家庭垃圾處理器設計

劉芳霞

摘 要：隨著國民經濟的快速發展、城市化進程的加快和人們生活水平的提高，我國生活垃圾的產生越來越大。鑒于這種情況，設計了一款食物垃圾處理器，利用電機旋轉產生的離心力粉碎食物垃圾。在食物垃圾處理器中設計了3個粉碎腔，以保證食物垃圾研磨細度在3 mm以下。經過試用，系統穩定，省水省電，效果良好，實現了食物垃圾低成本、無害化處理，同時，還減輕了食物垃圾處理負擔，降低了垃圾填埋和焚燒的負擔和成本，環保效果良好，符合國家倡導的減量化、資源化、無害化垃圾治理方針。

關鍵詞：垃圾處理；電機旋轉；粉碎腔；環境保護

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.021

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，我國生活垃圾的產量越來越大，其中，食物垃圾占很大的比例。在我國經濟發達城市或者生活品質比較高的地區，平均每人每天產生餐廚垃圾高達1 kg。現階段，我國餐廚垃圾日產量超過50 t的就有512個城市。2012-03-01，國內首部以立法形式規范垃圾處理行為的地方性法規《北京市生活垃圾管理條例》正式實施，其中明確規定“本市鼓勵凈菜上市，提倡有條件的居住區、家庭安裝符合標準的廚余垃圾處理器。” 同時，上海也出臺了相關政策，鼓勵安裝食物垃圾處理器。

食物垃圾經過研磨后，顆粒直徑是判斷食物垃圾處理器品質的關鍵指標之一。如果經過食物垃圾處理器研磨后的顆粒直徑仍然過大，一段時間后，積聚的殘留顆粒將會堵塞下水管道，給物業工作人員帶來很大麻煩，且影響食物垃圾處理器的使用效果。專家表示：“只要排入下水管道中的懸浮物顆粒粒徑均小于5 mm，不但不會堵塞下水管道，反而有利于彎管內沉積物和油脂的去除?！贬槍@種情況，筆者開發了一款食物垃圾處理器，為其設計了3個粉碎腔，第1個粉碎腔是實現食物垃圾的3級研磨，第2個粉碎腔是進一步處理食物纖維、骨頭顆粒，第3個粉碎腔是最終處理，保證食物垃圾研磨細度在3 mm以下。

1 系統概述

食物垃圾處理器主要用于餐廚垃圾處理，通過小型直流或交流電機高速轉動驅動二級研磨、三級研磨刀盤，在粉碎室內利用離心力將粉碎腔內的食物垃圾粉碎成顆粒小于3 mm的物質，以便于其進入下水管，進入污水廠。機器安裝于廚房水槽下，與排水管相連，整個系統主要由220 V的交流電源、高速旋轉電機、粉碎刀盤、食物垃圾處理器粉碎室和粉碎顆粒下水管等組成，具體如圖1所示。

2 粉碎機構

市面上的食物垃圾處理器多以單個研磨腔為主，通過選擇不同的刀盤實現一級、二級、三級研磨。但是，實驗證明，經過一次研磨腔研磨后，食物顆粒的直徑不能達到3 mm，對難以處理的粗纖維、飯粒和硬質骨頭等不能作細化處理，研磨細度不精。

2.1 三級研磨結構

為了提高食物垃圾的研磨細度，筆者設計的機器粉碎腔有3個，第1個粉碎腔是對食物垃圾進行三級研磨。三級研磨結構是不銹鋼材料，如圖2所示，它包括轉子軸，安裝在轉子軸上的研磨刀盤，研磨刀盤上的刀頭和設置在研磨刀盤外圈的研磨圈。研磨刀盤如圖3所示，研磨圈如圖4所示。

如圖3所示，三級研磨刀盤上設有2個刀頭，由刀盤上的360°回轉沖擊刀頭進行研磨。刀頭可以在刀盤上自由轉動，與研磨刀盤之間通過銷釘連接。當刀盤高速旋轉時，粉碎刀頭就會跟著來回運動，但是，不會同步運動，存在一定速度差。當遇到食物垃圾時，粉碎刀頭就會被迅速彈回，撞擊在粉碎刀盤的凸起上，產生很多的撞擊力，從而實現對食物垃圾的粉碎。

2.2 三級研磨實現過程

當食物垃圾進入粉碎腔后，電機帶動刀盤旋轉，設置在研

磨刀盤上的刀頭來回旋轉，將食物垃圾進行一級粉碎；離心力

使食物垃圾到達研磨刀盤邊沿后，與研磨圈之間的研磨間隙形成二級研磨；經過二級研磨后，食物垃圾下降到研磨刀盤與研磨圈之間的平面研磨間隙，形成三級研磨，從而達到三級研磨處理食物垃圾的目的。

2.3 二層、三層粉碎腔設計

由于單個三級研磨腔不能實現對粗纖維、根莖和硬骨頭的細化處理，為了實現對食物垃圾的精細化處理，使其不堵塞管道，設計了二層、三層粉碎腔。這樣做的目的是深度處理殘余垃圾，徹底處理一級研磨腔無法處理的垃圾纖維。二層粉碎腔主要由研磨刀片、研磨圈和濾網組成，濾網小孔的直徑為3 mm。二層粉碎腔的工作就是進一步切割，研磨三級研磨不能處理的粗纖維、根莖和硬骨頭垃圾。研磨后的顆粒通過濾網進入第三層研磨倉，以保證研磨后的顆粒直徑小于3 mm。第三層研磨腔是徹底處理食物垃圾顆粒，通過切割刀片的旋轉再次切割，然后把切割顆粒隨著水流流入排污口。

2.4 電機的選擇

驅動電機為食物垃圾處理器提供能量，也是垃圾處理器的重要組成部分，其性能直接影響著廚余垃圾處理器的質量。直流電機輸出力矩大，轉速比較快，效率高，體積小，質量輕；交流電機轉速比較穩，使用壽命長，過載保護裝置比較好。由于垃圾處理器頻繁啟動，并要求轉速快、效率高等，綜合考慮各種因素，筆者設計的食物垃圾處理器采用直流電機。

在選擇電機時，應在電機滿足負載要求的條件下，經濟、合理地選擇電機的速度和功率。假如電機功率選擇比較小，電機將過載使用，影響電機的使用壽命，導致電機過早損壞；又或者電機功率選擇比較大，則電機處于欠載荷的工作狀態下，導致電機使用的浪費。因此，在選擇電機時，要嚴謹計算，可以按照以下步驟進行：①根據具體情況，計算負載的功率P1；②根據實際負載的功率P1，預選電機的額定功率Pd，同時，保證Pd≥P1，一般取Pd=1.2P1；③校驗電機的選擇是否合適。

假設刀盤半徑為r，當刀盤高速旋轉時，刀盤上的流體層也做圓周運動。由于流體層受到離心力的作用，在轉盤的邊緣處遠離轉盤向外拋。與此同時，新的流體也會出現同樣的運動過程，于是，在很短時間內就建立了定常流動，其為轉盤的高速旋轉施加了很當大的阻力。如果刀盤的轉速為4 000 r/min，刀盤的直徑選擇為110 mm，則轉矩為：

（1）

式（1）中：K為比例系數，取1.935；r為轉盤半徑；Γ為運動黏性系數；ρ為流體密度；ω為轉盤轉動角速度。

經過計算，轉盤轉動角速度為：ω=2πn/60=418.67 rad/s。

運動黏性系數為：Γ=μ/ρ=1.006×10-6.其中，μ為20 ℃水的黏性系數，查表得1.005×10-3；ρ為水的密度。

將相關數據代入式（1），可計算出轉矩為：M=0.419 N·m。

因為轉矩M=力×力臂，所以流體的阻力F1=M/r=5.59 N，一般食物垃圾的實驗阻力F2=11.5 N，刀盤在旋轉時需要克服的流體阻力和食物垃圾的阻力F=F1+F2=5.59+11.5=17.09.

粉碎刀盤的線速度V的計算公式為：

（2）

所以，負載的功率P1=FV=322.39 W，電機的額定功率Pd=1.2P1=389 W。

基于以上特點，在設計食物垃圾處理器時，筆者選用直流永磁電動機，電機轉速為4 000 r/min，功率為400 W，型號為ZYT-78S-12系列。

2.5 其他部分設計

食物垃圾處理器其他部分的設計為非主要部件，主要包括投入口、排污口等。排污口由排水彎管、彎管法蘭和橡膠密封圈組成。彎管法蘭把排水彎管固定在處理器上，橡膠密封圈防止水分和垃圾殘渣外溢，起密封的作用，以減小電機的噪聲。食物垃圾投入口主要包括裝配環、支撐環、水槽凸緣鉚合件和防濺罩等幾部分。裝配環、支撐環與水槽凸緣鉚合件相接；水槽凸緣鉚合件的上半部分卡在洗滌盆下水口，水槽凸緣鉚合件的下半部分與支撐環通過螺紋相連，裝配環的卡槽與垃圾處理器的卡鎖連接。在銜接中，分別有橡膠密封墊圈、石棉墊圈和墊圈，起密封作用，以減小電機發出的噪聲。為了防止食物垃圾在粉碎時濺出，加裝1個防濺罩。

2.6 樣機實驗

該樣機安裝在廚房水池下方，與水池出水口相接，圓筒形，高度約350 mm，直徑為200 mm，重6 kg左右，藏于廚柜內部，連接下水管道。

向樣機中投入果皮、蔬菜葉子、骨頭、魚刺等食物垃圾，排污口排出的污水結果如圖5所示。由此可以看出，食物垃圾被粉碎后能夠通過濾網進入排污系統，粉碎后的垃圾直徑小于3 mm，沒有出現堵塞管道的情況。

向樣機中投入核桃皮、大骨頭、混凝土等比較硬的東西時，排污口排出的污水結果如圖6所示。由此可以看出，粉碎顆粒比較細膩，不會堵塞下水道。

水管最大水量運行1 min耗水0.022 3 t，水管正常流水運行1 min耗水0.005 t。樣機空轉1 min耗電約0.0125 kW·h，沖水運轉1 min耗電0.025 kW·h，垃圾研磨1 min耗電0.022 kW·h。樣機旋轉時，其聲音與洗衣機聲音差不多，隔音效果較好。

3 結束語

目前，該系統已在家庭中使用。它具備處理垃圾能力強、使用方便、噪聲小、節能環保等特點，能夠實現對食物垃圾的低成本、無害化處理，同時，減輕了食物垃圾的處理負擔，減少送往垃圾堆填埋區或焚燒的食物垃圾和垃圾膠袋，從而減輕了垃圾填埋和焚燒的負擔，降低了相關成本，達到了環保的要求，符合國家倡導的減量化、資源化、無害化的垃圾治理方針。

參考文獻

[1]王均奇，施國慶.我國城市生活垃圾產業的發展現狀與對策研究[J].生產力研究，2007（1）.

[2]李舜酩.機械疲勞與可靠性設計[M].北京：科學出版社，2007.

[3]趙欣，田宇，湯建化，等.我國生活垃圾處理現狀分析與技術發展方向研究[J].輕工科技，2008，24（7）.

〔編輯：白潔〕