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目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1廚房食品垃圾處理的緊迫性 1
1.2廚房食品垃圾的特征及其危害 1
1.2.1廚房食品垃圾的特征 1
1.2.2廚房食品垃圾的危害 2
1.3食品垃圾處理的方法 2
1.3.1衛(wèi)生填埋 2
1.3.2焚燒 3
1.3.3堆肥 3
1.3.4作牲畜飼料 3
1.4課題的研究意義 3
2. 食品垃圾分類處理器的總體設(shè)計(jì) 5
2.1總體結(jié)構(gòu) 5
2.2工作原理 6
3. 粉碎部分的設(shè)計(jì) 7
3.1粉碎刀具設(shè)計(jì) 7
3.1.1刀具基本尺寸的確定 7
3.1.2粉碎刀具的力學(xué)分析及材料的選擇 7
3.1.3刀具強(qiáng)度校核 9
3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 9
4壓縮部分的設(shè)計(jì) 11
4.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 11
4.1.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)定義 11
4.1.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性及應(yīng)用 11
4.1.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分類 11
4.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力分析 13
4.2.2 曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 14
4.2.3 尺寸設(shè)計(jì) 15
4.3電機(jī)選擇 15
5結(jié)論 17
參考文獻(xiàn) 18
附 錄 19
致謝 24
V
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食品垃圾分類處理機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
本文依據(jù)我國(guó)目前的實(shí)際情況，研制合適的食品垃圾預(yù)處理裝置——食品垃圾分類處理器。該垃圾處理器分為兩部分，一部分用來(lái)處理各種不可回收的垃圾，如：殘羹剩飯、肉魚骨刺、蔬菜梗葉、瓜皮果殼、蛋殼、茶葉渣等廚房食物殘?jiān)?，使用刀片將垃圾粉碎，然后?dǎo)入下水道；另一部分用于處理各種可回收垃圾，如：易拉罐、金屬罐頭等，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將罐頭壓縮，減少體積，方便存儲(chǔ)，也有利于進(jìn)行下一步處理。
關(guān)鍵詞：垃圾處理；粉碎；壓縮
Mechanical structure design of food garbage sorting machine
Abstract
Based on the current situation in China, a suitable food waste pretreatment device, food waste sorting processor, has been developed. The garbage processor is divided into two parts, one part of which is used to deal with all kinds of unrecyclable garbage, such as leftover leftovers, meat fish bone spines, vegetable stalk leaves, melon husks, eggshells, tea residue and other kitchen residue. The waste is crushed with blades, then imported into the sewer, and the other is used to deal with all kinds of recyclable garbage. Such as food, the crank slider mechanism can be used to compress the cans, reduce the volume, facilitate storage, and facilitate further processing.
Keywords:garbage disposal; pulverization; compression
第1章 緒論
1 緒 論
1.1廚房食品垃圾處理的緊迫性
隨著時(shí)代的發(fā)展，人們的生活結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。這一系列的變化也大大影響了生活垃圾的組成。足額供應(yīng)的暖氣和天然氣大大降低了垃圾中煤炭所產(chǎn)生的煤灰的比例,而人們經(jīng)濟(jì)能力的提高，使人們更多的追求吃喝玩樂(lè)相應(yīng)的造成了食品垃圾的增加。在北京,每天有超過(guò)1600噸剩飯剩菜,每月回收的饅頭的重量將近20噸,相當(dāng)于140人一年消耗的糧食[1]。
人們的生活水平的提高,造成了城市生活垃圾數(shù)量的大量增長(zhǎng),這使得大量的土地被用于處理垃圾而造成土地資源及水資源的浪費(fèi)和污染，這些問(wèn)題使得生態(tài)環(huán)境遭到破壞。隨著生活結(jié)構(gòu)的變化,食品垃圾數(shù)量大量增加,一方面食品垃圾含水量高、不易燃燒、容易腐爛，另一方面,它含有各類無(wú)機(jī)物,可以成為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥。目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)找到處理食品垃圾的有效方法，而我們的政府仍然在以有效管理垃圾處理和增加回收利用率為目標(biāo)。目前我國(guó)處理食品垃圾的措施主要是填埋,填埋處理工序簡(jiǎn)單，效果明顯，能有效解決各種不同類型的垃圾,但是假如填埋技術(shù)不合格,容易造成二次污染，垃圾中產(chǎn)生的液體會(huì)對(duì)土地和地下水資源造成污染。第二種是對(duì)垃圾采取高溫燃燒的方法。經(jīng)過(guò)焚燒處理，城市生活垃圾體積大量減少，但是在生活垃圾中有大量的含水量較高的食品垃圾,使得生活垃圾難以完全燃燒,需要添加輔助燃燒的添加劑，大大增加了成本[2]。第三種方法是堆肥?？梢杂行У霓D(zhuǎn)化資源,但是如果技術(shù)不過(guò)關(guān)可能使得肥料中存在重金屬,如果使用這種不合格的肥料,會(huì)使作物中存在有害元素，危害人們的健康[3]。
我國(guó)政府高度重視垃圾處理問(wèn)題,現(xiàn)在已經(jīng)投入大量資金用于尋找研究處理垃圾的有效措施。因此找到一個(gè)合理有效的方法來(lái)處理食品垃圾已經(jīng)成為了一個(gè)緊迫的任務(wù)。
針對(duì)食品垃圾的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種食品垃圾分類處理器。這臺(tái)機(jī)器可以讓人們輕松地對(duì)食品垃圾進(jìn)行有效處理，對(duì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。食品垃圾分類處理器對(duì)社會(huì)發(fā)展有重要意義，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可行性[4]。
1.2廚房食品垃圾的特征及其危害
1.2.1廚房食品垃圾的特征
食品垃圾主要是指在食品從原材料生產(chǎn)加工到最終的消費(fèi)過(guò)程中產(chǎn)生的各類垃圾[5]。食品垃圾主要包含了淀粉、蛋白質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽等成分[6]。
食品垃圾存在的地方較為廣泛,主要存在于各類菜市場(chǎng)、家庭廚房、飯店餐館等地。我國(guó)各地人民飲食習(xí)慣存在較大差異,因此食品垃圾具有數(shù)量大，種類多等特點(diǎn)。
1.食品垃圾的發(fā)熱值較低
發(fā)熱值是指單位體積的物體完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量,發(fā)熱值是用來(lái)確定垃圾能否作為燃料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。食品垃圾含有較多的水分,所以其低位熱值大約在2100-3100KJ/kg左右，因此焚燒垃圾需要添加助燃劑,導(dǎo)致成本上升,同時(shí)要注意溫度,防止燃燒過(guò)程中產(chǎn)生一些有害物質(zhì)[7]。
2. 含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素,可實(shí)施資源化
干燥的食品垃圾中粗脂肪含量約為29%,粗蛋白含量約為20%[8]，其含量和普通飼料很類似,是綠色飼料很好的原料。但是由于我國(guó)垃圾分類問(wèn)題,無(wú)法采取很好的處理措施。
1.2.2廚房食品垃圾的危害
食品垃圾含有許多細(xì)菌甚至病毒，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)有效處理直接喂養(yǎng)家禽牲畜,會(huì)威脅到家禽牲畜健康,進(jìn)而危害到人體健康,使人體感染病菌，產(chǎn)生極大的危害。
食品垃圾成分復(fù)雜，其中易腐物質(zhì)含量較高,而我國(guó)垃圾收集及存放的容器不適合處理易腐爛的物質(zhì)，同時(shí)運(yùn)輸車輛也無(wú)法保證在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)食品垃圾的有效保存及運(yùn)輸。食品垃圾容易腐爛,會(huì)產(chǎn)生難聞的氣體污染大氣，同時(shí)還使蒼蠅、蟑螂等害蟲大量滋生,影響環(huán)境。其次,我國(guó)牲畜養(yǎng)殖者常用食品垃圾喂食牲畜,導(dǎo)致食品垃圾中的細(xì)菌、重金屬進(jìn)入牲畜體內(nèi)，危害到食用該類牲畜肉制品的人群的身體健康。甚至有人追求利潤(rùn)最大化,使用食品垃圾提煉食用油來(lái)加工食品。食品垃圾容易腐爛、氣味難聞、含有大量細(xì)菌與病菌、易造成害蟲滋生,大大污染了人們的生活環(huán)境，影響人們的生活質(zhì)量。
1.3食品垃圾處理的方法
我國(guó)目前對(duì)垃圾管理不到位，因此食品垃圾常常與普通垃圾混在一起，垃圾處理廠對(duì)食品垃圾也僅做常規(guī)處理。經(jīng)過(guò)大量理論研究和實(shí)踐探索，目前國(guó)內(nèi)經(jīng)常采取衛(wèi)生填埋、高溫焚燒、堆肥、作牲畜飼料這幾種方式來(lái)處理垃圾[9]。
1.3.1衛(wèi)生填埋
將垃圾運(yùn)輸?shù)教盥駡?chǎng)后，將垃圾攤鋪開(kāi)來(lái)，使用器械進(jìn)行壓實(shí)，過(guò)程中按情況進(jìn)行消毒處理，防止細(xì)菌滋生，經(jīng)過(guò)多次攤鋪壓實(shí)消毒后，將處理物填埋入土地，最后對(duì)垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行防滲處理,以免二次污染。衛(wèi)生填埋技術(shù)成熟、耗費(fèi)財(cái)力較少，是目前大規(guī)模處理生活垃圾的有效方法，在國(guó)內(nèi)外大量采用,但其存在的缺點(diǎn)是不能有效利用好垃圾資源,并且對(duì)土地資源造成大量浪費(fèi)。
1.3.2焚燒
焚燒處理垃圾時(shí)，高溫能有效殺死垃圾中的細(xì)菌和病毒，垃圾燃燒過(guò)程中,垃圾數(shù)量將迅速減少。與此同時(shí)要防止氣體中的有害物質(zhì)污染大氣。焚燒對(duì)垃圾的成分有所要求，需要其滿足一定的熱值條件,每公斤垃圾熱值不低于4000千卡。目前日本的垃圾中,進(jìn)行焚燒處理的比例較高[10]。它的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生有害氣體,同時(shí)垃圾焚燒需要添加助燃劑，成本相對(duì)較高。
1.3.3堆肥
堆肥需要人為的控制垃圾的所處環(huán)境，利用各種微生物的分解能力,使垃圾轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì),并且殺死其中的各種病毒,使垃圾變成有用的肥料且沒(méi)有危害性[11]。堆肥處理有兩種方法：1.好氧2.厭氧。垃圾堆肥的缺點(diǎn)是對(duì)垃圾所含有機(jī)物的比例有較高的要求，其含量應(yīng)高于40%[12]。
1.3.4作牲畜飼料
食品垃圾中營(yíng)養(yǎng)元素豐富,一些牲畜養(yǎng)殖戶會(huì)長(zhǎng)期到各飯店收集食物殘?jiān)?然后直接喂食牲畜。這種方法會(huì)導(dǎo)致食品垃圾中有害物質(zhì)進(jìn)入牲畜體內(nèi)，然后經(jīng)由牲畜肉制品危害到人體健康。在我國(guó),北京、上海等許多地區(qū)也都禁止用泔水喂食牲畜[13]。
1.4課題的研究意義
垃圾數(shù)量的快速增加,產(chǎn)生了一系列問(wèn)題,因此我國(guó)政府高度重視垃圾處理問(wèn)題,現(xiàn)在已經(jīng)投入大量資金用于尋找研究處理垃圾的有效措施。因此根據(jù)我國(guó)現(xiàn)在的垃圾的特性，開(kāi)發(fā)一個(gè)合理有效的措施來(lái)對(duì)食品垃圾進(jìn)行處理已經(jīng)成為了一個(gè)迫在眉睫的任務(wù)[14]。
結(jié)合實(shí)際情況，研制合適的食品垃圾分類處理器，能從源頭上降低垃圾所帶來(lái)的危害。食品垃圾處理器的運(yùn)用具有很多優(yōu)點(diǎn)：
1.減少食品垃圾數(shù)量，提高環(huán)境質(zhì)量
目前，國(guó)內(nèi)對(duì)垃圾的處理的主要指標(biāo)是減量。本文研制的食品垃圾分類處理器可以有效減少垃圾體積，使人們的生活環(huán)境大大改善，提高人們的生活水平。
2.垃圾的再處理
本文研制的食品垃圾分類處理器可以對(duì)可回收的罐頭、易拉罐等物質(zhì)進(jìn)行壓縮處理，大大減少這類垃圾所占空間，方便其運(yùn)輸存儲(chǔ)，能減少垃圾處理廠的處理時(shí)間，加快垃圾處理速度。
3有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益
由于我國(guó)目前需要建設(shè)的地方較多，因此我國(guó)政府很難將大筆資金投入垃圾處理這個(gè)問(wèn)題。使用食品垃圾分類處理器后能有效降低垃圾處理的難度，使政府可以節(jié)省大量資金，用于發(fā)展新的垃圾處理的項(xiàng)目。
食品垃圾分類處理器通過(guò)改變食品垃圾狀態(tài)的方式來(lái)對(duì)垃圾進(jìn)行初步處理[15]，將食品垃圾粉碎后排入下水道，將罐頭、易拉罐進(jìn)行壓縮，減少存儲(chǔ)空間，可以使廚房更加干凈，從而使生活環(huán)境大大改善。
食品垃圾分類處理器這種設(shè)備使家庭生活空間更加舒適健康，能有效降低垃圾處理廠處理垃圾的壓力，能夠有效促進(jìn)環(huán)境的保護(hù)與社會(huì)的發(fā)展。
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第2章 食品垃圾分類處理器的總體設(shè)計(jì)
2. 食品垃圾分類處理器的總體設(shè)計(jì)
2.1總體結(jié)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)的食品垃圾處理器需要針對(duì)不可回收垃圾和可回收垃圾進(jìn)行不同處理。
不可回收垃圾處理方案選擇：
方案一：粉碎。對(duì)食品垃圾進(jìn)行研磨，使其粉碎，將粉碎后的槳體或細(xì)小顆粒在水流作用下沖入下水道。
方案二：甩干。使食品垃圾進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)，利用離心力使水分從食品垃圾中分離，排除水分，將留下來(lái)的固體壓縮后扔入垃圾桶。
由于粉碎方式能將食品垃圾處理得更為干凈，不會(huì)在家中再殘留垃圾，且所需步驟較少，所以本次設(shè)計(jì)采用粉碎方式來(lái)處理不可回收垃圾。
粉碎方案選擇：
方案一：通過(guò)兩個(gè)齒盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使食品垃圾被研磨粉碎，粉碎顆粒隨齒輪旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)篩選被排出腔體。
方案二：利用刀盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，食品垃圾與刀具間的速度差，使食品垃圾被切割、撕扯，最后將粉碎物經(jīng)過(guò)濾板篩選排出箱體。
由于刀盤粉碎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗材較少，所以本次設(shè)計(jì)粉碎部分采用刀盤粉碎。不可回收垃圾的粉碎部分主要構(gòu)成有：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、中心軸、過(guò)濾板、刀具等。
可回收垃圾處理方案選擇：
本次設(shè)計(jì)中所考慮的可回收垃圾主要為罐頭及易拉罐，它們的處理方式一般都為壓縮。
壓縮方案選擇：
方案一：利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸，使活塞壓扁罐體
方案二：利用電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由壓塊壓縮罐體
本次設(shè)計(jì)中無(wú)需將罐體壓縮至極小的狀態(tài)，只需將罐體壓縮，減小體積，所以采用力較小，并且曲柄滑塊結(jié)構(gòu)相比液壓缸更加干凈，不存在液壓油導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題，所以本次壓縮設(shè)計(jì)中采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
可回收垃圾的壓縮部分的主要組成為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、帶輪、V帶、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、壓塊、抽板、垃圾簍等。
2.2工作原理
食品垃圾投入處理器后，在傾斜的過(guò)濾板作用下，食物垃圾下落進(jìn)入粉碎倉(cāng)，而易拉罐、罐頭被留在過(guò)濾板上，然后在重力作用下，滾落至壓縮倉(cāng)。
粉碎部分：電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn),落至粉碎倉(cāng)的食品垃圾和刀片產(chǎn)生了一個(gè)速度差,在重力和離心力的作用下,食品垃圾被刀片分割撕扯，被粉碎成三到五毫米左右的細(xì)小顆粒,經(jīng)過(guò)濾板排出粉碎倉(cāng)，最后通過(guò)水流送入下水道。
壓縮部分：電機(jī)啟動(dòng)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，壓塊下壓，對(duì)罐體產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，使罐體被壓縮，體積大幅減小，壓縮完成后抽出抽板，使壓縮后的罐體落入垃圾桶中，再將其扔入垃圾箱，方便其進(jìn)行下一步的回收利用。
為保證被粉碎后的食品垃圾殘?jiān)苡行懦觯枰獙?duì)殘?jiān)魉僮鲇?jì)算。
假設(shè)液體密度為akg/m3，底板坡度為b°，則流體加速度為m/s2。
因?yàn)椋?，所以液體中點(diǎn)速度為
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)行污水管道的力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),其原則是: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0.2m/s。被分散到一定的顆粒進(jìn)入下水道后,在此流速系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。
為有效降低摩擦系數(shù)，本次設(shè)計(jì)在底板上添加一層聚四氟乙烯涂料，其摩擦系數(shù)μ=0.04。
當(dāng)b=20°時(shí)，sinb-μ=0.342-0.04=0.302
>0.2m/s
因此底板坡度為20°
第3章 粉碎部分的設(shè)計(jì)
3. 粉碎部分的設(shè)計(jì)
3.1粉碎刀具設(shè)計(jì)
3.1.1刀具基本尺寸的確定
刀具尺寸在選擇時(shí)應(yīng)考慮我國(guó)廚房下水道入口的結(jié)構(gòu)尺寸，并結(jié)合食品垃圾的特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，目前我國(guó)廚房下水道入口的結(jié)構(gòu)尺寸基本相似,只是在其他部分如外形、深度上有所區(qū)別。最后經(jīng)計(jì)算分析，確定刀具尺寸，直徑300mm,厚度3mm[16]。
3.1.2粉碎刀具的力學(xué)分析及材料的選擇
一.粉碎刀具的力學(xué)分析:電機(jī)啟動(dòng)后，刀盤快速旋轉(zhuǎn)，需要保證刀具具有足夠的強(qiáng)度以克服阻力,在設(shè)計(jì)時(shí)必須先分析刀具的受力情況，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。由于刀具工作時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，所以我們可以在計(jì)算時(shí)把刀具理想為一個(gè)繞中心軸旋轉(zhuǎn)的薄板,它受到的力為流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力以及粉碎垃圾時(shí)的阻力。
1) 流體旋轉(zhuǎn)阻力矩
設(shè)一個(gè)圓盤,其半徑為R，在靜止的流體中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸垂直于圓盤并且通過(guò)圓盤的中心。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí),圓盤附近的流體層被圓盤帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),流體通過(guò)慣性向外運(yùn)動(dòng),并在圓盤的邊界處向外;而新的流體層則靠近圓盤,再次被拋出。這樣,在經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的開(kāi)始階段之后,液體流動(dòng)運(yùn)動(dòng)便穩(wěn)定下來(lái),它對(duì)圓盤的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了相當(dāng)大的阻力。
假設(shè)：取圓盤上單位體積的水流，設(shè)其切應(yīng)力為τ，切應(yīng)力與圓盤之間形成的角度為φ。
切應(yīng)力的徑向分力
（3.1）
徑向力與水流的離心力相互平衡
（3.2）
切應(yīng)力的周向分力
（3.3）
而切應(yīng)力的周向分力
F=μ（）y=0 （3.4）
圓盤的旋轉(zhuǎn)速度
（3.5）
由實(shí)驗(yàn)可知：φ是常數(shù)
（3.6）
根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)
（3.7）
所以
δ∽ （3.8）
轉(zhuǎn)矩 M∽πρr4ω （3.9）
對(duì)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=v/r，
所以阻力矩
為保證食品垃圾變?yōu)?-5mm的細(xì)小顆粒，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中選取刀具轉(zhuǎn)速為
n=3000r/min
所以
刀具上水流阻力矩
M=3.87×0.0573×0.5×1×103×17.902（1×10-6/17.9×0.057）1/2
=0.1103N·M
因?yàn)?
所以
所以流體阻力為F1=1.9N
2）垃圾形成的阻力
常見(jiàn)的食品垃圾如殘羹剩飯性質(zhì)較軟，因此粉碎時(shí)產(chǎn)生的阻力較小，在對(duì)食品垃圾中常見(jiàn)的食品殘?jiān)M(jìn)行粉碎測(cè)試時(shí)得到的阻力大約為F2=11.5N。
二.粉碎刀具的材料選擇：食品垃圾分類處理機(jī)粉碎部分中粉碎刀具的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,需要考慮各種要求。
表3.1 材料分析
根據(jù)上述的表格可以發(fā)現(xiàn)1Cr13不銹鋼材料更適合作為刀具材料。
3.1.3刀具強(qiáng)度校核
金屬材料在交變應(yīng)力下的強(qiáng)度常根據(jù)σ-N曲線或疲勞極限來(lái)進(jìn)行計(jì)算。σ-N曲線如圖所示
圖3.1 σ-N曲線
刀片繞固定軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)上圖的曲線，當(dāng)σmax＜σR時(shí)，刀片滿足強(qiáng)度要求。
疲勞極限σR與抗拉強(qiáng)度σLA之間的關(guān)系為0.25<σR/σLA<0.5
1Cr13的抗拉強(qiáng)度σLA=540MPa
取疲勞強(qiáng)度最小值σR=0.25σLA=135MPa
設(shè)計(jì)中，刀片的半徑r=0.15m
速度
依據(jù)公式， M刀片=3.87r3×0.5×ρv2×（Γ/vr）1/2=0.079N·M
因?yàn)? M刀片=F刀片×r
所以 F刀片=M刀片/r=1.52N
F離=mω2r=ρπd2/4×h（2πn/60）2R=50.70N
F合=F離+F2+F刀片cosφ=50.7+11.5+1.52×cos90°=62.20N
Mn=F合×r
σmax=Mrmax/Ip=Mrmax/（πd4/32）=37.49MPa
因?yàn)?7.49<<135即σ刀片max<<σR
所以刀片強(qiáng)度滿足要求
3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)電機(jī)是食品垃圾分類處理機(jī)的能量來(lái)源，是一個(gè)關(guān)鍵部件，其性能影響到食品垃圾分類處理機(jī)的質(zhì)量。
目前，市場(chǎng)上的電動(dòng)機(jī)種類繁多，各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)差別較大，為了保證選擇的電機(jī)型號(hào)的合理性，必須考慮電機(jī)的實(shí)用效果和其經(jīng)濟(jì)成本。
選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下方面：
（1）電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)與所需機(jī)械特性相匹配；
（2）電動(dòng)機(jī)要滿足一定調(diào)速要求。
（3）電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能應(yīng)滿足要求，要保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)能帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)
（4）經(jīng)濟(jì)性，要考慮電動(dòng)機(jī)耗電水平，盡量省電。
選擇電機(jī)時(shí)要考慮機(jī)械的運(yùn)行要求是否與電動(dòng)機(jī)的性能相匹配。目前市場(chǎng)上的電機(jī)有兩種類型：直流電機(jī)、交流電機(jī)。其中直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)迅速；可承受較高的啟動(dòng)頻率，調(diào)速性能優(yōu)良，調(diào)速穩(wěn)定、準(zhǔn)確、便捷且調(diào)速范圍大。
設(shè)計(jì)中，粉碎倉(cāng)的電動(dòng)機(jī)要頻繁運(yùn)行，能夠啟動(dòng)快速，因此根據(jù)這些要求，選擇直流電動(dòng)機(jī)作為粉碎倉(cāng)的啟動(dòng)電機(jī)。
在直流電動(dòng)機(jī)中，有一種使用永磁材料作為電機(jī)磁極來(lái)為電動(dòng)機(jī)提供所需要的勵(lì)磁源的電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)為永磁直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)闆](méi)有勵(lì)磁線圈，所以它耗電量低，產(chǎn)生的熱量小，并且由于其特殊的磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得該類電動(dòng)機(jī)具有過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、噪音小、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此本次設(shè)計(jì)中粉碎倉(cāng)的啟動(dòng)電機(jī)選擇永磁直流電動(dòng)機(jī)。
選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，要保證所選電動(dòng)機(jī)的功率合適，以保證其經(jīng)濟(jì)性。若功率選得過(guò)大，設(shè)備所需成本增加，且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率較低；相反，如果選的功率較小，那么電動(dòng)機(jī)將過(guò)載運(yùn)行，易造成損壞。
根據(jù)前文的計(jì)算，刀具在工作時(shí)需要克服阻力，計(jì)算如下
F=F1+F2=1.9+11.5+1.5=14.9N
刀具線速度v=ωr=2πnr/60=17.75m/s
負(fù)載功率P=Fv=266.07W
電動(dòng)機(jī)額定功率Pd≥P，且留有一定余量
所以取Pd=1.3P=345.89W
所以最終選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為ZYT104/12
其性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速3000r/min，功率390W，電壓220V，電流2.4A，重量3Kg
第4章 壓縮部分的設(shè)計(jì)
4壓縮部分的設(shè)計(jì)
4.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
4.1.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)定義
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展,由若干剛性構(gòu)件組成，由低副(回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副)聯(lián)接而成。
4.1.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性及應(yīng)用
該機(jī)構(gòu)用于將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動(dòng);或者將滑塊的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造精度高,因而廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械中。
4.1.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分類
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成三大類：對(duì)心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機(jī)構(gòu)
圖4.1 對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖4.2 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖4.3 偏心輪機(jī)構(gòu)
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以分為三類:
(1)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu):機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線通過(guò)曲柄的回轉(zhuǎn)中心則稱為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如在內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用等[14]。
(2)偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu):機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線位于曲柄的回轉(zhuǎn)中心一側(cè)則稱為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
(3) 偏心輪機(jī)構(gòu):在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,如果曲柄長(zhǎng)度較短,可將轉(zhuǎn)動(dòng)副的尺寸擴(kuò)大到超過(guò)曲柄長(zhǎng)度,則曲柄就形成幾何中心與轉(zhuǎn)動(dòng)中心不一致的圓盤,該圓盤稱為偏心輪,存在偏心輪的機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)。偏心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,偏心軸勁的強(qiáng)度和剛度大,廣泛用于曲柄長(zhǎng)度要求較短、沖擊載荷較大的機(jī)械中, 例如在工程機(jī)械中的顎式破碎機(jī)中的應(yīng)用等[15]。
本次設(shè)計(jì)采用對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，受力點(diǎn)位于中心，便于分析。
4.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力分析
圖4.4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析示意圖
由曲柄r傳遞至連桿l上的力PC與壓塊所受壓力P之間的關(guān)系：
曲柄頸A處，沿半徑方向的力Pr和Pc的關(guān)系：
將上2式聯(lián)立，可得到：
曲柄頸沿r方向受到的力與Pr大小相等。轉(zhuǎn)矩T為曲柄頸沿圓周方向切線所受的力PT與半徑r的乘積，即
根據(jù)上圖可知：
將（1）、（4）式代入（5）式，則
從上式求出P。
取φ角為零時(shí)，上式可以寫成：
按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導(dǎo)出
將上式代入，則得：
4.2.2 曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性
圖4.5 運(yùn)動(dòng)分析圖
如圖所示，取A為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右的軸為x軸，在任一時(shí)刻t，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置如圖。
可以假設(shè)C點(diǎn)的矢徑為：
C點(diǎn)的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影：
根據(jù)圖形可知：
所以：
式中，是曲柄長(zhǎng)度與連桿長(zhǎng)度之比。將上式代入X的表達(dá)式中，并結(jié)合，
就得到了滑塊的運(yùn)動(dòng)方程：
如果將此式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算極為復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，λ值并不是很大
（），故可對(duì)上式中作近似計(jì)算：
X=r2cos(ωt)+r3[1-0.5λ2sin2(ωt)-0.125λ4sin4(ωt)+……]
≈r2cos(ωt)+r3-0.5r3λ2sin2(ωt)
=r2cos(ωt)+r3-0.25λ2[1-cos(2ωt)]
則：
再對(duì)上式中的時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，就能夠計(jì)算出速度和加速度的公式：
其中X,V,a都是的周期函數(shù)。
4.2.3 尺寸設(shè)計(jì)
假定；行程為S,曲柄為L(zhǎng)，連桿為a，由于市場(chǎng)上常見(jiàn)的易拉罐及罐頭高度一般不超過(guò)150mm，直徑不超過(guò)100mm，所以本次設(shè)計(jì)中行程確定為120mm,即S=120mm，結(jié)合上述分析則有：L=60mm，a=200 mm
4.3電機(jī)選擇
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，常見(jiàn)易拉罐壓扁所需力為P=2.1KN，罐頭類壓扁需P=10KN，為保證安全，取壓扁力F=15KN。根據(jù)之前的計(jì)算轉(zhuǎn)矩T=P[s（2r-s）]1/2,所以T=670.84N.M。
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，經(jīng)過(guò)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)中選取Y系列（IP44）電動(dòng)機(jī)作為壓縮倉(cāng)的啟動(dòng)電機(jī)。
圖4.6 電機(jī)型號(hào)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y80M1-2額定功率：0.75KW滿載轉(zhuǎn)速:2830r/min，結(jié)合電機(jī)效率及V帶效率，其提供的轉(zhuǎn)矩T=9549*0.75*1000*0.75*0.84*0.96/2890=1498N.M>670.84N.M?
Y系列電動(dòng)機(jī)是全封閉自冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。Y系列電機(jī)具備運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、耗電量低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、損耗低的優(yōu)點(diǎn)。Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)的外殼有不同的防護(hù)等級(jí)，按其種類可分為兩種基本系列，即IP23（防護(hù)式）和IP44（封閉式）。
Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):
（1） 效率水平較高。Y系列（IP44）小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率效率水平較高。電動(dòng)機(jī)的效率水平，大大影響了電機(jī)的耗電水平，效率越高越省電，能保證更好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
（2） 起動(dòng)性能較好。Y系列（IP44）全系列電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，其最小轉(zhuǎn)矩均確保在額定轉(zhuǎn)矩的一半以上，工作時(shí)能保證至少70%的額定轉(zhuǎn)矩。因此，其起動(dòng)性能非常好，能平穩(wěn)帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)行。
（3） 低噪音低振動(dòng)。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)按產(chǎn)生噪音的大小，將噪音等級(jí)劃分為l級(jí)和2級(jí)，可按照用戶不同的需求進(jìn)行選擇。由于該系列采用的軸承結(jié)構(gòu)特殊，因此運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音大大降低。
（4） 良好的防護(hù)性能。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，保證了外界固體和液體無(wú)法影響到電機(jī)，具備良好的防護(hù)性，極大地減少了異物對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。
（5） 運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)高度與溫度保證在正常情況下時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫度上升不會(huì)超過(guò)80K。該電機(jī)的溫度上升幅度保證了其使用壽命，能使其運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，并使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加可靠。
（6） 外形美觀大方。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件的外形相對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)而言設(shè)計(jì)更加合理，可以保證其美觀性。
第5章 結(jié)論
5結(jié)論
食品垃圾分類處理機(jī)的可操作性，使得其可以作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行不斷地技術(shù)改造和設(shè)備研發(fā)。當(dāng)然食品垃圾分類處理機(jī)更重要的意義是改善生態(tài)環(huán)境，為人民營(yíng)造一個(gè)健康的生活環(huán)境，符合世界背景下的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，所以食品垃圾分類處理機(jī)值得大力推廣。
本次設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于對(duì)可回收與不可回收的食品垃圾進(jìn)行了分類處理，在保證環(huán)境美好的同時(shí)，促進(jìn)了資源的回收利用，對(duì)可持續(xù)發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用，為世界的發(fā)展增加了動(dòng)力。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中查閱了許多國(guó)內(nèi)外資料，了解了很多不同的理論和方法，但由于個(gè)人能力的不足，無(wú)法對(duì)每種理論方法進(jìn)行更深層次的探究。比如機(jī)器的體積問(wèn)題，能否使家庭用戶在家中使用，而不影響生活空間。還有噪音問(wèn)題，是否會(huì)對(duì)使用者生活產(chǎn)生影響。最后就是用電量如何，能否省電。這些都要通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得知，不過(guò)我相信，隨著對(duì)這款產(chǎn)品的深入研究，產(chǎn)品一定會(huì)越來(lái)越完善，越來(lái)越好。
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附錄
附 錄
致謝
致謝
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的忙碌和工作,本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲頗多。不僅使我進(jìn)一步鞏固和加深了所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)的掌握，并且培養(yǎng)了我獨(dú)立思考、綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
在這里首先要感謝我的導(dǎo)師姜老師。本次設(shè)計(jì)是在尊敬的姜小菁副教授的指導(dǎo)下完成的，在繁忙的教學(xué)工作的同時(shí)，姜老師依然給予了耐心細(xì)致的大量指導(dǎo)，幫助我解決設(shè)計(jì)中遇到的各種困難，指導(dǎo)我圓滿的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此向姜小菁老師致以衷心的感謝!
最后在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，還要感謝大學(xué)四年來(lái)所有的老師,為我們打下機(jī)械專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ);同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們,正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾蛶椭?，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)オ會(huì)順利完成。
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