確定 12 2.3.2　粉碎刀盤的力學分析及材料的選擇 12 2.3.3　粉碎刀盤的強度校核 15 2.3.5　粉碎刀盤的結構設計 18 2.4　本章小結 18 第3章 驅動電機的結構設計 19 3.1　驅動電機的選擇 19 3.1.1電動機種類的選擇 19 3.2其它部分設計 22 3.3廚房食物垃圾處理器的裝配 22 3.4本章小結 23 結 論 24 致 謝 25 參考文獻 26 第1章 緒 論 1.1廚房食物垃圾處理的緊迫性 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市生活水平的提高和人口的增長，人們在不斷美化居室的同時，也在追求廚房的整潔、衛(wèi)生和科學化。然而，人們在廚房精工細作時，往往會忽略一個嚴重的問題，即食物垃圾或下角料的處理，從而造成生活垃圾的排放量急劇增長。據(jù)建設部調(diào)查統(tǒng)計，2001年我國城市生活垃圾清運量為135億噸/年，占世界總量的四分之一以上，各種生活垃圾的排放量每年仍以8-10%的速度增加。由于垃圾產(chǎn)量的快速增加和我國垃圾處理能力的不足，給人民生存環(huán)境和日常生活帶來危害。目前，我國生活垃圾的每日處理量只占了生活垃圾生產(chǎn)總量的45%，有近一半的生活垃圾不能及時處理而隨意堆置，吃剩的食物殘渣和作料等常常倒入洗滌盆的下水管內(nèi)，如果不能及時處理這些，這些食物垃圾就會堵塞下水道，并且在下水道內(nèi)變質(zhì)，發(fā)出臭味，滋生病菌，會增加疾病傳播，還會引來老鼠、飛蟲等有害動物，嚴重污染家庭和公共場所環(huán)境，給生活帶來許多麻煩，嚴重的影響著人類的身心健康和生活環(huán)境。同時，中國的人均耕地面積不足，遠遠低于世界人均耕地面積的水平，可是全國未處理就堆放的生活垃圾達到60億噸，占用土地約50萬hm2，嚴重的浪費著寶貴的土地資源，也對土地有著極強的污染。在水資源方面，中國是世界上的缺水國家，全國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達到嚴重缺水的程度，每年，垃圾中的的重金屬含量和滋生的細菌病菌無時無刻不在污染著我國的水源。 在我國，對于生活垃圾地處理主要采用的技術是填埋技術，但是由于填埋的技術不過關，會在處理垃圾的過程中出現(xiàn)二次污染的現(xiàn)象，同時也耗費這大量的資源和金錢，嚴重影響著人們的正常生活環(huán)境。由于垃圾產(chǎn)量的增長，我國的城市發(fā)展已經(jīng)受到了影響，目前對于垃圾處理的問題，已經(jīng)引起了政府的高度重視，在不斷的增大投資力度，加強垃圾的處理。同時，還制定了一系列相關政策及規(guī)范，提出了“以減量化為基礎，以無害化為主體，以資源化為目標”的方針。目前，根據(jù)我國的生活垃圾特性，研究開發(fā)出新的較為有效的處理技術已經(jīng)成為了重中之重。 近幾年來，由于人類生活水平的提高，生活垃圾的成分也產(chǎn)生了很大變化。集中供熱和煤氣的廣泛應用，使垃圾成分中煤灰的比例大為減少，而食物垃圾的數(shù)量卻越來越大，占城市生活垃圾總量的一半，并呈上升趨勢。在一線城市里，每日產(chǎn)生的食物垃圾(如剩菜剩飯)等已經(jīng)占據(jù)生活垃圾總量的一半以上。不過從不同角度來說，食物垃圾的性質(zhì)也有些不同，從環(huán)境保護方面來說，食物垃圾污染著我們的生活環(huán)境，是一種很強大的污染，但是若從資源角度來看，它卻是一種可再生資源，這些被丟棄的有機物可以通過生物技術變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的有機肥料，清除有機物后，把它們進行焚燒可以發(fā)電，對我國的電力資源是一種緩解。具有生態(tài)環(huán)境效益和社會效。表1為上海市1988-2000年生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計以及2005—2015年預測。 表1 1988-2000年上海市生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計及2005-2015年預測值 年份 產(chǎn)生量 有機垃圾（％） 無機垃圾（％） 紙類 塑料 竹木 布類 廚余 果類 金屬 玻璃 渣石 1988 240 4.30 2.99 1.94 1.68 70.61 10.94 1.02 2.91 3.61 1990 301 4.26 4.19 1.44 1.14 70.05 12.04 0.10 3.74 2.91 1993 335 8.36 7.54 1.89 1.97 61.09 11.08 0.72 4.74 1.86 1995 372 6.50 11.21 1.47 2.17 56.66 11.99 0.91 3.81 2.29 1997 454 8.05 11.78 1.44 2.24 58.06 12.03 0.58 4.00 1.82 2000 641 8.02 13.93 1.43 2.81 54.66 12.84 0.85 4.15 1.26 2005 709 10.83 13.21 1.93 3.21 62.37 0.83 5.45 2.70 2010 863 12.82 12.98 2.49 4.41 58.76 0.98 5.64 1.92 2015 1050 15.44 12.6 2.86 5.28 55.78 0.87 5.36 1.79 通過該表可見，在上海市的生活垃圾中，有機易腐敗的垃圾成分(廚房垃圾)和可燃成分(紙張、塑料橡膠、織物等)占有很大比重，其中廚房垃圾是生活垃圾中有機垃圾的主要成分，而無機垃圾成分是在持續(xù)下降的。 1.2廚房食物垃圾的特征及其危害 1.2.1廚房食物垃圾的特征 廚房垃圾是居民在生活消費過程中形成的生活廢物，居民區(qū)、飯店、各種企事業(yè)單位的食堂是其集中排放的場所。盡管廚房垃圾的組成、性質(zhì)和產(chǎn)生量受社會經(jīng)濟條件、地區(qū)差異、居民生活習慣、飲食結構、季節(jié)變化的不同而有所差別，但具備如下總體特征： 1.高含水率： 廚房垃圾的含水率高(水的質(zhì)量分數(shù)大于80%)，這給其收集、運輸和處理都帶來很大的難度。垃圾滲濾水可通過地表徑流和滲透作用，污染地表水和地下水，而且由于廚房垃圾單位質(zhì)量的熱值在2100kJ/kg左右，不能滿足垃圾焚燒發(fā)電的熱值要求。 2.易腐爛： 廚房垃圾中有機物含量高(約占干物質(zhì)質(zhì)量的95%以上)，易腐敗發(fā)臭，易滋生病菌，會造成疾病的傳播。 3.營養(yǎng)豐富： 除了有機物含量高之外，廚房垃圾還富含氮、磷、鉀、鈣以及各種微量元素，具有營養(yǎng)元素齊全、再利用價值高的特點。 廚房垃圾的以上特征表明，一方面具有較高的利用價值，另一方面必須對其進行適當?shù)奶幚?，才能得到社會效益、?jīng)濟效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。 食物垃圾的來源比較集中，主要是城鎮(zhèn)菜場垃圾、餐館飲食垃圾、家庭廚房垃圾及各種市場的瓜果皮等城鎮(zhèn)垃圾。我國食品結構復雜，食物垃圾呈現(xiàn)多、硬、雜、粗等特點。 1.2.2廚房食物垃圾的危害 食物垃圾對環(huán)境的危害可以說是相當嚴重，長期堆積會引來害蟲，老鼠等有害動物，增加疾病傳播。一旦進入水中，會污染江河湖海，會引起水中生物的死亡，破壞生態(tài)平衡。變質(zhì)后產(chǎn)生的氣體也會污染空氣，對人類的生活會造成各種不良影響。 食物垃圾也是威脅城市居民身體健康的重大病菌的產(chǎn)生源頭。國外權威微生物實驗室對食物垃圾(泔水)中微生物進行檢測的結果顯示，泔水中有沙門氏菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌、結核桿菌等，這些細菌都是具有強烈感染性的致病菌，一旦在環(huán)境中擴散傳播將對人體健康造成很大威脅。而一些農(nóng)村、城市郊區(qū)的飼養(yǎng)戶普遍用食物垃圾(泔水)飼養(yǎng)畜禽，這樣一來，食物垃圾中的致病菌等有害物質(zhì)會通過食物鏈轉移到人體，危害人體健康。 同時，食物垃圾中的油脂也是“地溝油”的主要來源。人們在食用后會發(fā)生頭痛、嘔吐、腹部疼痛及腸胃道疾??；廢棄食用油脂經(jīng)過反復油炸后，含有大量致癌物質(zhì)，如苯并芘、黃曲霉素等，長期食用會導致慢性中毒，容易患上肝癌、胃癌、腸癌等疾病。所以如果能夠從根源上有效處理和緩解食物垃圾不僅是保護了我們共同的家園，更重要的是保護我們自己及家人。 1.3食物垃圾處理的方法 由于我國垃圾沒實行分類管理，所以廚房食物垃圾混合在城市生活垃圾中做一般常規(guī)處理。 1.3.1衛(wèi)生填埋 衛(wèi)生填埋，是指對城市垃圾和廢物在衛(wèi)生填埋場進行的填埋處置。為防止對環(huán)境造成污染，根據(jù)排放的環(huán)境條件，采取適當而必要的防護措施，以達到被處置廢物與環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)最大限度的隔絕，稱為固體廢物“最終處置”或“無害化處置”。固體廢物最終處置途徑可歸納為兩種：陸地處置與海洋處置。經(jīng)驗證明，陸地填埋處置是最終處置城市垃圾最經(jīng)濟有效的方法，這種處置方式是基于環(huán)境衛(wèi)生角度，因而又稱為“衛(wèi)生填埋”。 原理：為了防止填埋廢物與周圍環(huán)境接觸，尤其是防止地下水污染，在設計上除了必須嚴格選擇具有適宜的水文地質(zhì)結構和滿足其他條件的場址外，還要求在填埋場底部鋪有一定厚度的黏土層或高密度聚乙烯材料的襯層，并具有地表徑流控制、浸出液的收集和處理、沼氣的收集和處理、監(jiān)測井及適當?shù)淖罱K覆蓋層的設計。 特點：在操作管理上必須嚴格限制危險廢物入場處置，要對每天填埋的廢物進行壓實覆蓋，并特別要注意封場后填埋場的維護和管理。 1.3.2焚燒 焚燒法是將垃圾置于高溫爐中，令其燃燒充分轉化為氧化物，燃燒產(chǎn)生的熱量還能加以利用，例如供暖，發(fā)電。目前較為先進的垃圾轉化能源系統(tǒng)可將濕度較高垃圾干燥來焚燒，焚燒效率非常高，達到95%以上。同時，焚燒爐表面的高溫能將熱能轉化為蒸汽，用于各種方面。 焚燒的優(yōu)點是減量效果好，對垃圾的處理徹底，處理過程中還能對產(chǎn)生的能量進行利用。不過缺點也很明顯，垃圾中含有的某些重金屬燃燒后具有毒性，會對空氣進行二次污染，并且采用焚燒的方法代價昂貴，必須使用助燃劑，而助燃劑也是一筆不小的費用。所以，目前焚燒的方法在我國并非主流。 1.3.3堆肥 將生活垃圾堆積成堆，保溫至70℃儲存、發(fā)酵，借助垃圾中微生物分解的能力，將有機物分解成無機養(yǎng)分。經(jīng)過堆肥處理后，生活垃圾變成衛(wèi)生無味的腐殖質(zhì)。既解決垃圾的出路，又可達到再資源化的目的，但是生活垃圾堆肥量大，養(yǎng)分含量低，長期使用易造成土壤板結和地下水質(zhì)變壞，所以，堆肥的規(guī)模不易太大。 發(fā)達國家的垃圾處理原則是這樣的：首先是盡可能進行回收利用，其中包括盡可能對可生物降解的有機物進行回收利用如堆肥處理和厭氧消化處理；其次是盡可能對可燃物進行焚燒處理；最后是對不能進行其他處理的垃圾進行填埋。 原理：利用微生物對垃圾中的有機物進行代謝分解，在高溫下進行無害化處理，并能產(chǎn)生有機肥料。 1.4食物垃圾處理器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀 中國是世界上人口最多的國家，中國有13億的人口，飲食消費數(shù)量巨大，加上傳統(tǒng)不良的飲食習慣，再伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，生活垃圾的數(shù)量急劇增長，并以每年8%—10%的速度遞增。另一方面，中國垃圾無害化處理率卻不到6%，環(huán)衛(wèi)清運能力僅達60%。大量的垃圾在城市郊區(qū)堆積如山，以致全國有三分之二的城市深陷垃圾圍城，而其中半數(shù)以上為食物垃圾。每年在餐桌上的浪費驚人。以通常每萬人每天一噸的餐廚垃圾量計算，每天的餐廚垃圾就有13萬噸之多，一年就有5000萬噸餐廚垃圾白白地浪費，也給垃圾處理行業(yè)帶來了巨大的壓力。為此，通過食物垃圾處理器處理廚余垃圾的方法逐漸走進了人們的視野。 在國家不斷倡導節(jié)能減排、環(huán)保第一的口號下，垃圾處理行業(yè)迫切需要更給力的垃圾處理方式，這也意味著其中蘊含了巨大商機。在中國各行各業(yè)競爭激烈的情況下，唯一市場硝煙稀少的垃圾處理行業(yè)，備受各類投資者關注。 3月1日，國內(nèi)首部以立法形式規(guī)范垃圾處理行為的地方性法規(guī)《北京市生活垃圾管理條例》正式實施，其中明確規(guī)定“本市鼓勵凈菜上市，提倡有條件的居住區(qū)、家庭安裝符合標準的廚余垃圾處理器?！蓖瑫r，上海也出臺了《上海市城市生活垃圾分類設施設備配置導則(試行)》，旨在有效推進生活垃圾分類，促進生活垃圾源頭減量，鼓勵“在區(qū)域排污管道具備條件的地區(qū)，新建的全裝修住宅內(nèi)，應配置廚余果皮(濕垃圾)粉碎機；其他具備條件的住宅，同時鼓勵安裝食物垃圾處理器?！? 應用現(xiàn)狀：在國外，食物垃圾處理器已經(jīng)得到了較廣泛的使用，歐洲的普及率達到了70%，美國則高達90%以上，垃圾處理器幾乎成為廚房內(nèi)必備的用品。而目前，在國內(nèi)，隨著消費者生活習慣的改變，消費者正在接受食物垃圾處理器。且如今，80后對新鮮事物的接受程度越來越高。 據(jù)在中國27個大中城市的調(diào)查統(tǒng)計，有84.3%的被訪者對自家餐桌的食品安全表示擔心，同時更有92%的被訪者愿意付出額外的代價換取家庭環(huán)境的健康保障，更有高達99%的被訪者愿意付出額外的代價解決每天下樓丟棄垃圾的煩惱，這也是當前食物垃圾處理器市場火爆的原因。 廚房食物垃圾處理器是一種現(xiàn)代化的家用電器，能夠快速解決掉易腐爛變質(zhì)的餐廚垃圾，從而改善消費者的生活方式。食物垃圾處理器它能夠采用全新的方法來處理現(xiàn)代家庭中的食物垃圾：殘羹剩飯、肉魚骨刺、蔬菜、瓜皮果殼、蛋殼、茶葉渣、咖啡渣、小塊玉米棒芯、禽畜小骨等，避免食物垃圾因儲存而滋生病菌、蚊蟲、蟑螂，減少廚房異味，從而有效促進家人健康、優(yōu)化家居環(huán)境，并徹底解決下水道容易堵塞的問題。食物垃圾處理器之后，下水道油脂積累情況會得到明顯改善，垃圾袋的使用量也會明顯減少，同時也因為帶來更清潔衛(wèi)生的廚房環(huán)境讓消費者的健康更有保障。 事實上，通過廣泛使用食物垃圾處理器，還有更大的好處：能明顯凈化居家環(huán)境與公眾環(huán)境；能有效緩解大量食物垃圾減少城市垃圾處理站的壓力；來自食物垃圾處理器的處理物不會明顯增加污水處理廠的處理量。這些都讓食物垃圾處理器的普及應用成為一種發(fā)展的必然，也是時代的一種進步。 1.5課題目的和研究意義 1.5.1課題目的 依據(jù)我國目前情況來看，研制廚房垃圾預處理裝置——廚房食物垃圾處理器，可以使人們在家中即可對廚余垃圾進行簡單處理，減少廚房垃圾對人類的危害，對生活環(huán)境的影響也將大大減小，也實現(xiàn)了城市生活垃圾的減量化。 1.5.2研究的意義 隨著社會的發(fā)展，科技的進步，人們的飲食水平在不斷地提高，但與此同時到來了就是食物垃圾問題，食物垃圾不僅破壞環(huán)境，還對人們的身心健康有害。因此，廚房食物垃圾處理器就顯得尤為重要。它不僅能快速干凈的處理掉食物垃圾，還能產(chǎn)生大量寶貴的可再生能源。目前，它已經(jīng)成了家家戶戶必不可少的家用電器。 在越來越快的科技以及經(jīng)濟的發(fā)展下，人們的生活發(fā)生了質(zhì)變的發(fā)展，同樣的，在文明發(fā)展的同時，環(huán)境問題的困擾也日益嚴重，許多城市漸漸出現(xiàn)了垃圾圍城的狀況，那么面對越來越多的垃問題，我們應該如何來解決經(jīng)濟迅速發(fā)展的背后，從而導致的這些一連串的垃圾圍城的問題。 在城市化進程中，垃圾作為城市代謝的產(chǎn)物曾經(jīng)是城市發(fā)展的負擔，垃圾圍城的現(xiàn)象曾在世界上許多的城市發(fā)生。而如今，垃圾卻成為了最具潛力的能源，被稱為“放錯地方的資源”。這既是對垃圾認識的深入和深化，也是城市發(fā)展的必然要求。其體積小巧，適于安裝在水槽之下，不會造成任何妨礙。它不同于粉碎機，里頭有高速的旋轉電機，可將食物垃圾研磨成細小的顆粒，隨同自來水通過排水溝管道進入下水道，使用多年也不用疏通下水管道。 隨著環(huán)境問題逐漸被重視，節(jié)能、環(huán)保成為各國的發(fā)展主題，已經(jīng)開始為垃圾處理提供產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機會。全世界垃圾年均增長速度為8.42%，而中國垃圾增長率達到10%以上。全世界每年產(chǎn)生4.9億噸垃圾，僅中國每年就產(chǎn)生近1.5億噸城市垃圾。中國的垃圾量占全世界總值的五分之一。在如此情況下，很明顯可以看出，廚房食物垃圾處理器的前景將非常的好，目前我國的垃圾處理市場正在走向成熟期，相信在眾多方面的努力下，將會越來越好。 1.6方案論證 方案一：設計的機器利用活動齒盤和固定齒盤間的高速相對運動，使被粉碎物經(jīng)齒沖擊、磨擦及物料彼此間沖擊等綜合作用獲得粉碎。這種機器結構簡單、堅固、運轉平穩(wěn)、粉碎效率良好，被粉碎物可直接由主機磨腔中排出，粒度大小通過更換不同孔徑的篩網(wǎng)獲得。機殼內(nèi)壁全部經(jīng)機加工達到表面平整光滑，改變了老機型內(nèi)壁粗糙、粉塵堆積的現(xiàn)象，但是作為食物垃圾處理器我們需要的是占地面積小，便于連接，同時耗電量能被一般家庭所接受。 方案二：設計的機器工作原理在刀盤高速旋轉時，被處理物不會與刀盤同步旋轉，從而產(chǎn)生一個速度差，加上離心力對被處理物的作用，使被處理物與刀盤的運動又不同向，這樣，依靠內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉刀共同對被處理物的破碎，撕拉等作用，使食物垃圾迅速變?yōu)?—5mm顆粒。垃圾處理器由投入口、粉碎室、驅動電機和排污口四部分組，驅動電機為處理器提供動力來源，粉碎室內(nèi)裝有多重多向粉碎功能的粉碎刀盤，是食物垃圾進行粉碎的場所，驅動電機和粉碎刀盤是垃圾處理器的關鍵部分，直接影響垃圾處理器的使用效果，這種機器更加適合我國的食物結構和住宅特點。避免了目前同類產(chǎn)品完全采用交流電機、國外進口電機、選用昂貴材料的做法，使機器的制造和使用成本降低，滿足一般家庭的使用需要。因此，我們決定采用第二個方案。 1.7本章小結 本章通過介紹廚房垃圾處理的緊迫性，分析了廚房食物垃圾的特征及其危害，研究出食物垃圾處理的方法以及處理器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀，領會課題目的和研究意義并列舉出方案進行論證。 第2章 廚房食物垃圾處理器的設計 2.1廚房食物垃圾處理器的可行性分析 固體垃圾的破碎裝置有碾磨、剪切、粉碎等多種方式，這是固體垃圾處理的預處理階段。本文所要設計的廚房食物垃圾處理器就是利用粉碎、剪切等方法把廚房食物垃圾快速粉碎成3-5mm的顆粒狀，通過下水裝置排入污水管道系統(tǒng)。 排入污水管道的垃圾，其顆粒越小或密度越接近于水的密度，則顆粒不會沉淀。據(jù)上海市環(huán)境研究所和美國賓夕法尼亞的環(huán)境工程研究院最近聯(lián)合調(diào)查顯示，經(jīng)美國摯通公司的U系列食物垃圾處理器處理過的食物垃圾在單位體積內(nèi)的分子數(shù)平均低于水分子的含量，食物垃圾的沉淀量少。廢水由高處依靠重力作用以一定的流速流入污水管道系統(tǒng)。由于在進行污水管道的水力學設計時，其原則是：不沖刷、不淤積、不溢流、要通風。所以在我國規(guī)定，污水溝道的最小流速為0.6m/s。被粉碎到一定粒度的顆粒進入下水道后，在此流速下完全可隨水流沿城建管道送入生活污水處理廠進行處理。食物垃圾處理器的工藝流程圖如圖2-1所示： 220V 交流電源 水 旋轉電機 食物垃圾 食物垃圾處理器粉碎室 粉碎刀 組 ≤5㎜的 顆粒流入 下水道 污水處理廠 圖2-1 食物垃圾處理器的工藝流程圖 荷蘭有人在荷蘭選取一些老城區(qū)做的研究表明：在設計的城市管道容量下，不會堵塞排水管道，而目前，我國現(xiàn)在正在增加城建管道的容量，廣泛使用塑料管道，增加了管道的耐腐蝕性，加大污水廠的處理能力等各項措施，都有利于食物垃圾處理器進入千家萬戶。但是，由于國外情況與我國并不完全相同而且食物垃圾處理器對人們來說還是一個新事物，所以它能否被人們所接受，大量使用后的狀況如何等問題還需要進一步去驗證。 廚房食物垃圾經(jīng)過處理器后會變?yōu)槠扑闋?，破碎后的顆粒隨水流動，在此過程中，有可能被管道上的障礙(如污泥，石子等)所阻擋而滯留，這時有機顆粒依靠厭氧菌群和兼性菌群進行厭氧發(fā)酵。這一過程極為復雜，原因在于參加此反應的微生物過多所致。一般可分為兩個階段，堿性發(fā)酵和酸性發(fā)酵。其中在酸性發(fā)酵的過程中，淀粉、纖維素等碳水化合物遇水分解，成為單糖，蛋白質(zhì)水解成氨基酸，再經(jīng)脫氨基作用形成有機酸和氨。脂肪水解后形成脂肪酸和甘油，并進一步分解形成各種低級的有機酸。產(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸菌群把上述水解發(fā)酵產(chǎn)物又再一次分解為氫、乙酸和二氧化碳。在產(chǎn)甲烷菌群的作用下，生成二氧化碳和甲烷，最終完成對有機廢物顆粒的消化過程。其中流入生活污水處理廠的有機顆?？勺鳛闋I養(yǎng)元素作為肥料，亦能對污泥進行提供營養(yǎng)。 2.2　廚房食物垃圾處理器的工作原理及組成 2.2.1　廚房食物垃圾處理器的工作原理 廚房食物垃圾處理器就是把廢棄食物倒入水池，隨水流下，落入粉碎室內(nèi)腔的轉盤1上。盤中短柱軸2上裝有兩只可動破碎角爪3，盤上下各有一把三角形粉碎切刀4，其根部相連。前部短片呈齒爪狀，位于垂直方向有夾角的個平面內(nèi)。盤上可動破碎角爪與盤下粉碎刀組成旋轉刀組如圖2-2所示。粉碎室內(nèi)壁由兩個半圓圈組合成一體，并且包裹住轉盤，但留有一定的間隙。它與轉盤之間有一定間隙。半圓圈如圖2-3所示。 圖2-2 旋轉刀組圖 A-A 圖2-3 半圓圈圖 轉盤由下部高啟動轉矩永磁電機驅動高速旋轉，依靠內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉的刀共同對被處理物進行破碎，撕拉等作用，通過固定刀組與旋轉刀組實現(xiàn)多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、魚肉碎骨、果殼、蛋殼、剩飯、剩菜、蔬菜皮、咖啡渣、茶葉等廢棄物通過切、敲、磨、搗、撕等多重機械粉碎迅速變成微小顆粒,與水混合成糊狀漿液，使食物垃圾迅速變?yōu)?—5mm顆粒，隨水流沖入下水道。這種垃圾處理方式不會阻塞化糞池，使食物殘渣容易清理，廚房環(huán)境更加清潔。 2.2.2　廚房食物垃圾處理器的組成 設計的廚房食物垃圾處理器主要有入口部分、粉碎室、驅動電機和排污管組成，食物垃圾處理器工作原理如圖2-4所示。 圖2-4 食物垃圾處理器工作原理圖 粉碎室下部側壁設有排污管(出水彎管)，室內(nèi)裝有多重多向粉碎功能的固定刀組和旋轉刀組，旋轉刀組由安裝在帶孔轉盤上下兩面的粉碎刀組成。 當水池內(nèi)的食物垃圾，經(jīng)入口進入粉碎室，隨水流下，便落入粉碎室內(nèi)腔的轉盤上盤中短軸上裝有兩只可動錐形破碎角爪，盤上有菱形粉碎刀，盤上可動破碎角爪與固定粉碎刀組成旋轉刀組。粉碎室內(nèi)壁四周嵌有套裝成一體的由內(nèi)齒環(huán)和端齒圈組成，作為固定刀組的齒形碾磨環(huán)，它與轉盤之間有一間隙，轉盤由永磁電機驅動高速旋轉，通過固定刀組與旋轉刀組實現(xiàn)多重多向粉碎功能。 落入粉碎室的水果皮、魚刺、碎骨、蛋殼、剩飯菜等廢物通過切、撕、磨等多種刀具粉碎迅速變成小于5mm的微小顆粒，隨水流沖入下水管，這樣就避免了下水管的堵塞。其中驅動電機和粉碎刀盤為垃圾處理器的關鍵部分，它們的好壞直接影響食物垃圾處理器的使用效果。 2.3　粉碎刀盤組合刀具結構設計 2.3.1　刀具基本尺寸的確定 食物垃圾處理機的最關鍵部件就是粉碎刀盤的結構設計，由于它獨特的位置和功能,在設計時必須保證它既耐腐蝕、不容易生銹，又要滿足一定的強度和剛度，根據(jù)這些特點，我們選取1Cr13不銹鋼材料，其材料參數(shù)為：彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8t/m3。 接口及刀盤尺寸的確定是參考我國廚房洗滌盆下水口的結構尺寸及食物垃圾多、硬、雜、粗等特點，目前我國廚房洗滌盆下水口的結構尺寸基本上是統(tǒng)一的，直徑為114mm，只是在輪廓上有大小、深淺之分。經(jīng)計算確定了刀盤的直徑：d=114mm，厚度：t=3mm。 2.3.2　粉碎刀盤的力學分析及材料的選擇 １.粉碎刀盤工作的載荷： 組合刀盤工作時需克服阻力，為確保刀盤有足夠的強度，設計刀盤時首先應對刀盤所承受的載荷進行分析。我們把刀盤理想為一個繞中心軸旋轉的一塊薄板，在它上面作用流體旋轉阻力矩以及破碎食物垃圾(削、撕、磨)時的阻力。 (1) 流體旋轉阻力矩 設一個半徑為R的圓盤，在本來靜止的流體中旋轉，轉軸通過圓盤的中心且與圓盤垂直。由于圓盤旋轉時，緊靠圓盤的流體層被圓盤上的摩擦阻力帶動作圓周運動，受慣性力的作用流體層往外流，并在圓盤的外緣處離開圓盤；而新的流體層則逼近圓盤，并依次外拋。這樣，經(jīng)過一個短暫的起始階段后，便建立了一個定常流動，它對圓盤的旋轉施加了相當大的阻力。 設：圓盤上單位體積的流體，切應力τbi的方向與圓盤成φ角。F徑向=τbisinφ 切應力的徑向分量 F徑向=τbisinφ (2-1) 徑向動量的增長同被圓盤帶著轉動的流體的離心力相平衡， F離=ρω2δr (2-2) 為被帶著轉動的流體層的厚度的量度,為圓盤旋轉的角速度，r為圓盤半徑，故切應力的徑向分量與ρω2δr成比例，即： τbisinφ=ρω2δr (2-3) 即： τbi=ρω2 δr/sinφ 應力的周向分量 F切周=τbicosφ (2-4) 按其量級可表示為 τbicosφ = μν/δ (2-5) 圓盤的旋轉速度等于旋轉角速度乘以圓盤的半徑 ν=ωr 所以 τbicosφ=μωr/δ (2-6) 將式(2-3)代入式(2-6)得： ρω2 δrcosφ/sinφ=μωr/δ 由實驗可知：φ與半徑無關，為一個常量，則化簡上式得： δ2=μ/ρr (2-7) 根據(jù)運動粘性系數(shù)定義： Γ=μ/ρ (2-8) Γ為運動粘性系數(shù)，μ為粘性系數(shù)，ρ為密度 將式(2-8)代入式(2-7)得： δ2=Γ/ω δ=(Γ/ω)1/2 (2-9) 將式(2-9)代入式(2-3)得： τbisinφ=ρω2 δr 由于φ為常量，所以 τbi=(Γ/ω)1/2r τbi=ρωr(Γ/ω)1/2 轉矩M與τbi×面積×力臂成比例 M=πρr4ω(Γ/ω)1/2 對于半徑為r和周向速度為V的圓盤，其系數(shù)為3.87/2，且ω=ν/r，故阻力矩為 M=3.87/2×ρν4ω(Γ/ω)1/2 =3.87r3×1/2ρv2/r(Γ/vr)1/2 依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)?-5mm顆粒的設計結果要求。在實驗基礎之上，設計中選取刀盤的轉速為 n=3000r/min ν=ωr =2πn/60×r =2×3.14×3000×0.057/60 =17.90m/s 使用計算旋轉圓盤上流體阻力矩的公式： M=3.87r3×1/2ρv2/r(Γ/vr)1/2 (2-1) =3.87×0.573×1.0×103×1.792(1×106/17.9×0.57)1/2 =0.1103N·M 由此可以得出，流體阻力矩 M=0.1103N·M 由公式 M=Fr (2-11) 得： F1=M/r =0.1103/0.057 =1.9N 所以流體阻力為： F1=1.9N (2) 垃圾形成的阻力 由于食物垃圾為軟垃圾，粉碎時產(chǎn)生很小的阻力，在對食物垃圾(不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛)中常見的魚刺、剩菜等進行破碎測試時得到阻力大約為 F2=11.5N ２.粉碎刀盤、粉碎刀材料的選擇： 前面我們已經(jīng)就材料作出選擇，下面我們就材料的選擇過程進行描述：廚房食物垃圾處理器的關鍵部件之一是組合刀盤及刀片。 在材料的選擇上必須保證它既耐腐蝕、不生銹、滿足一定的強度和剛度，同時要考慮其機械加工性和經(jīng)濟性。為此，我們在1Cr13和9Cr18兩種材料中參考表2-1進行選擇。 (1) 材料中C的含量越高，其耐腐蝕性越差； (2) 在鋼中加入Cr能顯著提高鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，并能提高鋼的強度和耐磨性，從而能顯著提高鋼的力學性能和物理、化學性能，因而在各種用途的鋼中普遍加入數(shù)量不等的Cr。但由于我國Cr資源稀少，故應盡量節(jié)約使用，少用或不用。 根據(jù)表2-1的分析可以看出，在滿足使用要求的前提下，1Cr13比9Cr18易加工，C，Cr的含量低，價位大體相當，所以，本文所用機器的刀盤及刀片選用1Cr13作為材料來加工。 表2-1材料1Cr13，9Cr18參數(shù)表 參數(shù)名稱 1Cr13 9Cr18 化學成分（質(zhì)量數(shù)%） C≦0.15 Cr≦11.50～13.50 C≦0.90～1.00 Cr≦17.00～19.00 密度(t/m3) 7.75 7.8 硬度(HBS) ≦159 ≦255 屈服強度 345 —— 抗拉強度 540 —— 加工性能 普通材料，稍難切削 難加工材料 價格(千元/噸) 5 5 用途 具有良好的耐腐蝕性，機械加工性，一般用在刃具制造上 一般用作不銹切片、機械刃具、剪切刀具、手術刀片及高耐磨設備零件 2.3.3　粉碎刀盤的強度校核 粉碎刀盤受到循環(huán)載荷的作用，能發(fā)生疲勞破壞。刀盤是決定粉碎機壽命長短的因素之一，因此，按無限壽命設計，即要求各部件在工坐載荷作用下具有無限長的疲勞壽命。 金屬材料在交變應力下的強度常用σ-N曲線或疲勞極限來衡量。σ-N曲線如圖2-5 所示。 圖2-5 -N曲線 對于鋼材來說，σ-N曲線有一條水平漸近線σmax=σR，這意味著當ρ>σR時，試件經(jīng)受有限循環(huán)會發(fā)生疲勞破壞；當σmax<σR時，試件則能經(jīng)受無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞。為此，設計時應力水平應該很低，以便有足夠的應力儲備。 疲勞極限與抗拉強度之間的關系如下： 0.25<σR/σLA<0.5 材料1Cr13的抗拉強度σLA=540MPa， 進行保守估計，我們?nèi)〉摩襌下限： σR=0.25σLA =0.25×540 =135MPa 即：σR的最小值為135MPa 計算σ盤max： 設在距圓心為ρ處取一微面積dA，其上內(nèi)力dA對X軸之矩為，將所有內(nèi)力矩求和即得到截面上的力矩： (2-12) 圖2-5 橫截面應力示意圖 其中A為橫截面面積。 根據(jù)虎克定律： (2-13) 將式(2-13)代入式(2-12)中，并注意到為常數(shù)，于是有 其中是與圓截面有關的一個幾何量，以極慣性矩Iρ表示，所以 (2-14) 將式(2-14)代入式(2-13)得： σmax=τmax=Mxρ/Iρ 圓盤上最大的應力應在截面周邊各點，故ρ=ρmax代入： σ盤max=Mxρmax/Iρ (2-15) 根據(jù)材料力學知識，對于實心圓軸的極慣性矩：Iρ=πd4/32 其中d為圓軸橫截面的直徑。 F離=mω2R =ρπd2/4h(2πn/60)2R =7.75×3.14×0.0572×0.15×(19.7/0.057)2×0.057 =66.67N F合=F離+F2+Fcos90° 　　　 =66.67+11.5+1.9cos90° =78.2N 將公式 Mx=F合×R (2-16) 代入式(2-15)得： σ盤max=Mxρmax/Iρ =F合R2/πd4/32 =32×16×78.2/3.14×0.05732 =41.4MPa 可見 41.4<135 即 σ盤<σR 依據(jù)σ-N曲線，當σ盤max<σR，時，試件則能經(jīng)受無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞，設計中刀盤滿足強度要求。 2.3.4　刀片的強度校核 由于刀片與刀盤都繞固定軸旋轉，運動形式相同，所以校核方法相同。依據(jù)σ-N曲線，只要當?shù)镀摩冶Pmax<σR時，刀片滿足強度要求。 設計中，刀片的半徑 r=0.035m 速度 v刀片=ωr =2πn/60×r =2×3.14×300×0.035/60 =11m/s 則依據(jù)公式(2-10) M刀片=3.87r3×1/2ρv2(Γ/vr)1/2 =3.87×0.0353×0.5×1.0×103×112(1×10-6/11×0.035)1/2 =0.0158N·M 因為： M刀片=F刀片r 故流體對刀片阻力： F刀片=M刀片/r=0.158/0.035=4.5N 又因為： F離=mω2r =ρπd2/4h(2πn/60)2r 　　　　　　　　　　　 =15.42N F合=F離+F2+Fcos90° =26.92N 將公式 Mx=F合×r 代入式(2-15)得： 因為 35.3<135 所以 σ刀片max<σR 可見，設計中刀片滿足強度要求。 2.3.5　粉碎刀盤的結構設計 根據(jù)我國食物垃圾種類多，硬度、粘性差別大的特點，采用組合刀盤式粉碎刀，由固定刀組和旋轉刀組組成，結構為： 旋轉刀組由刀盤組成。刀盤為組合刀盤，上面有菱形塊、擺動刀及直徑為3mm的小孔，擺動刀可繞固定軸做90°的擺動，實現(xiàn)粉碎垃圾。組合刀盤在電動機的帶動下高速旋轉；粉碎室內(nèi)壁四周嵌有套裝成一體的內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)作為固定刀組，內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)與粉碎刀盤有一間隙，利用間隙對食物垃圾進行切、撕、磨等破碎操作。組合刀盤式粉碎刀具有以下作用： 1.對于硬度較小、粘性較大的食物垃圾，在可隨電機高速旋轉的刀盤上設置兩個擺動刀，與粉碎室內(nèi)部的端齒環(huán)共同作用，實現(xiàn)對食物垃圾進行剪切和機械撕裂破碎功能。 2.對于硬度較大、粘性較小的食物垃圾在轉盤上設置了兩個棱形固定刀，在離心力的作用下，食物垃圾很容易運動到轉盤的邊緣，為此，在粉碎室內(nèi)壁四周設置了平齒環(huán)。平齒環(huán)和端齒環(huán)共同作用，對食物垃圾進行切、撕、磨等破碎操作。 3.在旋轉刀盤上分布著許多直徑為3mm的小孔，這些小孔一方面用來排泄破碎后的顆粒和污水，另一方面可以在保證轉盤足夠強度時減輕自重。 2.4　本章小結 本章主要介紹了廚房食物垃圾處理機的工作原理及組成，對食物垃圾處理器作出可行性的分析，并對廚房食物垃圾處理機的刀具進行設計和選擇，并計算出刀具的各項參數(shù)，包括刀片強度的校核、刀盤強度的校核等。最后，對粉碎刀盤的結構進行了設計，成功設計出組合式粉碎刀盤。 第3章 驅動電機的結構設計 3.1　驅動電機的選擇 驅動電機是食物垃圾處理器工作能量的提供源，也是關鍵部件之一，其性能直接影響著廚房食物垃圾處理器質(zhì)量的好壞。在設計中，電動機運行特征為時間短，啟動頻繁，斷續(xù)工作。圖3-1為永磁電機的結構簡圖。 我們選用永磁電機,因為其定子為永磁鋼勵磁無需勵磁線圈，即省電又不發(fā)熱。磁路結構經(jīng)精心選擇，使電機具有啟動轉矩大，過載能力強、響應速度快、嘈聲低及轉動平衡等特點，電機設計時采用了一些特殊技術。但是本次設計所用的電機是自己設計制造的。 1.磁鋼徑向、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密，從而提高出力和快速響應能力。 2.采用不均勻氣隙設計和磁鋼極尖削角來保證對負載電流引起的電樞反應有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。 3.利用電機槽和換向片及極弧寬度和齒槽的合理配合達到減小轉矩波動、嘈聲，保證平穩(wěn)運行要求。 圖3-1 永磁電機的磁路結構和磁場分布 3.1.1電動機種類的選擇 目前，電動機的種類繁多，價格、性能差別比較大，本著經(jīng)濟、實用的指導思想對電動機類型及型號進行優(yōu)化選擇是十分重要的。選擇電動機種類應在滿足生產(chǎn)機械對拖動性能的要求下，優(yōu)先選用結構簡單、運行順利可靠、便于維護同時價格又不貴的電動機。電動機種類選擇時應考慮以下內(nèi)容： 1.電動機的機械特性應與所拖動生產(chǎn)機械的機械特性相匹配； 2.電動機的調(diào)速性能(調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、經(jīng)濟性)應該滿足生產(chǎn)機械的要求。對調(diào)速性能的要求在很大程度上決定了電動機的種類、調(diào)速方法以及相應的控制方法； 3.電動機的啟動性能應滿足生產(chǎn)機械對電動機啟動性能的要求，電動機的啟動性能主要是啟動轉矩的大小，同時還應注意電網(wǎng)容量對電動機啟動電流的限制； 4.電源種類在滿足性能的前提下應優(yōu)先采用交流電動機； 5.經(jīng)濟性一是電動機及其相關設備(如：啟動設備、調(diào)速設備等)的經(jīng)濟性；二是電動機拖動系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，主要是要效率高，節(jié)省電能。 根據(jù)機械的負載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調(diào)速等要求選擇電動機的類型。直流電動機可實現(xiàn)快速頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；具有過載能力大、能承受頻繁的沖擊負載，優(yōu)良的調(diào)速性能，調(diào)速平滑、精確、方便和范圍廣等特點。 電動機的工作環(huán)境是由生產(chǎn)機械的工作環(huán)境決定的。在很多情況下，電動機工作場所的空氣中含有不同分量的灰塵和水分，有的還含有腐蝕性氣體甚至含有易燃易爆氣體；有的電動機則要在水中或其他液體中工作。灰塵會使電動機繞組黏結上污垢而妨礙散熱；水分、瓦斯、腐蝕性氣體等會使電動機的絕緣材料性能退化，甚至會完全喪失絕緣能力；易燃、易爆氣體與電動機內(nèi)產(chǎn)生的電火花接觸時將有發(fā)生燃燒、爆炸的危險。因此，為了保證電動機能夠在其工作環(huán)境中長期安全運行，必須根據(jù)實際環(huán)境條件合理地選擇電動機的防護方式。電動機的外殼防護方式有開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種。 設計中，食物垃圾處理器電動機的特征為頻繁短時運行、快速啟動，無調(diào)速要求。依據(jù)直流電動機具有的特點，設計選取電機類型為直流電動機。 在直流電動機中，有一種電機的磁極需要用到永磁材料(或加上鐵磁材料)提供電動機所需要的勵磁源，從而取代了電磁式直流電動機中的線圈式磁極。這種電動機稱為永磁直流電動機。由于沒有勵磁線圈，故省電且不發(fā)熱，磁路結構經(jīng)過認真設計，使電動機具有很多優(yōu)點及特點，例如轉速平穩(wěn)、噪聲低、響應速度快及過載能力強。根據(jù)這些特點，選用的是永磁直流電動機來進行設計。 永磁材料的種類繁多，有鋁鎳鉆系列磁鋼、稀土永磁、鐵氧體永磁等。表征永磁材料性能的主要因素：矯頑力HCB、剩余磁感應強度Br、最大磁能面積以及磁穩(wěn)定性。選用永磁材料要求(BH)max最大，溫度系數(shù)小，磁穩(wěn)定性高。永磁材料的磁穩(wěn)定性對于永磁直流電動機至關重要，若磁穩(wěn)定性差，則永磁直流電動機壽命短。 外界因素能引起磁性能不可逆變化，影響磁穩(wěn)定性的因素有： 1.內(nèi)因包括組織變化和磁后效。鋁鎳合金、鐵氧體、鐵鉻鉆等不會發(fā)生組織的變化。但鐵硼易氧化且產(chǎn)生組織的變化。各種永磁材料除各向異性外，都會產(chǎn)生磁后效，它們對時間的退磁率隨時間的對數(shù)變化。 2.外因包括溫度、干擾磁場、機械力、接觸強磁性物質(zhì)、高能粒子輻照等。使磁能變化。 (1) 由于溫度可引起永磁體的材質(zhì)和尺寸比的變化，因而在選用具有低溫退磁性質(zhì)的永磁體時，應使永磁體在最低使用溫度下工作。在尺寸比相同的情況下，各種永磁體的退磁率隨外磁場增大而增加，隨矯頑力提高、尺寸比增大而變小，若