【正文】 ey words： food。根據(jù)我國(guó)食物垃圾的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用組合刀盤式粉碎刀。 2021 屆 分 類 號(hào) ： 單位代碼： 10452 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 食物垃圾處理器設(shè)計(jì) 姓 名 陳士超 學(xué) 號(hào) 202115830119 年 級(jí) 2021 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系 （院） 工 程 學(xué)院 指導(dǎo)教師 李秋實(shí) 2021 年 月 日 Design of a Food Garbage Machine CHEN Shichao Supervisor: LI Qiushi March 2021 臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 I 摘 要 本設(shè)計(jì) 依據(jù)我國(guó)實(shí) 際情況，研制適合本國(guó)的廚房食物垃圾預(yù)處理裝置 —— 食物垃圾處理器。設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行特征為時(shí)間短，啟動(dòng)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(shè)計(jì)采用電機(jī)為永磁直流電動(dòng)機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、出力大、效率高。 garbage。據(jù) 建設(shè)部調(diào)查統(tǒng)計(jì)， 2021 年我國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量為 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 810%的速度增加。有資料表明， 1 節(jié)一號(hào)電池可使 1平方米的土地失去其使用價(jià)值。同時(shí)，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(wú)害化為主體，以資源化為目標(biāo)”的方針。在上海，每天產(chǎn)生生活垃圾約 萬(wàn)噸，其中 70%為食物垃圾，每年處理的總量達(dá) 300 萬(wàn)噸。 表 1 19882021年上海市生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計(jì)及 20212021年預(yù)測(cè)值 年份 產(chǎn)生量 有機(jī)垃圾（％） 無(wú)機(jī)垃圾（％） 紙類 塑料 竹木 布類 廚余 果類 金屬 玻璃 渣石 1988 240 1990 301 1993 335 1995 372 1997 454 2021 641 2021 709 2021 863 2021 1050 通過該表可見，在上海市的生活垃圾中，有機(jī)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(jī)垃圾的主要成分，而無(wú)機(jī)垃圾成分是在持續(xù)下降的。 食物垃圾的來(lái)源比較集中，主要是城鎮(zhèn)菜場(chǎng)垃圾、餐館飲食 垃圾、家庭廚房垃圾及各種市場(chǎng)的瓜果皮等城鎮(zhèn)垃圾。 養(yǎng)元素高，可實(shí)施資源化 食物垃圾中營(yíng)養(yǎng)元素含量高，干物料中粗脂肪約為 29%， 是大豆的 倍；粗蛋白約占 20%， 是玉米的 2 倍，有實(shí)驗(yàn)表明粗脂肪消化率為 %，粗蛋白消化率為 %，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。由于食物垃圾易腐爛，產(chǎn)生臭氣污染大氣的同時(shí)還使蒼蠅，嶂螂等害蟲橫行，傳播疾病。 衛(wèi)生填埋 此特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)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。垃圾填埋后，會(huì)釋放大量甲烷等溫室臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 4 氣體，污染空氣產(chǎn)生溫室效應(yīng)的同時(shí)也易引起爆炸，威脅著周圍居民的安全。 焚燒 焚燒是在高溫下燃燒垃圾 ,達(dá)到大量削減固體的目的，能迅速實(shí)現(xiàn)垃圾的“減量化”，焚燒后的體積僅為原來(lái)的 5%15%[16]，同時(shí)焚燒產(chǎn)生的余熱還可以發(fā)電和供熱，對(duì)于土地面積比較小的國(guó)家，此種方法受到青睞。另外，我國(guó)的垃圾結(jié)構(gòu)也不 適合焚燒，表 2 和表 3 為長(zhǎng)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(jì) 。 堆肥 堆肥適合于食物垃圾，我國(guó)常采用傳統(tǒng)的厭氧堆肥，但其周期長(zhǎng)，常為 36 個(gè)月，并受季節(jié)性影響。另外，由于化臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 5 肥的低廉價(jià)格及廣泛應(yīng)用，使堆肥的前景并不樂觀。在我國(guó)，北京、上海等地也都先后明令禁止運(yùn)用此類垃圾喂牲畜 [16][20]。食物垃圾處理器起源于美國(guó)。 只有一臺(tái)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾刀式粉碎機(jī)。這種食物垃圾處理器目前在美國(guó)的家庭中使用率已很高，并由此波及至其他國(guó)家 [25]。由于直接照搬國(guó)外產(chǎn)品，它不適合中國(guó)的住房特點(diǎn)和飲食結(jié)構(gòu)。像 美國(guó)摯通公司生產(chǎn)的 U308 型食物垃圾處理器價(jià)格為 1580 元，而 insinkerator 公司生產(chǎn)的同規(guī)格產(chǎn)品價(jià)格竟為 2500 多元，如此高的價(jià)格為食物垃圾處理器在中國(guó)的廣泛推廣設(shè)置了障礙。 研究的意義 國(guó)外成功的應(yīng)用食物垃圾處理器來(lái)減少食物垃圾的經(jīng)驗(yàn)，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(guó)的食物垃圾處理器。 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(lái)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(jìn)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(guó)還造成能源的大量浪費(fèi)。加上政府在政策和輿論大力宣傳引導(dǎo)，實(shí)行鼓勵(lì)政策，一方面提高了百姓的環(huán)境參與意識(shí)，充分調(diào)動(dòng)社會(huì)力量保護(hù)環(huán)境。機(jī)殼內(nèi)壁全部經(jīng)機(jī)加工達(dá)到表面平整光滑，改變了老機(jī)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(shí)耗電量能被一般家庭所接受。 但是這種機(jī)器由于有風(fēng)機(jī)，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(shè)計(jì)的機(jī)器噪音大、占地面積大，不能滿足家庭的使用要求。因此，我們決定采用第三個(gè)方案。據(jù)上 海市環(huán)境研究所和美國(guó)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(guó)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。被粉碎到一定粒度的顆粒進(jìn)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(jìn)行處理 [21]。 廚房食物垃圾破碎后的顆粒在隨水流動(dòng)的過程中，有可能被管道上的淤泥所阻擋而滯留，這時(shí)有機(jī)顆粒依靠厭氧菌群和兼性菌群進(jìn)行厭氧發(fā)酵。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并進(jìn)一步 降解形成各種低級(jí)的有機(jī)酸。 廚房食物垃圾處理器的工作原理及組成 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。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 刀組的齒型碾磨環(huán) ， 它與轉(zhuǎn)盤之間有一定間隙 。這種垃圾處理方式不會(huì)阻塞化糞池 ， 使食物殘?jiān)菀浊謇?， 廚房環(huán)境更加清潔 [23]。 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 ， 作為臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 12 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(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn) ，通過固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。 接口及刀盤尺寸的確定是參考我國(guó)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(diǎn) ， 目前我國(guó)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114mm ， 只是在輪廓上有大小、深淺之分。 (1) 流體旋轉(zhuǎn)阻力矩 設(shè)一個(gè)半徑為 R 的圓盤，在本來(lái)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。 切應(yīng)力的徑向分量 sinbiF ???徑 向 (21) 徑向動(dòng)量的增長(zhǎng)同被圓盤帶著轉(zhuǎn)動(dòng)的流體的離心力相平衡， 2Fr????離 (22) 臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 13 ? 為被帶著轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)力的徑向分量與 ???2 r 成比例，即： 2sinbi r? ? ?? ?? (23) 即： 2 sinbi r? ?? ? ?? 應(yīng)力的周向分量 cosbiF ???切 周 (24) ? ?0F ?? ??? ? ??切 周 按其量級(jí)可表示為 cosbi v? ? ? ?? (25) 圓盤的旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)角速度乘以圓盤的半 徑 vr??? 所以 cosbi r? ? ?? ?? (26) 將式 (23)代入 式 (26)得： 2 c os si nrr?? ? ? ? ?? ?? 由實(shí)驗(yàn)可知 ： ? 與半徑無(wú)關(guān)，為一個(gè)常量 ，則化簡(jiǎn) 上式得 ： 2? ? ??? (27) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)定義： ???? (28) ? 為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)， ? 為粘性系數(shù)， ? 為密度 將式 (28)代入 式 (27)得 ： 2???? ? ?12???? (29) 將式 (29)代入 式 (23)得 ： 21 sinb r? ? ?? ?? 由于 ? 為常量，所以 ? ?122bi r? ?? ??? ? ?12bi r? ? ? ??? 轉(zhuǎn)矩 ? 與 1b?? 面積 ? 力臂成 比例 ? ?124r?? ? ?? ? ? 對(duì)于半徑為 r 和周向速度為 V 的圓盤，其系數(shù)為 ， 且 vr?? ， 故阻力矩為 ? ?1243 .8 7 2 r? ? ?? ? ? ? ? ? 7 1 2r v r vr?? ? ? 依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)?3 5mm? 顆粒的設(shè)計(jì)結(jié)果要求。 (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(qiáng)度和耐磨性，從而能顯著提高鋼的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能，因而在各種用途的鋼中普遍加入數(shù)量不等的 Cr。刀盤是決定粉碎機(jī)壽命長(zhǎng)短的因素之一，因此，按無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，即要求各部件在工 坐載荷作用下具有無(wú)限長(zhǎng)的疲勞壽命。 為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力水平應(yīng)該很低，以便有足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備 。 刀片的強(qiáng)度校核 由于刀片與刀盤都繞固定軸旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)形式相同， 所以校核方法相同。刀盤為組合刀盤， 上面有菱形塊、擺動(dòng)刀及直徑為 3mm 的小孔，擺動(dòng)刀可繞固定軸做 ?90 的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粉碎垃圾。平齒環(huán)和端齒環(huán)共同作用，對(duì)食物垃圾進(jìn)行切、撕、磨等破碎操作。圖 6 為永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 。 (1) 磁鋼徑向、軸向聚磁以加大極弧面來(lái)提高氣隙磁密 ， 從而提高出力和快速響應(yīng)能力。 根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求選擇電動(dòng)機(jī)的類型。 在直流電動(dòng)機(jī)中，有一種電機(jī)的磁極是用永磁材料 (或加上鐵磁材料 )提供電動(dòng)機(jī)所需要的勵(lì)磁源，從而代替了電磁式直流電動(dòng)機(jī) 中的線圈式磁極。 永磁材料的種類很多，有鋁鎳鉆系列磁鋼、鐵氧體永磁、稀土永磁等。 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。 ② 外因包括溫度、干擾磁場(chǎng)、機(jī)械力、接觸強(qiáng)磁性物質(zhì)、高能粒子輻照等。 ，磁體尺寸越大、矯頑力越高。若功率選得過大，設(shè)備投資過大，造成浪費(fèi)，且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常欠載運(yùn)行，效率較低 ； 反之，若功率選得過小，電動(dòng)機(jī)將過載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)的過早損壞。類比法就是在調(diào)查同類機(jī)械所采用電機(jī)容量的基礎(chǔ)上，對(duì)主要參數(shù)和工作條件進(jìn)行類比，從而確定電機(jī)所采用的容量。表示，其中 M 為 Ba,Sr,Pb 中的一種或兩種以上的二價(jià)金屬離子， ~ ? ，材料分為各向同性和各向異性兩類。 ③ 電機(jī)槽和換向片，極弧寬度和齒槽的合理配合以達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、噪聲，保證平穩(wěn)運(yùn)行。由于我們?yōu)閷?shí)驗(yàn)產(chǎn)品，沒有自行加工模具生產(chǎn)的能力和必要，所以非主要部件的制作主要選用標(biāo)準(zhǔn)件。它主要有裝配環(huán)、支撐環(huán)、水槽凸緣鉚合件、防濺罩等幾部分。為了防止食物垃圾在粉碎時(shí)濺出，故加一個(gè)防濺罩 [24]。 粉碎室為鋁壓鑄件 ， 附庸蝕 ， 不生銹。鎖定裝 配 改進(jìn)為旋轉(zhuǎn)快速鎮(zhèn)定設(shè)計(jì)，使安裝更便利、快捷。組合式刀盤上有高低不同的短軸柱，分別裝有粉碎刀片和擺動(dòng)刀，放入粉碎腔中，在粉碎腔內(nèi)壁裝配有端齒環(huán)和內(nèi)齒環(huán)。在水槽凸 緣鉚合件內(nèi)安上防濺罩和堵塞