精品食物垃圾粉碎机的设计与仿真设计Word文档下载推荐.docx
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1983年夏季,贵阳一地区流行痢疾,原因就是地下水被渗滤液污染所致。
还有就是景观污染了，许多城市在选新填埋场时由于村民的反对遇到阻力，引起社会激烈的辩论。
相信在今后的时间内填埋场由于种种问题会逐步退出历史.
1.2。
2堆肥[14］
堆肥也是一种垃圾处理的方法，主要针对于食物垃圾。
在我国，厌氧堆肥是主要的堆肥方式，大约20天左右翻积一次，过三个月左右就可以将堆肥入农田里使用。
但是我国的垃圾是属于混合堆积的，其中含有少量的重金属，比如Pb、Hg、Cd等,它们会在水的作用下渗透到有机肥中，这样种出来的食物必定会超标，进一步危害了人体健康。
如果无法对重金属进行控制，堆肥使用需谨慎。
另外由于化肥的广泛应用，使得堆肥难以大规模推广.
3焚烧［15]
在高温下燃烧垃圾，将其焚烧处理后,可以减少大量的固体，垃圾也能够减量化,土地占有率也减少了,焚烧处理可以使垃圾体积[16］减少90%左右，重量减轻80％~85％,其燃烧产生的余热还能用于发电供热。
但是缺点也很明显,焚烧会产生烟尘污染[17]，需要投入大量的资金来处理。
现在我国很多大城市都设有垃圾焚烧发电厂，按照规定，现在的垃圾焚烧厂规模至少是焚烧600吨/天，这样的厂子每个需要投资大约在5到6个亿，对于中小型城市压力有点大。
而且，我国的含水率高［18]，我国的垃圾结构也不太适合焚烧。
我国的垃圾成分中含水率较高,预计现在已经突破65％了，因为其较高的含水量，降低了垃圾的热值，导致焚烧的难度增大.而在垃圾分组中，属厨余垃圾含水率为最，因而，影响垃圾焚烧效果最主要的因素是厨余垃圾。
由于投入的资金较高、含水率较高的原因，使焚烧处理方式不能大规模推广。
1.2.4用作牲畜饲料[19］
现在厨余垃圾中富含大量有机物，在我国长久以来,有在家里饲养牲畜的农民会到饭店里收集泔水,在未经过任何处理的情况下直接喂养给牲畜，这样严重的影响人们的身体［20]健康.所以,在一些大型城市先后强制运用此类方式喂养牲畜.
由此可见，因为厨房食物垃圾固有的性质以及违反大自然定律的处理方式,给人民的心身造成损害，同时也白白浪费了资源,所以当务之急是寻找合适的食物垃圾处理方法[21］。
1.3食物垃圾粉碎机的发展及应用现状
1926年，在美国的设计师兼发明家JohnWHammes发明设计了世界上第一台食物垃圾粉碎机，因为他有一次看见自己的妻子打扫厨房时很麻烦很累，为了照顾她，他发明了这个粉碎机，后来经过不断的设计和改进,Hammes开始批量生产来销售他的食物垃圾粉碎机，这就是他创立的爱适易公司[22］，从时至今，爱适易公司保持着食物垃圾粉碎机的龙头位置。
1999年纽约市的政府联合美国多个国家部门进行了三年的调查，对关于食物粉碎机对环境[23]和水电量消耗的影响进行了评估，结果表明大规模的安装食物垃圾粉碎机［24]
不会对环境造成负面影响，同时总体上还为美国政府省了一大笔开支。
这其实是很重要的,如果一个东西发明出来不能解决问题,那还花那么多时间和精力干嘛呢。
到了21世纪初，食物垃圾粉碎机进入了中国,那时候对其的使用率还不是很高，像北京、上海、广州的使用率都不超过4.5%,但是每年都在增长。
目前为止，全世界范围内对食物垃圾的处理方式有差异。
在美国，厨房垃圾是美国第二大垃圾来源，但是占的比重很小，只有14%，这是因为美国家庭厨房使用食物垃圾粉碎机的结果。
迄今80%的美国新建住宅都安装有食物垃圾粉碎机。
而在日本,政府在积极鼓励和补助厨房垃圾处理技术的发展［25],充分利用资源，最大化的减少垃圾对环境的污染，此举已经得到很多公司和居民的推广和应用，日本的食物垃圾粉碎机也是连接到水槽下方，然后自动将垃圾粉碎，再用热空气将其烘干成粉末,这样不仅垃圾的体积变得很小很小，而且只要稍加加工，废物就能变成有机肥料，这样就形成了资源再利用［26］的完美循环。
至今为止，美国食物垃圾粉碎机的使用率高达95%，其他国家像德国、日本、法国、英国都在逐步使用食物垃圾粉碎机。
在食物垃圾粉碎机第一次进入中国的时候，美国的爱适易电气公司、格莱达电器公司、通用电器公司等几乎垄断了中国市场,那时候由于技术和人才原因，我国自主研究［27］的垃圾粉碎机能力很弱。
现在食物垃圾处理器的牌子有很多，有清道夫家庭垃圾处理器,勃汉姆食物垃圾处理器，爱适易垃圾处理器,九次方垃圾粉碎机等等。
这里面已经有了中国企业的面孔，但是现在的食物垃圾粉碎机价格很高,一般百姓难以承受，像美国爱适易M55+食物垃圾处理器的价格为1799，有些垃圾处理器则更贵，这也为在中国推广食物垃圾粉碎机造成了很大的障碍。
4课题目的和研究意义
4.1课题目的
根据国情，研制一款适合我国的厨房食物垃圾的预处理装置食物垃圾粉碎机，居民可以在家中对食物垃圾进行初步处理，然后通过下水道排走，这种方法就能预先避免厨房食物垃圾造成的危害，还能保证减量化的目的。
1.4。
2研究的意义
国外对食物垃圾粉碎机的成功应验，为我们开辟了一条全新的道路。
而且，预先处理厨房食物垃圾有很多优点.
1、减少垃圾数量，提高环境质量
现在，国家针对生活垃圾，采取的处理原则是减量化、无害化和资源化[28]
.减量化是重中之重。
食物垃圾粉碎机对食物预先处理，直接达到减量化的目的，给人一个健康、整洁的居家环境.
2、便于食物垃圾的再处理
由于食物垃圾的含水率很高，不利于其焚烧，不得不借助辅助燃料[29]来焚烧垃圾,一方面增加垃圾成本，另外也造成了浪费。
而食物垃圾粉碎机的加入可以大大的提高食物垃圾的焚烧热值和渗漏问题。
3、经济、社会效益显著
现在因为缺乏科学管理和资金支持，卫生填埋、焚烧、堆肥的效益都很小，相反环境正在进一步恶化，人们的身体也遭受痛苦.而研制一款面向家庭、个体单位的食物垃圾粉碎机是必然的，它具有体积小，成本低，耐用的特点,相信可以被人们接受。
而且政府可以实行鼓励政策、宣传引导,让人们更加注重环境问题[30］,调动整个城市的力量来保护环境。
2食物垃圾粉碎机的设计
2.1食物垃圾粉碎机的可行性分析
1经济层面分析
下面的分析只计算直接成本和收益，取静态值。
1、处理厨余垃圾的成本估算
测算得知,一个家庭每处理一次粉碎机的循环操作需要耗0.02度电，总耗水量5—8升，可以粉碎垃圾量0。
5公斤。
如果不出现特殊情况，食物垃圾粉碎机可以使用大概在15-20年左右，差不多是用了16000次,假设粉碎机的价格以1500元/台计算,使用的折旧费为每次0。
1元。
所以处理1吨垃圾费用为:
（1000公斤/0.5公斤）×
（0.02度×
0。
7元/度+0.005方×
5元/方+0.25元）=294元，另外增加的污水管网沙井清理量的费用和逐步调整污水处理工艺所引发的成本，因无法核算未计入。
2、处理厨余垃圾的收益估算
首先是以焚烧厂处理垃圾成本为例，经计算得知实际处理成本约为331.4元/吨,该成本没有计入灰渣的处理成本；
然后是厨余垃圾消耗的处理成本估算，由于厨余垃圾是焚烧的负面因子，消耗成本高，所以要调整系数为1.3，计算得出其处理成本为331.4×
3=430.8元/吨;
城市垃圾的收运成本计约为80元/吨，其收运成本约为80元/吨×
1.5=120元/吨；
而厨余垃圾处理后的减量化和资源回收的效益总计约为91.1元/吨；
所以用粉碎机处理垃圾的总收益为430。
8+120+91.1=641。
9元/吨。
3、结论
从计算的数字结果来看，如果使用食物垃圾粉碎机处理厨余垃圾的话，收益将远大于成本，证明了食物垃圾粉碎机具有经济可行性.
1.2环境层面分析
目前比如说广州，一天的生活垃圾产量达6600吨，58。
56％的有机物中有腐蚀性,约3865吨/日，其中大部分垃圾居民生活的厨余垃圾部分.一般城市垃圾主要包括厨余垃圾，而厨余垃圾又是垃圾污染的重要因素，其污染行为有以下几方面:
一是污染了收集容器，同时招引虫蝇、散发臭气；
二是在运输过程中易沿途撒漏,污染路面，同时也会腐蚀车子；
三是厨余垃圾本身含水率高,降低了垃圾热值，增加燃烧成本等。
而在使用食物垃圾粉碎机，有以下几点好处：
（1）大大减少城市垃圾收运处理量,减轻了交通堵塞和美化了市容;
（2）大大增加了填埋场的寿命，同时提高了焚烧厂的收益，减轻污染；
（3）杜绝了臭气，这样使小区保持清新的空气，利于身心健康；
（4）降低垃圾的含水率，减轻垃圾对车子的腐蚀；
（5）尽可能的避免了厨余成分对垃圾可回收成分造成的麻烦，促进了资源回收利用；
结论结果来看，使用食物垃圾粉碎机具有经济效益和环境效益，我们应该借鉴发达国家推荐居民们来使用，将我们生活的城市净化的干净美丽。
2分析食物垃圾粉碎机的组成及其工作原理
2.2。
1食物垃圾粉碎机的工作原理
我们先将厨余垃圾从投入口丢到粉碎机内，打开开关使刀盘在一定速度下转动,厨余垃圾跟着刀盘同步旋转，这样会产生速度差，转的过程还会产生离心力,依靠内齿环和端齿环以及刀盘同时对厨余垃圾挤压、切削、磨碎，使其变成3-5mm的细小颗
粒,随着水流顺着下水道排掉。
下图2.1为其工艺流程图.
图2。
1粉碎机的工作原理图
2食物垃圾粉碎机的组成
食物垃圾粉碎机主要由处理器的投入口、机体外壁、处理室、电机和排污管等组成。
如图2。
2所示.处理室即是粉碎室，是粉碎垃圾的地方，由处理室外壁、底盘、底板和环形齿环组成，是组成部分的重要零件。
电机安装在处理室的下面，主要是为粉碎机提供动力来源。
水槽凸缘铆合件是垃圾投入的地方，经过处理室的粉碎后，通过排污管顺着水流排走。
其中电机和刀盘是食物垃圾粉碎机的关键部位，它们的好坏直接左右了粉碎效果。
2粉碎机的零件组成
2.3食物垃圾粉碎机组合刀盘的设计
3。
1确定刀具的基本尺寸
在我国,由于厨房水槽的结构大小是统一的,只是在厚度、轮廓上略有区别而已,所以可以设计刀盘的直径：
D=112mm，厚度H=3mm。
2.3.2分析刀盘的受力情况和选择刀盘的材料
2.3。
1刀盘工作的载荷
刀盘转动时因为与厨余垃圾的相对运动，需要克服阻力，为了保证刀盘转动时所需的强度，首先要对刀盘进行载荷力学分析。
我们可以在不影响计算结果的情况下把刀盘理想的作为一个绕着中心轴旋转的薄3mm的薄板，用它来作流体旋转阻力矩以及磨碎厨余垃圾时的阻力。
（1）流体旋转阻力矩
我们假设一个半径为R的圆盘在静止的流体中旋转，通过圆盘中心的转轴与圆盘垂直。
在圆盘旋转时,流体层会随着转盘的摩擦阻力做旋转运动，同时受离心力的作用往圆盘外流，然后通过缝隙留下去。
随着流水不断的流到转盘上面作这样一个定量循环操作，其实这个过程中流水对转盘的施加的阻力很大。
假设：
转盘上1体积的流水,切应力τai与转盘的夹角为φ。
可得其径向分量F切径向=τaisinφ
（1）
可以分析得知，切应力径向动量的增长与流水转动时的离心力相等，方向相反;
F离=ρω2δr
（2）
其中δ：
是流水转动时的厚度；
ω：
转盘的角速度；
r：
转盘的半径；
从上述两个等式可以看出F切径向和流水离心力成正比：
F切径向=τaisinφ～ρω2δr（3）
转换下可得：
τai～ρω2δr/sinφ
另外切应力的正向分量：
F切轴向=τaicosφ（4）
由于切应力的正向分量:
F切轴向=μ（∂μ/∂y）y=0（5）
可用量级来表示,即:
τaicosφ~μv/δ（6）
查看书籍可知：
v=ω．r（7）
由（6）、（7）可得:
τaicosφ～μωr/δ
由（3）、（7）可得：
ρω2δrcosφ/sinφ～μωr/δ
可知φ是常量,与转盘半径没有任何关系（下述等式亦成立）；
所以可把上述式子转化为δ2～μ/ρω（8）
由运动粘度系数：
Γ=μ/ρ（9）
其中Γ：
运动粘度系数定义（水温10℃以下取1×
10-6）；
μ:
粘度系数；
ρ
:
密度
由（8）、（9）可得：
δ2 ～Γ/ω→δ～（Γ/ω）1/2（10）
由（10）、（3）可得：
τai ～ρω2r（Γ/ω）1/2
Ｍ正比于τai×
ｓ（面积）×
力臂：
Ｍ～πρr4ω（Γω）1/2
查资料可以得知，当转盘半径为r,轴向速度为v，它的系数是1.935，所以：
M=1.935×
ρr4×
ω（Γω）1/2
=1.935×
v/r×
（Γω）1/2
=1.935r3×
ρv（Γv/r）1/2（11）
食物垃圾粉碎机可把厨余垃圾粉碎为3—5mm的细小颗粒,另外选定刀盘转速n=2800r/min。
V=ωr
=2πnr/60
=2×
3.14×
2800×
056/60
=16。
41m/s
转矩M=1.935r3×
ρv（Γv/r）1/2
=1。
935×
0563×
1×
103×
16.41×
（1×
10-6×
16。
41/0.056）1/2
=0.0955N．M
所以，流体旋转的阻力矩M=0。
0955N．M
由公式M=Fl×
r可知：
Fl=M/r=0.0955/0。
056=1.7N
所以得出结论：
Fl=1。
7N
（2）厨余垃圾对转盘造成的阻力
因为一般家里的厨余垃圾的种类一般是生菜剩饭，果皮等软性垃圾，易粉碎，其形成的阻力相对很小，做粉碎实验后可得出结论，厨余垃圾对转盘形成的阻力F2；
F2=11.8N
2.3.2。
2刀盘的材料
一台好的食物垃圾粉碎机，核心之一就是刀盘（包括环磨盘）的材料。
因为它要研磨粉碎各种类的垃圾，防锈是必须的，进进出出都是水,生锈了就不能正常运转了;
有些食物垃圾还有腐蚀作用，所以防腐蚀也是要求刀盘具备的;
还有就是它的强度和刚度;
考虑完那些,还要考虑适用加工性和经济性.所以我们决定在1Cr13和9Cr18中做出筛选，下表2是两种材料的一些参数。
表2材料1Cr13和9Cr18的参数
（1）一般知道一个材料中的C含量高的话,形成的微型原电池就越多，腐蚀铁越快,其耐腐蚀能力越差;
（2）一般合金中有Cr元素，其对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐腐蚀性,同时提高了钢的耐热性；
特别在高的合金范围内,使钢成为了强氧化酸类的克星，大大加强了其耐腐蚀性，由此可见Cr全方面提高了钢的品质。
但是Cr铁矿属于短缺矿种在中国,我国Cr的储量少,产量也低，所以每年80％的Cr主要依靠进口，Cr虽然能大大提高其质量，但由于短缺的缘故，建议少用。
所以在满足食物垃圾粉碎机对刀盘设计要求的情况下，我们选用1Cr13作为刀盘的材料。
3校核刀盘的强度
当刀盘转动的时候，它会受到一个循环载荷力，只要电源开着,刀盘就会一直承受着，这样就会发生疲劳破坏，一旦刀盘遭到断裂，粉碎机就不能使用了,所以在设计时要求其在循环工作载荷力的作用下，假设性的具备无限长的疲劳寿命的条件，
下面是一般金属材料在交变应力的作用，常用的σ—N曲线图.
图2.4σ-N曲线图
可以看见在σ—N曲线图的右侧是一条无限接近水平的渐近线，水平线起始点对应的应力值我们一般称为疲劳极限。
我们定义为：
当最大应力小于疲劳极限的时候,且在不被破坏的情况下，可以做无限次循环应力。
而水平起始点的横坐标Ne大约为10^7，我们定义N〉=Ne的区域为无限寿命区。
而在曲线的左侧是一条斜线,在该斜线段是N<
Ns,我们称为有限寿命区，而在该段线所做的计算称为有限寿命计算.因此在设计时应力应该设计的低点，最大的提高其工作寿命。
查资料可知疲劳极限σR和抗拉强度σLA有如下等式：
24<
σR/σLA<
0.5（12）
从上表可知1Cr13的抗拉强度:
σLA=540MPa;
我们取0。
25下限值可得：
σR=0。
24×
540
=129MPa
接下来是计算σ盘max
假设在距离圆心为ρ的圆上一面积为dA,这点的内力τρdA对x轴的矩力为
τρdAρ，然后将内力矩积分：
Mn=∫AσRρpdA（13）
图2.5截面力矩图
据胡克定律可得：
σmax=Grρ=GρΦ（14）
由（13）、（14）可得：
Mn=∫Aρ2GΦdA
=GΦ∫Aρ2dA
∫Aρ2dA是几何量，它与圆的截面有关，可以用Ip来表示，那么上式亦可转换为
Mn=GΦIp=F合R（15）
由（14）、（15）可得σmax=Mnρ/Ip
分析可知在圆盘上的最大应力应该在圆截面边缘各点，即ρ=ρmax；
σ盘max=Mnρ/Ip（16）
Ip=∫Aρ2dA
=∫d/20ρ2dA
=πd4/32
F离=ma
=mω2R
=ρπr2/4hR（2πn/60）2
=7。
85×
0562×
03×
056（16.41/0。
056）2
=11.15N
F合=F离+F2+F1cosφ
=11.15+11。
8+1。
7
=24.65N
将所得结果带入（16）可得：
σ盘max=Mnρ/Ip
=F合r2/（πd4/32）
=16×
32（F合/π）r2
32×
24。
65/3。
14×
0.0562
=12。
6MPa
显而易见σ盘max《σR=129MPa，而且它满足最大应力小于疲劳极限的条件，可以做无限次循环操作，结论:
该设计满足强度要求。
4校核刀片的强度
因为刀片随着刀盘做旋转运动，也是做定轴旋转运动，可定义r刀=0.054m。
那么：
V刀=ωr
054/60
=15。
83m/s
而转矩：
M=1.935r3×
0543×
15.83×
10—6×
15。
83/0。
054））1/2
=0。
083N．M
然后可计算出：
F刀片=M/r
083/0.054
=1.54N
接下来计算刀片的水阻力矩：
=ρπd2/4hR（2πn/60）2
=7.85×
0542×
0.03×
054×
（15。
054）2
=10。
00N
F合=F离+F2+F刀片cosφ
=10.00+11。
8+1.54
=23。
34N
由公式σ刀片max=Mρ/Ip
32F合/（πr2）
30MPa
显而易见满足强度要求。
5刀盘的外形结构
在我国，厨余垃圾的种类有很多，其软硬程度、化学性质等都有较大的区别，根据这样的性质特点，可以采用组合式的粉碎刀盘，如下图2.6。
该刀盘由一组固定刀盘和一组旋转刀盘组成，在刀盘上面设置成中心对称的形状，有三角凸台、摆动刀片、竖起的三棱柱刀片。
还有分布在刀盘周围的圆形通孔,便于粉碎后的垃圾流体排走，在刀盘直径周围还有一圈环形磨盘，和圆形刀盘的材料一样，当圆盘在高速转动时，由于离心力的作用，厨余垃圾会飞向四周，设置这样的环磨盘同样起到了粉碎垃圾的效果。
同时它与电机通过铆钉和转轴连接在一起,属于过盈配合。
组合式的粉碎刀盘的特点：
（1）这样一套由固定和旋转刀盘组成的粉碎刀盘,可以解决硬度不一和化学性质复杂的厨余垃圾，在高速转动的组合刀盘的粉碎破坏下，达到了设计的最初要求，即把厨余垃圾粉碎到5mm以下的流体。
（2）我们在刀盘设计中，在其表面设置了二十多个直径为4mm的通孔，其作用就是把粉碎后的垃圾流体排出粉碎机，另外一个好处就是降低刀盘的自身重量,提高其转动强度。
图2.6组合刀盘
4电机的选择
2.4.1电动机的工作原理
电动机是一项伟大的发，它的工作原理就是利用电磁感应原理，可以将电能转化为机械能来工作.通电时在磁场的作用下，产生电磁转矩，做定向旋转，同时为了确保S级和N级总有恒定的电流通过，需要电刷和换向器，这样的效果导致持续的向外输出功率，电动机就是在多磁极、多线圈的情况下进行工作的。
4。
2电动机的结构
电动机主要由转子、定子等零件组成。
转子有铁心和绕组组成，转子铁心有硅钢片叠压而成。
定子由铁心、绕组和机座组成,其中定子铁心是电动机磁路的一部分,由0.5mm的硅钢
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