1、一种餐厨垃圾减量化处理装备设计摘要随着经济的快速发展，人们生活水平的普遍提高，城市化进程的加快，生活垃圾不能有效处理问题日益凸显；餐厨垃圾在生活垃圾中占有很大的比重，餐厨垃圾不能有效处理会有很多危害，如果长期堆放，不仅会污染环境，影响市容， 滋生细菌，还会危害我们的身体健康。因此，合理解决餐厨垃圾是我国目前面临的一个亟待解决的问题。基于此，本文设计一种餐厨垃圾减量化设备，从源头上减少餐厨垃圾。本论文设计的餐厨垃圾减量化设备，主要工作过程是当餐厨垃圾进入研磨室，设备接通电源，驱动电机开始工作，带动刀盘高速旋转，对餐厨垃圾进行充分粉碎、研磨，使其研磨成直径小于 4mm 的颗粒，然后随水一起流入下水
2、道，此设备的设计从源头上减少餐厨垃圾，实现对餐厨垃圾的减量化处理，从而更好地减少污染， 保护环境，提高人们的生活质量。关键词：减量化；餐厨垃圾；研磨刀盘；驱动电机全套图纸加V信153893706或扣 3346389411IIABSTRACTWith the rapid development of the economy, the general improvement of peoples living standards and the acceleration of the urbanization process,and the problem that domestic waste
3、can not be effectively treated has become increasingly prominent; food and kitchen waste accounts for a large proportion of domestic waste, food waste can not be effectively handled will have a lot of harm, if long-term stacking, not only will pollute the environment, affect the appearance of the ci
4、ty, breeding bacteria, but also harm to our health. Therefore, it is an urgent problem to solve reasonably the food waste in our country.Based on this, this paper designs a food waste reduction equipment to reduce food waste from the source. In this paper, the design of food waste reduction equipmen
5、t, the main working process is when food waste into the grinding room, equipment connected to the power supply, drive motor start to work, drive the high-speed rotation of the cutter, food waste for full grinding, grinding, the device is designed to reduce food waste at source, achieve the reduction
6、 of food waste treatment, thereby better reducing pollution, and protect the environment, improve Peoples quality of life.Keywords：Decrement，Kitchen waste，Grinding disc，Drive Moto.目录摘要IABSTRACTII第 1 章 绪论14.1 课题研究背景及意义14.2 课题的研究现状1 课题的国内研究现状1 课题的国外研究现状34.3 当前现状与不足44.4 本课题研究内容5第 2 章 餐厨垃圾处理装备的整体设计64.2
7、餐厨垃圾处理装备的工作原理64.3 餐厨垃圾处理设备的组成61. 餐厨垃圾处理设备送料口设计72. 研磨仓的结构与材料选择73. 设备的机身设计74. 排污口的设计75. 研磨刀盘的设计86. 驱动电机的选择87. 整体设计的结构图82.3 本章小结9第 3 章 刀盘的材料选择和力学分析10 研磨刀盘尺寸的确定和材料的选择10 研磨刀盘的力学分析11 研磨刀盘的强度校核14III 本章小结16第 4 章 研磨刀盘的设计分析与电机选型分析185.1 研磨刀盘设计分析181. 五级研磨流程182. 一级研磨结构设计分析183. 二级研磨结构设计分析184. 三级研磨结构的设计分析195. 四级研磨
8、结构的设计分析196. 五级研磨结构设计分析204.2 电机的选型分析204.3 本章小结20第 5 章 总结与展望225.1 总结225.2 展望22致谢23参考文献24附录一24附录二37IV第 1 章 绪 论4.1 课题研究背景及意义我国有近 14 亿人口，人口数量庞大，伴随着近几年城市化进程的飞速加快， 人们生活水平的不断提高，厨垃圾的产量也在日益增加，2019 年我国有 2 亿吨 的垃圾。餐厨垃圾1是指“饭店、宾馆、企事业单位食堂、餐饮行业、食品加工 厂、家庭等加工、消费食物过程中形成的残羹剩饭、过期食品、下脚料、废料等 废弃物。餐厨垃圾的危害2主要有以下几个方面：因餐厨垃圾中的水分
9、和有机物 含量很高，所以极易受到微生物的作用，发生腐烂变质现象，如果不能及时处理 并且长期堆放，还会引发恶臭，严重污染我们的生存环境，影响城市的整体形象， 滋生细菌和传播疾病，有害我们的身体健康。此外，面对中国耕地紧张、粮食短 缺现状，合理的处理餐厨垃圾3，不仅可以很大程度上增加资源利用率，而且如 果能把有机物含量极高的餐厨垃圾经过技术手段处理，制成有机肥料，能在一定 程度解决我国有机农业肥料质量不高的问题；如果大量的餐厨垃圾不能合理处理， 不仅会导致大量资源的浪费，而且会引发环境污染，这些含有丰富有机物的餐厨 垃圾如果能够进一步资源化利用4，不仅有利于环境保护，还可以增加人类对可 再生资源的
10、利用程度，符合可持续发展、循环经济的发展要求，可以造福我们的 子孙后代。4.2 课题的研究现状4.2.1 课题的国内研究现状我国有近 14 亿的人口，每年都有大量的餐厨垃圾需要处理，为了更好的解决我国餐厨垃圾处理问题，学者路风辉、陈满英5等对国内餐厨垃圾产业状况及相关政策标准的研究，得出了我国餐厨垃圾在管理上的现状，主要有以下几个方面：（1）餐厨垃圾概念不统一；（2）管理办法过于原则话；（3）餐厨垃圾监管体制不完善；（4）餐厨垃圾相关标准尚不完善；（5）餐厨垃圾重视度不强。学者胡新军、张敏6等学者对中国餐厨垃圾处理的现状、问题和对策的研究， 得出了当前中国餐厨垃圾技术上的现状有如下几个方面：（
11、1）餐厨垃圾处理技术不成熟，处理不彻底，经常出现二次污染源的情况，严重影响人们的健康生活环27境。（2）现阶段餐厨垃圾处理技术需投入大量的资金，而且处理后得到的垃圾产品价值低，尽管政府出台了很多政策与补贴，大多数小型企业仍不能承担处理垃圾设备的资金，限制了垃圾处理企业的发展。学者王耀军7对国内餐厨垃圾处理现状与发展趋势的研究，得出了国内餐厨垃圾处理有如下的几种方法：卫生填埋法、高温焚烧法、厌氧发酵法、好氧堆肥法。此外，根据学者王琦8基于我国餐厨垃圾处理现状及主要处理技术的研究， 餐厨垃圾处理方法还有粉碎发法、餐厨垃圾处理机处理法、能源化处理法等。1.填埋堆放法目前，我国城镇处理垃圾主要用采用填
12、埋和堆放法。首先，环卫工人对村庄和街道的垃圾进行收集，然后在指定的地方掩埋和堆放。虽然这种垃圾处理方式非常简单，容易实施，但却存在很多安全隐患和严重的管理问题，主要有以下几个方面：如果垃圾管理不严格，处理不及时，不仅产生填埋气体，还会有渗沥液污染地下水，造成二次污染，严重污染环境，影响人们生活。由于不能实现资源化，会导致大量的资源浪费，不符合可持续发展方向。长期堆放不仅占用大量的土地资源，而且会影响周边的环境。2.高温焚烧法此方法是利用高温将餐厨垃圾氧化燃烧，能够极大程度上实现餐厨垃圾减量化，但由于餐厨垃圾含水率极高，不易燃烧，燃烧不充分等特点，燃烧时需要添加一定量的助燃剂，燃烧产生的热量可以
13、作为能源，用来发电等，采用高温焚烧法处理成本较高，不适合对大量的垃圾处理。此外，高温焚烧法对资源浪费严重、对技术的要求严格。3.厌氧发酵法厌氧发酵是利用微生物的新陈代谢功能，将餐厨垃圾中的有机质进行分解； 该方法对分解过程的外部条件要求严格，经过微生物对餐厨垃圾作用后，产物为甲烷和二氧化碳，甲烷可以作为燃料，用来做饭供暖等。由于厌氧发酵法对技术要求高，一旦出现泄露问题，会出现微生物对餐厨垃圾分解不充分不完全现象， 所以，该技术需不断探索和完善，达到安全可靠的标准。4.好氧堆肥法此方法是利用好氧生物对餐厨垃圾进行处理，好氧堆肥不仅能实现餐厨垃圾的无害化、减量化，还能实现资源化，既解决了垃圾问题，
14、又使资源再次利用， 是一种很好的餐厨垃圾处理方法，国家和政府也十分支持和大力提倡；此外，该方法在国外也十分盛行，被广泛采用。但是好氧堆肥法也存在一个缺陷，该方法适用于易腐烂且有机质含量较高的餐厨垃圾进行处理，不适合对富含很多杂质、有害有机物、油脂盐成分及重金属等餐厨垃圾进行处理，好氧堆肥法是一种很好的餐厨垃圾处理方法，在未来有很好的研究和探索价值。5.粉碎法粉碎法是将餐厨垃圾收集起来，然后进行机械粉碎，再将这些被粉碎的垃圾颗粒排入污水处理系统，将它们同污水一起进行集中的处理，这种方式虽然工艺简单，运行的成本也不高，但它只适用于少量的餐饮垃圾，不适合处理大产量的餐厨垃圾，该餐厨垃圾处理方法具有一
15、定的局限性。6.餐厨垃圾处理机处理法这类处理方法主要有三大类：第一种类似于粉碎法是使用垃圾处理器将餐厨垃圾粉碎成颗粒后，然后随水一同流入下水道；第二类是对餐饮垃圾进行脱水处理，然后蒸干，进而减少垃圾总量；第三类是微生物发酵技术把餐厨垃圾制成有机肥料使用。这三种处理方法虽然都比较方便实用，但所需的成本较高，没有得到全面推广。7.能量化处理法能源化处理是一种比较先进的处理方法，是通过不断探索和研究而发现的一种比较新颖的处理方法，也是最近几年研究的主流方向。该类方法能实现能源的循环利用，在未来几十年里发展前景十分乐观。4.2.2 课题的国外研究现状2018年我国餐厨垃圾超过1亿吨，而且呈现逐年增加的
16、趋势，带来了严重的环境污染等一系列问题。现就国外对餐厨垃圾处理进行了解与学习，国外学者Iacovidou9等对英国家庭食物垃圾处理政策的研究，Bernstad10等对不同技术处理餐厨垃圾，Cecchi11等对厌氧发酵技术处理餐厨垃圾的研究，得出了国外餐厨垃圾处理现状，一是国外比较注重垃圾分类，二是制定了政策法规并有配套的实施办法，三是建立了严厉的惩罚手段，四是餐厨垃圾分类处理理念深入人心。此外，还了解到不同国家对餐厨垃圾的处理政策侧重不同。国外餐厨垃圾处理方式偏于减量化、无害化，鼓励食物以捐赠的形式减少垃圾总量；外国处理垃圾比较重视垃圾分类管理，从源头上减少垃圾总量，提倡居民在家安装餐厨垃圾处
17、理设备；一些国家基于餐厨垃圾处理指定了相关的法律， 通过法律法规严格要求民众要按国家制定的方案处理，都起到了很好的成效。此外，国外的主流技术采用厌氧发酵技术处理餐厨垃圾，厌氧发酵技术投资小，工艺简单，且经过发酵处理后后的产物可以作为能源，实现了餐厨垃圾的资源化处理，这也是当前国内外厌氧发酵处理技术快速发展的主要原因，国外的处理技术为我国餐厨垃圾处理提供了思路和借鉴。4.3 当前现状与不足目前我国在餐厨处理上的现状为12：国家出台了很多政策，餐厨垃圾处理成为热点，可供选择的餐厨垃圾处理技术越来越多，并制定实施了相关的措施和办法。目前，我国多个城市都在探索适合的垃圾处理方式，形成了北京模式、上海模
18、式、杭州模式等餐厨垃圾资源化处理模式。大部分城市，像上海、杭州、青岛等地也相继出台了餐厨垃圾废弃物管理办法。但现阶段我国餐厨垃圾管理和处理体系依然还不够完善，近些年，虽然我国在餐厨垃圾资源化、无害化处理上取得了一定成效，但仍面临着诸多瓶问题颈亟待解决13-16：1）餐厨垃圾处理收集难度大。大多数餐厨垃圾被私人拉走，主要是养殖场和生产地沟油的私人作坊，导致垃圾处理企业收集到的餐厨垃圾较少，企业不能盈利，出现亏损现象。另一方面，由于缺少专门的垃圾收运部门，餐厨垃圾不能及时收集，存在长期堆放现象。另外，由于刚实施垃圾分类投放，正在北京、上海这样的大城市试点，还没有在全国范围内实施，使居民对垃圾分类观
19、念不强， 不能很好的履行垃圾分类政策。2) 餐厨垃圾处理对技术要求高。因为餐厨垃圾成分复杂，含有的杂质较多， 所以在处理前需先进行除杂处理；另外，目前我国总体技术水平较低，处理的垃圾产品价值不高，企业不能实现盈利，大多数企业不愿意开展垃圾处理，而且如果处理达不到要求，需对处理产物进行再处理。3）管理方面存在问题。目前我国一部分民众环保意识不强，尤其对餐厨垃圾的危害认识不足；餐厨垃圾处理相有关的制度不完善，监管部门不严，餐厨垃圾分类收集机制尚未有效建立和执行；餐厨垃圾处理基础设施不能满足实际发展需要，相关配套设备和工作不到位，由于餐厨垃圾不能实现盈利，餐厨垃圾处理的企业较少。餐厨垃圾处理是一项全
20、社会以及整个国家的管理工作，虽然每个地方都根据地区现状与特点，制定了适合的餐厨垃圾管理制度，但仍不能得到很好的成效。4.4 本课题研究内容由于生活垃圾不能及时处理会带来严重的环境问题，而餐厨垃圾又是生活垃圾的重要组成部分，其所占的比重仍然处于逐年递增的状态，本课题的研究内容是设计一种餐厨垃圾减量化设备，对餐厨垃圾中含量极高的水分、有机物进行有效合理的处理，实现餐厨垃圾的无害化、减量化、资源化处理。从源头上解决餐厨垃圾，达到减少垃圾总量，从而更好地保护环境，提高人们的生活质量，实现可持续发展目标。第 2 章 餐厨垃圾处理装备的整体设计3.1 餐厨垃圾处理装备的工作原理该论文所设计的餐厨垃圾减量化
21、装备17，为一种五级研磨餐厨垃圾粉碎机， 工作区主要结构有研磨锤、研磨盘等组成。由于在电机的驱动下，餐厨垃圾与高速旋转的研磨锤和研磨盘旋转速度不同步，因此两个 360 度高速旋转的锤头会产生的巨大离心力撞击、冲击，将餐厨垃圾快速敲成残渣、颗粒，紧接着，残渣、颗粒进入研磨仓，双层研磨盘将其再次切烂、打断，直至把垃圾打成小于 4mm 糊状，被研磨后的餐厨垃圾随水流流进下水道，轻松实现即时、方便、快捷的厨房清洁。工作流程如图所示：图 2.1 设备工作流程图3.2 餐厨垃圾处理设备的组成设计的垃圾减量化设备主要有进料口、研磨仓、驱动电机和排污口四部分构成。如图所示：图 2.2 整体结构设备处理餐厨垃圾
22、的空间在研磨仓，在研磨仓内，通过研磨锤和研磨盘对餐厨垃圾进行粉碎，达到减量化目的。研磨仓的上方是进料口，进料口借助变径器调节到适当的直径，与厨房水槽接头相连。研磨仓的右侧有排污口、洗碗机接口、溢水孔管接口，餐厨垃圾经过在研磨仓的处理，最终实现小于 4mm 的糊状，随水流一起流进下水道。研磨仓的下方是驱动电机，带动研磨锤和研磨盘进行高速旋转，是设备动力的来源。（1） 餐厨垃圾处理设备送料口设计投料口主要有不锈钢水槽塞、水膜隔音防溅罩、橡胶垫圈、装配环等几部分组成，其中水膜隔音防溅罩设计成分体式防溅罩，因为分体式防溅罩相对于固定式防溅罩而言，具有方便拆洗和维护的优点，防溅罩的作用为隔音和防止食物粉
23、碎后溅出来。水槽与设备接头采用全金属三点卡口设计，能够实现快捷安装，装卸方便，而且全金属材质更加牢固，寿命更长。（2） 研磨仓的结构与材料选择研磨仓内部结构为圆台，增加了研磨空间，既能保证可靠稳定性，又可以节省材料的使用，凸显美观、大方、简约风格。研磨仓的内壁上分布有很多锋利的圆齿，当垃圾甩到圆齿圈壁上，齿会对垃圾进行啃咬，实现快速研磨垃圾内外研磨仓均采用铝合金材料，具有一定的刚度、强度、耐腐蚀、耐冲击等优良特性，使用铝制的研磨仓可以有效减少噪音与振动，在一定程度上提高了产品的稳定性与使用寿命。（3） 设备的机身设计机身的设计对该设备的使用寿命很重要，需要考虑耐腐蚀、耐磨等因素，采用拉丝机身设
24、计，不锈钢材质，能有效保护机身，防过热、防过载、防电流过大， 从而降低产品的故障率，延长使用寿命。此外，机身还留有洗碗机接口，可以处理来自洗碗机食物残渣。（4） 排污口的设计排污口由排水弯管、密封垫圈等组成，排污口还设计了溢水孔管接口与双槽下水接口，防止排污口堵塞不能及时清理。（5） 研磨刀盘的设计由于餐厨垃圾具有种类繁多、硬度大，粘度高等特点，处理起来相当困难。尽管厨余垃圾处理设备在不断升级、不断创新发展，从最初的粉碎室为单一刀片， 到刀片与无刀片分级研磨结合的粉碎室，再到目前无刀片五级研磨粉碎设备，仍面临着诸多问题，像动物毛发、牛奶盒、塑料纸袋、其它非食物垃圾仍不能有效处理。现就五级研磨刀
25、盘进行如下设计，研磨刀盘中心有一个研磨锤，研磨锤通过高速旋转，对进入研磨仓内的餐厨垃圾进行水平和垂直方向的捶打和击碎；研磨盘上有菱形块，可对硬度较大的垃圾进行高强度撞击，达到粉碎的目的；研磨盘边缘有锋利的小齿，对较长的垃圾进行剪切、分割，达到快速研磨的目的；研磨盘的四周分布有大小为 0.4mm 的小孔，用以排出达到粉碎要求的垃圾。研磨盘底部有圆齿，圆齿锋利边缘与研磨盘底部击板相互作用对垃圾进行切割与剪裁。（6） 驱动电机的选择驱动电机为餐厨垃圾处理设备提供动力，是设备的核心，驱动电机的好坏决定设备的使用寿命，它的转速及提供动力大小直接影响研磨的效率和垃圾处理达到某种程度。提供餐厨垃圾处理装备使
26、用的电机主要有两种，永磁直流电机和感应交流电机。永磁直流电机与感应交流电机相比，具有功率更强，提供的动力更大，研磨更充分；质量更轻，水槽负荷小；启动迅速，扭矩大，不易卡顿；震动大，噪音大；使用寿命较交流电机短；成本低等特点，综合以上比较的两种电机的特性， 可以看出直流电机更适合，因此，设计时选用驱动电机为直流电机。（7） 整体设计的结构图由此图可以看出，该餐厨垃圾减量化装备安装在双槽水槽上，装备进料口与水槽相连，排污口与下水道相接，其中，还有留有一个与接头用来与洗碗机相接， 对来自洗碗机的食物进行处理，装备采用安全可靠的空气开关，开关固定在水槽边缘。2.3 本章小结图 2.3 整体结构设计图本
27、章首介绍餐厨垃圾减量化装备的工作原理，然后对装备主要组成部位、工作部位的结构进行了设计；根据装备工作的需要，对驱动电机进行选择，完成对整体结构的设计。皖江工学院本科毕业设计（论文）第 3 章 刀盘的材料选择和力学分析2.1 研磨刀盘尺寸的确定和材料的选择根据市场调研发现，目前生活当中水槽下水接头尺寸各不相同，一般的通用尺寸有 90mm、110mm、140mm 三种类型，现选择直径为 110mm 进行设计，为了能实现快速研磨，研磨刀盘的直径选为：d=180mm，转速 n 为 3500r/min，刀盘厚度为：t=4mm。对于餐厨垃圾粉碎设备，研磨刀盘的设计至关重要，研磨刀盘会因长时间磨碎而失去效能
28、它和驱动电机直接决定整个设备使用寿命和性能，以及影响餐厨垃圾的粉碎程度。因此，研磨盘必须具有耐磨性、耐腐蚀性，并且满足使用的强度、刚度等条件。所以对研磨刀盘进行选材时，必须满足这些条件。表 3.11Cr13、30Cr13、15CrMov 材料特性性能材料1Cr1330Cr1315CrMov组成成分（质量分C： ? 0.150.160.250.120.18数%）Cr：11.5013.0012.014.08.011.0密度（g/cm3）7.757.757.85硬度（HB）? 159223? 179价格（千元/吨）555.5抗压强度(MPa)217206210屈服强度(MPa)? 345? 440
29、 295抗拉强度(MPa)? 540? 635? 440具有较高硬度、韧性、具有一定耐磨性及抗具有较高的热强行和材料特点耐腐蚀性和减震性。腐蚀性，硬度高抗氧化性。可以用作刀刃、机械适合用作耐磨耐腐蚀在化工、锅炉上应用材料用途部件和餐具。的塑料模具。广泛，加工性能好查阅有关资料得知，C、Cr 元素的含量对材料性能影响很大。2.1.1 C：一方面碳是稳定奥氏体的元素，在不锈钢材料中作用很大；另一方面碳和铬有很强的亲和力，可以形成一系列复杂的化合物。材料中 C 的相对含量越高，其材料的强度越高、耐腐蚀性越好。2.1.2 Cr：Cr 能提高不锈钢材料的抗氧化、耐腐蚀特性，并且显著提高强度与力学性能。
30、现就密度、硬度、抗拉强度、抗压强度、组成成分、价格、材料特点、材料用途对 1Cr13、30Cr13、15CrMov 三种材料进行比较，根据表中的参数综合分析， 可以得出，1Cr13 满足刀盘的要求，因此，研磨刀盘的材料选用 1Cr13 最合适。2.2 研磨刀盘的力学分析研磨刀盘在工作时，由于高速旋转会产生很大的阻力，因此，需要对刀盘进行受力分析，保证有足够的强度。由设计的刀盘结构可知，刀盘工作时的阻力主要来自对垃圾的切削、撞击、啃咬、捶打、剪切的作用和流体阻力18。（1）流体阻力：指的是垃圾与刀盘器壁摩擦产生的阻力。（2）流体旋转阻力矩：当圆盘旋转时，紧靠圆盘的流体层会被圆盘上的摩擦阻力带动一
31、起做圆周运动，由于高速旋转，刀盘会产生很大的离心惯性力，受离心惯性力作用，流体层会向外侧流，在圆盘的外缘离开圆盘；在一段时间内，新形成的流层会依次重复着上述的这个过程，因此，就形成了定常流动，产生极大的阻力。表 3.2 符号说明符号说明r刀盘的半径s切应力j夹角w研磨盘的旋转角速度r流体的密度d流体层厚度m粘性系数G运动粘性系数M转矩设研磨刀盘的半径为r ，切应力为s ，切应力与圆盘的夹角为j ，离心力公式推导。由： 可知离心力：n = wrF = w2r（3.1）（3.2）单位体积流体的离心力：轴F = r d w2r（3.3）切应力的径向分力：径F= ss i jn（3.4）切应力的轴向力
32、轴F = sc ojs（3.5）切应力的轴向力也可以表示为：F轴即：F= m（ d m/ dy= mn / d（3.6）（3.7）轴把式（31）代入式(37)，得：F轴= mwr / d（3.8）由力的平衡可知，径向分力与圆盘转动的离心力平衡，即：切应力的径向分力与单位体积离心力成正比，由等式可得：o s i nj=r d2wr（3.9）即：s =r d w2r / s i n（3.10）把 n =w r 代入式（37），得：o =r d n w/ s i n（3.11）把式（310 代入式（35），得：轴F = rdnw?cosj / sinj（3.12）结合式（38 和式（312），得：
33、d 2 = m / rw（3.13）由运动粘度系数定义可知：G= m / r ? 1? 10-6（3.14） 查阅相关资料，常温按 20 度，水的粘性系数m 约为 1? 10-3m2/s， r 为水的密度。把式（313）代入式（312），得：d 2 = Gw把式（314）代入式（39），因为角度j 为常量，得：o = wr(Gw)1/2（3.15）（3.16）由力矩公式推导可知，力矩与切应力、刀盘面积、力臂之积成正比。即：M = prw4 (Gw)1/2（3.17）由w = 2p n /60，根据设计可知， n = 3500r/min， 得：w ? 366rad/s再由n = w r ，得：n
34、 = 32.94m/s设半径r 为 116mm 的圆盘，系数为 k ，所以，M= kprw4 (Gw) 1 /比例系数k 取为 1.935，得：M = 1.935 r w r 4( G w )1/2= 1.935? 103? 366? 0.094(10-6? 366)1/2?0.88N/m（3.18）流体力矩为M ，因为转矩M = 力? 力臂， F =M / r 得，流体阻力为：F1 = 9.8N查阅有关资料得到，一般食物垃圾实验阻力为：F2 = 11.5N所以2.3 研磨刀盘的强度校核F阻 = F1 + F2 = 21.3N研磨刀盘的直接决定餐厨垃圾处理设备的寿命，所以，需要对研磨刀盘进行强
35、度校核，保证其正常工作的时间。研磨刀盘的强度校核是指校核刀盘在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力， 强度校核有多种方法，包括对弯曲强度、拉伸强度、抗剪强度的校核，现就对刀 盘的抗拉强度进行校核。由金属材料的力学材特性可知，材料在循环应力作用下疲劳极限或 S -N 曲线衡量， S -N 曲线如图所示图 3.1 S -N 曲线由S -N 曲线可以得出，当周期应力的大小低于或趋向于一特定值时，金属材料就可以承受无限次的应力循环，而且不会造成疲劳破坏，保证材料具有无限长的使用寿命。从上图可以知道，s max = s -1 为一条水平渐近线，当s max s -1 时，研磨刀盘受到循环应力作用会发生破坏
36、当s max s -1 时，研磨刀盘收到循环应力作用时不会发生破坏（疲劳磨损、断裂），因此，在设计时应将所受应力尽可能控制在水平线附近，保证其金属材料的使用寿命。（1）计算最小抗拉应力根据力学相关知识，疲劳极限s -1 与抗拉强度s LA 的关系为：0.25 s-1 / s LA 0.5由表可以得到，金属材料 1Cr13 的抗拉强度s LA ? 540MPa，为满足条件，选择 540MPa 代入计算，s-1 = 0.25?s LA = 0.25?540MRa =135MRa所以，疲劳极限的最小值为135MRa 。（2）计算最大抗拉应力设研磨刀盘所受最大应力为s max。首先，利用微元法求力矩
37、M ，在距离圆心l 处取面积dS ，所取面积受力在 X 轴方向上求力矩为as ldS ，a 对应角度，l 所选位置到圆心距离，整个圆盘力矩为：图 3.2 力矩图M= ?sldS根据广义胡克定律可得， G 常数：（3.19）t = Gg = Gl djdx即o = aGl（3.20）（3.21）把（320）代入（318）得：M = aG?sl2dS（3.22）式中： I p 极惯性矩。由I p = ? l 2 dS ，代入上式，得：M=aGI pa = M/ G Ip（3.23）（3.24）把式（322）代入（320）得：o = Ml / Ip（3.25）研磨刀盘最大应力在圆盘边缘处取得，即当l
38、 取为r 时，可得：smax = Mr / I p（3.26）式中： d 研磨刀盘的直径。根据材料力学知识，实心轴的极惯性矩的计算公式为：I p = p d 4 / 3 （3.27）研磨刀盘在高速旋转还会受到离心力作用，离心力计算公式为：离F = mw2r（3.28）研磨刀盘的质量：m = rp r2t式中： t 研磨刀盘的厚度。= 7.75?103 ?0.092 ?0.004 ? 0.788kg离心力为：w = 2p n / 60 = 2?3.14?3500 ?60 ? 366rad / s离F = mw2r = 0.788?3662 ? 0.09 = 9379.6N刀盘所受合为：F = F
39、离 + F阻 = 21.3 + 9379.6 = 9379.6N根据力矩公式M=F?r ，得：smax = Mr / I p = 32Fr2 / p d 4= 7.4MRa通过计算可知，smaxs-1 ，结合S -N 曲线，研磨刀盘承受无数次应力循环不会受到破坏，满足刀盘强度要求，保证设备使用寿命。2.4 本章小结本章首先根据刀盘的工作环境、工作特点，对刀盘的尺寸和材料进行初步选择；由理论力学、材料力学知识对刀盘进行了受力分析，通过计算得出刀盘工作所受的阻力，进而对刀盘进行了强度校核，由工作时刀盘所受最大抗拉强度远小于材料本身能承受的抗拉强度，得到所选刀盘的材料满足刀盘强度要求，符合工作要求。
40、第 4 章 研磨刀盘的设计分析与电机选型分析1.1 研磨刀盘设计分析为了保证厨余垃圾经过研磨刀盘粉碎后颗粒小 4mm，能够顺利流进下水道， 研磨刀盘的设计19极为重要。根据餐厨垃圾种类多、成分复杂，并且有难处理的纤维、饭粒、骨头等，现将设计的五级研磨机构进行如下分析：1.1.1 五级研磨流程当餐厨垃圾进入研磨室，电机驱动使刀盘高速旋转，首先，硬度高且锋利的研磨锤高速旋转，完成对餐厨垃圾的一级研磨；由于高速旋转刀盘受到很大的离心力，餐厨垃圾受离心力移动到研磨盘边缘，研磨环上设计的棱齿与间隙形成二级研磨；经过二级研磨后的餐厨垃圾，研磨刀盘上的平面与小孔会对其形成三级研磨；研磨盘下面的撕裂器构成四级
41、研磨；位于撕裂器下方的增压倒流设计实现五级研磨，经过五级研磨结构设计20，实现餐厨垃圾充分研磨，达到顺利流入下水道的要求。1.1.2 一级研磨结构设计分析一级研磨结构由刮刀片、研磨锤组成。当餐厨垃圾进入研磨室，在电机的驱动下，刀盘高速旋转，安装在刀盘上的刮刀片和研磨锤同样高速旋转，对硬度较小的餐厨垃圾进行粉碎、撕裂、剪切，完成对餐厨垃圾的一级研磨；1.1.3 二级研磨结构设计分析图 4.1 刮刀片与研磨锤二级研磨结构由研磨环构成，当研磨盘高速旋转会产生很大的离心力，餐厨垃圾在离心力的作用下会移向研磨盘边缘，研磨环之间的研磨间隙，对移向边缘硬度较大的餐厨垃圾进行研磨、粉碎，实现对餐厨垃圾的二级研
42、磨。1.1.4 三级研磨结构的设计分析图 4.2 研磨环三级研磨结构为研磨刀盘，研磨盘上均匀分布着直径为 4mm、5mm 和少量6mm 的小孔，经过一、二两级研磨结构的餐厨垃圾，当直径符合要求时，会通过研磨刀盘，完成对餐厨垃圾的三级研磨。1.1.5 四级研磨结构的设计分析图 4.3 研磨盘四级研磨结构为一个结构简单的撕裂器组成，对通过小孔的颗粒再次进行剪切、粉碎，实现对餐厨垃圾快速处理。图 4.4 撕裂器1.1.6 五级研磨结构设计分析五级研磨结构采用增压回流技术，实现对餐厨垃圾高效、充分处理，使得餐厨垃圾处理后的直径小于 4mm，能够顺利流如下水管道，不会堵塞。4.2 电机的选型分析在电机选
43、型时，为了保证电机正常工作，需要通过计算得到稳定工作所需动力和功率，从而更好的确定电机功率，满足使用条件。现采用类比法对其进行设计：（1）五级研磨结构采用增压回流技术，实现对餐厨垃圾高效、充分处理， 使得餐厨垃圾处理后的直径小于 4mm，能够顺利流如下水管道，不会堵塞。通过刀盘工作时需克服的阻力计算负载功率R W。（2）由计算出的负载功率确定电机额定功率R d，且保证R W ? R d（3）采用统计分析法和类比法，对电机进行预选，同时对电机的过载能力、启动能力、发热等进行检验。由上面对研磨刀盘的受力分析可知，研磨刀盘在工作时，需克服的阻力为：F阻 = F1 + F2= 21.3N刀盘速度为：负
44、载功率:n = w r = 366 ? 0.09 = 32.94 m / s电机的额定功率：R W I= Fn=32.94 ? 21.3 ? 701.6WR d = 1.2 R W = 841.9W所以，在设计此餐厨垃圾减量化设备时，根据以上参数进行选择，选择直流永磁电机，功率为 850W ，转速 n 为 3500r/min，电流I 为 2.4 A ，质量为 4Kg， 此电机具有质量轻、体积小、结构简单、效率高、噪音低、寿命超长等优点。4.3 本章小结本章首先介绍了五级研磨的工作流程，然后对各级研磨结构进行了设计分析， 具体介绍每一级刀盘的结构设计与工作特点；接着，根据工作需要，对驱动电机进行选型，通过计算得到满足工作条件的电机功率，再由工作特点得到满足要求的电机类型为直流永磁电机。第 5 章 总结与展望4.1 总结4.1.1 本论文基于我国餐厨垃圾处理现状，设计一种餐厨垃圾减量化处理装备， 从源头上减少垃圾总量。4.1.2 论文主要对该餐厨垃圾减量化装备的进料口、出料口、研磨仓、研磨刀盘、驱动电机进行设计，重点设计了研磨刀盘和驱动电机的选型分析，根据餐厨垃圾的特点，对刀盘进行选材，然后根据力学知识，计算出刀盘
