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摘要
本設計依據(jù)我國實際情況，研制適合家用的生活垃圾預處理裝置——生活垃圾處理器。該垃圾處理器分為兩部分，一部分用來處理各種不可回收的垃圾，如：廚房食物垃圾、衛(wèi)生間垃圾、廢渣、廢棄的塑料袋等等，將其粉碎并且導入下水道中；另一部分適用于處理各種可回收生活垃圾，如：易拉罐、廢報紙等等，該機構將其壓扁回收，減少空間。
設計最后還對兩電機采用西門子PLC進行控制，使設計變得更加理性話，更加實用。
關鍵詞：生活垃圾；垃圾處理；PLC
第一章 引言
城市生活垃圾的成分和特性受居民生活水平、能源結構、季節(jié)變化等因素的影響,使得垃圾組分具有復雜性、多變性和地域差異性等特點。其組分主要由煤灰、紙張、塑料、磚瓦、廚渣、毛骨等組成。由于生活垃圾成分復雜,又受到種種因素的制約,因而各國對生活垃圾的處理及其污染治理技術的發(fā)展一般是隨國情而異,往往一個國家的不同地區(qū)也采取不同的處理方法。
1.1國外生活垃圾處理技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
（一）現(xiàn)狀
1996年以前,奧地利、比利時、加拿大、丹麥、芬蘭、法國、德國、意大利、日本、盧森堡、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英國、美國和新加坡等一些國家的生活垃圾處理方法以填埋法為主。此后,隨著經濟的發(fā)展,越來越多的國家采用焚燒法。目前,日本、瑞士、比利時、丹麥、法國、盧森堡、瑞典、新加坡等國采用焚燒法處理垃圾的比例,都接近或超過填埋法,而堆肥法在國外已較少使用。對于生活垃圾中可利用物質的回收利用率,在發(fā)達國家中平均為25%左右,有的高達50%以上。
1．填埋技術現(xiàn)狀
英國最早于1930年,美國于1940年開始采用生活垃圾衛(wèi)生填埋技術———即有控制的生活垃圾填埋技術。國外從20世紀80年代開始在垃圾填埋場防滲處理中使用人工合成材料作為襯底,逐步成為一項成熟的技術得到廣泛的應用。通常采用約2 mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)作為襯底材料,其滲透系數(shù)可達10-12～10-13 cm/s。目前,人工合成襯底材料已形成了系列產品,并制定了相應設計和施工標準。垃圾填埋場作業(yè)一般由垃圾推土機和垃圾壓實機操作,既可提高場地利用率,又可以減少雨水對垃圾的沖刷?，F(xiàn)代化大型生活垃圾衛(wèi)生填埋場大多采用單元填埋法,并對垃圾進行分層壓實和每日覆蓋控制填埋沼氣的自由轉移或擴散是填埋技術的一個組成部分,填埋沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳。通常采取的方法一是通過石籠等形式將填埋沼氣導排;二是通過石籠和收集管將填埋沼氣導排并使其安全直燃;三是通過管網系統(tǒng)收集后經過凈化處理作為能源回收利用。
2．堆肥技術現(xiàn)狀
對堆肥技術進行科學研究始于20世紀20年代。而高溫好氧堆肥技術是從20世紀30年代開始采用的。根據(jù)工藝流程和運行狀況,高溫好氧堆肥處理技術可分為靜態(tài)好氧堆肥處理技術、動態(tài)好氧堆肥處理技術和間歇式動態(tài)好氧堆肥處理技術3種進入20世紀90年代以來,動態(tài)厭氧堆肥處理技術在一部分國家率先得到了應用。早在20世紀的7080年代,許多發(fā)達國家曾建設了大批機械化程度較高的垃圾堆肥廠,不少國家還制定了垃圾堆肥產品的技術標準,并依據(jù)相關技術標準生產了多種用途的堆肥系列產品,以適應不同作物、不同土壤和不同用肥途徑(如家庭養(yǎng)花、庭院苗圃、園林綠化、農業(yè)種植等)的需求。同時也在提高垃圾堆肥產品質量,擴大垃圾堆肥產品銷售和拓展垃圾堆肥產品使用范圍等方面做了大量工作,有效地推動了垃圾堆肥技術的推廣應用。20世紀80年代后期,發(fā)達國家的生活垃圾堆肥技術應用陷入低谷,有不少國家的許多規(guī)模較大且機械化程度較高的生活垃圾堆肥廠相繼倒閉。但即使在這種形勢下,一些國家或城市仍在堅持不斷改進垃圾堆肥技術,提高垃圾堆肥產品質量,穩(wěn)步發(fā)展著生活垃圾堆肥技術。目前,國外生活垃圾堆肥廠數(shù)量總體呈下降趨勢,但垃圾堆肥技術的發(fā)展并沒有停頓。發(fā)展較快的有兩種堆肥方式:一是庭院垃圾堆肥;二是制造有機復合肥技術。
3．焚燒技術現(xiàn)狀
生活垃圾焚燒技術的發(fā)展歷史相對較短,大致經歷了萌芽階段、發(fā)展階段和成熟階段。萌芽階段是從19世紀80年代開始到20世紀初期。英國諾丁漢和美國紐約先后采用焚燒方法處理生活垃圾。德國漢堡和法國巴黎也先后建立了世界上最早的生活垃圾焚燒廠。二次世界大戰(zhàn)以后,經濟發(fā)展非?？?城市居民的生活水平進一步提高,垃圾中的可燃物和易燃物迅速上升,促進了垃圾焚燒技術的應用。特別是在20世紀60年代的電子工業(yè)變革后,許多先進技術在垃圾焚燒爐上得到了應用,使垃圾焚燒爐得到了進一步的完善。從20世紀70年代到90年代中期的20多年間,是垃圾焚燒技術發(fā)展最快的時期、幾乎所有的發(fā)達國家、中等發(fā)達國家都建有不同規(guī)模、不同數(shù)量的垃圾焚燒廠,發(fā)展中國家已建有或正在籌建垃圾焚燒廠的也不在少數(shù),垃圾焚燒技術的發(fā)展方興未艾。垃圾焚燒法是一種比較有效的垃圾處理方法。它的減量化、資源化和無害化效果都比較理想。垃圾焚燒技術經過幾十年的發(fā)展現(xiàn)在已經比較成熟,機械爐排焚燒爐的類型已經基本定型。制約垃圾焚燒技術發(fā)展的主要因素是二次污染防治技術特別是廢氣處理技術的成敗。
4．回收及循環(huán)利用技術現(xiàn)狀
近年來,發(fā)達國家把實現(xiàn)生活垃圾資源化提高到了社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度,垃圾資源化已經成為各國謀求的垃圾治理目標。發(fā)達國家在推進生活垃圾資源化進程中,都制定了符合本國國情的相關法律、規(guī)章和各種標準規(guī)范。如德國制定了《關于容器包裝廢棄物的政府令》;法國制定了《容器包裝政府令》;丹麥制定了《再循環(huán)法》;日本制定了《再生資源利用促進法》和《容器包裝再循環(huán)法》;奧地利制定了《包裝條例》等等。除法規(guī)保障外,發(fā)達國家還對廢棄物循環(huán)利用和再生利用予以政策上的支持。同時遵循“誰污染誰負擔”的原則,借助經濟手段來保證有關舉措的實施,如采取課稅制度等。如美國紐約州對使用50%以上再生原料的企業(yè)實行減稅制度。加拿大的部分州實行在銷售過程中對易于再循環(huán)的產品課以小額度稅金,對不易再循環(huán)的產品課以大額度稅金。許多國家對城市居民均實行生活垃圾收費制,不少國家還在商品流通領域實行抵押金制度。如德國規(guī)定產品的銷售者有義務在一次性容器及包裝上加貼標簽,并向消費者收取抵押金。挪威規(guī)定消費者在購買汽車時要繳一定數(shù)額抵押金,在汽車被回收時再連同利息一起返還。另外還有一些國家實行政府補貼和建立基金會等方式來鼓勵生活垃圾的資源化。如瑞士1996年起向建設和管理生活垃圾焚燒廠的企業(yè)增加補助金;英國政府給配電公司發(fā)放補貼用以購買生活垃圾焚燒廠生產的電力;法國為推進生活垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)的發(fā)展,政府采取資金補貼的方式給予支持。
（二）發(fā)展趨勢
1．提倡分類收集和回收利用
對生活垃圾盡可能進行回收和循環(huán)利用,最有效的途徑是盡可能對生活垃圾實施分類收集。這是發(fā)達國家在實踐中形成的共識。
2．鼓勵有機垃圾堆肥處理
可以預計,垃圾堆肥技術將在世界范圍內經歷一次從量變到質變的變化過程。但無論如何生活垃圾堆肥技術今后仍將在國外生活垃圾綜合處理體系中占有重要位置。
3．穩(wěn)步發(fā)展垃圾焚燒技術
垃圾焚燒處理已有100多年的歷史,但出現(xiàn)有控制的焚燒(煙氣處理、余熱利用等)只是近幾十年的事。它與垃圾填埋處理相比,具有占地面積小、選址較容易,處理快速、減量化顯著、無害化較徹底以及可回收焚燒余熱等優(yōu)點,在發(fā)達國家得到越來越廣泛的應用。預計將來垃圾焚燒技術仍會繼續(xù)得到發(fā)展。
4．填埋是垃圾處理的基本方式
雖然垃圾填埋處理率有下降的趨勢,但填埋處理仍是垃圾處理的最終方式。垃圾填埋場的污染控制措施將不斷完善,垃圾填埋場將向大型化發(fā)展,進入垃圾填埋場的有機物含量將有所限制。
1.2我國生活垃圾處理技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
（一）現(xiàn)狀
縱觀國內生活垃圾處理技術的理論研究和工程實踐,成熟且常用的生活垃圾處理技術主要有填埋、堆肥、焚燒3種?；厥绽眉夹g目前僅在少數(shù)幾個城市中進行試點工作,應用實例尚不多。
1.填埋技術現(xiàn)狀
填埋技術作為生活垃圾的傳統(tǒng)和最終處理方法,目前仍然是我國大多數(shù)城市解決生活垃圾出路的最主要方法,約占處理總量的95%左右。根據(jù)環(huán)保措施(主要有場底防滲、分層壓實、每天覆蓋、填埋導排氣管、滲瀝水處理、蟲害防治等)是否齊全、環(huán)保標準能否滿足來判斷,我國的生活垃圾填埋場可分為3個等級:簡易填埋場(非衛(wèi)生填埋場)、受控填埋場(準衛(wèi)生填埋場)、衛(wèi)生填埋場。嚴格按標準建設和運營的衛(wèi)生填埋場數(shù)量較少,部分城市特別是經濟不發(fā)達地區(qū)還是簡易填埋。
2．堆肥技術現(xiàn)狀
我國具有傳統(tǒng)堆肥技術的悠久歷史,但堆肥處理率并不高。目前只有5%左右,在我國常用的生活垃圾堆肥技術可分為兩類;簡易高溫堆肥技術、機械化高溫堆肥技術。
3．焚燒技術現(xiàn)狀
我國生活垃圾焚燒技術的研究起步于20世紀80年代中期?！鞍宋濉逼陂g被列為國家科技攻關項目,目前僅有深圳、上海等少數(shù)城市采用了焚燒技術,尚處于起步階段。
（二）技術發(fā)展趨勢
1．填埋技術展望
填埋氣體導排技術在生活垃圾填埋場得以普遍采用并不斷完善,同時填埋氣體回收利用技術在取得經驗的基礎上不斷擴大試驗范圍;大中城市的生活垃圾填埋場基本上能做到每天覆蓋。覆蓋材料除粘土外,新型替代覆蓋材料的研制工作也取得進展,并在部分缺少覆蓋土源的生活垃圾填埋場試點應用。在引進、消化的基礎上,開發(fā)出壓實機等新一代的國產化填埋專用機具,用于生活垃圾填埋場并取得較好效果。填埋技術在我國生活垃圾處理領域的主導地位,在今后相當長的一段時間內不會改變,但生活垃圾填埋處理的比例將穩(wěn)步下降,而填埋場中衛(wèi)生填埋場的比例將明顯上升。
2．堆肥技術展望
發(fā)達國家普遍采用的好氧堆肥技術,在部分示范工程中率先得到應用;在大城市中將逐步提倡經回收利用和堆肥、焚燒等方法處理后的生活垃圾殘余物進填埋場作最終處理,生活垃圾堆肥廠的機械化水平和堆肥質量有明顯提高;堆肥產品中的重金屬含量和碎玻璃等雜質得到有效控制。國產化有機復合肥成套生產技術與設備進一步完善,生活垃圾堆肥廠生產有機復合肥和顆粒肥的比例將逐步提
高。由于具有良好的減量化和資源化效果,生活垃圾堆肥技術將重新得到重視,生活垃圾堆肥處理的比例將逐步增加。但如何進一步開拓堆肥產品市場仍有許多工作要做。
3．焚燒技術展望
我國城市生活垃圾的低位熱值穩(wěn)步提高,低熱值生活垃圾焚燒技術的工藝研究進一步完善;新一代國產化成套生活垃圾焚燒設備的開發(fā)取得成功,并在部分中小型城市形成一定的市場,單臺處理能力200 t/d以下的生活垃圾焚燒設備將以國產化為主。生活垃圾焚燒廠的二次污染特別是尾氣凈化技術取得突破,同時人們對二惡英等污染物的關注程度愈加提高;生活垃圾焚燒余熱綜合利用技術得到提高,發(fā)電上網等將繼續(xù)得到政策和稅收方面的支持。生活垃圾焚燒技術將穩(wěn)步發(fā)展,生活垃圾焚燒處理的比例將逐步上升,未來幾年內在部分城市中將建成若干個和國外接軌的生活垃圾焚燒廠。但生活垃圾焚燒技術在我國全面推廣的條件目前尚不具備。
1.3課題的研究意義
依據(jù)我國的實際情況，研制適合本國的生活垃圾預處理裝置——生活垃圾處理器，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。
國外成功的應用食物垃圾處理器來減少食物垃圾的經驗，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，從源頭解決處理生活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，同時對垃圾填埋產生的滲漏問題也可大大改觀。
3 有經濟、社會效益
由于我國經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后，由于缺乏科學的管理和資金的支持，處于半停產狀態(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，能夠將食物垃圾粉碎成漿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，不會對下水管道產生影響，更不會堵塞下水道。其帶來的社會效益和經濟效益驚人，前景十分看好。
第二章 生活垃圾處理器設計
2.1生活垃圾處理器的組成
本次設計的生活垃圾處理器有兩部分組成，一部分是不可回收垃圾的粉碎，另一部分是可回收垃圾的壓扁
不可回收垃圾的粉碎部分組要結構有：驅動電機、聯(lián)軸器、中心軸、箱體、過濾板、刀具、墊圈、螺母、螺釘?shù)冉Y構組成。另外還有一些傳感器，如：液位傳感器。
可回收垃圾的壓扁部分組要結構有：驅動電機、帶輪、V帶、軸、支架、曲柄滑塊機構、壓塊、垃圾簍、抽板等
2.2 電動機的選擇
驅動電機是食物垃圾處理器工作能量的提供源，也是關鍵部件之一，其性能直接影響著生活垃圾處理器質量的好壞。在設計中，電動機運行特征為時間短，啟動頻繁，斷續(xù)工作。圖2-1為永磁電機的結構簡圖。
我們選用永磁電機,因為其定子為永磁鋼勵磁無需勵磁線圈，即省電又不發(fā)熱。磁路結構經精心選擇，使電機具有啟動轉矩大，過載能力強、響應速度快、嘈聲低及轉動平衡等特點，電機設計時采用了一些特殊技術。但是本次設計所用的電機是自己設計制造的。
(1) 磁鋼徑向、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密，從而提高出力和快速響應能力。
(2) 采用不均勻氣隙設計和磁鋼極尖削角來保證對負載電流引起的電樞反應有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。
(3) 利用電機槽和換向片及極弧寬度和齒槽的合理配合達到減小轉矩波動、嘈聲，保證平穩(wěn)運行要求。
(a)
(b)
圖2-1 永磁電機的磁路結構和磁場分布
電動機種類的選擇
目前，電動機的種類繁多，價格、性能差別比較大，本著經濟、實用的指導思想對電動機類型及型號進行優(yōu)化選擇是十分重要的。選擇電動機種類應在滿足生產機械對拖動性能的要求下，優(yōu)先選用結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜的電動機。電動機種類選擇時應考慮的主要內容有：
（1）電動機的機械特性應與所拖動生產機械的機械特性相匹配；
（2）電動機的調速性能（調速范圍、調速的平滑性、經濟性）應該滿足生產機械的要求。對調速性能的要求在很大程度上決定了電動機的種類、調速方法以及相應的控制方法；
（3）電動機的啟動性能應滿足生產機械對電動機啟動性能的要求，電動機的啟動性能主要是啟動轉矩的大小，同時還應注意電網容量對電動機啟動電流的限制；
（4）電源種類 在滿足性能的前提下應優(yōu)先采用交流電動機；
（5）經濟性 一是電動機及其相關設備（如：啟動設備、調速設備等）的經濟性；二是電動機拖動系統(tǒng)運行的經濟性，主要是要效率高，節(jié)省電能。
根據(jù)機械的負載性質和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求選擇電動機的類型。直流電動機可實現(xiàn)快速頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；具有過載能力大、能承受頻繁的沖擊負載，優(yōu)良的調速性能，調速平滑、精確、方便和范圍廣等特點。
電動機的工作環(huán)境是由生產機械的工作環(huán)境決定的。在很多情況下，電動機工作場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；有的電動機則要在水中或其他液體中工作。灰塵會使電動機繞組黏結上污垢而妨礙散熱；水分、瓦斯、腐蝕性氣體等會使電動機的絕緣材料性能退化，甚至會完全喪失絕緣能力；易燃、易爆氣體與電動機內產生的電火花接觸時將有發(fā)生燃燒、爆炸的危險。因此，為了保證電動機能夠在其工作環(huán)境中長期安全運行，必須根據(jù)實際環(huán)境條件合理地選擇電動機的防護方式。電動機的外殼防護方式有開啟式、防護式、封閉式和防爆式幾種。
設計中，食物垃圾處理器電動機的特征為頻繁短時運行、快速啟動，無調速要求。依據(jù)直流電動機具有的特點，設計選取電機類型為直流電動機。
在直流電動機中，有一種電機的磁極是用永磁材料(或加上鐵磁材料)提供電動機所需要的勵磁源，從而代替了電磁式直流電動機中的線圈式磁極。這種電機為永磁直流電動機。由于無需勵磁線圈，故省電且不發(fā)熱，磁路結構精心設計，使電動機過載能力強、響應速度快、噪聲低及轉速平穩(wěn)?；谏鲜鎏攸c，設計中選用永磁直流電動機。
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。表征永磁材料性能的主要因素：矯頑力、剩余磁感應強度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)定性對于永磁直流電動機至關重要，若磁穩(wěn)定性差，則永磁直流電動機壽命短。
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 內因包括組織變化和磁后效。鋁鎳合金、鐵氧體、鐵鉻鉆等不會發(fā)生組織的變化。但鐵硼易氧化且產生組織的變化。各種永磁材料除各向異性外，都會產生磁后效，它們對時間的退磁率隨時間的對數(shù)變化。
② 外因包括溫度、干擾磁場、機械力、接觸強磁性物質、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和尺寸比的變化，因而在選用具有低溫退磁性質的永磁體時，應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增大而增加，隨矯頑力提高、尺寸比增大而變小，若工作點選在膝點之上，則受外磁場的影響很小。
b.機械振動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時間振動的初期，以后趨于穩(wěn)定。
為使永磁材料在使用時磁性穩(wěn)定，對材料必須預先進行穩(wěn)定化處理；高溫或低溫退磁，不同溫度范圍的溫度循環(huán)強制退磁、交流或直流退磁等。
選擇電動機時，應在電動機能夠勝任生產機械負載要求的前提下，最經濟、最合理的選擇電動機的功率。若功率選得過大，設備投資過大，造成浪費，且電動機經常欠載運行，效率較低；反之，若功率選得過小，電動機將過載運行，造成電動機的過早損壞。為此，選擇電動機容量應進行一些必要的分析和計算，具體可按以下三個步驟進行：
① 計算負載功率
② 根據(jù)負載功率，預選電動機的額定功率，使，盡量接近
③ 校驗預選電動機的發(fā)熱、過載能力和啟動能力。校驗的方法較多，工作量很大，而且準確度也很難把握。
在實際工作中常采用統(tǒng)計分析法和類比法。類比法就是在調查同類機械所采用電機容量的基礎上，對主要參數(shù)和工作條件進行類比，從而確定電機所采用的容量。本次論文設計就采用此方法。
根據(jù)前面計算，粉碎刀盤在工作時，需克服的阻力為：
刀盤的線速度
負載功率：
電動機的額定功率，且留有余量取
按以上參數(shù)的選擇，我們最終選取電機的技術數(shù)據(jù)如下：轉速：，功率：，電壓：，電流：，重量：。
這種永磁直流電動機采用鐵氧體永久磁鐵激磁，鐵氧體的化學組成用MonFe2O3。表示，其中M為Ba,Sr,Pb中的一種或兩種以上的二價金屬離子，，材料分為各向同性和各向異性兩類。它的矯頑力高，時效變化少，不含鎳、鉆等元素，價廉，原材料豐富。
永磁直流電動機設計時采用了一些特殊技術：
① 磁鋼徑、軸向聚磁以加大極弧面來提高氣隙磁密，從而提高出力及快速響應能力。
② 采用不均勻氣隙設計和磁鋼極尖削角來保證對負載電流引起的電樞反應有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。
③ 電機槽和換向片，極弧寬度和齒槽的合理配合以達到減小轉矩波動、噪聲，保證平穩(wěn)運行。
本此設計的電機體積小，重量輕，壽命長、噪聲低，有換向性能，零部件通用化程度強等特點，系封閉自冷式。而目前在市場上的同類產品都為國外進口電動機，不僅價格昂貴，而且零部件配套難，維修困難，給顧客的使用帶來不便。
2.3 曲柄滑塊機構的設計
2.3.1 曲柄滑塊機構定義
曲柄滑塊機構是鉸鏈四桿機構的演化形式,由若干剛性構件用低副(回轉副、移動副)聯(lián)接而成的一種機構。是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動副和轉動副組成的機構。
2.3.2曲柄滑塊機構的特性及應用
常用于將曲柄的回轉運動變換為滑塊的往復直線運動;或者將滑塊的往復直線運動轉換為曲柄的回轉運動。對曲柄滑塊機構進行運動特性分析是當已知各構件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運動規(guī)律時,研究機構其余構件上各點的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評價機構是否滿足工作性能要求,機構是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機構具有運動副為低副,各元件間為面接觸,構成低副兩元件的幾何形狀比較簡單,加工方便,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點,因而在包括煤礦機械在內的各類機械中得到了廣泛的應用，如自動送料機構、沖床、內燃機空氣壓縮機等。
2.3.3 曲柄滑塊機構的分類
根據(jù)結構特點，將其分成三大類：對心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機構
圖2-2 對心曲柄滑塊機構
圖2-3 偏置曲柄滑塊機構
圖2-4 偏心輪機構
當曲柄長度很小時，通常把曲柄做成偏心輪，這樣不僅增大了軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，而且當軸頸位于中部時，還可以安裝整體式連桿，使得結構簡化。因此偏心輪廣泛應用于傳力較大的剪床、沖床、鄂式破碎機、內燃機等機械中[6]。
偏心輪機構可以實現(xiàn)復雜的非線性傳動關系，且傳動平穩(wěn)，結構緊湊，動力平衡性好。將偏心輪與連桿等機構組合應用，可實現(xiàn)單純用連桿機構難以得到的復雜的運動特性。是曲柄滑塊機構是常用的機構型式。生產實際中，如在滑塊往復行程中具有勻速運動段，并有急回特性，則一般將有利于生產質量和生產率的提高。沖壓機的沖頭(滑塊)，如能以勻速沖壓工件成形、，則有益于沖壓件加工質量的提高;牛頭刨床的刨刀(滑塊)，如能以勻速刨削工件，則無疑會改善工件表面的加工質量，并提高刨刀的切削壽命(因切削刀均勻)。但是，簡單的對心曲柄滑塊機構，當曲柄勻速回轉時，其滑塊是不具有急回特性和勻速運動段的;即便采用六桿以上的連桿機構，一般也只能實現(xiàn)近似的勻速運動?，F(xiàn)在采用偏心輪一曲柄滑塊機構，則能以緊湊的機構型式實現(xiàn)上述運動特性[7]。
在海上能源綜合開發(fā)平臺上，采用這種偏心輪機構，通過滑塊聯(lián)動液壓缸，用于將海風端水平軸旋轉的機械能轉化成活塞往復運動的機械能，進而轉化成液壓能。
圖2-5 工作原理圖
2.4曲柄滑塊機構設計
2.4.1 曲柄滑塊機構受力分析
圖2-6 曲柄滑塊機構的受力分析示意圖
從曲柄r傳到連桿l上的力與滑塊發(fā)出的壓力之間，存在如下關系：
曲柄頸A處，沿半徑方向的力和的關系：
=
將上2式聯(lián)立，可得到：
=
曲柄頸沿r方向承受與力大小相等的壓力。曲柄頸沿圓周方向所受切線力與半徑r的乘積，就是轉矩T。
根據(jù)上圖可知：
將（1）、（4）式代入（5）式，則
從上式求出P。
一般曲柄連桿機構l>4r，所以，可將l看成比r大很多，即l>>r ，這時，角趨近于零。則上式可以寫成：
按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導出
將上式代入，則得：
2.4.2 曲柄滑塊的運動學特性
圖2-7 運動分析圖
取A點為坐標原點，x軸水平向右。在任意瞬時t，機構的位置如圖。
可以假設C點的矢徑為：
==+
C點的坐標為其矢徑在坐標軸上的投影：
根據(jù)圖形可知：
所以：
式中，是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達式中，并考慮到，就得到了滑塊的運動方程：
若將此式對時間求導數(shù)，其運算較繁瑣。在工程實際中，值通常不大（=1/4-1/6），故可在上式中將根式展開成的冪級數(shù)并略去起的各項而作近似計算：
則：
上式再對時間取導數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達式：
其中都是的周期函數(shù)。
在海上能源綜合開發(fā)平臺上， 在已知海風端的輸入軸頸，材質，轉矩，通過上述原理設計出合理的曲柄滑塊機構，得出驅動液壓缸運動的滑塊的位移，速度，加速度，壓力，得到的結果便于液壓缸的傳動設計。
2.4.3 尺寸設計
圖2-7 曲柄滑塊機構
假定：
行程為S ,曲柄為L ，連桿為a
則由上面的分析結合圖2-7可知：
由于設計中S/2=260mm
則有：
L=150 mm a=250 mm
2.5 其它結構
圖2-8 中心軸
圖2-9 壓塊
圖2-10 過濾板
圖2-11 切刀
圖2-12 抽板
圖2-13 連桿
第三章 電機的PLC控制
3.1 電機的控制原理
本設計中共有兩個電機。電機1已連接在粉碎部分，電機2連接在壓扁部分。電機1的運動方式是：
打開開關后電機1開始正轉，經過一分鐘后開始反轉，一直重復上訴運動過程。并且按下電機1的停止按鈕后電機1停止。
電機2的運動方式是：
打開開關后電機2開始正轉，并且按下電機1的停止按鈕后電機2停止。
3.2 西門PLC簡介
1、PLC的基本概念
早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種采用微型計算機技術的工業(yè)控制裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC,plc自1966年美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質量優(yōu)良，功能強大。
2、PLC的基本結構
PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：
a、電源
PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去
b. 中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。
為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。
c、存儲器
存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
d、輸入輸出接口電路
1、現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。
2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。
e、功能模塊
如計數(shù)、定位等功能模塊
f、通信模塊
如以太網、RS485、Profibus-DP通訊模塊等
3、PLC的工作原理
一. 掃描技術
當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
(一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
(二) 用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。
(三) 輸出刷新階段
當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。
4、PLC內部運作方式
雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數(shù)器等名稱，但PLC內部并非實體上具有這些硬件，而是以內存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機械裝置做實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運作。在整個的掃描過程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”說明如下：
步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點開關或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關），并將其狀態(tài)寫入內存中對應之位置Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點狀態(tài)，CPU直接自內存中查詢取出。輸出線圈之運算結果則存入內存中對應之位置，暫不反應至輸出端Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時間稱為PLC 之反應時間，PLC 輸入訊號之時間若小于此反應時間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新一次，因此稱此種運作方式為輸出輸入端“程式結束再生”。
5、plc目前的主要品牌
美國AB，ABB，松下，西門子，匯川，三菱，歐姆龍，臺達，富士，施耐德，信捷，和利時等。
本次設計中采用的是西門子的PLC.
3.3 PLC的I/O分配
輸入：
電機1開啟 I0.0
電機1關閉 I0.1
電機2開啟 I0.2
電機2關閉 I0.3
輸出：
電機1正轉 Q0.0
電機1反轉 Q0.1
電機2轉動 Q0.2
3.4 PLC梯形圖
3.5 PLC語句表
LD I0.0
O M0.0
AN I0.1
= MO.O
TON T37,600
LD T37
0 Q0.0
AN I0.1
= QO.O
LD T37
O M0.1
AN I0.1
= MO.1
TON T38,600
LD T38
0 Q0.1
AN I0.1
= QO.1
LD I0.2
O M0.3
AN I0.3
= M0.3
= Q0.2
總結
目前，雖然國內在此方面的研究為空白，相關資料很少，但通過實驗來看，本次設計滿足設計的要求。此次設計包含了大量的工作，所跨學科范圍很廣，包括流體力學、材料力學、機械設計、機械原理、刀具設計、機械制圖、機械加工等各學科的內容，首先，在理論方面，對刀盤和刀片進行了工作載荷的力學分析、選擇材料并校核，確保刀盤和刀片有足夠的強度。在機械方面，首先進行刀盤的結構設計，設計組合式粉碎刀組來快速完成垃圾的粉碎，然后應用CAXA電子圖板繪制圖紙，依據(jù)圖紙，加工出各零部件，最后為各零部件的組裝，并驗證機器。
設計的食物垃圾處理器具有以下特點：
① 相對于其它同類產品，此次設計中首次增加了一套控制電路。其目的是為了提高安全性和方便性。設計控制電源，從而避免來回拔總控制電源而引起的不安全。另外，機器運轉時，人不必守候在旁邊，可以離開，機器運轉一段時間后可以自行停止。在電路中有三個可選檔位，用來控制機器不同的運轉時間，使用時，可根據(jù)不同的垃圾量和垃圾的成分來選擇。
② 在驅動部件——電機的選擇上，成功選用國產直流永磁電動機。目前進入我國的食物垃圾處理器，由于照搬國外產品，主要采用交流電動機。但其體積大、笨重，不適合我國住宅的實際情況。雖然美國摯通公司針對我國現(xiàn)狀把交流電機更改為直流電機，但由于采用的是國外進口電機，使其成本提高，百姓難以承擔。
③ 在主要部件組合刀盤和刀片的材料選擇上有所改變。組合式刀盤的設計更適合我國國情的特點。本次設計時所用材料為1Cr13，而國外產品選用的材料為9Cr18，二者都可以滿足使用要求，價格相當，但是從加工難易程度而言，9Cr18為難加工材料，1Cr13為普通材料；另外，從資源上看，我國的Cr資源稀少，故應盡量節(jié)約使用，少用或不用。
④ 機器的制造和使用成本降低。由于完全國產化，使食物垃圾處理器的成本大大降低，整臺機器的成本大約為600元左右，相對于國外上千元的價格，更容易被百姓接受，而且使用中的投入也很低，每個家庭每月為之付出約0.65元，全年的支出費用為7.76元。
在本次設計中，雖然接觸了許多先進的理論和方法，但由于經驗有限，時間倉促，不能對每種理論每種方法都作深入的研究，因此，以下部分內容仍須進一步研究：
由于食物垃圾處理器是將食物垃圾粉碎成小顆粒，并未將其徹底降解，粉碎后的小顆粒與未粉碎時的原始狀態(tài)相比，在最終處理的速率上有多少變化的問題仍須進一步研究
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致謝
通過這次畢業(yè)設計，我收獲頗多。不僅使我進一步鞏固和加深了對所學的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握，使之系統(tǒng)化綜合化，并且培養(yǎng)了我獨立思考、綜合運用知識解決實際問題的能力，尤其是嚴謹、求實、認真負責的工作態(tài)度。
本設計是在指導老師的悉心關懷和精心教導下完成的，在繁忙的教學工作的同時，老師依然給予了熱情而耐心細致的大量指導，幫助我解決設計中遇到的各種困難，指導我圓滿的完成畢業(yè)設計。從選題方案的論證到終稿的審核，從指導思想到設計方法，無不凝聚著老師的智慧和心血。老師以嚴謹、負責、實事求是、銳意創(chuàng)新的治學態(tài)度和忘我的工作精神，以及心胸坦蕩的處世風格和寬厚待人的崇高品德必將使我在今后的學習和工作生活中受益匪淺。在此向指導老師致以衷心的感謝和深深的敬意！
最后，在畢業(yè)設計完成之際，向各位專業(yè)課老師們表示衷心的感謝。感謝大學幾年來老師們和同學們給予我大量的幫助。同時感謝各評委老師對畢業(yè)設計的完成提出了許多寶貴的指導意見。
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