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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 34 頁 共 34 頁
1 引言
1.1 廚房食物垃圾處理的緊迫性
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市生活水平的提高和人口的增長，生活立即的排放量急劇增長。據(jù)建設(shè)部調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2001年我國城市生活垃圾清運(yùn)量為1.35億噸/年，占世界總量的四分之一以上[1]，年增長率在8%左右。由于垃圾產(chǎn)量的快速增加和我國垃圾處理能力的不足，給人民生存環(huán)境和日常生活帶來危害。目前，我國生活垃圾日處理量僅占垃圾生存總量的45%，有近一半的生活垃圾不能及時(shí)處理而隨意堆置，從而造成細(xì)菌繁衍，老鼠橫行，污水橫流，臭氣熏天，嚴(yán)重影響著人們的生活環(huán)境和身體健康。同時(shí)中國的人均耕地面積不足0.13hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界人均0.31 hm2的水平，可全國未處理而堆積的垃圾達(dá)60億噸，占用土地約為50萬hm2，在大量浪費(fèi)土地資源的同時(shí)也對土地產(chǎn)生污染。有資料表明，1節(jié)一號電池可使1平方米的土地失去其使用價(jià)值。在水資源方面，中國是世界上13個(gè)貧困水國之一，全國668座城市中有400多座城市缺水，其中110多座城市嚴(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，垃圾處理主要采用填埋技術(shù)，但填埋技術(shù)不過關(guān)，在耗費(fèi)大量財(cái)力的同時(shí)造成垃圾的二次污染，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，已經(jīng)制約了城市的發(fā)展，我國政府對垃圾處理問的高度重視，在不斷增大投資力度，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)，以無害化為主體，以資源化為目標(biāo)”的方針。目前 ，集合我國生活垃圾的特點(diǎn)，開發(fā)較為有效的處理技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。
近幾年來，由于人們的生活水平的提高，生活結(jié)構(gòu)的改變，生活垃圾的成分也發(fā)生了很大的變化。集中供應(yīng)熱合煤氣的廣泛應(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)量越來越大，占城市生活垃圾總量的50%，并成上升趨勢。在上海，每天產(chǎn)生生活垃圾約為1.3萬噸，其中70%為生活垃圾，每年處理的總量約為300萬噸。在北京，每天產(chǎn)生的剩飯、剩菜就達(dá)1600噸，每月回收饅頭約為20噸左右，相當(dāng)于140人一年的口糧，而春節(jié)期間至少增長50%以上[2]。從環(huán)境衛(wèi)生角度看，食物垃圾是一種污染，但總資源角度看，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)物的生活垃圾可用來焚燒發(fā)電，可有效的緩解能源危機(jī)，具有生態(tài)環(huán)境效益和社會效益[3]。
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)測值[4]。
年份
產(chǎn)生量
有機(jī)垃圾(%)
無機(jī)垃圾(%)
紙類
塑料
竹子
布類
廚余
果類
金屬
玻璃
渣石
1988
240
4.3
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
0.95
3.74
2.19
1993
335
8.36
7.54
1.89
1.97
61.09
11.08
0.72
4.74
1.86
1995
372
6.5
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
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
2.7
2010
863
12.82
12.98
2.49
4.41
58.76
0.98
5.64
1.92
2015
1050
15.44
12.62
2.86
5.28
55.78
0.87
5.36
1.79
通過該表可見，在上海市的生活垃圾中，有機(jī)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，其中廚余位生活垃圾中有機(jī)垃圾的主要成分，而無機(jī)垃圾的成分是在持續(xù)下降的。
1.2廚房食物垃圾特征及其危害
1.2.1 廚房危害垃圾的特征
食物垃圾主要生活指在食物加工和飲食消費(fèi)過程中產(chǎn)生的易腐爛、易生物降解的廢棄物。一半在食品加工過程中產(chǎn)生的食物殘余成為廚余，飲食消費(fèi)后的食物殘?jiān)Q為泔腳。從化學(xué)成分上看主要是淀粉、纖維蛋白脂類和無機(jī)鹽等。食物垃圾的來源比較集中，主要是城鎮(zhèn)菜場垃餐館飲食業(yè)垃圾、家庭廚房垃圾及各種市場的瓜果皮等城鎮(zhèn)垃圾。
（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1Kg的垃圾完全燃燒后所釋放出的熱量，人們常用發(fā)熱值來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)量的地位熱量在2100—3100kJ/kg左右，（當(dāng)垃圾的平均低位熱值高于3349KJ/kg時(shí)焚燒過程不用添加任何助燃劑，高于4180KJ/kg時(shí)可進(jìn)行余熱利用如發(fā)電）故需加入燃油或煤等燃助，使成本增加，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[5]。
（2） 營養(yǎng)元素高，可實(shí)施資源化
食物垃圾中營養(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)不挨罵粗脂肪消化率為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。但是由于我國垃圾不是分類處理，各種垃圾混合在一起，導(dǎo)致大量營養(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)，而我國垃圾收集容器和運(yùn)輸車輛對其并不適宜，從而帶來在垃圾收集和運(yùn)輸過程中的二次污染。同時(shí)，食物垃圾因其含水量大，又是垃圾填埋場的滲濾液的主要來源。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、蟑螂等害蟲橫行，傳播疾病。加之人們環(huán)保意識較為單薄，在一些城郊結(jié)合區(qū)，可以看見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、重金屬會通過牲畜的內(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，甚者用“泔水油”提煉色拉油來加工食品，危害百姓。
1.3 食物垃圾的出來方法
由于我國垃圾沒實(shí)行分類管理，所以廚房食物垃圾混合在城市生活中做一般常規(guī)處理。
1.3.1 衛(wèi)生填埋
此特點(diǎn)是操作簡單，可處理多種類型的垃圾，但投資大，占地多，垃圾處理沒有減量化和資源化。填埋場受容量的限制，有一定的使用期限，一個(gè)填埋后，又要重新征地新建，而我國耕地面積小，這樣據(jù)出現(xiàn)了“人與垃圾征地”的局面。另外，由于衛(wèi)生填埋產(chǎn)生的滲濾液能使周圍的地下水及土壤受到污染（美國就曾發(fā)生過花費(fèi)數(shù)百億美元治理被垃圾填埋場滲漏液污染的地下水事件），故國外一些國家規(guī)定填埋的垃圾中有機(jī)物含量不能超過5%。我國在有機(jī)垃圾的含量持續(xù)提高的同時(shí)，真正達(dá)到要求的填埋廠卻并不多，有關(guān)部門對我國298個(gè)垃圾填埋場的濾液進(jìn)行檢測，有86個(gè)超標(biāo)，占81.4%，故我國垃圾填埋場附近的環(huán)境狀況并不樂觀[6]。垃圾填埋后，會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，威脅著周圍居民的安全。再者，根據(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，可回收再利用的成分很高，卻裝直接的丟棄，造成能源的浪費(fèi)[7]。所以填埋雖然現(xiàn)在是垃圾處理的主要方法，但今后會不斷的減少。
1.3.2 焚燒
焚燒時(shí)在高溫下燃燒垃圾，達(dá)到大量消減固體的目的，能迅速實(shí)現(xiàn)垃圾的“減量化”焚燒后的體積僅為原來的5%—15%[4]，同時(shí)焚燒產(chǎn)生的余熱還可以發(fā)電和供熱，對其土地面積較小的國家，此種方法受到青睞。咋日本，垃圾焚燒量超過66%。其缺點(diǎn)是產(chǎn)生煙塵污染，投資較大。我國引進(jìn)的垃圾焚燒設(shè)備，若處理100t/d垃圾，其減少成本接近1億元人民幣[8]，中等城市的財(cái)政難以承受。另外，我國的垃圾結(jié)構(gòu)也不合適焚燒，表2和表3為長春市主城區(qū)生活垃圾的三成分和垃圾各水分的含水率。
表2 生活垃圾成分的百分?jǐn)?shù)(%)
成分
朝陽區(qū)
二道區(qū)
平均值
含水率
68.5
63.2
65.85
可燃分
20.6
22.3
21.45
灰分
10.9
14.5
12.7
表3 垃圾各組成的含水率(%)
含水率
朝陽區(qū)
二道區(qū)
平均值
紙
68.6
71.3
69.95
纖維
67.3
57.8
62.55
塑料
46.8
53.0
49.9
橡膠
20.6
48.9
34.75
廚余
71.5
76.2
73.85
金屬
0.0
0.0
0.0
通過表2和表3的分析可知：在長春市區(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量高，因而降低了垃圾的熱值，增加了垃圾的焚燒難度。在各種垃圾分組中，廚余垃圾的含水率最高，而且他的組分含量也最大，所以，影響生活垃圾焚燒效果的主要因素為廚余垃圾。因此，想要對垃圾采用焚燒的處理方式，最好是首先把廚余垃圾處理好。
1.3.3 堆肥
堆肥適合于食物垃圾，我國采用傳統(tǒng)的厭氧堆肥，但其周期長，常為3—6個(gè)月，并受季節(jié)性影響。由于垃圾的混合收集，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超標(biāo)，危害人體健康。資料表明，1顆紐扣電池可以污染60萬升水[9]，1節(jié)1號電池可以使1m2的土地失去其使用價(jià)值[10]。所以，無法對重金屬含量進(jìn)行嚴(yán)格控制的堆肥必需慎用。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，長久以來，許多農(nóng)民到飯店、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)生過因垃圾飼料引起的Swine Fever疾病，導(dǎo)致家畜集體死亡的事件[11]。在我國，上海、北京等地也都先后命令禁止運(yùn)用此類垃圾喂牲畜[12]。
由此可見，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，給人民造成危害的同時(shí)也使資源白白浪費(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 食物垃圾粉碎機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[13-15]
目前，世界各國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，而美國則鼓勵(lì)居民采用食物垃圾粉碎機(jī)，一種可以安裝在水槽下面的小型機(jī)器。廚房中產(chǎn)生的食物垃圾可以快速的粉碎為小顆粒，隨流水一起進(jìn)入排水管道。這種機(jī)器源于美國，上個(gè)世紀(jì)40年代，一名叫約翰·海墨的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出世界上第一臺垃圾粉碎機(jī)，目的是為了減輕妻子的負(fù)擔(dān)，并且可以保護(hù)廚房環(huán)境。產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)非常簡單，只有一臺電機(jī)驅(qū)動的滾刀。在以后的幾十年，隨著機(jī)器被不斷的改進(jìn)，人們也開始逐步開始接受。為全面考察食物垃圾粉碎機(jī)可能造成的影響，20世界80年代紐約市政府曾聯(lián)合美國環(huán)保局、城市管道部門、國家衛(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，試圖從多角度來評估食物垃圾粉碎機(jī)對城市周圍水質(zhì)、城市管道、污水處理廠、耗水量和耗電量的影響，結(jié)果表明食物垃圾粉碎機(jī)的應(yīng)用對城市水質(zhì)沒有任何影響，城市管道不會被堵塞，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)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)用食物垃圾粉碎機(jī)可以為國家節(jié)約成本。從此，食物垃圾粉碎機(jī)開始在美國批量銷售，不少城市甚至以法律形式強(qiáng)令使用。目前，這已機(jī)器在美國普及率在95%以上，據(jù)世界首位，并波及世界其他國家，象瑞典、澳大利亞、法國、日本等都相繼研究和應(yīng)用食物垃圾粉碎機(jī)，其中日本普及率達(dá)到35%以上。
在世紀(jì)九十年代末，食物垃圾粉碎機(jī)進(jìn)入中國?，F(xiàn)在美國艾默生電器公司的ISE系列、美國通用電器的Dispose系列、美國摯通公司的U系列等幾種品牌的食物垃圾粉碎機(jī)壟斷中國，但中國自行研制的適合我國的食物垃圾粉碎機(jī)卻仍很少，相關(guān)資料很少。由于直接照搬國外產(chǎn)品，它不適合中國的住房特點(diǎn)和飲食結(jié)構(gòu)。首先，國外機(jī)器采用交流電動機(jī)，交流電動機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速范圍廣，維護(hù)方便，但它噪音大，體積大且笨重，歐美國家廚房的水槽偏厚，可以承受住大的壓力，可中國水槽薄，食物垃圾粉碎機(jī)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，國外機(jī)器價(jià)格太高，一般百姓難以承受。像美國摯通泔水生產(chǎn)的U-308型食物垃圾粉碎機(jī)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)格為食物垃圾粉碎機(jī)在中國的廣泛推廣設(shè)置了障礙。
鑒于以上因素，研制一款適合我國國情的食物垃圾粉碎機(jī)十分重要。
1.5 課題目的和研究意義
1.5.1 課題目的
依據(jù)我國的實(shí)際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預(yù)處理裝置—廚房食物垃圾粉碎機(jī)，使居民在家中可以直接對廚房垃圾進(jìn)行初步處理，處理掉的食物垃圾通過下水管道排到陰井中。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
國外成功應(yīng)用食物垃圾粉碎機(jī)來減少食物垃圾的經(jīng)驗(yàn)，為我們吃力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粉碎機(jī)。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） 大量減少易腐垃圾數(shù)量，提高環(huán)境質(zhì)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。廚房垃圾粉碎機(jī)為食物垃圾的破碎預(yù)處理裝置，可對廚房垃圾進(jìn)行初步處理，不但減少垃圾的堆放量，同時(shí)確保人民有一個(gè)健康、整潔的生活環(huán)境，進(jìn)而減少疾病的傳染。
（2） 易于垃圾的再處理
由于廚房垃圾含有大量的水分，給垃圾的粉碎帶來很大的困難，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(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還造成能源大量浪費(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)對垃圾填埋產(chǎn)生的滲漏問題也可大大改觀。
（3） 具有經(jīng)濟(jì)、社會效益
由于我國經(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的困難，許多固體垃圾處理廠在引進(jìn)國外先進(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，已經(jīng)超出百姓的支付能力范圍。擬研制的食物垃圾粉碎機(jī)作為一種面向家庭、賓館及飯店的小型機(jī)器，使有體積小，成本低，經(jīng)濟(jì)耐用的特點(diǎn)，可以被人們接受。加上政府在政策和輿論打擊宣傳引導(dǎo)，實(shí)行鼓勵(lì)政策，一方面提高了百姓的婚嫁參與意思，充分調(diào)動社會力量保護(hù)環(huán)境。另一方面，政府還可把節(jié)省下來的大量開支（例：二次污染治療費(fèi)、城市生活垃圾運(yùn)輸費(fèi)）用來研制、開發(fā)垃圾處理的新項(xiàng)目。
2 廚房食物垃圾粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)
2.1 廚房食物垃圾粉碎機(jī)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)的廚房食物垃圾粉碎機(jī)就是利用方式、剪切等方法把廚房食物垃圾快速粉碎成3-5mm的顆粒狀，通過下水裝置排入污水管道系統(tǒng)。圖1為食物垃圾粉碎機(jī)的工藝流程圖。
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，可顆粒不會沉淀。據(jù)上海市環(huán)境研究所和美國賓夕法尼亞的環(huán)境工程研究院最近聯(lián)合調(diào)查顯示，經(jīng)美國摯通泔水的U系列食物垃圾粉碎機(jī)處理過的食物垃圾在點(diǎn)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)。所以在我國規(guī)定，污水溝道的最小流速為0.6m/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。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，不會堵塞排水管道，而且我國現(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，都有利于食物垃圾粉碎機(jī)進(jìn)入千家萬戶。但是，由于國外情況與我國并不完全相同而且食物垃圾粉碎機(jī)對人們來說還是一個(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流水流動的過程中，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)的微生物種類多，這一過程很復(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)酵的過程中，纖維素、淀粉等碳水化合物水解成甘油和脂肪酸，并進(jìn)一步降解形成各種低級的有機(jī)酸。產(chǎn)氫和產(chǎn)已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，完成對廚房垃圾有機(jī)廢物顆粒的消化過程。流入生物污水處理廠的有機(jī)顆?？勺鳛闋I養(yǎng)元為污泥提供營養(yǎng)，也可提取作為肥料在利用，這里就不加以詳細(xì)論述。
圖1 食物垃圾粉碎機(jī)的工藝流程圖
2.2 廚房食物粉碎機(jī)的工作原理及組成
2.2.1 廚房食物垃圾粉碎機(jī)的工作原理
廚房食物垃圾粉碎機(jī)就是把食物垃圾從投物口投到機(jī)器內(nèi)，在刀盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，被處理無與刀盤同步旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)速度差，加上離心力對被處理無的作用，使被處理物與刀盤的運(yùn)動不同向，這樣，依靠內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉(zhuǎn)的刀共同對被處理物進(jìn)行破碎，撕拉等作用，是食物垃圾迅速變?yōu)?—5mm顆粒，在流水的作用下通過下水管道排走
2.2.2 廚房食物垃圾粉碎機(jī)的組成
設(shè)計(jì)的廚房食物垃圾粉碎機(jī)由投入口、粉碎室、驅(qū)動電機(jī)和排污口四部分組成。見圖2所示。驅(qū)動電機(jī)為粉碎機(jī)提供動力來源，粉碎室內(nèi)裝有多重多向的粉碎刀組，是對事物垃圾進(jìn)行粉碎的主要元件。粉碎室上部與投入口相連，與洗滌盆相接，是垃圾開始投入的地方。粉碎室下部側(cè)壁設(shè)計(jì)有排污口，當(dāng)食物垃圾在粉碎室被粉碎刀盤粉碎后，在水流的作用下排走。其中驅(qū)動電機(jī)和粉碎刀盤為垃圾粉碎機(jī)的關(guān)鍵部分，他們的好壞直接影響食物垃圾粉碎機(jī)的使用效果。
圖2 廚房食物垃圾粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖
2.3 粉碎刀盤組合刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1 刀具基本尺寸的確定
目前我國廚房洗滌盆下水口的結(jié)果尺寸基本上是統(tǒng)一的，直徑為114mm，只是在輪廓上有大小、深淺之分。因此參照此基本尺寸，初步確定刀盤直徑：d=114mm,刀盤厚度：t=3mm.
2.3.2 粉碎刀盤的力學(xué)分析及材料的選擇
2.3.2.1 粉碎刀盤工作的載荷
組合刀盤工作時(shí)需要克服助力，為確保刀盤有足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)刀盤時(shí)首先應(yīng)對刀盤所承受的載荷進(jìn)行分析。我們把刀盤理想為一個(gè)繞中心軸旋轉(zhuǎn)的一塊薄板，在它上滿作用流體旋轉(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，在本來靜止的流體中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過圓盤中心前與圓盤垂直。由于圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，緊靠圓盤的外緣處離開圓盤；而新的流體層則逼近圓盤，并依次外拋。這樣，經(jīng)過一個(gè)短暫的起始階段后，變建立一個(gè)定常流動，它對圓盤的旋轉(zhuǎn)施加了相當(dāng)大的阻力。
設(shè)：圓盤上單位體積的流體，切應(yīng)力的方向與圓盤成角。
切應(yīng)力的徑向分量 (1)
徑向動量的增長同被圓盤帶著轉(zhuǎn)動的流體的離心力平衡
(2)
為被帶著轉(zhuǎn)動的流體層的厚度的量度，為圓盤旋轉(zhuǎn)的角速度，r為圓盤半徑，故切應(yīng)力的徑向的徑向分量與成比例，即
(3)
即
切應(yīng)力的軸向分量，而 (4)
切應(yīng)力的軸向分量 (5)
按其量級可表示為 (6)
圓盤的旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)角速度乘以圓盤的半徑
(7)
所以：
把(3)代入(7)消去得：
由實(shí)驗(yàn)可知：與半徑無關(guān)，為一個(gè)常量
(8)
根據(jù)運(yùn)動粘性系數(shù)定義：
(9)
為運(yùn)動粘性系數(shù)定義，為粘性系數(shù)，為密度
把(9)代入(8)中：
(10)
把(10)代入(3):
由于為常量，所以得
轉(zhuǎn)矩M與面積力臂成比例
M~
對于半徑為r和周向速度為的圓盤，其系數(shù)為3.87/2，故阻力矩為
M=3.87/2 且
代入： M=3.87/2
=3.87 (11)
依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)?-5mm顆粒的設(shè)計(jì)結(jié)果要求，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)選取刀盤的轉(zhuǎn)速為n=3000轉(zhuǎn)/分
而
=2
=2
=17.90米/秒
使用計(jì)算旋轉(zhuǎn)圓盤上流體阻力的公式
M=3.87
=3.87
=3.87
=0.1103N·M
由此可以得出，流體阻力矩M=0.1103 N·M
又因?yàn)椋?
M=
故：
=0.1103/0.057
=1.9N
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，焚燒時(shí)產(chǎn)生很小的阻力,在對食物垃圾（不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛）中常見的魚剩菜等進(jìn)行破碎測試時(shí)得到阻力大約為
=11.5N
2.3.2.2 粉碎刀盤、粉碎刀材料的選擇
廚房食物垃圾粉碎機(jī)的關(guān)鍵部件之一是組合刀盤及刀片。在材料的選擇上必須保證它耐腐蝕、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，我們在1Cr13和9Cr18兩種材料中參考表4進(jìn)行選擇。
表4 材料1Cr13、9Cr18參數(shù)表
材料
性能
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，稍難加工
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，一半用在刃具制造上
一般用作不銹切片、機(jī)械刃具、剪切道具、手術(shù)刀片及高耐磨設(shè)備零件
(1)材料中C的含量越高，其耐腐蝕性越差
（2）在鋼種加入Cr能顯著體改鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，并能提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性，從而性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種普遍加入數(shù)量不等的Cr。但由于我國Cr資源稀少，故應(yīng)盡量節(jié)約使用，少用或不用。
根據(jù)表2.1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，本文機(jī)器的刀盤及旋轉(zhuǎn)刀片選用1Cr13作為材料來加工。
2.3.3 粉碎刀盤的強(qiáng)度校核
粉碎刀盤受到循環(huán)載荷的作用，能發(fā)生疲勞破壞。刀盤時(shí)決定粉碎機(jī)壽命長短的因素之一，因此，按無限壽命設(shè)計(jì)，即要求各部件在工作載荷作用下具有無限長的疲勞壽命。金屬材料在交變應(yīng)力下的強(qiáng)度常用-N曲線或疲勞極限來衡量，見圖3
對于剛才來說，-N曲線有一條水平漸近線，這意味著時(shí)，試件經(jīng)受有限循環(huán)會發(fā)生疲勞破壞；當(dāng)時(shí)，試件則能經(jīng)受無限次循環(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)力儲備。
疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：
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