刘芳霞

摘 要：随着国民经济的快速发展、城市化进程的加快和人们生活水平的提高，我国生活垃圾的产生越来越大。鉴于这种情况，设计了一款食物垃圾处理器，利用电机旋转产生的离心力粉碎食物垃圾。在食物垃圾处理器中设计了3个粉碎腔，以保证食物垃圾研磨细度在3 mm以下。经过试用，系统稳定，省水省电，效果良好，实现了食物垃圾低成本、无害化处理，同时，还减轻了食物垃圾处理负担，降低了垃圾填埋和焚烧的负担和成本，环保效果良好，符合国家倡导的减量化、资源化、无害化垃圾治理方针。

关键词：垃圾处理；电机旋转；粉碎腔；环境保护

中图分类号：X705 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.021

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，我国生活垃圾的产量越来越大，其中，食物垃圾占很大的比例。在我国经济发达城市或者生活品质比较高的地区，平均每人每天产生餐厨垃圾高达1 kg。现阶段，我国餐厨垃圾日产量超过50 t的就有512个城市。2012-03-01，国内首部以立法形式规范垃圾处理行为的地方性法规《北京市生活垃圾管理条例》正式实施，其中明确规定“本市鼓励净菜上市，提倡有条件的居住区、家庭安装符合标准的厨余垃圾处理器。” 同时，上海也出台了相关政策，鼓励安装食物垃圾处理器。

食物垃圾经过研磨后，颗粒直径是判断食物垃圾处理器品质的关键指标之一。如果经过食物垃圾处理器研磨后的颗粒直径仍然过大，一段时间后，积聚的残留颗粒将会堵塞下水管道，给物业工作人员带来很大麻烦，且影响食物垃圾处理器的使用效果。专家表示：“只要排入下水管道中的悬浮物颗粒粒径均小于5 mm，不但不会堵塞下水管道，反而有利于彎管内沉积物和油脂的去除。”针对这种情况，笔者开发了一款食物垃圾处理器，为其设计了3个粉碎腔，第1个粉碎腔是实现食物垃圾的3级研磨，第2个粉碎腔是进一步处理食物纤维、骨头颗粒，第3个粉碎腔是最终处理，保证食物垃圾研磨细度在3 mm以下。

1 系统概述

食物垃圾处理器主要用于餐厨垃圾处理，通过小型直流或交流电机高速转动驱动二级研磨、三级研磨刀盘，在粉碎室内利用离心力将粉碎腔内的食物垃圾粉碎成颗粒小于3 mm的物质，以便于其进入下水管，进入污水厂。机器安装于厨房水槽下，与排水管相连，整个系统主要由220 V的交流电源、高速旋转电机、粉碎刀盘、食物垃圾处理器粉碎室和粉碎颗粒下水管等组成，具体如图1所示。

2 粉碎机构

市面上的食物垃圾处理器多以单个研磨腔为主，通过选择不同的刀盘实现一级、二级、三级研磨。但是，实验证明，经过一次研磨腔研磨后，食物颗粒的直径不能达到3 mm，对难以处理的粗纤维、饭粒和硬质骨头等不能作细化处理，研磨细度不精。

2.1 三级研磨结构

为了提高食物垃圾的研磨细度，笔者设计的机器粉碎腔有3个，第1个粉碎腔是对食物垃圾进行三级研磨。三级研磨结构是不锈钢材料，如图2所示，它包括转子轴，安装在转子轴上的研磨刀盘，研磨刀盘上的刀头和设置在研磨刀盘外圈的研磨圈。研磨刀盘如图3所示，研磨圈如图4所示。

如图3所示，三级研磨刀盘上设有2个刀头，由刀盘上的360°回转冲击刀头进行研磨。刀头可以在刀盘上自由转动，与研磨刀盘之间通过销钉连接。当刀盘高速旋转时，粉碎刀头就会跟着来回运动，但是，不会同步运动，存在一定速度差。当遇到食物垃圾时，粉碎刀头就会被迅速弹回，撞击在粉碎刀盘的凸起上，产生很多的撞击力，从而实现对食物垃圾的粉碎。

2.2 三级研磨实现过程

当食物垃圾进入粉碎腔后，电机带动刀盘旋转，设置在研

磨刀盘上的刀头来回旋转，将食物垃圾进行一级粉碎；离心力

使食物垃圾到达研磨刀盘边沿后，与研磨圈之间的研磨间隙形成二级研磨；经过二级研磨后，食物垃圾下降到研磨刀盘与研磨圈之间的平面研磨间隙，形成三级研磨，从而达到三级研磨处理食物垃圾的目的。

2.3 二层、三层粉碎腔设计

由于单个三级研磨腔不能实现对粗纤维、根茎和硬骨头的细化处理，为了实现对食物垃圾的精细化处理，使其不堵塞管道，设计了二层、三层粉碎腔。这样做的目的是深度处理残余垃圾，彻底处理一级研磨腔无法处理的垃圾纤维。二层粉碎腔主要由研磨刀片、研磨圈和滤网组成，滤网小孔的直径为3 mm。二层粉碎腔的工作就是进一步切割，研磨三级研磨不能处理的粗纤维、根茎和硬骨头垃圾。研磨后的颗粒通过滤网进入第三层研磨仓，以保证研磨后的颗粒直径小于3 mm。第三层研磨腔是彻底处理食物垃圾颗粒，通过切割刀片的旋转再次切割，然后把切割颗粒随着水流流入排污口。

2.4 电机的选择

驱动电机为食物垃圾处理器提供能量，也是垃圾处理器的重要组成部分，其性能直接影响着厨余垃圾处理器的质量。直流电机输出力矩大，转速比较快，效率高，体积小，质量轻；交流电机转速比较稳，使用寿命长，过载保护装置比较好。由于垃圾处理器频繁启动，并要求转速快、效率高等，综合考虑各种因素，笔者设计的食物垃圾处理器采用直流电机。

在选择电机时，应在电机满足负载要求的条件下，经济、合理地选择电机的速度和功率。假如电机功率选择比较小，电机将过载使用，影响电机的使用寿命，导致电机过早损坏；又或者电机功率选择比较大，则电机处于欠载荷的工作状态下，导致电机使用的浪费。因此，在选择电机时，要严谨计算，可以按照以下步骤进行：①根据具体情况，计算负载的功率P1；②根据实际负载的功率P1，预选电机的额定功率Pd，同时，保证Pd≥P1，一般取Pd=1.2P1；③校验电机的选择是否合适。

假设刀盘半径为r，当刀盘高速旋转时，刀盘上的流体层也做圆周运动。由于流体层受到离心力的作用，在转盘的边缘处远离转盘向外抛。与此同时，新的流体也会出现同样的运动过程，于是，在很短时间内就建立了定常流动，其为转盘的高速旋转施加了很当大的阻力。如果刀盘的转速为4 000 r/min，刀盘的直径选择为110 mm，则转矩为：

（1）

式（1）中：K为比例系数，取1.935；r为转盘半径；Γ为运动黏性系数；ρ为流体密度；ω为转盘转动角速度。

经过计算，转盘转动角速度为：ω=2πn/60=418.67 rad/s。

运动黏性系数为：Γ=μ/ρ=1.006×10-6.其中，μ為20 ℃水的黏性系数，查表得1.005×10-3；ρ为水的密度。

将相关数据代入式（1），可计算出转矩为：M=0.419 N·m。

因为转矩M=力×力臂，所以流体的阻力F1=M/r=5.59 N，一般食物垃圾的实验阻力F2=11.5 N，刀盘在旋转时需要克服的流体阻力和食物垃圾的阻力F=F1+F2=5.59+11.5=17.09.

粉碎刀盘的线速度V的计算公式为：

（2）

所以，负载的功率P1=FV=322.39 W，电机的额定功率Pd=1.2P1=389 W。

基于以上特点，在设计食物垃圾处理器时，笔者选用直流永磁电动机，电机转速为4 000 r/min，功率为400 W，型号为ZYT-78S-12系列。

2.5 其他部分设计

食物垃圾处理器其他部分的设计为非主要部件，主要包括投入口、排污口等。排污口由排水弯管、弯管法兰和橡胶密封圈组成。弯管法兰把排水弯管固定在处理器上，橡胶密封圈防止水分和垃圾残渣外溢，起密封的作用，以减小电机的噪声。食物垃圾投入口主要包括装配环、支撑环、水槽凸缘铆合件和防溅罩等几部分。装配环、支撑环与水槽凸缘铆合件相接；水槽凸缘铆合件的上半部分卡在洗涤盆下水口，水槽凸缘铆合件的下半部分与支撑环通过螺纹相连，装配环的卡槽与垃圾处理器的卡锁连接。在衔接中，分别有橡胶密封垫圈、石棉垫圈和垫圈，起密封作用，以减小电机发出的噪声。为了防止食物垃圾在粉碎时溅出，加装1个防溅罩。

2.6 样机实验

该样机安装在厨房水池下方，与水池出水口相接，圆筒形，高度约350 mm，直径为200 mm，重6 kg左右，藏于厨柜内部，连接下水管道。

向样机中投入果皮、蔬菜叶子、骨头、鱼刺等食物垃圾，排污口排出的污水结果如图5所示。由此可以看出，食物垃圾被粉碎后能够通过滤网进入排污系统，粉碎后的垃圾直径小于3 mm，没有出现堵塞管道的情况。

向样机中投入核桃皮、大骨头、混凝土等比较硬的东西时，排污口排出的污水结果如图6所示。由此可以看出，粉碎颗粒比较细腻，不会堵塞下水道。

水管最大水量运行1 min耗水0.022 3 t，水管正常流水运行1 min耗水0.005 t。样机空转1 min耗电约0.0125 kW·h，冲水运转1 min耗电0.025 kW·h，垃圾研磨1 min耗电0.022 kW·h。样机旋转时，其声音与洗衣机声音差不多，隔音效果较好。

3 结束语

目前，该系统已在家庭中使用。它具备处理垃圾能力强、使用方便、噪声小、节能环保等特点，能够实现对食物垃圾的低成本、无害化处理，同时，减轻了食物垃圾的处理负担，减少送往垃圾堆填埋区或焚烧的食物垃圾和垃圾胶袋，从而减轻了垃圾填埋和焚烧的负担，降低了相关成本，达到了环保的要求，符合国家倡导的减量化、资源化、无害化的垃圾治理方针。

参考文献

[1]王均奇，施国庆.我国城市生活垃圾产业的发展现状与对策研究[J].生产力研究，2007（1）.

[2]李舜酩.机械疲劳与可靠性设计[M].北京：科学出版社，2007.

[3]赵欣，田宇，汤建化，等.我国生活垃圾处理现状分析与技术发展方向研究[J].轻工科技，2008，24（7）.

〔编辑：白洁〕