家用食物垃圾自动分选处理装置大作业

-5-机械原理大作业-项目方案及初步研究项目名称项目负责人作业序号学号联系电话任课老师机械原理课程组2024年2月填写须知本大作业为小组作业，每个小组不应超过3个人；本次作业成绩为三人的平均成绩，组长在表中要填写每人的贡献系数，以体现各人工作量，3个系数平均数应为1；填表字体用小四号宋体，1.5倍行距；项目内容应为机械装置，以体现对机械原理综合知识的运用；作业完成后，电子版网上提交，纸质版交给任课老师项目名称项目负责人姓名学号作业序号工作量系数签字成绩项目成员备注：工作量系数最大不应超过1.1，且平均为1项目提出背景（300字）随着生活水平的提高,家庭厨余垃圾产生量不断增加。据统计,我国城市居民家庭厨余垃圾占生活垃圾总量的30%~50%。厨余垃圾含水量高,极易腐烂发臭,给收集和处理带来困难。目前,大部分家庭厨余垃圾与其他生活垃圾混合投放,增加了垃圾处理的成本和环境负荷。虽然部分城市开始推行厨余垃圾分类投放,但受限于居民分类意识和习惯,实际参与率不高。同时,集中式厨余垃圾处理设施建设滞后,运营成本高,难以满足日益增长的处理需求。因此,亟需一种家用食物垃圾就地处理方案,实现垃圾的减量化、资源化、无害化处理。本项目拟设计一款创新的家用食物垃圾处理装置,既方便居民使用,又能充分发挥厨余垃圾的资源价值,为解决城市垃圾问题贡献力量。项目主要研究内容及目的（1000字）本项目拟研究设计一款家用食物垃圾自动分选处理装置。该装置可自动将家庭厨余垃圾分选为可发酵和不可发酵两类,可发酵部分经过高温好氧发酵,转化为有机肥料;不可发酵部分经过破碎压缩,减小体积并脱水,方便后续统一收集处理。主要研究内容包括:进料及分选机构设计。采用螺旋输送方式,将厨余垃圾自动输送入设备内部。利用近红外光谱技术,对垃圾成分进行快速无损检测,结合气动机构,将可发酵垃圾和其他垃圾分拣到不同容器中。重点攻克在湿腐环境下的材料识别和分选控制技术。发酵罐设计。针对家庭厨余垃圾"量少、杂质多"的特点,设计一种小型高效的好氧发酵装置。采用加热保温、强制通风等措施,优化发酵罐的结构和参数,实现物料的均匀搅拌和快速发酵。同时,研究发酵过程的自动检测与反馈控制策略。压缩脱水装置设计。针对分选后的不可发酵垃圾,设计compact压缩脱水机构,通过多级压榨和挤压脱水,最大限度减小垃圾的体积和含水率。优化压缩腔的排布方式,实现压缩过程的高效传力。研究自适应压力控制方法,确保在不同含水率下的稳定脱水效果。系统集成与智能控制。综合考虑进料、分选、发酵、压缩等各功能模块,优化系统布局和连接方式,实现紧凑集成。采用PLC控制,结合传感器实时监测各工艺参数,实现全流程的自动化智能控制,并提供人机交互界面,方便用户操作和维护。产品结构和外观设计。在满足各项技术要求的同时,兼顾产品的美观性和家用场景的适配性,进行外观造型和人机工程设计。采用环保耐用的材料,合理设计内部结构布局,确保产品安全可靠。本项目的目的是研制出一款技术先进、安全高效、经济实用的家用食物垃圾处理装置。通过该装置,可实现家庭厨余垃圾的自动分类、减量化和资源化处理,最大限度发挥垃圾的资源价值。用户只需将厨余垃圾投入装置,即可便捷地完成垃圾处理,免去分类投放的困扰。同时,装置产生的有机肥料可用于家庭园艺养护,压缩脱水后的垃圾也更利于后续集中处理。从源头实现垃圾减量,可有效缓解城市垃圾处理压力,降低处理成本。本项目的研究成果,将为推动城市垃圾分类和资源化利用提供新的解决方案,具有良好的环保和社会效益。项目创新点，有何创新机构1.集成化设计理念。将垃圾分选、发酵、压缩等多个功能集成于一体,用一台设备实现全流程自动化处理,避免二次污染。模块化设计,布局紧凑,适合家庭使用。2.智能分选新方法。创新采用近红外光谱技术,对垃圾成分进行快速无损识别。结合气动驱动的分选机构,在狭小湿腐空间内实现精准分拣,且分选过程密闭无污染。3.高效好氧发酵。针对家庭厨余垃圾特性,优化设计小型高效好氧发酵装置。采用加热、翻抛、通风等措施,促进垃圾充分发酵,缩短处理周期。自动反馈控制,确保发酵效果。4.自适应压缩脱水。采用创新的多级压榨与挤压脱水相结合的压缩机构,通过合理布置压缩腔型,显著提高压缩传力效率。压力自适应控制,始终获得最优脱水效果。项目所提出装置的机构运动简图，及自由度计算进料口|螺旋输送机构-自由度:1|分选机构(平移+旋转)-自由度:2||压缩机构发酵罐||脱水机构搅拌机构-自由度:1||出料口出料口整个系统的自由度计算如下:螺旋输送机构:1个自由度(旋转运动)分选机构:2个自由度(平移运动+旋转运动)压缩机构:1个自由度(直线往复运动)脱水机构:1个自由度(旋转运动)搅拌机构:1个自由度(旋转运动)总自由度=1+2+1+1+1=6机构的结构分析该食物垃圾处理装置主要由以下几个机构模块组成:(1)螺旋输送机构:由电机驱动,通过螺旋叶片将垃圾从进料口输送到分选位置。(2)分选机构:采用气动平移和旋转驱动,配合近红外光谱传感器,将可发酵垃圾和其他垃圾分拣到不同容器中。(3)压缩机构:由液压缸驱动,通过多级压榨和挤压,将不可发酵垃圾压缩并脱水。(4)发酵罐:带有加热和通风装置,为可发酵垃圾提供适宜环境,内部设有搅拌机构,实现物料均匀发酵。(5)脱水机构:通过旋转甩干的方式,进一步脱除压缩后垃圾的水分。各机构通过合理的空间布局和传动连接,实现了紧凑集成和协同工作。机构的运动分析（速度，加速度）以下是主要机构的运动参数分析:(1)螺旋输送机构:螺旋叶片转速:60rpm输送线速度:0.5m/s输送加速度:0.1m/s^2(2)分选机构:平移速度:0.2m/s平移加速度:0.5m/s^2旋转速度:180°/s旋转加速度:60°/s^2(3)压缩机构:压缩行程:200mm压缩速度:10mm/s压缩加速度:0.2m/s^2(4)发酵罐搅拌机构:搅拌转速:30rpm搅拌叶片线速度:0.5m/s搅拌加速度:0.1m/s^2(5)脱水机构:旋转速度:1000rpm旋转加速度:10rad/s^2机械装置三维模型图片（模型文件作为附件提供）完成本项目需要的经费预算材料费用:不锈钢板材(箱体、架构等):5000元塑料原料(管道、容器等):2000元电机、气缸、液压件等驱动元件:10000元近红外光谱传感器及其他传感器:5000元加热、通风、搅拌等装置:3000元紧固件、密封件等标准件:1000元总计:26000元加工制造费用:钣金加工(切割、折弯、焊接等):10000元机加工(车、铣、钻等):8000元3D打印及快速成型:5000元表面处理(抛光、电镀、喷涂等):3000元总计:26000元控制系统费用:PLC控制器及模块:5000元人机界面(触摸屏等):2000元电气元件(开关、接触器、继电器等):3000元电缆、接插件等辅材:1000元总计:11000元设计与测试费用:机构设计与仿真分析:10000元电气与控制系统设计:8000元工业设计(外观、人机工程等):5000元样机制作与性能测试:15000元总计:38000元其他费用:专利申请及知识产权保护:10000元市场调研与推广:5000元不可预见费用(预留10%):10000元总计:25000元项目总预算=材料费用+加工制造费用+控制系统费用+设计与测试费用+其他费用=26000+26000+11000+38000+25000=126000元进行本项目时，各小组成员的分工及安排参考文献[1]陈俊,王海鹏.生活垃圾处理工程[M].北京:化学工业出版社,2016.ChenJ,WangHP.MunicipalSolidWasteTreatmentEngineering[M].Beijing:ChemicalIndustryPress,2016.[2]李娜,张伟.家用厨余垃圾处理装置的研究与设计[J].环境卫生工程,2019,27(4):22-25.LiN,ZhangW.Researchanddesignofhouseholdfoodwastedisposaldevice[J].EnvironmentalSanitationEngineering,2019,27(4):22-25.[3]刘鹏,张雷,等.一种新型厨余垃圾自动分类处理系统:中国,CN201910*****.9[P].2019-08-06.LiuP,ZhangL,etal.Anovelautomaticsortingandtreatmentsystemforfoodwaste:China,CN201910*****.9[P].2019-08-06.[4]ParitoshK,KushwahaSK,YadavM,etal.Foodwastetoenergy:anoverviewofsustainableapproachesforfoodwastemanagementandnutrientrecycling[J].BioMedresearchinternational,2017,2017.[5]KimJD,ParkJS,InBH,etal.Evaluationofpilot-scalein-vesselcompostingforfoodwastetreatment[J].JournalofHazardousMaterials,2008,154(1-3):272-277.[6]国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.家用和类似用途厨余垃圾处理装置:GB/T37263-2018[S].北京:中国标准出版社,2018.StateAdministrationforMarketRegulation,StandardizationAdministrationofChina.Householdandsimilarfoodwastedisposers:GB/T37263-2018[S].Beijing:StandardsPressofChina,2018.[7]杨艳,王春华,王盛杰.经典机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2015.YangY,WangCH,WangSJ.ClassicalMechanicalDesignHandbook[M].Beijing:ChinaMachinePress,2015.[8]BayerR,KynastM,HumeleS.Sortingsystemsforfoodwastetreatmentinmunicipalities[C]//InternationalConferenceonSolidWasteManagement.Springer,Singapore,2016:317-325.[9]孙永明.机械原理与机械设计[M].北京:科学出版社,2018.SunYM.MechanismandMachineDesign[M].Be