食物垃圾處理器設(shè)計(jì)【家用的生活垃圾預(yù)處理裝置】【生活垃圾處理器】
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摘要
本設(shè)計(jì)依據(jù)我國實(shí)際情況，研制適合家用的生活垃圾預(yù)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(dǎo)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(bào)紙等等，該機(jī)構(gòu)將其壓扁回收，減少空間。
設(shè)計(jì)最后還對(duì)兩電機(jī)采用西門子PLC進(jìn)行控制，使設(shè)計(jì)變得更加理性話，更加實(shí)用。
關(guān)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(jié)構(gòu)、季節(jié)變化等因素的影響,使得垃圾組分具有復(fù)雜性、多變性和地域差異性等特點(diǎn)。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(fù)雜,又受到種種因素的制約,因而各國對(duì)生活垃圾的處理及其污染治理技術(shù)的發(fā)展一般是隨國情而異,往往一個(gè)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(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
（一）現(xiàn)狀
1996年以前,奧地利、比利時(shí)、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(jīng)濟(jì)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(shí)、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(duì)于生活垃圾中可利用物質(zhì)的回收利用率,在發(fā)達(dá)國家中平均為25%左右,有的高達(dá)50%以上。
1．填埋技術(shù)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(shù)———即有控制的生活垃圾填埋技術(shù)。國外從20世紀(jì)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(xiàng)成熟的技術(shù)得到廣泛的應(yīng)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(dá)10-12～10-13 cm/s。目前,人工合成襯底材料已形成了系列產(chǎn)品,并制定了相應(yīng)設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)。垃圾填埋場作業(yè)一般由垃圾推土機(jī)和垃圾壓實(shí)機(jī)操作,既可提高場地利用率,又可以減少雨水對(duì)垃圾的沖刷。現(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(duì)垃圾進(jìn)行分層壓實(shí)和每日覆蓋控制填埋沼氣的自由轉(zhuǎn)移或擴(kuò)散是填埋技術(shù)的一個(gè)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(dǎo)排;二是通過石籠和收集管將填埋沼氣導(dǎo)排并使其安全直燃;三是通過管網(wǎng)系統(tǒng)收集后經(jīng)過凈化處理作為能源回收利用。
2．堆肥技術(shù)現(xiàn)狀
對(duì)堆肥技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究始于20世紀(jì)20年代。而高溫好氧堆肥技術(shù)是從20世紀(jì)30年代開始采用的。根據(jù)工藝流程和運(yùn)行狀況,高溫好氧堆肥處理技術(shù)可分為靜態(tài)好氧堆肥處理技術(shù)、動(dòng)態(tài)好氧堆肥處理技術(shù)和間歇式動(dòng)態(tài)好氧堆肥處理技術(shù)3種進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來,動(dòng)態(tài)厭氧堆肥處理技術(shù)在一部分國家率先得到了應(yīng)用。早在20世紀(jì)的7080年代,許多發(fā)達(dá)國家曾建設(shè)了大批機(jī)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(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)了多種用途的堆肥系列產(chǎn)品,以適應(yīng)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(nóng)業(yè)種植等)的需求。同時(shí)也在提高垃圾堆肥產(chǎn)品質(zhì)量,擴(kuò)大垃圾堆肥產(chǎn)品銷售和拓展垃圾堆肥產(chǎn)品使用范圍等方面做了大量工作,有效地推動(dòng)了垃圾堆肥技術(shù)的推廣應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后期,發(fā)達(dá)國家的生活垃圾堆肥技術(shù)應(yīng)用陷入低谷,有不少國家的許多規(guī)模較大且機(jī)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(jiān)持不斷改進(jìn)垃圾堆肥技術(shù),提高垃圾堆肥產(chǎn)品質(zhì)量,穩(wěn)步發(fā)展著生活垃圾堆肥技術(shù)。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(shù)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(jī)復(fù)合肥技術(shù)。
3．焚燒技術(shù)現(xiàn)狀
生活垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展歷史相對(duì)較短,大致經(jīng)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(jì)80年代開始到20世紀(jì)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(jīng)濟(jì)發(fā)展非?？?城市居民的生活水平進(jìn)一步提高,垃圾中的可燃物和易燃物迅速上升,促進(jìn)了垃圾焚燒技術(shù)的應(yīng)用。特別是在20世紀(jì)60年代的電子工業(yè)變革后,許多先進(jìn)技術(shù)在垃圾焚燒爐上得到了應(yīng)用,使垃圾焚燒爐得到了進(jìn)一步的完善。從20世紀(jì)70年代到90年代中期的20多年間,是垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期、幾乎所有的發(fā)達(dá)國家、中等發(fā)達(dá)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(shù)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(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟,機(jī)械爐排焚燒爐的類型已經(jīng)基本定型。制約垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展的主要因素是二次污染防治技術(shù)特別是廢氣處理技術(shù)的成敗。
4．回收及循環(huán)利用技術(shù)現(xiàn)狀
近年來,發(fā)達(dá)國家把實(shí)現(xiàn)生活垃圾資源化提高到了社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度,垃圾資源化已經(jīng)成為各國謀求的垃圾治理目標(biāo)。發(fā)達(dá)國家在推進(jìn)生活垃圾資源化進(jìn)程中,都制定了符合本國國情的相關(guān)法律、規(guī)章和各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如德國制定了《關(guān)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(jìn)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(dá)國家還對(duì)廢棄物循環(huán)利用和再生利用予以政策上的支持。同時(shí)遵循“誰污染誰負(fù)擔(dān)”的原則,借助經(jīng)濟(jì)手段來保證有關(guān)舉措的實(shí)施,如采取課稅制度等。如美國紐約州對(duì)使用50%以上再生原料的企業(yè)實(shí)行減稅制度。加拿大的部分州實(shí)行在銷售過程中對(duì)易于再循環(huán)的產(chǎn)品課以小額度稅金,對(duì)不易再循環(huán)的產(chǎn)品課以大額度稅金。許多國家對(duì)城市居民均實(shí)行生活垃圾收費(fèi)制,不少國家還在商品流通領(lǐng)域?qū)嵭械盅航鹬贫?。如德國?guī)定產(chǎn)品的銷售者有義務(wù)在一次性容器及包裝上加貼標(biāo)簽,并向消費(fèi)者收取抵押金。挪威規(guī)定消費(fèi)者在購買汽車時(shí)要繳一定數(shù)額抵押金,在汽車被回收時(shí)再連同利息一起返還。另外還有一些國家實(shí)行政府補(bǔ)貼和建立基金會(huì)等方式來鼓勵(lì)生活垃圾的資源化。如瑞士1996年起向建設(shè)和管理生活垃圾焚燒廠的企業(yè)增加補(bǔ)助金;英國政府給配電公司發(fā)放補(bǔ)貼用以購買生活垃圾焚燒廠生產(chǎn)的電力;法國為推進(jìn)生活垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)的發(fā)展,政府采取資金補(bǔ)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(duì)生活垃圾盡可能進(jìn)行回收和循環(huán)利用,最有效的途徑是盡可能對(duì)生活垃圾實(shí)施分類收集。這是發(fā)達(dá)國家在實(shí)踐中形成的共識(shí)。
2．鼓勵(lì)有機(jī)垃圾堆肥處理
可以預(yù)計(jì),垃圾堆肥技術(shù)將在世界范圍內(nèi)經(jīng)歷一次從量變到質(zhì)變的變化過程。但無論如何生活垃圾堆肥技術(shù)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(shù)
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(diǎn),在發(fā)達(dá)國家得到越來越廣泛的應(yīng)用。預(yù)計(jì)將來垃圾焚燒技術(shù)仍會(huì)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(jìn)入垃圾填埋場的有機(jī)物含量將有所限制。
1.2我國生活垃圾處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
（一）現(xiàn)狀
縱觀國內(nèi)生活垃圾處理技術(shù)的理論研究和工程實(shí)踐,成熟且常用的生活垃圾處理技術(shù)主要有填埋、堆肥、焚燒3種?；厥绽眉夹g(shù)目前僅在少數(shù)幾個(gè)城市中進(jìn)行試點(diǎn)工作,應(yīng)用實(shí)例尚不多。
1.填埋技術(shù)現(xiàn)狀
填埋技術(shù)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(shí)、每天覆蓋、填埋導(dǎo)排氣管、滲瀝水處理、蟲害防治等)是否齊全、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)能否滿足來判斷,我國的生活垃圾填埋場可分為3個(gè)等級(jí):簡易填埋場(非衛(wèi)生填埋場)、受控填埋場(準(zhǔn)衛(wèi)生填埋場)、衛(wèi)生填埋場。嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和運(yùn)營的衛(wèi)生填埋場數(shù)量較少,部分城市特別是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)還是簡易填埋。
2．堆肥技術(shù)現(xiàn)狀
我國具有傳統(tǒng)堆肥技術(shù)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(shù)可分為兩類;簡易高溫堆肥技術(shù)、機(jī)械化高溫堆肥技術(shù)。
3．焚燒技術(shù)現(xiàn)狀
我國生活垃圾焚燒技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)80年代中期?！鞍宋濉逼陂g被列為國家科技攻關(guān)項(xiàng)目,目前僅有深圳、上海等少數(shù)城市采用了焚燒技術(shù),尚處于起步階段。
（二）技術(shù)發(fā)展趨勢
1．填埋技術(shù)展望
填埋氣體導(dǎo)排技術(shù)在生活垃圾填埋場得以普遍采用并不斷完善,同時(shí)填埋氣體回收利用技術(shù)在取得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)大試驗(yàn)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(jìn)展,并在部分缺少覆蓋土源的生活垃圾填埋場試點(diǎn)應(yīng)用。在引進(jìn)、消化的基礎(chǔ)上,開發(fā)出壓實(shí)機(jī)等新一代的國產(chǎn)化填埋專用機(jī)具,用于生活垃圾填埋場并取得較好效果。填埋技術(shù)在我國生活垃圾處理領(lǐng)域的主導(dǎo)地位,在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)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(shù)展望
發(fā)達(dá)國家普遍采用的好氧堆肥技術(shù),在部分示范工程中率先得到應(yīng)用;在大城市中將逐步提倡經(jīng)回收利用和堆肥、焚燒等方法處理后的生活垃圾殘余物進(jìn)填埋場作最終處理,生活垃圾堆肥廠的機(jī)械化水平和堆肥質(zhì)量有明顯提高;堆肥產(chǎn)品中的重金屬含量和碎玻璃等雜質(zhì)得到有效控制。國產(chǎn)化有機(jī)復(fù)合肥成套生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備進(jìn)一步完善,生活垃圾堆肥廠生產(chǎn)有機(jī)復(fù)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(shù)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(jìn)一步開拓堆肥產(chǎn)品市場仍有許多工作要做。
3．焚燒技術(shù)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(shù)的工藝研究進(jìn)一步完善;新一代國產(chǎn)化成套生活垃圾焚燒設(shè)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(tái)處理能力200 t/d以下的生活垃圾焚燒設(shè)備將以國產(chǎn)化為主。生活垃圾焚燒廠的二次污染特別是尾氣凈化技術(shù)取得突破,同時(shí)人們對(duì)二惡英等污染物的關(guān)注程度愈加提高;生活垃圾焚燒余熱綜合利用技術(shù)得到提高,發(fā)電上網(wǎng)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(shù)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(nèi)在部分城市中將建成若干個(gè)和國外接軌的生活垃圾焚燒廠。但生活垃圾焚燒技術(shù)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(shí)際情況，研制適合本國的生活垃圾預(yù)處理裝置——生活垃圾處理器，使居民在家中可以直接對(duì)廚房垃圾進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)了城市生活垃圾的減量化之目的。
國外成功的應(yīng)用食物垃圾處理器來減少食物垃圾的經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)：
1 減少易腐垃圾數(shù)量，提高環(huán)境質(zhì)量
目前，國家對(duì)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(yù)處理裝置，可對(duì)廚房垃圾進(jìn)行初步處理，不但減少垃圾的堆放量，同時(shí)確保人們有一個(gè)健康、整潔的生活環(huán)境，進(jìn)而減少疾病的傳染。
2 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(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的大量浪費(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(duì)垃圾填埋產(chǎn)生的滲漏問題也可大大改觀。
3 有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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，己經(jīng)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(jī)器，突有體積小，成本底，經(jīng)濟(jì)耐用的特點(diǎn)，可以被人們所接受。加上政府在政策和輿論大力宣傳引導(dǎo)，實(shí)行鼓勵(lì)政策，一方面提高了百姓的環(huán)境參與意識(shí)，充分調(diào)動(dòng)社會(huì)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：二次污染治理費(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。
廚房的食物垃圾易腐爛、有異味、滋生細(xì)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(duì)家庭的污染已成為提高家庭生活質(zhì)量的標(biāo)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行及時(shí)的食物垃圾無害化處理，能夠?qū)⑹澄锢鬯槌蓾{狀液體或極小顆粒直接從下水管道排出，可輕松實(shí)現(xiàn)即時(shí)、方便、快捷的廚房清潔，避免食物垃圾因儲(chǔ)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?jiān)?、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(zhì)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(yuǎn)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(jīng)立法推廣。這種設(shè)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(huì)對(duì)下水管道產(chǎn)生影響，更不會(huì)堵塞下水道。其帶來的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益驚人，前景十分看好。
第二章 生活垃圾處理器設(shè)計(jì)
2.1生活垃圾處理器的組成
本次設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)有：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、中心軸、箱體、過濾板、刀具、墊圈、螺母、螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、帶輪、V帶、軸、支架、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、壓塊、垃圾簍、抽板等
2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)電機(jī)是食物垃圾處理器工作能量的提供源，也是關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響著生活垃圾處理器質(zhì)量的好壞。在設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征為時(shí)間短，啟動(dòng)頻繁，斷續(xù)工作。圖2-1為永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。
我們選用永磁電機(jī),因?yàn)槠涠ㄗ訛橛来配搫?lì)磁無需勵(lì)磁線圈，即省電又不發(fā)熱。磁路結(jié)構(gòu)經(jīng)精心選擇，使電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、嘈聲低及轉(zhuǎn)動(dòng)平衡等特點(diǎn)，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用了一些特殊技術(shù)。但是本次設(shè)計(jì)所用的電機(jī)是自己設(shè)計(jì)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(yīng)能力。
(2) 采用不均勻氣隙設(shè)計(jì)和磁鋼極尖削角來保證對(duì)負(fù)載電流引起的電樞反應(yīng)有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。
(3) 利用電機(jī)槽和換向片及極弧寬度和齒槽的合理配合達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、嘈聲，保證平穩(wěn)運(yùn)行要求。
(a)
(b)
圖2-1 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)和磁場分布
電動(dòng)機(jī)（1）的選擇
目前，電動(dòng)機(jī)的種類繁多，價(jià)格、性能差別比較大，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的指導(dǎo)思想對(duì)電動(dòng)機(jī)類型及型號(hào)進(jìn)行優(yōu)化選擇是十分重要的。選擇電動(dòng)機(jī)種類應(yīng)在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)性能的要求下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)種類選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容有：
（1）電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)與所拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性相匹配；
（2）電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能（調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、經(jīng)濟(jì)性）應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。對(duì)調(diào)速性能的要求在很大程度上決定了電動(dòng)機(jī)的種類、調(diào)速方法以及相應(yīng)的控制方法；
（3）電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的要求，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能主要是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，同時(shí)還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限制；
（4）電源種類 在滿足性能的前提下應(yīng)優(yōu)先采用交流電動(dòng)機(jī)；
（5）經(jīng)濟(jì)性 一是電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)設(shè)備（如：啟動(dòng)設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等）的經(jīng)濟(jì)性；二是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，主要是要效率高，節(jié)省電能。
根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求選擇電動(dòng)機(jī)的類型。直流電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；具有過載能力大、能承受頻繁的沖擊負(fù)載，優(yōu)良的調(diào)速性能，調(diào)速平滑、精確、方便和范圍廣等特點(diǎn)。
電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境是由生產(chǎn)機(jī)械的工作環(huán)境決定的。在很多情況下，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)則要在水中或其他液體中工作?；覊m會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組黏結(jié)上污垢而妨礙散熱；水分、瓦斯、腐蝕性氣體等會(huì)使電動(dòng)機(jī)的絕緣材料性能退化，甚至?xí)耆珕适Ы^緣能力；易燃、易爆氣體與電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的電火花接觸時(shí)將有發(fā)生燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。因此，為了保證電動(dòng)機(jī)能夠在其工作環(huán)境中長期安全運(yùn)行，必須根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件合理地選擇電動(dòng)機(jī)的防護(hù)方式。電動(dòng)機(jī)的外殼防護(hù)方式有開啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式幾種。
設(shè)計(jì)中，食物垃圾處理器電動(dòng)機(jī)的特征為頻繁短時(shí)運(yùn)行、快速啟動(dòng)，無調(diào)速要求。依據(jù)直流電動(dòng)機(jī)具有的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選取電機(jī)類型為直流電動(dòng)機(jī)。
在直流電動(dòng)機(jī)中，有一種電機(jī)的磁極是用永磁材料(或加上鐵磁材料)提供電動(dòng)機(jī)所需要的勵(lì)磁源，從而代替了電磁式直流電動(dòng)機(jī)中的線圈式磁極。這種電機(jī)為永磁直流電動(dòng)機(jī)。由于無需勵(lì)磁線圈，故省電且不發(fā)熱，磁路結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)，使電動(dòng)機(jī)過載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、噪聲低及轉(zhuǎn)速平穩(wěn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用永磁直流電動(dòng)機(jī)。
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(yīng)強(qiáng)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(duì)于永磁直流電動(dòng)機(jī)至關(guān)重要，若磁穩(wěn)定性差，則永磁直流電動(dòng)機(jī)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(nèi)因包括組織變化和磁后效。鋁鎳合金、鐵氧體、鐵鉻鉆等不會(huì)發(fā)生組織的變化。但鐵硼易氧化且產(chǎn)生組織的變化。各種永磁材料除各向異性外，都會(huì)產(chǎn)生磁后效，它們對(duì)時(shí)間的退磁率隨時(shí)間的對(duì)數(shù)變化。
② 外因包括溫度、干擾磁場、機(jī)械力、接觸強(qiáng)磁性物質(zhì)、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(zhì)和尺寸比的變化，因而在選用具有低溫退磁性質(zhì)的永磁體時(shí)，應(yīng)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(diǎn)選在膝點(diǎn)之上，則受外磁場的影響很小。
b.機(jī)械振動(dòng)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(shí)間振動(dòng)的初期，以后趨于穩(wěn)定。
為使永磁材料在使用時(shí)磁性穩(wěn)定，對(duì)材料必須預(yù)先進(jìn)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(qiáng)制退磁、交流或直流退磁等。
選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)能夠勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)、最合理的選擇電動(dòng)機(jī)的功率。若功率選得過大，設(shè)備投資過大，造成浪費(fèi)，且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常欠載運(yùn)行，效率較低；反之，若功率選得過小，電動(dòng)機(jī)將過載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)的過早損壞。為此，選擇電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)進(jìn)行一些必要的分析和計(jì)算，具體可按以下三個(gè)步驟進(jìn)行：
① 計(jì)算負(fù)載功率
② 根據(jù)負(fù)載功率，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率，使，盡量接近
③ 校驗(yàn)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過載能力和啟動(dòng)能力。校驗(yàn)的方法較多，工作量很大，而且準(zhǔn)確度也很難把握。
在實(shí)際工作中常采用統(tǒng)計(jì)分析法和類比法。類比法就是在調(diào)查同類機(jī)械所采用電機(jī)容量的基礎(chǔ)上，對(duì)主要參數(shù)和工作條件進(jìn)行類比，從而確定電機(jī)所采用的容量。本次論文設(shè)計(jì)就采用此方法。
根據(jù)前面計(jì)算，粉碎刀盤在工作時(shí)，需克服的阻力為：
刀盤的線速度
負(fù)載功率：
電動(dòng)機(jī)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(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：轉(zhuǎn)速：，功率：，電壓：，電流：，重量：。
這種永磁直流電動(dòng)機(jī)采用鐵氧體永久磁鐵激磁，鐵氧體的化學(xué)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(jià)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(shí)效變化少，不含鎳、鉆等元素，價(jià)廉，原材料豐富。
永磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用了一些特殊技術(shù)：
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(yīng)能力。
② 采用不均勻氣隙設(shè)計(jì)和磁鋼極尖削角來保證對(duì)負(fù)載電流引起的電樞反應(yīng)有良好的抑制作用，提高線性度并降低功耗。
③ 電機(jī)槽和換向片，極弧寬度和齒槽的合理配合以達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、噪聲，保證平穩(wěn)運(yùn)行。
本此設(shè)計(jì)的電機(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)，系封閉自冷式。而目前在市場上的同類產(chǎn)品都為國外進(jìn)口電動(dòng)機(jī)，不僅價(jià)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。
電動(dòng)機(jī)（2）的選擇
由于電機(jī)（2）連有壓扁裝置在工作過程中需要消耗的能量比較電機(jī)（1）多，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和同類型的機(jī)械功率參考可以選取電機(jī)（2）為：Y系列（IP44）電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y112M-2
額定功率： 4 KW
滿載轉(zhuǎn)速: 2880 r/min
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)。它集中了國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，是全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)的新系列產(chǎn)品。Y系列電機(jī)具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、噪聲小、可靠性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。安裝尺寸和功率等級(jí)完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。
Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)不僅滿足了國民經(jīng)濟(jì)各部門的配套需要，而且還提高了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的互換性，極大地方便了引進(jìn)設(shè)備的配套和維修。Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)其外殼的防護(hù)等級(jí)不同，又可分為IP23（防護(hù)式）和IP44（封閉式）兩個(gè)基本系列。
Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)具有以下良好性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 （1）效率水平較高。 Y系列（IP44）小型三相異步電動(dòng)機(jī)保持了J02系列電動(dòng)機(jī)效率水平比較高的優(yōu)點(diǎn)，其效率加權(quán)平均值比J02系列高出0.413%，達(dá)到了國際水平。由于電動(dòng)機(jī)效率水平的提高，就給社會(huì)帶來了巨大的節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益。 （2）起動(dòng)性能較好。Y系列（IP44）全系列電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩比J02系列電動(dòng)機(jī)的平均值高33%，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到JQ02系列高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的水平，其最小轉(zhuǎn)矩均保證在0.8倍的額定轉(zhuǎn)矩以上，并且大部分還達(dá)到或超過1倍的額定轉(zhuǎn)矩。因此，其起動(dòng)性能非常優(yōu)良，帶負(fù)載起動(dòng)也十分順利。 （3）噪聲低振動(dòng)小。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)規(guī)定有聲功率噪聲標(biāo)準(zhǔn)，按噪聲限值分為l級(jí)和2級(jí)，以供用戶選用。由于該系列采用電機(jī)專用軸承，因而運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大為降低，經(jīng)實(shí)測其噪聲低于J02系列實(shí)際水平約5→10分貝，振動(dòng)也比J02系列電動(dòng)機(jī)有較大地減小。 （4）防護(hù)性能較好。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已滿足了對(duì)外界固體物和濺水的防護(hù)要求，這樣就能有效防止異物對(duì)電動(dòng)機(jī)和人體的危害。 （5）運(yùn)行可靠使用壽命長。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)的繞組均采用B級(jí)絕緣材料。當(dāng)海拔不超過1000米，冷卻空氣的溫度不超過40℃時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫升限度（電阻法）不超過80K。因而，除極少數(shù)規(guī)格外電動(dòng)機(jī)一般均有15K以上的溫升裕度。較大的溫升裕度則能延長電動(dòng)機(jī)的使用壽命，并提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。 （6）外形美觀大方。Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)的端蓋、接線盒、風(fēng)罩等主要結(jié)構(gòu)部件的外形，都比傳統(tǒng)老產(chǎn)品要美觀、大方。全系列電動(dòng)機(jī)比J02系列的體積平均縮小15%，重量平均減輕12%。
2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.3.1 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)的演化形式,由若干剛性構(gòu)件用低副(回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副)聯(lián)接而成的一種機(jī)構(gòu)。是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)。
2.3.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性及應(yīng)用
常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng);或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析是當(dāng)已知各構(gòu)件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度等,從而評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求,機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉等。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)副為低副,各元件間為面接觸,構(gòu)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(diǎn),因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等。
2.3.3 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2-2 對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖2-3 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖2-4 偏心輪機(jī)構(gòu)
當(dāng)曲柄長度很小時(shí)，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(qiáng)度和剛度，而且當(dāng)軸頸位于中部時(shí)，還可以安裝整體式連桿，使得結(jié)構(gòu)簡化。因此偏心輪廣泛應(yīng)用于傳力較大的剪床、沖床、鄂式破碎機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中。
偏心輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性傳動(dòng)關(guān)系，且傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力平衡性好。將偏心輪與連桿等機(jī)構(gòu)組合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)單純用連桿機(jī)構(gòu)難以得到的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性。是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是常用的機(jī)構(gòu)型式。生產(chǎn)實(shí)際中，如在滑塊往復(fù)行程中具有勻速運(yùn)動(dòng)段，并有急回特性，則一般將有利于生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高。沖壓機(jī)的沖頭(滑塊)，如能以勻速?zèng)_壓工件成形、，則有益于沖壓件加工質(zhì)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(huì)改善工件表面的加工質(zhì)量，并提高刨刀的切削壽命(因切削刀均勻)。但是，簡單的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄勻速回轉(zhuǎn)時(shí)，其滑塊是不具有急回特性和勻速運(yùn)動(dòng)段的;即便采用六桿以上的連桿機(jī)構(gòu)，一般也只能實(shí)現(xiàn)近似的勻速運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在采用偏心輪一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，則能以緊湊的機(jī)構(gòu)型式實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)特性。
在海上能源綜合開發(fā)平臺(tái)上，采用這種偏心輪機(jī)構(gòu)，通過滑塊聯(lián)動(dòng)液壓缸，用于將海風(fēng)端水平軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成液壓能。
圖2-5 工作原理圖
2.4曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力分析
圖2-6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)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(guān)系：
曲柄頸A處，沿半徑方向的力和的關(guān)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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)l>4r，所以，可將l看成比r大很多，即l>>r ，這時(shí)，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(dǎo)出
將上式代入，則得：
2.4.2 曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性
圖2-7 運(yùn)動(dòng)分析圖
取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸水平向右。在任意瞬時(shí)t，機(jī)構(gòu)的位置如圖。
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，是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達(dá)式中，并考慮到，就得到了滑塊的運(yùn)動(dòng)方程：
若將此式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，其運(yùn)算較繁瑣。在工程實(shí)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(jí)數(shù)并略去起的各項(xiàng)而作近似計(jì)算：
則：
上式再對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達(dá)式：
其中都是的周期函數(shù)。
在海上能源綜合開發(fā)平臺(tái)上， 在已知海風(fēng)端的輸入軸頸，材質(zhì)，轉(zhuǎn)矩，通過上述原理設(shè)計(jì)出合理的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，得出驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)的滑塊的位移，速度，加速度，壓力，得到的結(jié)果便于液壓缸的傳動(dòng)設(shè)計(jì)。
2.4.3 尺寸設(shè)計(jì)
圖2-7 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
假定：
行程為S ,曲柄為L ，連桿為a
則由上面的分析結(jié)合圖2-7可知：
由于設(shè)計(jì)中S/2=260mm
則有：
L=150 mm a=250 mm
2.5 其它結(jié)構(gòu)
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
2.6 刀具的強(qiáng)度校核
由于刀片固定軸旋轉(zhuǎn)。依據(jù)曲線，只要當(dāng)?shù)镀臅r(shí)，刀片滿足強(qiáng)度要求。
刀片的半徑：
速度 ：
又由于：
因?yàn)椋?
故流體對(duì)刀片阻力：
又因?yàn)椋?
將公式
代入式上式得：
因?yàn)?：
所以 ：
可見，設(shè)計(jì)中刀片滿足強(qiáng)度要求。
第三章 電機(jī)的PLC控制
3.1 電機(jī)的控制原理
本設(shè)計(jì)中共有兩個(gè)電機(jī)。電機(jī)1已連接在粉碎部分，電機(jī)2連接在壓扁部分。電機(jī)1的運(yùn)動(dòng)方式是：
打開開關(guān)后電機(jī)1開始正轉(zhuǎn)，經(jīng)過一分鐘后開始反轉(zhuǎn)，一直重復(fù)上訴運(yùn)動(dòng)過程。并且按下電機(jī)1的停止按鈕后電機(jī)1停止。
電機(jī)2的運(yùn)動(dòng)方式是：
打開開關(guān)后電機(jī)2開始正轉(zhuǎn)，并且按下電機(jī)1的停止按鈕后電機(jī)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(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)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(gè)人計(jì)算機(jī)(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(shè)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(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。
2、PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：
a、電源
PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)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(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，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(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。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(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。
為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。
c、存儲(chǔ)器
存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。
存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)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(jī)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(qǐng)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(yīng)的控制信號(hào)。
e、功能模塊
如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊
f、通信模塊
如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等
3、PLC的工作原理
一. 掃描技術(shù)
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)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(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)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(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)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(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)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(jié)果會(huì)對(duì)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(gè)掃描周期才能對(duì)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(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。
(三) 輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。
4、PLC內(nèi)部運(yùn)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(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)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(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)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(yùn)作。在整個(gè)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(diǎn)開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)），并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)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(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕觥］敵鼍€圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)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(diǎn)，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(shí)間稱為PLC 之反應(yīng)時(shí)間，PLC 輸入訊號(hào)之時(shí)間若小于此反應(yīng)時(shí)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(huì)被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“程式結(jié)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(tái)達(dá)，富士，施耐德，信捷，和利時(shí)等。
本次設(shè)計(jì)中采用的是西門子的PLC.
3.3 PLC的I/O分配
輸入：
電機(jī)1開啟 I0.0
電機(jī)1關(guān)閉 I0.1
電機(jī)2開啟 I0.2
電機(jī)2關(guān)閉 I0.3
輸出：
電機(jī)1正轉(zhuǎn) Q0.0
電機(jī)1反轉(zhuǎn) Q0.1
電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng) 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(jié)
目前，雖然國內(nèi)在此方面的研究為空白，相關(guān)資料很少，但通過實(shí)驗(yàn)來看，本次設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)的要求。此次設(shè)計(jì)包含了大量的工作，所跨學(xué)科范圍很廣，包括流體力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、刀具設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工等各學(xué)科的內(nèi)容，首先，在理論方面，對(duì)刀盤和刀片進(jìn)行了工作載荷的力學(xué)分析、選擇材料并校核，確保刀盤和刀片有足夠的強(qiáng)度。在機(jī)械方面，首先進(jìn)行刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)組合式粉碎刀組來快速完成垃圾的粉碎，然后應(yīng)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(yàn)證機(jī)器。
設(shè)計(jì)的食物垃圾處理器具有以下特點(diǎn)：
① 相對(duì)于其它同類產(chǎn)品，此次設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，人不必守候在旁邊，可以離開，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后可以自行停止。在電路中有三個(gè)可選檔位，用來控制機(jī)器不同的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，使用時(shí)，可根據(jù)不同的垃圾量和垃圾的成分來選擇。
② 在驅(qū)動(dòng)部件——電機(jī)的選擇上，成功選用國產(chǎn)直流永磁電動(dòng)機(jī)。目前進(jìn)入我國的食物垃圾處理器，由于照搬國外產(chǎn)品，主要采用交流電動(dòng)機(jī)。但其體積大、笨重，不適合我國住宅的實(shí)際情況。雖然美國摯通公司針對(duì)我國現(xiàn)狀把交流電機(jī)更改為直流電機(jī)，但由于采用的是國外進(jìn)口電機(jī)，使其成本提高，百姓難以承擔(dān)。
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(shè)計(jì)更適合我國國情的特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)時(shí)所用材料為1Cr13，而國外產(chǎn)品選用的材料為9Cr18，二者都可以滿足使用要求，價(jià)格相當(dāng)，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(yīng)盡量節(jié)約使用，少用或不用。
④ 機(jī)器的制造和使用成本降低。由于完全國產(chǎn)化，使食物垃圾處理器的成本大大降低，整臺(tái)機(jī)器的成本大約為600元左右，相對(duì)于國外上千元的價(jià)格，更容易被百姓接受，而且使用中的投入也很低，每個(gè)家庭每月為之付出約0.65元，全年的支出費(fèi)用為7.76元。
在本次設(shè)計(jì)中，雖然接觸了許多先進(jìn)的理論和方法，但由于經(jīng)驗(yàn)有限，時(shí)間倉促，不能對(duì)每種理論每種方法都作深入的研究，因此，以下部分內(nèi)容仍須進(jìn)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(shí)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(jìn)一步研究
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致謝
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲頗多。不僅使我進(jìn)一步鞏固和加深了對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)的掌握，使之系統(tǒng)化綜合化，并且培養(yǎng)了我獨(dú)立思考、綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，尤其是嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。
本設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師的悉心關(guān)懷和精心教導(dǎo)下完成的，在繁忙的教學(xué)工作的同時(shí)，老師依然給予了熱情而耐心細(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)。從選題方案的論證到終稿的審核，從指導(dǎo)思想到設(shè)計(jì)方法，無不凝聚著老師的智慧和心血。老師以嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)、實(shí)事求是、銳意創(chuàng)新的治學(xué)態(tài)度和忘我的工作精神，以及心胸坦蕩的處世風(fēng)格和寬厚待人的崇高品德必將使我在今后的學(xué)習(xí)和工作生活中受益匪淺。在此向指導(dǎo)老師致以衷心的感謝和深深的敬意！
最后，在畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)幾年來老師們和同學(xué)們給予我大量的幫助。同時(shí)感謝各評(píng)委老師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成提出了許多寶貴的指導(dǎo)意見。
附錄I 外文文獻(xiàn)翻譯
估計(jì)導(dǎo)致工程幾何分析錯(cuò)誤的一個(gè)正式理論
SankaraHariGopalakrishnan，KrishnanSuresh
機(jī)械工程系，威斯康辛大學(xué)，麥迪遜分校，2006年9月30日
摘要：幾何分析是著名的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工藝簡化 “小或無關(guān)特征”在CAD模型中的程序，如有限元分析。然而，幾何分析不可避免地會(huì)產(chǎn)生分析錯(cuò)誤，在目前的理論框架實(shí)在不容易量化。
本文中，我們對(duì)快速計(jì)算處理這些幾何分析錯(cuò)誤提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?。尤其，我們集中力量解決地方的特點(diǎn)，被簡化的任意形狀和大小的區(qū)域。提出的理論采用伴隨矩陣制定邊值問題抵達(dá)嚴(yán)格界限幾何分析性分析錯(cuò)誤。該理論通過數(shù)值例子說明。
關(guān)鍵詞:幾何分析;工程分析;誤差估計(jì);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)
1. 介紹
機(jī)械零件通常包含了許多幾何特征。不過，在工程分析中并不是所有的特征都是至關(guān)重要的。以前的分析中無關(guān)特征往往被忽略，從而提高自動(dòng)化及運(yùn)算速度。
舉例來說，考慮一個(gè)剎車轉(zhuǎn)子，如圖1(a)。轉(zhuǎn)子包含50多個(gè)不同的特征，但所有這些特征并不是都是相關(guān)的。就拿一個(gè)幾何化的剎車轉(zhuǎn)子的熱量分析來說，如圖1(b)。有限元分析的全功能的模型如圖1(a)，需要超過150,000度的自由度，幾何模型圖1(b)項(xiàng)要求小于25，000個(gè)自由度，從而導(dǎo)致非常緩慢的運(yùn)算速度。
圖1(a)剎車轉(zhuǎn)子 圖1(b)其幾何分析版本
除了提高速度，通常還能增加自動(dòng)化水平，這比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的有限元網(wǎng)格幾何分析組成。內(nèi)存要求也跟著降低，而且條件數(shù)離散系統(tǒng)將得以改善;后者起著重要作用迭代線性系統(tǒng)。
但是，幾何分析還不是很普及。不穩(wěn)定性到底是“小而局部化”還是“大而擴(kuò)展化”，這取決于各種因素。例如，對(duì)于一個(gè)熱問題，想刪除其中的一個(gè)特征，不穩(wěn)定性是一個(gè)局部問題:(1)凈熱通量邊界的特點(diǎn)是零。(2)特征簡化時(shí)沒有新的熱源產(chǎn)生; [4]對(duì)上述規(guī)則則例外。展示這些物理特征被稱為自我平衡。結(jié)果，同樣存在結(jié)構(gòu)上的問題。
從幾何分析角度看，如果特征遠(yuǎn)離該區(qū)域，則這種自我平衡的特征可以忽略。但是，如果功能接近該區(qū)域我們必須謹(jǐn)慎，。
從另一個(gè)角度看，非自我平衡的特征應(yīng)值得重視。這些特征的簡化理論上可以在系統(tǒng)任意位置被施用,但是會(huì)在系統(tǒng)分析上構(gòu)成重大的挑戰(zhàn)。
目前，尚無任何系統(tǒng)性的程序去估算幾何分析對(duì)上述兩個(gè)案例的潛在影響。這就必須依靠工程判斷和經(jīng)驗(yàn)。
在這篇文章中，我們制定了理論估計(jì)幾何分析影響工程分析自動(dòng)化的方式。任意形狀和大小的形體如何被簡化是本文重點(diǎn)要解決的地方。伴隨矩陣和單調(diào)分析這兩個(gè)數(shù)學(xué)概念被合并成一個(gè)統(tǒng)一的理論來解決雙方的自我平衡和非自我平衡的特點(diǎn)。數(shù)值例子涉及二階scalar偏微分方程，以證實(shí)他的理論。
本文還包含以下內(nèi)容。第二節(jié)中，我們就幾何分析總結(jié)以往的工作。在第三節(jié)中，我們解決幾何分析引起的錯(cuò)誤分析，并討論了擬議的方法。第四部分從數(shù)值試驗(yàn)提供結(jié)果。第五部分討論如何加快設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)度。
2. 前期工作
幾何分析過程可分為三個(gè)階段:
識(shí)別:哪些特征應(yīng)該被簡化；
簡化：如何在一個(gè)自動(dòng)化和幾何一致的方式中簡化特征；
分析:簡化的結(jié)果。
第一個(gè)階段的相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)很多。例如，企業(yè)的規(guī)模和相對(duì)位置這個(gè)特點(diǎn)，經(jīng)常被用來作為度量鑒定。此外，也有人提議以有意義的力學(xué)判據(jù)確定這種特征。
自動(dòng)化幾何分析過程，事實(shí)上，已成
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