197 家用垃圾處理器設(shè)計(jì)
197 家用垃圾處理器設(shè)計(jì),家用,垃圾,處理器,設(shè)計(jì)
1摘要本設(shè)計(jì)依據(jù)我國(guó)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(lái)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(mén)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；PLC2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(guó)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(guó)情而異,往往一個(gè)國(guó)家的不同地區(qū)也采取不同的處理方法。1.1 國(guó)外生活垃圾處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（一）現(xiàn)狀1996 年以前,奧地利、比利時(shí)、加拿大、丹麥、芬蘭、法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本、盧森堡、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英國(guó)、美國(guó)和新加坡等一些國(guó)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(lái)越多的國(guó)家采用焚燒法。目前,日本、瑞士、比利時(shí)、丹麥、法國(guó)、盧森堡、瑞典、新加坡等國(guó)采用焚燒法處理垃圾的比例,都接近或超過(guò)填埋法,而堆肥法在國(guó)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(guó)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(guó)最早于 1930 年,美國(guó)于 1940 年開(kāi)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(guó)外從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始在垃圾填埋場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)地利用率,又可以減少雨水對(duì)垃圾的沖刷?，F(xiàn)代化大型生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)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(guò)石籠等形式將填埋沼氣導(dǎo)排;二是通過(guò)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(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)收集后經(jīng)過(guò)凈化處理作為能源回3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(kāi)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(lái),動(dòng)態(tài)厭氧堆肥處理技術(shù)在一部分國(guó)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(guó)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(guó)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(xiāo)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(guó)家的生活垃圾堆肥技術(shù)應(yīng)用陷入低谷,有不少國(guó)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(shì)下,一些國(guó)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(guó)外生活垃圾堆肥廠數(shù)量總體呈下降趨勢(shì),但垃圾堆肥技術(shù)的發(fā)展并沒(méi)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(kāi)始到 20 世紀(jì)初期。英國(guó)諾丁漢和美國(guó)紐約先后采用焚燒方法處理生活垃圾。德國(guó)漢堡和法國(guó)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(guó)家、中等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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4一種比較有效的垃圾處理方法。它的減量化、資源化和無(wú)害化效果都比較理想。垃圾焚燒技術(shù)經(jīng)過(guò)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(lèi)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(lái),發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)謀求的垃圾治理目標(biāo)。發(fā)達(dá)國(guó)家在推進(jìn)生活垃圾資源化進(jìn)程中,都制定了符合本國(guó)國(guó)情的相關(guān)法律、規(guī)章和各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如德國(guó)制定了《關(guān)于容器包裝廢棄物的政府令》;法國(guó)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(guó)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(shuí)污染誰(shuí)負(fù)擔(dān)”的原則,借助經(jīng)濟(jì)手段來(lái)保證有關(guān)舉措的實(shí)施,如采取課稅制度等。如美國(guó)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(xiāo)售過(guò)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(guó)家對(duì)城市居民均實(shí)行生活垃圾收費(fèi)制,不少國(guó)家還在商品流通領(lǐng)域?qū)嵭械盅航鹬贫取Ｈ绲聡?guó)規(guī)定產(chǎn)品的銷(xiāo)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(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)要繳一定數(shù)額抵押金,在汽車(chē)被回收時(shí)再連同利息一起返還。另外還有一些國(guó)家實(shí)行政府補(bǔ)貼和建立基金會(huì)等方式來(lái)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(guó)政府給配電公司發(fā)放補(bǔ)貼用以購(gòu)買(mǎi)生活垃圾焚燒廠生產(chǎn)的電力;法國(guó)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(shì)1．提倡分類(lèi)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(lèi)收集。這是發(fā)達(dá)國(guó)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5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(guò)程。但無(wú)論如何生活垃圾堆肥技術(shù)今后仍將在國(guó)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(wú)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(guó)家得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。預(yù)計(jì)將來(lái)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(shì),但填埋處理仍是垃圾處理的最終方式。垃圾填埋場(chǎng)的污染控制措施將不斷完善,垃圾填埋場(chǎng)將向大型化發(fā)展,進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)的有機(jī)物含量將有所限制。1.2 我國(guó)生活垃圾處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（一）現(xiàn)狀縱觀國(guó)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。回收利用技術(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(guó)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(chǎng)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(chóng)害防治等)是否齊全、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)能否滿足來(lái)判斷,我國(guó)的生活垃圾填埋場(chǎng)可分為 3 個(gè)等級(jí):簡(jiǎn)易填埋場(chǎng)(非衛(wèi)生填埋場(chǎng))、受控填埋場(chǎng)(準(zhǔn)衛(wèi)生填埋場(chǎng))、衛(wèi)生填埋場(chǎng)。嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)生填埋場(chǎng)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(jiǎn)易填埋。2．堆肥技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)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(guó)常用的生活垃圾堆肥技術(shù)可分為兩類(lèi);簡(jiǎn)易高溫堆肥技術(shù)、機(jī)械化高6溫堆肥技術(shù)。3．焚燒技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)生活垃圾焚燒技術(shù)的研究起步于 20 世紀(jì) 80 年代中期。 “八五”期間被列為國(guó)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(shì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)試點(diǎn)應(yīng)用。在引進(jìn)、消化的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)出壓實(shí)機(jī)等新一代的國(guó)產(chǎn)化填埋專用機(jī)具,用于生活垃圾填埋場(chǎng)并取得較好效果。填埋技術(shù)在我國(guó)生活垃圾處理領(lǐng)域的主導(dǎo)地位,在今后相當(dāng)長(zhǎng)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(chǎng)中衛(wèi)生填埋場(chǎng)的比例將明顯上升。2．堆肥技術(shù)展望發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)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(guó)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(kāi)拓堆肥產(chǎn)品市場(chǎng)仍有許多工作要做。3．焚燒技術(shù)展望我國(guó)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(guó)產(chǎn)化成套生活垃圾焚燒設(shè)備的開(kāi)發(fā)取得成功,并在部分中小型城市形成一定的市場(chǎng),單臺(tái)處理能力 200 t/d 以下的生活垃圾焚燒設(shè)備將7以國(guó)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(lái)幾年內(nèi)在部分城市中將建成若干個(gè)和國(guó)外接軌的生活垃圾焚燒廠。但生活垃圾焚燒技術(shù)在我國(guó)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(guó)的實(shí)際情況，研制適合本國(guó)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(guò)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(guó)外成功的應(yīng)用食物垃圾處理器來(lái)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(kāi)辟了一條新途徑，從而呼喚適合我國(guó)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(guó)家對(duì)生活垃圾的處理原則是垃圾的減量化、無(wú)害化和資源化。而減量化位居第一位，可見(jiàn)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(lái)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(guó)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(wèn)題也可大大改觀。3 有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益由于我國(guó)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(guó)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8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(lái)的大量開(kāi)支(例：二次污染治理費(fèi)、城市生活垃圾運(yùn)輸費(fèi))用來(lái)研制、開(kāi)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(chóng)，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(guó)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(guò)改變食物垃圾的形態(tài)來(lái)進(jìn)行及時(shí)的食物垃圾無(wú)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(chóng)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(wèn)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(chóng)、蟑螂的困擾。 食物垃圾處理器在歐美國(guó)家使用率非常高，一些國(guó)家已經(jīng)立法推廣。這種設(shè)備給家庭帶來(lái)了舒適健康的生活空間。食物垃圾通過(guò)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(lái)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益驚人，前景十分看好。 9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(guò)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?？苫厥绽膲罕獠糠纸M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(jiǎn)圖。我們選用永磁電機(jī),因?yàn)槠涠ㄗ訛橛来配搫?lì)磁無(wú)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(guò)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(lái)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(lái)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。10(a)(b)圖 2-1 永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布電動(dòng)機(jī)種類(lèi)的選擇目前，電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(jiǎn)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(lèi)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(lèi)、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(lèi) 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：?jiǎn)?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(lèi)型。直流電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反11轉(zhuǎn)；具有過(guò)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(chǎng)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。灰塵會(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(zhǎng)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(kāi)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(wú)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(lèi)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(wú)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(guò)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(lèi)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CBH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??maxBH??max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(chǎng)、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12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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(guò)大，設(shè)備投資過(guò)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(guò)小，電動(dòng)機(jī)將過(guò)載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)的過(guò)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 wP② 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dPdw?wP③ 校驗(yàn)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)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(lèi)比法。類(lèi)比法就是在調(diào)查同類(lèi)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(lèi)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(pán)在工作時(shí)，需克服的阻力為： 12.91.54.17.9ΝF?????刀盤(pán)的線速度 603.0.56017.9msvRnR?????負(fù)載功率： 17.9.320.41WwPFv????電動(dòng)機(jī)的額定功率 ，且留有余量取:dwP?.dwP131.230.4138WdP???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： 。30rmin390WV2.A3kg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Mo nFe2O3。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(lèi)。它的矯頑力高，時(shí)效變化少，5.0~6n?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(lái)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(lái)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(zhǎng)、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(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品都為國(guó)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(lái)不便。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(guò)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14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(jiǎn)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(lèi)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(lèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成三大類(lèi)：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)15圖 2-4 偏心輪機(jī)構(gòu)當(dāng)曲柄長(zhǎng)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(jiǎn)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 [6]。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(wú)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(jiǎn)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 [7]。在海上能源綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，采用這種偏心輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)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。16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：pc pc??os曲柄頸 A 處，沿半徑方向的力 和 的關(guān)系：rc= prc )os(???將上 2 式聯(lián)立，可得到：= r cos/)s(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。pT17*rTp?根據(jù)上圖可知：)sin(???cT將（1） 、 （4）式代入（5）式，則rp*os/)si(??從上式求出 P。rT/1)sin(/co???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(xiě)成：?)sin/(?rTp?按平面幾何圓部分的勾股定理，可以導(dǎo)出 rrsrr /2/sin 222)(????將上式代入，則得： )1/2/(??srsTp2.4.2 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。18可以假設(shè) C 點(diǎn)的矢徑為：= = +rACBCC 點(diǎn)的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影： ?coscs3322rx??inin332ry?根據(jù)圖形可知： ???sisisin 22323*)/( ??所以：?sinsincos221213 ????式中， 是曲柄長(zhǎng)與連桿長(zhǎng)之比。將上式代入 的表達(dá)式中，并考慮?r32/ x到 ，就得到了滑塊的運(yùn)動(dòng)方程：t???2trrxt ???sin1cos2)(23??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(kāi)成 的冪級(jí)數(shù)并略去 起的各項(xiàng)?24而作近似計(jì)算： )(2costrx???r3 .])(15.0)(5.01[ sinsin42 ???tt????.3)(t )]2([2co3 t?則： 19)]2(25.0)([)25.01( coscos223 ttxrr ????????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：)]2(5.0)([sinsin2 ttxr???????? )]()([coco2 tta?其中 都是 的周期函數(shù)。x,?t???2在海上能源綜合開(kāi)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(guò)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)20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 mm2.5 其它結(jié)構(gòu)圖 2-8 中心軸圖 2-9 壓塊21圖 2-10 過(guò)濾板圖 2-11 切刀22圖 2-12 抽板圖 2-13 連桿23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(kāi)開(kāi)關(guān)后電機(jī) 1 開(kāi)始正轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)一分鐘后開(kāi)始反轉(zhuǎn)，一直重復(fù)上訴運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)開(kāi)關(guān)后電機(jī) 2 開(kāi)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(mén) PLC 簡(jiǎn)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(lái) 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(guò) 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(jiǎn) 稱 PC。 但 是 為 了 避 免 與個(gè) 人 計(jì) 算 機(jī) (Personal Computer)的 簡(jiǎn) 稱 混 淆 ， 所 以 將 可 編 程 序 控 制 器 簡(jiǎn) 稱PLC,plc 自 1966 年 美 國(guó) 數(shù) 據(jù) 設(shè) 備 公 司 （ DEC） 研 制 出 現(xiàn) ， 現(xiàn) 行 美 國(guó) ， 日 本 ，德 國(guó) 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(méi) 有 一 個(gè) 良 好 的 、可 靠 的 電 源 系 統(tǒng) 是 無(wú) 法 正 常 工 作 的 ， 因 此 PLC 的 制 造 商 對(duì) 電 源 的 設(shè) 計(jì) 和 制24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(yǔ) 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(chǎng) 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(guò) 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(lái) 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(chǎng) 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(chǎng) 控 制 的 接 口 界 面 的 輸 入 通 道 。 2、 現(xiàn) 場(chǎng) 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(guò) 現(xiàn) 場(chǎng) 輸 出 接 口 電 路 向 現(xiàn) 場(chǎng) 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25一 . 掃 描 技 術(shù) 當(dāng) PLC 投 入 運(yùn) 行 后 ， 其 工 作 過(guò) 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 對(duì) 由 觸 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(guò) 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(guò) 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(guò) 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(guò) 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 26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(guò) 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(shuō) 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(kāi) 關(guān)或 傳 感 器 狀 態(tài) （ 1 或 0 代 表 開(kāi) 或 關(guān) ） ， 并 將 其 狀 態(tài) 寫(xiě) 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 取 出 。 輸 出 線 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(guó) AB， ABB， 松 下 ， 西 門(mén) 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(mén)子的 PLC.3.3 PLC 的 I/O 分配27輸入： 電機(jī) 1 開(kāi)啟 I0.0電機(jī) 1 關(guān)閉 I0.1電機(jī) 2 開(kāi)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) Q0.23.4 PLC 梯形圖283.5 PLC 語(yǔ)句表LD I0.0O M0.0AN I0.1= MO.OTON T37,600LD T370 Q0.0AN I0.1= QO.OLD T37O M0.1AN I0.1= MO.1TON T38,600LD T38290 Q0.1AN I0.1= QO.1LD I0.2O M0.3AN I0.3= M0.3= Q0.230總結(jié)目前，雖然國(guó)內(nèi)在此方面的研究為空白，相關(guān)資料很少，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(pán)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(pán)和刀片有足夠的強(qiáng)度。在機(jī)械方面，首先進(jìn)行刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)組合式粉碎刀組來(lái)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(lèi)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(lái)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(kāi)，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(lái)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(lái)選擇。② 在驅(qū)動(dòng)部件——電機(jī)的選擇上，成功選用國(guó)產(chǎn)直流永磁電動(dòng)機(jī)。目前進(jìn)入我國(guó)的食物垃圾處理器，由于照搬國(guó)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(guó)住宅的實(shí)際情況。雖然美國(guó)摯通公司針對(duì)我國(guó)現(xiàn)狀把交流電機(jī)更改為直流電機(jī)，但由31于采用的是國(guó)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(pán)和刀片的材料選擇上有所改變。組合式刀盤(pán)的設(shè)計(jì)更適合我國(guó)國(guó)情的特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)時(shí)所用材料為1Cr13，而國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(cāng)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(wèn)題仍須進(jìn)一步研究32參考文獻(xiàn)[1] 濮良貴，紀(jì)名剛. 《機(jī)械設(shè)計(jì)》[M]. 北京：高等教育出版社，2007.[2] 孫恒，陳作模，葛文杰． 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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(jiǎn)化 “小或無(wú)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(jiǎn)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(wèn)題抵達(dá)嚴(yán)格界限幾何分析性分析錯(cuò)誤。該理論通過(guò)數(shù)值例子說(shuō)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(guò)，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(wú)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(lái)說(shuō)，考慮一個(gè)剎車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)子的熱量分析來(lái)說(shuō)，如圖 1(b)。有限元分析的全功能的模型如圖 1(a)，需要超過(guò) 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(chē)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(wèn)題，想刪除其中的一個(gè)特征，不穩(wěn)定性是一個(gè)局部問(wèn)題:(1)凈熱通量邊界的特點(diǎn)是零。(2)特征簡(jiǎn)化時(shí)沒(méi)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(wèn)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(jiǎn)化理論上可以在系36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
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