260 食品垃圾處理器,食品,食物,垃圾,處理器 　畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 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(qū)動電機和粉碎刀盤為機器的關(guān)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(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞：食物；垃圾；刀盤；永磁電機畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要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 .Key words：food; garbage; cutters; permanent magnet motorI目　錄1　緒論 ..................................................................................................................................- 1 -1.1　廚房食物垃圾處理的緊迫性 ...................................................................................- 1 -1.2　廚房食物垃圾的特征及其危害 ...............................................................................- 2 -1.2.1　廚房食物垃圾的特征 ......................................................................................- 2 -1.2.2　廚房食物垃圾的危害 ......................................................................................- 3 -1.3　食物垃圾處理的方法 ...............................................................................................- 3 -1.3.1　衛(wèi)生填埋 ..........................................................................................................- 3 -1.3.2　焚燒 ..................................................................................................................- 4 -1.3.3　堆肥 ..................................................................................................................- 4 -1.3.4　作牲畜飼料 ......................................................................................................- 5 -1.4　食物垃圾處理器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀 .......................................................................- 5 -1.5　課題目的和研究意義 ...............................................................................................- 6 -1.5.1　課題目的 ..........................................................................................................- 6 -1.5.2　研究的意義 ........................................................................................................- 6 -1.6　方案論證 ...................................................................................................................- 7 -2　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(jié)構(gòu)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 -2.3.4　刀片的強度校核 ............................................................................................- 17 -2.3.5　粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)設計 ....................................................................................- 18 -2.4　驅(qū)動電機的選擇 .....................................................................................................- 19 -2.4.1　電動機種類的選擇 ........................................................................................- 19 -2.5　其它部分設計 .........................................................................................................- 21 -2.6　廚房食物垃圾處理器的裝配 .................................................................................- 22 -3　結(jié)論 ................................................................................................................................- 23 -II參 考 文 獻 ........................................................................................................................- 25 -謝　辭 ..................................................................................................................................- 27 -- 1 -1　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 1.35 億噸/年，占世界總量的四分之一以上 [1]，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，我國生活垃圾日處理量僅占垃圾生產(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，剩飯和剩菜以及下角料等常常倒入洗滌盆的下水管內(nèi)，如不及時處理，這些食物垃圾就會堵塞下水道并在下水道內(nèi)腐爛、發(fā)臭，造成細菌滋生、老鼠橫行、污水橫流，嚴重污染家庭和公共場所環(huán)境，夏天尤其嚴重，由此給生活帶來許多麻煩，嚴重的影響著人們的生活環(huán)境和身體健康。同時，中國的人均耕地面積不足，遠遠低于世界人均 的水平，可全國未經(jīng)處理而堆存的垃圾達 60 億噸，20.13hm20.31hm占用土地約 50 萬 ，在大量浪費土地資源的同時也對土地產(chǎn)生污染 [2-9]。有資料表2h明，1 節(jié)一號電池可使 1 平方米的土地失去其使用價值。在水資源方面，中國是世界上13 個貧水國之一，全國 668 座城市中有 400 多座城市缺水，其中 110 座城市嚴重缺水，而歷年堆放垃圾中的重金屬以及在垃圾腐爛過程中產(chǎn)生的病原微生物，使一些城市的水源遭到污染。在我國，垃圾處理主要采用填埋技術(shù)，但填埋的技術(shù)不過關(guān)，在耗費大量財力的同時產(chǎn)生垃圾的二次污染，嚴重影響著人們的正常生活環(huán)境。垃圾產(chǎn)量的迅速增長，己經(jīng)制約了城市的發(fā)展，我國政府對垃圾處理問題高度重視，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(guān)政策及規(guī)范，提出了“以減量化為基礎(chǔ)，以無害化為主體，以資源化為目標”的方針。目前，結(jié)合我國生活垃圾的特點，開發(fā)較為有效的處理技術(shù)已成為當務之急。近幾年來，由于人們生活水平的提高，生活結(jié)構(gòu)的改變，生活垃圾的成分也發(fā)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)量越來越大，占城市生活垃圾總量的 50%，并呈上升趨勢。在上海，每天產(chǎn)生生活垃圾約 1.3 萬噸，其中 70%為食物垃圾，每年處理的總量達 300 萬噸。在北京，每天產(chǎn)生的剩飯、剩菜就達 1600 多噸，每月回收饅頭 20 噸左右，相當于 140 人一年的口糧，而且春節(jié)期間至少增加 50%以上 [9]。從環(huán)境衛(wèi)生角度看，食物垃圾是一種污染，- 2 -但從資源角度看，它也是一種再生資源，這些被丟棄的有機物可通過生物技術(shù)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的有機肥，而去掉有機物的生活垃圾用來焚燒發(fā)電，可有效的緩解能源危機，具有生態(tài)環(huán)境效益和社會效益 [8]。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 年預測值 [l0]。表 1　1988-2000 年上海市生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計及 2005-2015 年預測值有機垃圾（％） 無機垃圾（％）年份 產(chǎn)生量 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 3.611990 301 4.26 4.19 1.44 1.14 70.05 12.04 0.10 3.74 2.911993 335 8.36 7.54 1.89 1.97 61.09 11.08 0.72 4.74 1.861995 372 6.50 11.21 1.47 2.17 56.66 11.99 0.91 3.81 2.291997 454 8.05 11.78 1.44 2.24 58.06 12.03 0.58 4.00 1.822000 641 8.02 13.93 1.43 2.81 54.66 12.84 0.85 4.15 1.262005 709 10.83 13.21 1.93 3.21 62.37 0.83 5.45 2.702010 863 12.82 12.98 2.49 4.41 58.76 0.98 5.64 1.922015 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)占有很大比例，其中廚余為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食物垃圾主要是指在食物加工和飲食消費過程中產(chǎn)生的易腐爛、易生物降解的廢棄物，是城市生活垃圾的主要組成部分 [10]，在城市垃圾中所占比例北京 37%，天津54%，上海 59%，沈陽 62%，深圳 57%，廣州 57%，濟南 41%。與其他垃圾相比，具有含水量、有機物含量、油脂含量及鹽分含量高，營養(yǎng)元素豐富等特點，具有很大的回收利用價值。 [24]一般在食品加工過程中產(chǎn)生的食物殘余稱為廚余，飲食消費后的食物殘渣稱為浴腳，從化學成分上看主要是淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類和無機鹽等 [11-16]。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(jié)構(gòu)復雜，食物垃圾呈現(xiàn)多、硬、雜、粗等特點 [17]。1.食物垃圾具有較低的發(fā)熱值- 3 -發(fā)熱值又稱發(fā)熱量，是指 1 的垃圾完全燃燒后所釋放出的熱量，人們常用發(fā)熱kg值來衡量或表示垃圾作為燃料的價值和能力。由于食物垃圾的水分含量很高，所以其單位質(zhì)量的低位熱值在 2100-3100 左右，(當垃圾的平均低位熱值高于 3349KJ時，焚燒過程不用添加任何助燃劑，高于 4180 時可進行余熱利用如發(fā)電)KJkg KJkg故需加入燃油或煤等助燃，增加成本，同時要注意控制溫度，防止灰塵、二惡英等有害物質(zhì)產(chǎn)生 [15]。2.營養(yǎng)元素高，可實施資源化食物垃圾中營養(yǎng)元素含量高，干物料中粗脂肪約為 29%，是大豆的 1.5 倍；粗蛋白約占 20%，是玉米的 2 倍，有實驗表明粗脂肪消化率為 88.26%，粗蛋白消化率為 89.63%，其消化率與常規(guī)飼料相近，是生產(chǎn)綠色飼料最理想的原料。但是由于我國垃圾不是分類處理，各種垃圾都混合在一起，導致大量營養(yǎng)元素的浪費。1.2.2　廚房食物垃圾的危害廚房食物垃圾中含有大量易腐物質(zhì)，而我國垃圾收集容器和運輸車輛對其并不適宜，從而帶來在垃圾收集和運輸過程中的二次污染。同時，食物垃圾因其含水量大，又是垃圾填埋場的滲濾液的主要來源。由于食物垃圾易腐爛，產(chǎn)生臭氣污染大氣的同時還使蒼蠅，嶂螂等害蟲橫行，傳播疾病。加之人們環(huán)保意識比較薄弱，在一些城郊結(jié)合區(qū)，可以看見餐廚垃圾被隨意倒入陰溝、路邊，嚴重影響了市容環(huán)境衛(wèi)生。再者，我國有把餐廚垃圾作為牲畜飼料的習慣，一些垃圾的細菌、重金屬會通過牲畜的內(nèi)臟危害人體的健康，更有甚者，有一些不法之徒為了謀求暴利，降低成本，甚至用“浴水油”提煉色拉油來加工食品，毒害百姓。廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細菌、招引小蟲，成為揮之不去的家庭污染源。食物垃圾占 50%左右。解決食物垃圾對家庭的污染已成為提高家庭生活質(zhì)量的標志之一。近幾年，食物垃圾處理器在韓、日等國也得到了高速發(fā)展。在北京一些大批量高檔精裝修房已使用了食物垃圾處理器，業(yè)內(nèi)人士表示，食物垃圾處理器與微波爐等家用電器一樣，將成為家居廚房的標準配置。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)生填埋此特點是操作簡單，可處理多種類型的垃圾，但投資大，占地多，垃圾處理沒有減量化和資源化。填埋場受容量的限制，有一定的使用期限，一個填滿后，又要重新征地新建，而我國耕地面積小，這樣就出現(xiàn)了“人與垃圾爭地”的局面。另外，由于衛(wèi)生填埋產(chǎn)生的滲濾液能使周圍的地下水及土壤受到污染(美國就曾發(fā)生過花費數(shù)百億美元治理被垃圾填埋場滲漏液污染的地下水事件)，故國外一些國家規(guī)定填埋的垃圾中- 4 -有機質(zhì)含量不能超過 5%。我國在有機垃圾的含量持續(xù)升高的同時，真正達到要求的填埋廠卻并不多，有關(guān)部門對我國 298 個垃圾填埋場調(diào)查后得知有 191 個填埋場滲濾液無任何處理或防護措施直接外排，對 107 個垃圾填埋場的濾液進行監(jiān)測，有 86 個超標，占 81.4%，故我國垃圾填埋場附近的環(huán)境狀況并不樂觀 [11-12]。垃圾填埋后，會釋放大量甲烷等溫室氣體，污染空氣產(chǎn)生溫室效應的同時也易引起爆炸，威脅著周圍居民的安全。再者，根據(jù)物質(zhì)不滅和能量守恒定律，垃圾是物質(zhì)循環(huán)和能量流動的一種形式，其內(nèi)部蘊藏著巨大的能量和價值。食物垃圾中含有更加豐富的有機物質(zhì)，可回收再利用的成分很高，卻被直接的丟棄，造成能源的浪費 [13-14]。所以填埋雖然現(xiàn)在是垃圾處理的主要方法，但今后會不斷的減少。1.3.2　焚燒焚燒是在高溫下燃燒垃圾,達到大量削減固體的目的，能迅速實現(xiàn)垃圾的“減量化”，焚燒后的體積僅為原來的 5%-15%[16]，同時焚燒產(chǎn)生的余熱還可以發(fā)電和供熱，對于土地面積比較小的國家，此種方法受到青睞。在日本，垃圾焚燒量超過 66%[17]。其缺點是產(chǎn)生煙塵污染，投資大。我國引進的垃圾焚燒設備，若處理 100 垃圾，其建設td成本接近 1 億元人民幣口 [18]，中等城市的財政難以承受。另外，我國的垃圾結(jié)構(gòu)也不適合焚燒，表 2 和表 3 為長春市主城區(qū)生活垃圾的三種成分和垃圾各組分的含水率調(diào)查統(tǒng)計。表 2　生活垃圾成分的百分數(shù)（％） 表 3　垃圾各組分的含水率（％）成分 朝陽區(qū) 二道區(qū) 平均值 含水率 朝陽區(qū) 二道區(qū) 平均值含水率 68.5 63.2 65.85 紙 68.6 71.3 69.95可燃分 20.6 22.3 21.45 纖維 67.3 57.8 62.55灰分 10.9 14.5 12.7 塑料 46.8 53 49.9橡膠 20.6 48.9 34.75廚余 71.5 76.2 73.85金屬 0 0 0通過表 2 和表 3 的分析可知：在長春市區(qū)內(nèi)的垃圾含水率較高，平均為 65.85%,正是由于垃圾的含水率高，因而降低了垃圾的熱值，增加了垃圾的焚燒難度。在各種垃圾組分中，廚房殘余垃圾的含水率最高，而且它的組分含量也最大，所以，影響生活垃圾焚燒效果的主要因素為廚房殘余垃圾。因此，要想對垃圾采用焚燒的處理方式，最好是首先把廚房殘余垃圾解決好。- 5 -1.3.3　堆肥堆肥適合于食物垃圾，我國常采用傳統(tǒng)的厭氧堆肥，但其周期長，常為 3-6 個月，并受季節(jié)性影響。由于垃圾的混合收集 [13]，垃圾中的重金屬(Pb，Cd，Hg)等在雨水的作用下滲到有機肥中，用這種肥種出的食品其重金屬含量必定會超標，危害人體健康[17-19]。資料表明， 1 顆紐扣電池可以污染 60 萬升的水 [16]，1 節(jié)一號電池可以使 的21m土地失去其使用價值 [20]。所以，無法對重金屬含量進行嚴格控制的堆肥必須慎用。另外，由于化肥的低廉價格及廣泛應用，使堆肥的前景并不樂觀。1.3.4　作牲畜飼料由于食物垃圾中含有豐富的有機物質(zhì)，長久以來，許多農(nóng)民到各飯店、餐館收集泔水，然后未經(jīng)任何處理直接運回喂豬生產(chǎn)垃圾豬。另外，泔水在運輸途中容易變質(zhì)，嚴重的影響著人們以及牲畜的身體健康。歐洲在 1997-1998 年間就發(fā)生過因垃圾飼料引起的 Swine Fever 疾病，導致家畜集體死亡的事件。在我國，北京、上海等地也都先后明令禁止運用此類垃圾喂牲畜 [16][20]。由此可見，食物垃圾因其特有的性質(zhì)以及傳統(tǒng)的不合理的處理方法，給人們造成危害的同時也使資源白白的浪費，故找尋合適的處理食物垃圾方式是一項緊迫的任務。1.4　 食物垃圾處理器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀目前，世界各國尋求的方法各不相同，在加拿大，政府向居民免費或低價提供堆肥桶，鼓勵居民將廚房垃圾在自己家進行處理，而美國則鼓勵居民采用食物垃圾處理器，一種可以安裝在水槽下面的小型機器。廚房中產(chǎn)生的食物垃圾可以被其快速粉碎為小顆粒，隨流水一起進入排水管道。食物垃圾處理器起源于美國。據(jù)有關(guān)資料記載，在上個世紀 30 年代，一位名叫約翰·海墨的設計師在自己的地下室設計出了世界上第一臺食物垃圾處理器，這一富于想象力的設計目的是為了減輕自己妻子廚房事務的負擔，并且使廚房環(huán)境更干凈一些。產(chǎn)品最初的設計十分簡單。只有一臺用電動機驅(qū)動的滾刀式粉碎機。隨后的幾十年，該產(chǎn)品得到了不斷的改進和提高，逐步被消費者所接受，在上個世紀的 60 年代，開始在美國市場上形成批量銷售，之后，該產(chǎn)品的實用價值及其優(yōu)點得到了政府和有關(guān)部門的認可，為全面考察食物垃圾處理器可能造成的影響，20 世紀 80 年代紐約市政府曾聯(lián)合美國環(huán)保局、城市管道部門、國家衛(wèi)生部等多方面力量，進行了一項為期三年的聯(lián)合調(diào)查，試圖從多角度來評估食物垃圾處理器對城市周圍水質(zhì)、城市管道、污水處理廠、耗水量和耗電量的影響，結(jié)果表明，食物垃圾處理器的應用對城市水質(zhì)沒有任何影響，城市管道不被堵塞，增加污水處理的負擔，- 6 -耗電量及耗水量有所增加，但可大大降低城市中食物垃圾數(shù)量。由于固體垃圾的處理費用遠遠高于廢水的處理費用，所以綜合全面因素進行核算，應用食物垃圾處理器可以為國家節(jié)約成本 [20-26]。通過倡導安裝，實現(xiàn)了減少生活垃圾及排放物，從源頭抓起的目的，進而達到了垃圾的減量化、資源化、無害化的效果。這種食物垃圾處理器目前在美國的家庭中使用率已很高，并由此波及至其他國家 [25]。目前，這一機器在美國家庭普及率為 95%以上，居世界首位，并波及世界其它國家，像瑞典、澳大利亞、法國、日本等都相繼研究和應用食物垃圾處理器，其中日本普及率達到 35%以上。在上世紀九十年代末，食物垃圾處理器進入中國?，F(xiàn)在，美國艾默生電氣公司的工 SE 系列、美國通用電器的 Dispose 系列、美國摯通公司的 U 系列等幾種品牌的食物垃圾處理器壟斷中國，但中國自行研制的適合我國的食物垃圾處理器卻仍為空白，相關(guān)資料很少。由于直接照搬國外產(chǎn)品，它不適合中國的住房特點和飲食結(jié)構(gòu)。首先，國外機器采用交流電動機，交流電動機的特點是結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速范圍廣，維護方便，但它噪音大，體積大且笨重，歐美國家廚房的水槽偏厚，可以承受住大壓力，可中國水槽薄，食物垃圾處理器很容易把水槽壓壞。同時，機器使用中產(chǎn)生的大噪音也是不容忽視的因素。另外，國外機器價格太高，一般百姓難以承擔。像美國摯通公司生產(chǎn)的 U-308 型食物垃圾處理器價格為 1580 元，而 insinkerator 公司生產(chǎn)的同規(guī)格產(chǎn)品價格竟為 2500 多元，如此高的價格為食物垃圾處理器在中國的廣泛推廣設置了障礙。鑒于以上因素，研制一款適合我國國情的食物垃圾處理器十分必要。1.5　 課題目的和研究意義1.5.1　課題目的依據(jù)我國的實際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預處理裝置——廚房食物垃圾處理器，使居民在家中可以直接對廚房垃圾進行初步處理，處理掉的食物垃圾通過下水管路排到陰井中。這樣就在源頭上避免了食物垃圾造成的污染，同時實現(xiàn)了城市生活垃圾的減量化之目的。1.5.2　研究的意義國外成功的應用食物垃圾處理器來減少食物垃圾的經(jīng)驗，為我們處理日益增加的食物垃圾開辟了一條新途徑，從而呼喚適合我國的食物垃圾處理器。另外，從源頭解決處理廚房食物垃圾污染的研究還是有很多優(yōu)點：1 減少易腐垃圾數(shù)量，提高環(huán)境質(zhì)量目前，國家對生活垃圾的處理原則是垃圾的減量化、無害化和資源化。而減量化位居第一位，可見其重要性。廚房垃圾處理器為食物垃圾的破碎預處理裝置，可對廚- 7 -房垃圾進行初步處理，不但減少垃圾的堆放量，同時確保人們有一個健康、整潔的生活環(huán)境，進而減少疾病的傳染。2 于垃圾的再處理由于廚房垃圾含有大量的水分，給垃圾的焚燒帶來很大的困難，上海浦東垃圾焚燒廠現(xiàn)在就是依靠添加輔助燃料如油進行垃圾焚燒，這樣一方面增加垃圾成本，另一方面在能源緊缺的中國還造成能源的大量浪費。但是若把廚房垃圾在源頭切斷，則可大大的提高生活垃圾的焚燒熱值，同時對垃圾填埋產(chǎn)生的滲漏問題也可大大改觀。3 有經(jīng)濟、社會效益由于我國經(jīng)濟與科技水平還不十分發(fā)達，高額投入垃圾處理有較大困難，許多固體垃圾處理廠在引進國外先進技術(shù)后，由于缺乏科學的管理和資金的支持，處于半停產(chǎn)狀態(tài)；一些小區(qū)雖然引進廚房垃圾的生化處理機，但其使用成本太高，己經(jīng)超出百姓的支付能力范圍。擬研制的食物垃圾處理器作為一種面向家庭、賓館及飯店的小型機器，突有體積小，成本底，經(jīng)濟耐用的特點，可以被人們所接受。加上政府在政策和輿論大力宣傳引導，實行鼓勵政策，一方面提高了百姓的環(huán)境參與意識，充分調(diào)動社會力量保護環(huán)境。另一方面，政府還可把節(jié)省下來的大量開支(例：二次污染治理費、城市生活垃圾運輸費)用來研制、開發(fā)垃圾處理的新項目。廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細菌、招引小蟲，成為揮之不去的家庭污染源。食物垃圾占 50%左右。解決食物垃圾對家庭的污染已成為提高家庭生活質(zhì)量的標志之一。近幾年，食物垃圾處理器在韓、日等國也得到了高速發(fā)展。在北京一些大批量高檔精裝修房已使用了食物垃圾處理器，業(yè)內(nèi)人士表示，食物垃圾處理器與微波爐等家用電器一樣，將成為家居廚房的標準配置。 食物垃圾處理器是一種現(xiàn)代化的廚房電器，通過改變食物垃圾的形態(tài)來進行及時的食物垃圾無害化處理，能夠?qū)⑹澄锢鬯槌蓾{狀液體或極小顆粒直接從下水管道排出，可輕松實現(xiàn)即時、方便、快捷的廚房清潔，避免食物垃圾因儲存而滋生病菌、蚊蟲和異味，從而有效優(yōu)化家居環(huán)境，并徹底解決下水道容易堵塞的問題。 家庭食物垃圾處理器可以解決家庭垃圾的煩惱--輕松處理食物殘渣、剩余物，讓廚房生活更輕松;使家庭環(huán)境得到改善--解決垃圾變質(zhì)引發(fā)的環(huán)境污染，讓家庭和社區(qū)不再存放食物垃圾;由此讓家庭告別臟、亂的垃圾環(huán)境，遠離病菌、蚊蟲、蟑螂的困擾。食物垃圾處理器在歐美國家使用率非常高，一些國家已經(jīng)立法推廣。這種設備給家庭帶來了舒適健康的生活空間。食物垃圾通過處理后排放，不會對下水管道產(chǎn)生影響，更不會堵塞下水道。其帶來的社會效益和經(jīng)濟效益驚人，前景十分看好。 - 8 -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(jié)構(gòu)簡單、堅固、運轉(zhuǎn)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：設計的機器采用刀片切割和高速氣流沖擊，碰撞雙重粉碎功能于一體，在刀片切割粉碎過程中，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流隨刀片切割方向旋轉(zhuǎn)，物料在氣流中加速，并反復沖擊使物料同時受到雙重粉碎，加速物料的粉碎率。被粉碎的物料隨氣流進入分級室，由于分級轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，粒子既受到分級轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，又受到氣流粘性作用產(chǎn)生向心力作用，當粒子受到的離心力大于向心力時，既分級徑上的粗粒子返回粉碎室繼續(xù)粉碎分級徑以下的細粒子隨氣流進入集粉器收集。這種機器具有能耗低，工藝流程短，占地面積小，無粉塵污染，產(chǎn)生熱量小，成品粒度細，粉碎范圍廣，物料含水量不限，進料粒度不限等特點。但是這種機器由于有風機，所以不能粉碎剛從水池中流下的食物垃圾，并且此種方案設計的機器噪音大、占地面積大，不能滿足家庭的使用要求。方案三：設計的機器工作原理在刀盤高速旋轉(zhuǎn)時，被處理物不會與刀盤同步旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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)?3-5mm 顆粒。垃圾處理器由投入口、粉碎室、驅(qū)動電機和排污口四部分組，驅(qū)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(qū)動電機和粉碎刀盤是垃圾處理器的關(guān)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(jié)構(gòu)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，我們決定采用第三個方案。- 9 -- 10 -2　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 的顆粒狀，通過下水裝置排入污水管道系統(tǒng)。35m?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 。被粉碎到一定粒度0.6ms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 [21]。食物垃圾處理器的工藝流程圖如圖 1 所示。220V 交流電源水 旋轉(zhuǎn)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 1　食物垃圾處理器的工藝流程圖荷蘭有研究人員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，而且我國現(xiàn)在正在增加城建管道的容量，廣泛使用塑料管道，增加管道的抗腐蝕性，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 [22]。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。廚房食物垃圾破碎后的顆粒在隨水流動的過程中，有可能被管道上的淤泥所阻擋而滯留，這時有機顆粒依靠厭氧菌群和兼性菌群進行厭氧發(fā)酵。由于參加反應的微生物種類多，這一過程很復雜。一般可分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個階段。在酸性發(fā)酵- 11 -的過程中，纖維素、淀粉等碳水化合物水解成單糖，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。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并進一步降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)物進一步分解為乙酸、氫和二氧化碳。在產(chǎn)甲烷菌群的作用下，生成甲烷和二氧化碳，完成對廚房垃圾有機廢物顆粒的消化過程。流入生活污水處理廠的有機顆?？勺鳛闋I養(yǎng)元為污泥提供營養(yǎng)，也可提取作為肥料再利用，這里不加以詳細論述。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(zhuǎn)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(zhuǎn)刀組如圖 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(zhuǎn)盤，但留有一定的間隙。它與轉(zhuǎn)盤之間有一定間隙。半圓圈如圖 3 所示。旋轉(zhuǎn)刀組圖 2- 12 -半圓圈圖 3轉(zhuǎn)盤由下部高啟動轉(zhuǎn)矩永磁電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，依靠內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)?顆粒，隨水流沖入下水道。這種垃圾處35m?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 [23]。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(qū)動電機和排污管組成，食物垃圾處理器工作原理如圖 4 所示。- 13 -圖 4　食物垃圾處理器工作原理圖粉碎室下部側(cè)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(zhuǎn)刀組，旋轉(zhuǎn)刀組由安裝在帶孔轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)盤之間有一間隙，轉(zhuǎn)盤由永磁電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，通過固定刀組與旋轉(zhuǎn)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 的微小顆粒，隨水流沖入下水管，這樣就避免了下水管的5m- 14 -堵塞。其中驅(qū)動電機和粉碎刀盤為垃圾處理器的關(guān)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(jié)構(gòu)設計2.3.1　刀具基本尺寸的確定食物垃圾研磨機的最關(guān)鍵部件是粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)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 ，泊松比20GΡaE?，密度 。0.3??37.8tm??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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸基本上是統(tǒng)一的，直徑為，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： ，14m 14md?厚度： [23]。3t?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(zhuǎn)的一塊薄板，在它上面作用流體旋轉(zhuǎn)阻力矩以及破碎食物垃圾(削、撕、磨)時的阻力。(1) 流體旋轉(zhuǎn)阻力矩設一個半徑為 R 的圓盤，在本來靜止的流體中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過圓盤的中心且與圓盤垂直。由于圓盤旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)施加了相當大的阻力。設：圓盤上單位體積的流體，切應力 的方向與圓盤成 角。bi??切應力的徑向分量 (2-1)sniF?徑 向徑向動量的增長同被圓盤帶著轉(zhuǎn)動的流體的離心力相平衡，(2-2)2r???離為被帶著轉(zhuǎn)動的流體層的厚度的量度, 為圓盤旋轉(zhuǎn)的角速度，r 為圓盤半徑，故切?應力的徑向分量與 r 成比例，即：???2(2-3)2sinb???即： iir??- 15 -應力的周向分量 (2-4)cosbiF???切 周??0????切 周按其量級可表示為(2-5)csbiv???圓盤的旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)角速度乘以圓盤的半徑 r???所以 (2-6)cosbi???將式(2-3)代入式(2-6)得： 2inrr????由實驗可知： 與半徑無關(guān)，為一個常量，則化簡上式得：?(2-7)2??根據(jù)運動粘性系數(shù)定義：(2-8)???為運動粘性系數(shù)， 為粘性系數(shù)， 為密度??將式(2-8)代入式(2-7)得： 2???(2-9)??12?將式(2-9)代入式(2-3)得： 1sinbr???由于 為常量，所以???122bi??ir??轉(zhuǎn)矩 與 面積 力臂成比例?1b????124r????對于半徑為 r 和周向速度為 V 的圓盤，其系數(shù)為 ，且 ，故阻力矩為3.87vr??1243.87?????rvr?依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)?顆粒的設計結(jié)果要求。在實驗基礎(chǔ)之上，設計中選5m?取刀盤的轉(zhuǎn)速為 30rinn?v??6??2 3.14 3000 0.057/60- 16 -17.90ms?使用計算旋轉(zhuǎn)圓盤上流體阻力矩的公式：(2-10)??1232.8rvr?????1263070.5.07.9.57?1Ν?Μ?由此可以得出，流體阻力矩 .?由公式 (2-11)Fr?得： 10.3.57?9Ν所以流體阻力為： 1.F(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 21.5ΝF?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(guān)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 4 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 4 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 4　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??- 17 -密度( )3tm7.75 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(shù)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 曲線或疲勞極限來衡量。 曲線如圖N??N??5所示。圖 5　 -N 曲線?對于鋼材來說， 曲線有一條水平漸近線 ，這意味著當 時，N??maxR?R??max試件經(jīng)受有限循環(huán)會發(fā)生疲勞破壞；當 時，試件則能經(jīng)受無限次循環(huán)而不發(fā)axR?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(guān)系如下：- 18 -0.250.5RLA??材料 1Cr13 的抗拉強度 4ΜΡaLA?進行保守估計，我們?nèi)?的下限：R.LA025?13Ρa?即： 的最小值為R?135Ρa計算 ：max盤設在距圓心為 處取一微面積 ，其上內(nèi)力 對 X 軸之矩為 ，將所有內(nèi)力?dAddA??矩求和即得到截面上的力矩：(2-12)xA?????圖 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)dGx?????將式(2-13)代入式(2-12)中，并注意到 為常數(shù)，于是有 2xAAdx???????其中 是與圓截面有關(guān)的一個幾何量，以極慣性矩 表示，所以dA?2? ρIxdG??(2-14)x??將式(2-14)代入式(2-13)得：- 19 -maxx??????圓盤上最大的應力應在截面周邊各點，故 代入：ma(2-15)xax?盤根據(jù)材料力學知識，對于實心圓軸的極慣性矩： 432d???其中 為圓軸橫截面的直徑。d2FR??離??nhd2604????27.531.7.159.70.57???6Νο2cos9F??合 離..?78將公式 (2-16)xR??合代入式(2-15)得： maxax????盤3242dFπ合1678.0.57??.ΜΡa可見 45?即 maxR?盤依據(jù) 曲線，當 ，時，試件則能經(jīng)受無限次循環(huán)而不發(fā)生破壞，N—σRσ

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