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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
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。垃圾處理器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和粉碎刀盤(pán)為機(jī)器的關(guān)健部分，直接影響機(jī)器的使用效果，所以本設(shè)計(jì)著重對(duì)粉碎刀盤(pán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)論述。對(duì)于粉碎刀盤(pán)和刀片，先對(duì)工作載荷進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算流體阻力，進(jìn)而選擇材料及對(duì)刀盤(pán)、刀片進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)我國(guó)食物垃圾的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用組合刀盤(pán)式粉碎刀。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。此次設(shè)計(jì)的食物垃圾處理器，避免了目前同類(lèi)產(chǎn)品完全采用交流電機(jī)、選用昂貴材料的做法，使機(jī)器的制造和使用成本降低。
關(guān)鍵詞：食物；垃圾；刀盤(pán)；永磁電機(jī)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（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 motor
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(yīng)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(shè)計(jì) - 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(pán)組合刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 12 -
2.3.1 刀具基本尺寸的確定 - 12 -
2.3.2 粉碎刀盤(pán)的力學(xué)分析及材料的選擇 - 12 -
2.3.3 粉碎刀盤(pán)的強(qiáng)度校核 - 15 -
2.3.4 刀片的強(qiáng)度校核 - 17 -
2.3.5 粉碎刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 18 -
2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 - 19 -
2.4.1 電動(dòng)機(jī)種類(lèi)的選擇 - 19 -
2.5 其它部分設(shè)計(jì) - 21 -
2.6 廚房食物垃圾處理器的裝配 - 22 -
3 結(jié)論 - 23 -
參 考 文 獻(xiàn) - 25 -
謝 辭 - 27 -
- 28 -
1 緒論
1.1 廚房食物垃圾處理的緊迫性
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市生活水平的提高和人口的增長(zhǎng)，人們?cè)诓粩嗝阑邮业耐瑫r(shí)，也在追求廚房的整潔、衛(wèi)生和科學(xué)化。然而，人們?cè)趶N房精工細(xì)作時(shí)，往往會(huì)忽略一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)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(zhǎng)。據(jù)建設(shè)部調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2001年我國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)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(guó)垃圾處理能力的不足，給人民生存環(huán)境和日常生活帶來(lái)危害。目前，我國(guó)生活垃圾日處理量?jī)H占垃圾生產(chǎn)總量的45%，有近一半的生活垃圾不能及時(shí)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(shí)處理，這些食物垃圾就會(huì)堵塞下水道并在下水道內(nèi)腐爛、發(fā)臭，造成細(xì)菌滋生、老鼠橫行、污水橫流，嚴(yán)重污染家庭和公共場(chǎng)所環(huán)境，夏天尤其嚴(yán)重，由此給生活帶來(lái)許多麻煩，嚴(yán)重的影響著人們的生活環(huán)境和身體健康。同時(shí)，中國(guó)的人均耕地面積不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界人均的水平，可全國(guó)未經(jīng)處理而堆存的垃圾達(dá)60億噸，占用土地約50萬(wàn)，在大量浪費(fèi)土地資源的同時(shí)也對(duì)土地產(chǎn)生污染[2-9]。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。在水資源方面，中國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一，全國(guó)668座城市中有400多座城市缺水，其中110座城市嚴(yán)重缺水，而歷年堆放垃圾中的重金屬以及在垃圾腐爛過(guò)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(guó)，垃圾處理主要采用填埋技術(shù)，但填埋的技術(shù)不過(guò)關(guān)，在耗費(fèi)大量財(cái)力的同時(shí)產(chǎn)生垃圾的二次污染，嚴(yán)重影響著人們的正常生活環(huán)境。垃圾產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)，己經(jīng)制約了城市的發(fā)展，我國(guó)政府對(duì)垃圾處理問(wèn)題高度重視，在不斷的增大投資力度，加強(qiáng)垃圾的處理。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。目前，結(jié)合我國(guó)生活垃圾的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)較為有效的處理技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。
近幾年來(lái)，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(yīng)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(lái)越大，占城市生活垃圾總量的50%，并呈上升趨勢(shì)。在上海，每天產(chǎn)生生活垃圾約1.3萬(wàn)噸，其中70%為食物垃圾，每年處理的總量達(dá)300萬(wàn)噸。在北京，每天產(chǎn)生的剩飯、剩菜就達(dá)1600多噸，每月回收饅頭20噸左右，相當(dāng)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，但從資源角度看，它也是一種再生資源，這些被丟棄的有機(jī)物可通過(guò)生物技術(shù)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，而去掉有機(jī)物的生活垃圾用來(lái)焚燒發(fā)電，可有效的緩解能源危機(jī)，具有生態(tài)環(huán)境效益和社會(huì)效益[8]。表1為上海市1988-2000年生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計(jì)以及2005—2015年預(yù)測(cè)值[l0]。
表1 1988-2000年上海市生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計(jì)及2005-2015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(lèi)
塑料
竹木
布類(lèi)
廚余
果類(lèi)
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(guò)該表可見(jiàn)，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。
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(fèi)過(guò)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(yáng)62%，深圳57%，廣州57%，濟(jì)南41%。與其他垃圾相比，具有含水量、有機(jī)物含量、油脂含量及鹽分含量高，營(yíng)養(yǎng)元素豐富等特點(diǎn)，具有很大的回收利用價(jià)值。[24]一般在食品加工過(guò)程中產(chǎn)生的食物殘余稱為廚余，飲食消費(fèi)后的食物殘?jiān)Q為浴腳，從化學(xué)成分上看主要是淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和無(wú)機(jī)鹽等[11-16]。
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。我國(guó)食品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，食物垃圾呈現(xiàn)多、硬、雜、粗等特點(diǎn)[17]。
1.食物垃圾具有較低的發(fā)熱值
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)熱值來(lái)衡量或表示垃圾作為燃料的價(jià)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(dāng)垃圾的平均低位熱值高于3349時(shí)，焚燒過(guò)程不用添加任何助燃劑，高于4180時(shí)可進(jìn)行余熱利用如發(fā)電)故需加入燃油或煤等助燃，增加成本，同時(shí)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(yíng)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1.5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(guó)垃圾不是分類(lèi)處理，各種垃圾都混合在一起，導(dǎo)致大量營(yíng)養(yǎng)元素的浪費(fèi)。
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(guó)垃圾收集容器和運(yùn)輸車(chē)輛對(duì)其并不適宜，從而帶來(lái)在垃圾收集和運(yùn)輸過(guò)程中的二次污染。同時(shí)，食物垃圾因其含水量大，又是垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液的主要來(lái)源。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(chóng)橫行，傳播疾病。加之人們環(huán)保意識(shí)比較薄弱，在一些城郊結(jié)合區(qū)，可以看見(jiàn)餐廚垃圾被隨意倒入陰溝、路邊，嚴(yán)重影響了市容環(huán)境衛(wèi)生。再者，我國(guó)有把餐廚垃圾作為牲畜飼料的習(xí)慣，一些垃圾的細(xì)菌、重金屬會(huì)通過(guò)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(lái)加工食品，毒害百姓。廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細(xì)菌、招引小蟲(chóng)，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(duì)家庭的污染已成為提高家庭生活質(zhì)量的標(biāo)志之一。近幾年，食物垃圾處理器在韓、日等國(guó)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(biāo)準(zhǔn)配置。
1.3 食物垃圾處理的方法
由于我國(guó)垃圾沒(méi)實(shí)行分類(lèi)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(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，可處理多種類(lèi)型的垃圾，但投資大，占地多，垃圾處理沒(méi)有減量化和資源化。填埋場(chǎng)受容量的限制，有一定的使用期限，一個(gè)填滿后，又要重新征地新建，而我國(guó)耕地面積小，這樣就出現(xiàn)了“人與垃圾爭(zhēng)地”的局面。另外，由于衛(wèi)生填埋產(chǎn)生的滲濾液能使周?chē)牡叵滤巴寥朗艿轿廴?美國(guó)就曾發(fā)生過(guò)花費(fèi)數(shù)百億美元治理被垃圾填埋場(chǎng)滲漏液污染的地下水事件)，故國(guó)外一些國(guó)家規(guī)定填埋的垃圾中有機(jī)質(zhì)含量不能超過(guò)5%。我國(guó)在有機(jī)垃圾的含量持續(xù)升高的同時(shí)，真正達(dá)到要求的填埋廠卻并不多，有關(guān)部門(mén)對(duì)我國(guó)298個(gè)垃圾填埋場(chǎng)調(diào)查后得知有191個(gè)填埋場(chǎng)滲濾液無(wú)任何處理或防護(hù)措施直接外排，對(duì)107個(gè)垃圾填埋場(chǎng)的濾液進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有86個(gè)超標(biāo)，占81.4%，故我國(guó)垃圾填埋場(chǎng)附近的環(huán)境狀況并不樂(lè)觀[11-12]。垃圾填埋后，會(huì)釋放大量甲烷等溫室氣體，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?chē)用竦陌踩?。再者，根?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(dòng)的一種形式，其內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的能量和價(jià)值。食物垃圾中含有更加豐富的有機(jī)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(fèi)[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(huì)不斷的減少。
1.3.2 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。在日本，垃圾焚燒量超過(guò)66%[17]。其缺點(diǎn)是產(chǎn)生煙塵污染，投資大。我國(guó)引進(jìn)的垃圾焚燒設(shè)備，若處理100垃圾，其建設(shè)成本接近1億元人民幣口[18]，中等城市的財(cái)政難以承受。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)。
表2 生活垃圾成分的百分?jǐn)?shù)（％） 表3 垃圾各組分的含水率（％）
成分
朝陽(yáng)區(qū)
二道區(qū)
平均值
含水率
朝陽(yáng)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(guò)表2和表3的分析可知：在長(zhǎng)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(duì)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。
1.3.3 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3-6個(gè)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(jī)肥中，用這種肥種出的食品其重金屬含量必定會(huì)超標(biāo)，危害人體健康[17-19]。資料表明，1顆紐扣電池可以污染60萬(wàn)升的水[16]，1節(jié)一號(hào)電池可以使的土地失去其使用價(jià)值[20]。所以，無(wú)法對(duì)重金屬含量進(jìn)行嚴(yán)格控制的堆肥必須慎用。另外，由于化肥的低廉價(jià)格及廣泛應(yīng)用，使堆肥的前景并不樂(lè)觀。
1.3.4 作牲畜飼料
由于食物垃圾中含有豐富的有機(jī)物質(zhì)，長(zhǎng)久以來(lái)，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(yùn)回喂豬生產(chǎn)垃圾豬。另外，泔水在運(yùn)輸途中容易變質(zhì)，嚴(yán)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(guò)因垃圾飼料引起的Swine Fever疾病，導(dǎo)致家畜集體死亡的事件。在我國(guó)，北京、上海等地也都先后明令禁止運(yùn)用此類(lèi)垃圾喂牲畜[16][20]。
由此可見(jiàn)，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?cè)斐晌：Φ耐瑫r(shí)也使資源白白的浪費(fèi)，故找尋合適的處理食物垃圾方式是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。
1.4 食物垃圾處理器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，世界各國(guó)尋求的方法各不相同，在加拿大，政府向居民免費(fèi)或低價(jià)提供堆肥桶，鼓勵(lì)居民將廚房垃圾在自己家進(jìn)行處理，而美國(guó)則鼓勵(lì)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(jī)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(jìn)入排水管道。食物垃圾處理器起源于美國(guó)。據(jù)有關(guān)資料記載，在上個(gè)世紀(jì)30年代，一位名叫約翰·海墨的設(shè)計(jì)師在自己的地下室設(shè)計(jì)出了世界上第一臺(tái)食物垃圾處理器，這一富于想象力的設(shè)計(jì)目的是為了減輕自己妻子廚房事務(wù)的負(fù)擔(dān)，并且使廚房環(huán)境更干凈一些。產(chǎn)品最初的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單。只有一臺(tái)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾刀式粉碎機(jī)。隨后的幾十年，該產(chǎn)品得到了不斷的改進(jìn)和提高，逐步被消費(fèi)者所接受，在上個(gè)世紀(jì)的60年代，開(kāi)始在美國(guó)市場(chǎng)上形成批量銷(xiāo)售，之后，該產(chǎn)品的實(shí)用價(jià)值及其優(yōu)點(diǎn)得到了政府和有關(guān)部門(mén)的認(rèn)可，為全面考察食物垃圾處理器可能造成的影響，20世紀(jì)80年代紐約市政府曾聯(lián)合美國(guó)環(huán)保局、城市管道部門(mén)、國(guó)家衛(wèi)生部等多方面力量，進(jìn)行了一項(xiàng)為期三年的聯(lián)合調(diào)查，試圖從多角度來(lái)評(píng)估食物垃圾處理器對(duì)城市周?chē)|(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(yīng)用對(duì)城市水質(zhì)沒(méi)有任何影響，城市管道不被堵塞，增加污水處理的負(fù)擔(dān)，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(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廢水的處理費(fèi)用，所以綜合全面因素進(jìn)行核算，應(yīng)用食物垃圾處理器可以為國(guó)家節(jié)約成本[20-26]。通過(guò)倡導(dǎo)安裝，實(shí)現(xiàn)了減少生活垃圾及排放物，從源頭抓起的目的，進(jìn)而達(dá)到了垃圾的減量化、資源化、無(wú)害化的效果。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]。目前，這一機(jī)器在美國(guó)家庭普及率為95%以上，居世界首位，并波及世界其它國(guó)家，像瑞典、澳大利亞、法國(guó)、日本等都相繼研究和應(yīng)用食物垃圾處理器，其中日本普及率達(dá)到35%以上。
在上世紀(jì)九十年代末，食物垃圾處理器進(jìn)入中國(guó)。現(xiàn)在，美國(guó)艾默生電氣公司的工SE系列、美國(guó)通用電器的Dispose系列、美國(guó)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(guó)，但中國(guó)自行研制的適合我國(guó)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(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)。首先，國(guó)外機(jī)器采用交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速范圍廣，維護(hù)方便，但它噪音大，體積大且笨重，歐美國(guó)家廚房的水槽偏厚，可以承受住大壓力，可中國(guó)水槽薄，食物垃圾處理器很容易把水槽壓壞。同時(shí)，機(jī)器使用中產(chǎn)生的大噪音也是不容忽視的因素。另外，國(guó)外機(jī)器價(jià)格太高，一般百姓難以承擔(dān)。像美國(guó)摯通公司生產(chǎn)的U-308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。
鑒于以上因素，研制一款適合我國(guó)國(guó)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(guó)的實(shí)際情況，研制適合本國(guó)的廚房食物垃圾預(yù)處理裝置——廚房食物垃圾處理器，使居民在家中可以直接對(duì)廚房垃圾進(jìn)行初步處理，處理掉的食物垃圾通過(guò)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(shí)實(shí)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(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(kāi)辟了一條新途徑，從而呼喚適合我國(guó)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(diǎn)：
1 減少易腐垃圾數(shù)量，提高環(huán)境質(zhì)量
目前，國(guó)家對(duì)生活垃圾的處理原則是垃圾的減量化、無(wú)害化和資源化。而減量化位居第一位，可見(jiàn)其重要性。廚房垃圾處理器為食物垃圾的破碎預(yù)處理裝置，可對(duì)廚房垃圾進(jìn)行初步處理，不但減少垃圾的堆放量，同時(shí)確保人們有一個(gè)健康、整潔的生活環(huán)境，進(jìn)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(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)。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(shí)對(duì)垃圾填埋產(chǎn)生的滲漏問(wèn)題也可大大改觀。
3 有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益
由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技水平還不十分發(fā)達(dá)，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(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)后，由于缺乏科學(xué)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(jìn)廚房垃圾的生化處理機(jī)，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(jī)器，突有體積小，成本底，經(jīng)濟(jì)耐用的特點(diǎn)，可以被人們所接受。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。另一方面，政府還可把節(jié)省下來(lái)的大量開(kāi)支(例：二次污染治理費(fèi)、城市生活垃圾運(yùn)輸費(fèi))用來(lái)研制、開(kāi)發(fā)垃圾處理的新項(xiàng)目。
廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細(xì)菌、招引小蟲(chóng)，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(duì)家庭的污染已成為提高家庭生活質(zhì)量的標(biāo)志之一。近幾年，食物垃圾處理器在韓、日等國(guó)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(biāo)準(zhǔn)配置。
食物垃圾處理器是一種現(xiàn)代化的廚房電器，通過(guò)改變食物垃圾的形態(tài)來(lái)進(jìn)行及時(shí)的食物垃圾無(wú)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(shí)現(xiàn)即時(shí)、方便、快捷的廚房清潔，避免食物垃圾因儲(chǔ)存而滋生病菌、蚊蟲(chóng)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(wèn)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?jiān)?、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(yuǎn)離病菌、蚊蟲(chóng)、蟑螂的困擾。
食物垃圾處理器在歐美國(guó)家使用率非常高，一些國(guó)家已經(jīng)立法推廣。這種設(shè)備給家庭帶來(lái)了舒適健康的生活空間。食物垃圾通過(guò)處理后排放，不會(huì)對(duì)下水管道產(chǎn)生影響，更不會(huì)堵塞下水道。其帶來(lái)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益驚人，前景十分看好。
1.6 方案論證
方案一：設(shè)計(jì)的機(jī)器利用活動(dòng)齒盤(pán)和固定齒盤(pán)間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、粉碎效率良好，被粉碎物可直接由主機(jī)磨腔中排出，粒度大小通過(guò)更換不同孔徑的篩網(wǎng)獲得。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。
方案二：設(shè)計(jì)的機(jī)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(guò)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(fù)沖擊使物料同時(shí)受到雙重粉碎，加速物料的粉碎率。被粉碎的物料隨氣流進(jìn)入分級(jí)室，由于分級(jí)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，粒子既受到分級(jí)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(dāng)粒子受到的離心力大于向心力時(shí)，既分級(jí)徑上的粗粒子返回粉碎室繼續(xù)粉碎分級(jí)徑以下的細(xì)粒子隨氣流進(jìn)入集粉器收集。這種機(jī)器具有能耗低，工藝流程短，占地面積小，無(wú)粉塵污染，產(chǎn)生熱量小，成品粒度細(xì)，粉碎范圍廣，物料含水量不限，進(jìn)料粒度不限等特點(diǎn)。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。
方案三：設(shè)計(jì)的機(jī)器工作原理在刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，被處理物不會(huì)與刀盤(pán)同步旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)速度差，加上離心力對(duì)被處理物的作用，使被處理物與刀盤(pán)的運(yùn)動(dòng)又不同向，這樣，依靠?jī)?nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉(zhuǎn)刀共同對(duì)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(qū)動(dòng)電機(jī)和排污口四部分組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為處理器提供動(dòng)力來(lái)源，粉碎室內(nèi)裝有多重多向粉碎功能的粉碎刀盤(pán)，是食物垃圾進(jìn)行粉碎的場(chǎng)所，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和粉碎刀盤(pán)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(jī)器更加適合我國(guó)的食物結(jié)構(gòu)和住宅特點(diǎn)。避免了目前同類(lèi)產(chǎn)品完全采用交流電機(jī)、國(guó)外進(jìn)口電機(jī)、選用昂貴材料的做法，使機(jī)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(gè)方案。
2 廚房食物垃圾處理器的設(shè)計(jì)
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(yù)處理階段。本文所要設(shè)計(jì)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(guò)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(huì)沉淀。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(guò)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(jìn)行污水管道的水力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，其原則是：不沖刷、不淤積、不溢流、要通風(fēng)。所以在我國(guó)規(guī)定，污水溝道的最小流速為。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]。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(jī)
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(shè)計(jì)的城市管道容量下，不會(huì)堵塞排水管道，而且我國(guó)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(xiàng)措施，都有利于食物垃圾處理器進(jìn)入千家萬(wàn)戶[22]。但是，由于國(guó)外情況與我國(guó)并不完全相同而且食物垃圾處理器對(duì)人們來(lái)說(shuō)還是一個(gè)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(wèn)題還需要進(jìn)一步去驗(yàn)證。
廚房食物垃圾破碎后的顆粒在隨水流動(dòng)的過(guò)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。由于參加反應(yīng)的微生物種類(lèi)多，這一過(guò)程很復(fù)雜。一般可分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個(gè)階段。在酸性發(fā)酵的過(guò)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(jī)酸和氨。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。產(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸菌群把上述水解發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)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(duì)廚房垃圾有機(jī)廢物顆粒的消化過(guò)程。流入生活污水處理廠的有機(jī)顆?？勺鳛闋I(yíng)養(yǎng)元為污泥提供營(yíng)養(yǎng)，也可提取作為肥料再利用，這里不加以詳細(xì)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(pán)1上。盤(pán)中短柱軸2上裝有兩只可動(dòng)破碎角爪3，盤(pán)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(gè)平面內(nèi)。盤(pán)上可動(dòng)破碎角爪與盤(pán)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(gè)半圓圈組合成一體，并且包裹住轉(zhuǎn)盤(pán)，但留有一定的間隙。它與轉(zhuǎn)盤(pán)之間有一定間隙。半圓圈如圖3所示。
旋轉(zhuǎn)刀組圖2
半圓圈圖3
轉(zhuǎn)盤(pán)由下部高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，依靠?jī)?nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉(zhuǎn)的刀共同對(duì)被處理物進(jìn)行破碎，撕拉等作用，通過(guò)固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、魚(yú)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(guò)切、敲、磨、搗、撕等多重機(jī)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)轭w粒，隨水流沖入下水道。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]。
2.2.2 廚房食物垃圾處理器的組成
設(shè)計(jì)的廚房食物垃圾處理器主要有入口部分、粉碎室、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和排污管組成，食物垃圾處理器工作原理如圖4所示。
圖4 食物垃圾處理器工作原理圖
粉碎室下部側(cè)壁設(shè)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(pán)上下兩面的粉碎刀組成。
當(dāng)水池內(nèi)的食物垃圾，經(jīng)入口進(jìn)入粉碎室，隨水流下，便落入粉碎室內(nèi)腔的轉(zhuǎn)盤(pán)上盤(pán)中短軸上裝有兩只可動(dòng)錐形破碎角爪，盤(pán)上有菱形粉碎刀，盤(pán)上可動(dòng)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(pán)之間有一間隙，轉(zhuǎn)盤(pán)由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。
落入粉碎室的水果皮、魚(yú)刺、碎骨、蛋殼、剩飯菜等廢物通過(guò)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堵塞。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和粉碎刀盤(pán)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(pán)組合刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1 刀具基本尺寸的確定
食物垃圾研磨機(jī)的最關(guān)鍵部件是粉碎刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于它獨(dú)特的位置和功能,在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證它既耐腐蝕、不容易生銹，又要滿足一定的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)這些特點(diǎn)，我們選取1Cr13不銹鋼材料，其材料參數(shù)為：彈性模量，泊松比，密度。
接口及刀盤(pán)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，只是在輪廓上有大小、深淺之分。經(jīng)計(jì)算確定了刀盤(pán)的直徑：，厚度：[23]。
2.3.2 粉碎刀盤(pán)的力學(xué)分析及材料的選擇
１.粉碎刀盤(pán)工作的載荷：
組合刀盤(pán)工作時(shí)需克服阻力，為確保刀盤(pán)有足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)刀盤(pán)時(shí)首先應(yīng)對(duì)刀盤(pán)所承受的載荷進(jìn)行分析。我們把刀盤(pán)理想為一個(gè)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(shí)的阻力。
(1) 流體旋轉(zhuǎn)阻力矩
設(shè)一個(gè)半徑為R的圓盤(pán)，在本來(lái)靜止的流體中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過(guò)圓盤(pán)的中心且與圓盤(pán)垂直。由于圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，緊靠圓盤(pán)的流體層被圓盤(pán)上的摩擦阻力帶動(dòng)作圓周運(yùn)動(dòng)，受慣性力的作用流體層往外流，并在圓盤(pán)的外緣處離開(kāi)圓盤(pán)；而新的流體層則逼近圓盤(pán)，并依次外拋。這樣，經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的起始階段后，便建立了一個(gè)定常流動(dòng)，它對(duì)圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)施加了相當(dāng)大的阻力。
設(shè)：圓盤(pán)上單位體積的流體，切應(yīng)力的方向與圓盤(pán)成角。
切應(yīng)力的徑向分量 (2-1)
徑向動(dòng)量的增長(zhǎng)同被圓盤(pán)帶著轉(zhuǎn)動(dòng)的流體的離心力相平衡，
(2-2)
為被帶著轉(zhuǎn)動(dòng)的流體層的厚度的量度,為圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角速度，r為圓盤(pán)半徑，故切應(yīng)力的徑向分量與r成比例，即：
(2-3)
即：
應(yīng)力的周向分量 (2-4)
按其量級(jí)可表示為
(2-5)
圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)角速度乘以圓盤(pán)的半徑
所以 (2-6)
將式(2-3)代入式(2-6)得：
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：
(2-7)
根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)定義：
(2-8)
為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，為粘性系數(shù)，為密度
將式(2-8)代入式(2-7)得：
(2-9)
將式(2-9)代入式(2-3)得：
由于為常量，所以
轉(zhuǎn)矩與面積力臂成比例
對(duì)于半徑為r和周向速度為V的圓盤(pán)，其系數(shù)為，且，故阻力矩為
依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)轭w粒的設(shè)計(jì)結(jié)果要求。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)中選取刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速為
23.1430000.057/60
使用計(jì)算旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上流體阻力矩的公式：
(2-10)
由此可以得出，流體阻力矩
由公式 (2-11)
得：
所以流體阻力為：
(2) 垃圾形成的阻力
由于食物垃圾為軟垃圾，粉碎時(shí)產(chǎn)生很小的阻力，在對(duì)食物垃圾(不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛)中常見(jiàn)的魚(yú)刺、剩菜等進(jìn)行破碎測(cè)試時(shí)得到阻力大約為
２.粉碎刀盤(pán)、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(guò)程進(jìn)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(pán)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(qiáng)度和剛度，同時(shí)要考慮其機(jī)械加工性和經(jīng)濟(jì)性。
為此，我們?cè)?Cr13和9Cr18兩種材料中參考表4進(jìn)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(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。但由于我國(guó)Cr資源稀少，故應(yīng)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(jià)位大體相當(dāng)，所以，本文所用機(jī)器的刀盤(pán)及刀片選用1Cr13作為材料來(lái)加工。
表4 材料1Cr13,9Cr18參數(shù)表
參數(shù)名稱
1Cr13
9Cr18
化學(xué)成分（質(zhì)量數(shù)%）
C0.15 Cr11.50～13.50
C0.90～1.00 Cr17.00～19.00
密度()
7.75
7.8
硬度(HBS)
159
255
屈服強(qiáng)度
345
——
抗拉強(qiáng)度
540
——
加工性能
普通材料，稍難切削
難加工材料
價(jià)格(千元/噸)
5
5
用途
具有良好的耐腐蝕性，機(jī)械加工性，一般用在刃具制造上
一般用作不銹切片、機(jī)械刃具、剪切刀具、手術(shù)刀片及高耐磨設(shè)備零件
2.3.3 粉碎刀盤(pán)的強(qiáng)度校核
粉碎刀盤(pán)受到循環(huán)載荷的作用，能發(fā)生疲勞破壞。刀盤(pán)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。
金屬材料在交變應(yīng)力下的強(qiáng)度常用曲線或疲勞極限來(lái)衡量。曲線如圖5
所示。
圖5 -N曲線
對(duì)于鋼材來(lái)說(shuō)，曲線有一條水平漸近線，這意味著當(dāng)時(shí)，試件經(jīng)受有限循環(huán)會(huì)發(fā)生疲勞破壞；當(dāng)時(shí)，試件則能經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生破壞。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。
疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：
材料1Cr13的抗拉強(qiáng)度
進(jìn)行保守估計(jì)，我們?nèi)〉南孪蓿?
即：的最小值為
計(jì)算：
設(shè)在距圓心為處取一微面積，其上內(nèi)力對(duì)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5 橫截面應(yīng)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(guān)的一個(gè)幾何量，以極慣性矩表示，所以
(2-14)
將式(2-14)代入式(2-13)得：
圓盤(pán)上最大的應(yīng)力應(yīng)在截面周邊各點(diǎn)，故代入：
(2-15)
根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，對(duì)于實(shí)心圓軸的極慣性矩：
其中為圓軸橫截面的直徑。
將公式 (2-16)
代入式(2-15)得：
可見(jiàn)
即
依據(jù)曲線，當(dāng)，時(shí)，試件則能經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生破壞，設(shè)計(jì)中刀盤(pán)滿足強(qiáng)度要求。
2.3.4 刀片的強(qiáng)度校核
由于刀片與刀盤(pán)都繞固定軸旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)形式相同，所以校核方法相同。依據(jù)曲線，只要當(dāng)?shù)镀臅r(shí)，刀片滿足強(qiáng)度要求。
設(shè)計(jì)中，刀片的半徑
速度
則依據(jù)公式(2-10)
因?yàn)椋?
故流體對(duì)刀片阻力：
又因?yàn)椋?
將公式
代入式(2-15)得：
因?yàn)?
所以
可見(jiàn)，設(shè)計(jì)中刀片滿足強(qiáng)度要求。
2.3.5 粉碎刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)我國(guó)食物垃圾種類(lèi)多，硬度、粘性差別大的特點(diǎn)，采用組合刀盤(pán)式粉碎刀，由固定刀組和旋轉(zhuǎn)刀組組成，結(jié)構(gòu)為：
旋轉(zhuǎn)刀組由刀盤(pán)組成。刀盤(pán)為組合刀盤(pán)，上面有菱形塊、擺動(dòng)刀及直徑為3mm的小孔，擺動(dòng)刀可繞固定軸做的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粉碎垃圾。組合刀盤(pán)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)；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(pán)有一間隙，利用間隙對(duì)食物垃圾進(jìn)行切、撕、磨等破碎操作。組合刀盤(pán)式粉碎刀具有以下作用：
① 對(duì)于硬度較小、粘性較大的食物垃圾，在可隨電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的刀盤(pán)上設(shè)置兩個(gè)擺動(dòng)刀，與粉碎室內(nèi)部的端齒環(huán)共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)食物垃圾進(jìn)行剪切和機(jī)械撕裂破碎功能。
② 對(duì)于硬度較大、粘性較小的食物垃圾在轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置了兩個(gè)棱形固定刀，在離心力的作用下，食物垃圾很容易運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)盤(pán)的邊緣，為此，在粉碎室內(nèi)壁四周設(shè)置了平齒環(huán)。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。
③ 在旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上分布著許多直徑為3mm的小孔，這些小孔一方面用來(lái)排泄破碎后的顆粒和污水，另一方面可以在保證轉(zhuǎn)盤(pán)足夠強(qiáng)度時(shí)減輕自重。
2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)電機(jī)是食物垃圾處理器工作能量的提供源，也是關(guān)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(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征為時(shí)間短，啟動(dòng)頻繁，斷續(xù)工作。圖6為永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
我們選用永磁電機(jī),因?yàn)槠涠ㄗ訛橛来配搫?lì)磁無(wú)需勵(lì)磁線圈，即省電又不發(fā)熱。磁路結(jié)構(gòu)經(jīng)精心選擇，使電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、嘈聲低及轉(zhuǎn)動(dòng)平衡等特點(diǎn)，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用了一些特殊技術(shù)。但是本次設(shè)計(jì)所用的電機(jī)是自己設(shè)計(jì)制造的。
(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。
(2) 采用不均勻氣隙設(shè)計(jì)和磁鋼極尖削角來(lái)保證對(duì)負(fù)載電流引起的電樞反應(yīng)有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。
(3) 利用電機(jī)槽和換向片及極弧寬度和齒槽的合理配合達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、嘈聲，保證平穩(wěn)運(yùn)行要求。
圖6 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布
2.4.1 電動(dòng)機(jī)種類(lèi)的選擇
目前，電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)繁多，價(jià)格、性能差別比較大，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的指導(dǎo)思想對(duì)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型及型號(hào)進(jìn)行優(yōu)化選擇是十分重要的。選擇電動(dòng)機(jī)種類(lèi)應(yīng)在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)性能的要求下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)種類(lèi)選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容有：
（1）電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)與所拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性相匹配；
（2）電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能（調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、經(jīng)濟(jì)性）應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。對(duì)調(diào)速性能的要求在很大程度上決定了電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)、調(diào)速方法以及相應(yīng)的控制方法；
（3）電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的要求，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能主要是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，同時(shí)還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限制；
（4）電源種類(lèi) 在滿足性能的前提下應(yīng)優(yōu)先采用交流電動(dòng)機(jī)；
（5）經(jīng)濟(jì)性 一是電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)設(shè)備（如：?jiǎn)?dòng)設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等）的經(jīng)濟(jì)性；二是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，主要是要效率高，節(jié)省電能。
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(lèi)型。直流電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；具有過(guò)載能力大、能承受頻繁的沖擊負(fù)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(diǎn)。
電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境是由生產(chǎn)機(jī)械的工作環(huán)境決定的。在很多情況下，電動(dòng)機(jī)工作場(chǎng)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(dòng)機(jī)則要在水中或其他液體中工作。灰塵會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組黏結(jié)上污垢而妨礙散熱；水分、瓦斯、腐蝕性氣體等會(huì)使電動(dòng)機(jī)的絕緣材料性能退化，甚至?xí)耆珕适Ы^緣能力；易燃、易爆氣體與電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的電火花接觸時(shí)將有發(fā)生燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。因此，為了保證電動(dòng)機(jī)能夠在其工作環(huán)境中長(zhǎng)期安全運(yùn)行，必須根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件合理地選擇電動(dòng)機(jī)的防護(hù)方式。電動(dòng)機(jī)的外殼防護(hù)方式有開(kāi)啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式幾種。
設(shè)計(jì)中，食物垃圾處理器電動(dòng)機(jī)的特征為頻繁短時(shí)運(yùn)行、快速啟動(dòng)，無(wú)調(diào)速要求。依據(jù)直流電動(dòng)機(jī)具有的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選取電機(jī)類(lèi)型為直流電動(dòng)機(jī)。
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。這種電機(jī)為永磁直流電動(dòng)機(jī)。由于無(wú)需勵(lì)磁線圈，故省電且不發(fā)熱，磁路結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)，使電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、噪聲低及轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。基于上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用永磁直流電動(dòng)機(jī)。
永磁材料的種類(lèi)很多，有鋁鎳鉆系列磁鋼、鐵氧體永磁、稀土永磁等。表征永磁材料性能的主要因素：矯頑力、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、最大磁能面積以及磁穩(wěn)定性。選用永磁材料要求最大，溫度系數(shù)小，磁穩(wěn)定性高。永磁材料的磁穩(wěn)定性對(duì)于永磁直流電動(dòng)機(jī)至關(guān)重要，若磁穩(wěn)定性差，則永磁直流電動(dòng)機(jī)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(huì)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(huì)產(chǎn)生磁后效，它們對(duì)時(shí)間的退磁率隨時(shí)間的對(duì)數(shù)變化。
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。使磁能變化。
a.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(shí)，應(yīng)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(chǎng)增大而增加，隨矯頑力提高、尺寸比增大而變小，若工作點(diǎn)選在膝點(diǎn)之上，則受外磁場(chǎng)的影響很小。
b.機(jī)械振動(dòng)和沖擊力引的退磁率一般不大，磁體尺寸越大、矯頑力越高。顯著的退磁一般發(fā)生在多次沖擊和較長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)的初期，以后趨于穩(wěn)定。
為使永磁材料在使用時(shí)磁性穩(wěn)定，對(duì)材料必須預(yù)先進(jìn)行穩(wěn)定化處理；高溫或低溫退磁，不同溫度范圍的溫度循環(huán)強(qiáng)制退磁、交流或直流退磁等。
選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)能夠勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)、最合理的選擇電動(dòng)機(jī)的功率。若功率選得過(guò)大，設(shè)備投資過(guò)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(guò)小，電動(dòng)機(jī)將過(guò)載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)的過(guò)早損壞。為此，選擇電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)進(jìn)行一些必要的分析和計(jì)算，具體可按以下三個(gè)步驟進(jìn)行：
① 計(jì)算負(fù)載功率
② 根據(jù)負(fù)載功率，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率，使，盡量接近
③ 校驗(yàn)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)載能力和啟動(dòng)能力。校驗(yàn)的方法較多，工作量很大，而且準(zhǔn)確度也很難把握。
在實(shí)際工作中常采用統(tǒng)計(jì)分析法和類(lèi)比法。類(lèi)比法就是在調(diào)查同類(lèi)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(lèi)比，從而確定電機(jī)所采用的容量。本次論文設(shè)計(jì)就采用此方法。
根據(jù)前面計(jì)算，粉碎刀盤(pán)在工作時(shí)，需克服的阻力為：
刀盤(pán)的線速度
負(fù)載功率：
電動(dòng)機(jī)的額定功率，且留有余量取
按以上參數(shù)的選擇，我們最終選取電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：轉(zhuǎn)速：，功率：，電壓：，電流：，重量：。
這種永磁直流電動(dòng)機(jī)采用鐵氧體永久磁鐵激磁，鐵氧體的化學(xué)組成用MonFe2O3。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(lèi)。它的矯頑力高，時(shí)效變化少，不含鎳、鉆等元素，價(jià)廉，原材料豐富。
永磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用了一些特殊技術(shù)：
① 磁鋼徑、軸向聚磁以加大極弧面來(lái)提高氣隙磁密，從而提高出力及快速響應(yīng)能力。
② 采用不均勻氣隙設(shè)計(jì)和磁鋼極尖削角來(lái)保證對(duì)負(fù)載電流引起的電樞反應(yīng)有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。
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。
本此設(shè)計(jì)的電機(jī)體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)、噪聲低，有換向性能，零部件通用化程度強(qiáng)等特點(diǎn)，系封閉自冷式。而目前在市場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品都為國(guó)外進(jìn)口電動(dòng)機(jī)，不僅價(jià)格昂貴，而且零部件配套難，維修困難，給顧客的使用帶來(lái)不便。
2.5 其它部分設(shè)計(jì)
食物垃圾處理器其它部分的設(shè)計(jì)為非主要部件，主要包括：投入口、排污口等。由于我們?yōu)閷?shí)驗(yàn)產(chǎn)品，沒(méi)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。
排污口由排水彎管、彎管法蘭和橡膠密封圈組成。彎管法蘭把排水彎管固定在處理器上