216 垃圾處理機(jī),垃圾,處理機(jī)
- 1 -生活垃圾處理器的設(shè)計(jì)生活垃圾處理器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)的生活垃圾處理器就是利用粉碎、剪切等方法把生活垃圾快速粉碎成 的顆粒狀，通過(guò)下水裝置排入污水管道系統(tǒng)。35m?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，則顆粒不會(huì)沉淀。據(jù)上海市環(huán)境研究所和美國(guó)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(guó)摯通公司的 U 系列食物垃圾處理器處理過(guò)的食物垃圾在單位體積內(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)行污水管道的水力學(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(guó)規(guī)定，污水溝道的最小流速為 。被粉碎到一定粒度0.6ms的顆粒進(jìn)入下水道后，在此流速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 [21]。食物垃圾處理器的工藝流程圖如圖 1 所示。220V 交流電源水 旋轉(zhuǎn)電機(jī)食物垃 圾食物垃圾處理器粉碎室粉碎刀 組≤5㎜的顆粒流入下水道污水處理廠圖 1 食物垃圾處理器的工藝流程圖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(huì)堵塞排水管道，而且我國(guó)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，都有利于食物垃圾處理器進(jìn)入千家萬(wàn)戶 [22]。但是，由于國(guó)外情況與我國(guó)并不完全相同而且食物垃圾處理器對(duì)人們來(lái)說(shuō)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(wèn)題還需要進(jìn)一步去驗(yàn)證。生活垃圾破碎后的顆粒在隨水流動(dòng)的過(guò)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(guò)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(guò)- 2 -程中，纖維素、淀粉等碳水化合物水解成單糖，蛋白質(zhì)水解成氨基酸，再經(jīng)脫氨基作用形成有機(jī)酸和氨。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并進(jìn)一步降解形成各種低級(jí)的有機(jī)酸。產(chǎn)氫和產(chǎn)乙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(duì)廚房垃圾有機(jī)廢物顆粒的消化過(guò)程。流入生活污水處理廠的有機(jī)顆?？勺鳛闋I(yíng)養(yǎng)元為污泥提供營(yíng)養(yǎng)，也可提取作為肥料再利用，這里不加以詳細(xì)論述。2.2 生活垃圾處理器的工作原理及組成2.2.1 生活垃圾處理器的工作原理生活垃圾處理器就是把廢棄食物倒入水池，隨水流下，落入粉碎室內(nèi)腔的轉(zhuǎn)盤 1上。盤中短柱軸 2 上裝有兩只可動(dòng)破碎角爪 3，盤上下各有一把三角形粉碎刀 4，其根部相連。前部短片呈齒爪狀，位于垂直方向有夾角的個(gè)平面內(nèi)。盤上可動(dòng)破碎角爪與盤下粉碎刀組成旋轉(zhuǎn)刀組如圖 2 所示。粉碎室內(nèi)壁由兩個(gè)半圓圈組合成一體，并且包裹住轉(zhuǎn)盤，但留有一定的間隙。它與轉(zhuǎn)盤之間有一定間隙。半圓圈如圖 3 所示。旋轉(zhuǎn)刀組圖 2- 3 -半圓圈圖 3轉(zhuǎn)盤由下部高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，依靠?jī)?nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉(zhuǎn)的刀共同對(duì)被處理物進(jìn)行破碎，撕拉等作用，通過(guò)固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、魚(yú)肉碎骨、果殼、蛋殼、剩飯、剩菜、蔬菜皮、咖啡渣、茶葉等廢棄物通過(guò)切、敲、磨、搗、撕等多重機(jī)械粉碎迅速變成微小顆粒,與水混合成糊狀漿液，使食物垃圾迅速變?yōu)?顆粒，隨水流沖入下水道。這種垃圾處35m?理方式不會(huì)阻塞化糞池，使食物殘?jiān)菀浊謇?，廚房環(huán)境更加清潔 [23]。2.2.2 生活垃圾處理器的組成設(shè)計(jì)的生活垃圾處理器主要有入口部分、粉碎室、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和排污管組成，食物垃圾處理器工作原理如圖 4 所示。- 4 -圖 4 食物垃圾處理器工作原理圖粉碎室下部側(cè)壁設(shè)有排污管(出水彎管)，室內(nèi)裝有多重多向粉碎功能的固定刀組和旋轉(zhuǎn)刀組，旋轉(zhuǎn)刀組由安裝在帶孔轉(zhuǎn)盤上下兩面的粉碎刀組成。當(dāng)水池內(nèi)的食物垃圾，經(jīng)入口進(jìn)入粉碎室，隨水流下，便落入粉碎室內(nèi)腔的轉(zhuǎn)盤上盤中短軸上裝有兩只可動(dòng)錐形破碎角爪，盤上有菱形粉碎刀，盤上可動(dòng)破碎角爪與固定粉碎刀組成旋轉(zhuǎn)刀組。粉碎室內(nèi)壁四周嵌有套裝成一體的由內(nèi)齒環(huán)和端齒圈組成，作為固定刀組的齒形碾磨環(huán)，它與轉(zhuǎn)盤之間有一間隙，轉(zhuǎn)盤由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果皮、魚(yú)刺、碎骨、蛋殼、剩飯菜等廢物通過(guò)切、撕、磨等多種刀具粉碎迅速變成小于 的微小顆粒，隨水流沖入下水管，這樣就避免了下水管的5m- 5 -堵塞。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和粉碎刀盤為垃圾處理器的關(guān)鍵部分，它們的好壞直接影響食物垃圾處理器的使用效果。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食物垃圾研磨機(jī)的最關(guān)鍵部件是粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于它獨(dú)特的位置和功能,在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證它既耐腐蝕、不容易生銹，又要滿足一定的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)這些特點(diǎn)，我們選取 1Cr13 不銹鋼材料，其材料參數(shù)為：彈性模量 ，泊松比20GΡaE?，密度 。0.3??37.8tm??接口及刀盤尺寸的確定是參考我國(guó)廚房洗滌盆下水口的結(jié)構(gòu)尺寸及食物垃圾多、硬、雜、粗等特點(diǎn)，目前我國(guó)廚房洗滌盆下水口的結(jié)構(gòu)尺寸基本上是統(tǒng)一的，直徑為，只是在輪廓上有大小、深淺之分。經(jīng)計(jì)算確定了刀盤的直徑： ，14m 14md?厚度： [23]。3t?2.3.2 粉碎刀盤的力學(xué)分析及材料的選擇１.粉碎刀盤工作的載荷：組合刀盤工作時(shí)需克服阻力，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(duì)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，在它上面作用流體旋轉(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(lái)靜止的流體中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過(guò)圓盤的中心且與圓盤垂直。由于圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，緊靠圓盤的流體層被圓盤上的摩擦阻力帶動(dòng)作圓周運(yùn)動(dòng)，受慣性力的作用流體層往外流，并在圓盤的外緣處離開(kāi)圓盤；而新的流體層則逼近圓盤，并依次外拋。這樣，經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的起始階段后，便建立了一個(gè)定常流動(dòng)，它對(duì)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。bi??切應(yīng)力的徑向分量 (2-1)sniF?徑 向徑向動(dòng)量的增長(zhǎng)同被圓盤帶著轉(zhuǎn)動(dòng)的流體的離心力相平衡，(2-2)2r???離為被帶著轉(zhuǎn)動(dòng)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)力的徑向分量與 r 成比例，即：???2(2-3)2sinb???即： iir??- 6 -應(yīng)力的周向分量 (2-4)cosbiF???切 周??0????切 周按其量級(jí)可表示為(2-5)csbiv???圓盤的旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)角速度乘以圓盤的半徑 r???所以 (2-6)cosbi???將式(2-3)代入式(2-6)得： 2inrr????由實(shí)驗(yàn)可知： 與半徑無(wú)關(guān)，為一個(gè)常量，則化簡(jiǎn)上式得：?(2-7)2??根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)定義：(2-8)???為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)， 為粘性系數(shù)， 為密度??將式(2-8)代入式(2-7)得： 2???(2-9)??12?將式(2-9)代入式(2-3)得： 1sinbr???由于 為常量，所以???122bi??ir??轉(zhuǎn)矩 與 面積 力臂成比例?1b????124r????對(duì)于半徑為 r 和周向速度為 V 的圓盤，其系數(shù)為 ，且 ，故阻力矩為3.87vr??1243.87?????rvr?依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)?顆粒的設(shè)計(jì)結(jié)果要求。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)中選5m?取刀盤的轉(zhuǎn)速為 30rinn?v????2 3.14 3000 0.057/60- 7 -17.90ms?使用計(jì)算旋轉(zhuǎn)圓盤上流體阻力矩的公式：(2-10)??1232.8rvr?????1263070.5.07.9.57?1Ν?Μ?由此可以得出，流體阻力矩 .?由公式 (2-11)Fr?得： 10.3.57?9Ν所以流體阻力為： 1.F(2) 垃圾形成的阻力由于食物垃圾為軟垃圾，粉碎時(shí)產(chǎn)生很小的阻力，在對(duì)食物垃圾(不包括玻璃、陶瓷、革制品、碎布、羽毛)中常見(jiàn)的魚(yú)刺、剩菜等進(jìn)行破碎測(cè)試時(shí)得到阻力大約為 21.5ΝF?２.粉碎刀盤、粉碎刀材料的選擇：前面我們已經(jīng)就材料作出選擇，下面我們就材料的選擇過(guò)程進(jìn)行描述：生活垃圾處理器的關(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既耐腐蝕、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?cè)?1Cr13 和 9Cr18 兩種材料中參考表 4 進(jìn)行選擇。(1) 材料中 C 的含量越高，其耐腐蝕性越差；(2) 在鋼中加入 Cr 能顯著提高鋼的抗氧化作用，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中普遍加入數(shù)量不等的 Cr。但由于我國(guó) Cr 資源稀少，故應(yīng)盡量節(jié)約使用，少用或不用。根據(jù)表 4 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，本文所用機(jī)器的刀盤及刀片選用 1Cr13 作為材料來(lái)加工。表 4 材料 1Cr13,9Cr18 參數(shù)表參數(shù)名稱 1Cr13 9Cr18化學(xué)成分（質(zhì)量數(shù)%）C 0.15 Cr 11.50～13.50?C 0.90～1.00 Cr 17.00～19.00??- 8 -密度( )3tm7.75 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，稍難切削 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，一般用在刃具制造上一般用作不銹切片、機(jī)械刃具、剪切刀具、手術(shù)刀片及高耐磨設(shè)備零件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。刀盤是決定粉碎機(jī)壽命長(zhǎng)短的因素之一，因此，按無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，即要求各部件在工坐載荷作用下具有無(wú)限長(zhǎng)的疲勞壽命。金屬材料在交變應(yīng)力下的強(qiáng)度常用 曲線或疲勞極限來(lái)衡量。 曲線如圖N??N??5所示。圖 5 -N 曲線?對(duì)于鋼材來(lái)說(shuō)， 曲線有一條水平漸近線 ，這意味著當(dāng) 時(shí)，N??maxR?R??max試件經(jīng)受有限循環(huán)會(huì)發(fā)生疲勞破壞；當(dāng) 時(shí)，試件則能經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)axR?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(chǔ)備。疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：- 9 -0.250.5RLA??材料 1Cr13 的抗拉強(qiáng)度 4ΜΡaLA?進(jìn)行保守估計(jì)，我們?nèi)?的下限：R.LA025?13Ρa?即： 的最小值為R?135Ρa計(jì)算 ：max盤設(shè)在距圓心為 處取一微面積 ，其上內(nèi)力 對(duì) X 軸之矩為 ，將所有內(nèi)力?dAddA??矩求和即得到截面上的力矩：(2-12)xA?????圖 5 橫截面應(yīng)力示意圖其中 A 為橫截面面積。根據(jù)虎克定律：(2-13)dGx?????將式(2-13)代入式(2-12)中，并注意到 為常數(shù)，于是有 2xAAdx???????其中 是與圓截面有關(guān)的一個(gè)幾何量，以極慣性矩 表示，所以dA?2? ρIxdG??(2-14)x??將式(2-14)代入式(2-13)得：- 10 -maxx??????圓盤上最大的應(yīng)力應(yīng)在截面周邊各點(diǎn)，故 代入：ma(2-15)xax?盤根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，對(duì)于實(shí)心圓軸的極慣性矩： 432d???其中 為圓軸橫截面的直徑。d2FR??離??nhd2604????27.531.7.159.70.57???6Νο2cos9F??合 離..?78將公式 (2-16)xR??合代入式(2-15)得： maxax????盤3242dFπ合1678.0.57??.ΜΡa可見(jiàn) 45?即 maxR?盤依據(jù) 曲線，當(dāng) ，時(shí)，試件則能經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生破壞，N—σRσ
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