屆畢業(yè)設(shè)計
新型好氧堆肥裝置的設(shè)計
學(xué)生姓名
學(xué) 號
所屬學(xué)院
專 業(yè)
班 級
指導(dǎo)老師
日 期
機(jī)械電氣化工程學(xué)院制
前 言
新型好氧堆肥裝置是一種實用新型涉及農(nóng)業(yè)有機(jī)肥的制備技術(shù)，具體是利用作物莖桿等農(nóng)業(yè)廢料堆制農(nóng)業(yè)有機(jī)肥的有機(jī)肥堆肥裝置。該裝置包括有一個可封閉的容器，在容器內(nèi)分層排布有多根相互連通的布?xì)夤?，布?xì)夤苌吓挪加卸鄠€排氣孔；布?xì)夤艿目傔M(jìn)氣口與容器外部的進(jìn)排氣管道連接，本實用新型的裝置其發(fā)酵溫度與氣體可以控制、發(fā)酵速度快、勞動強(qiáng)度低、可以選擇進(jìn)行進(jìn)行厭氧發(fā)酵與有氧發(fā)酵。利用ANSYS軟件對裝置攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力仿真，計算出裝置的使用壽命與危險區(qū)域處于槳葉與攪拌軸的連接處，在實際加工過程中對相應(yīng)部位進(jìn)行加固處理，降低危險區(qū)域。
關(guān)鍵詞：好氧堆肥；布?xì)夤?；仿?
目 錄
1 概述 1
1.1 本課題來源及研究的目的和意義 1
1.2 本課題所涉及的問題在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 1
2 堆肥裝置的主要結(jié)構(gòu)及工作原理 2
2.1 堆肥裝置的主要結(jié)構(gòu) 2
2.2 裝置工作原理 2
3 新型好氧堆肥裝置的設(shè)計 3
3.1 裝置倉體的設(shè)計 3
3.2 攪拌軸及攪拌槳的設(shè)計 3
3.3 基于有限元對攪拌軸進(jìn)行仿真分析 4
4 傳動部分的設(shè)計 8
4.1 電動機(jī)機(jī)選擇 8
4.2 電動機(jī)支架的設(shè)計 9
4.3 減速器的選擇 10
4.4 減速器支架的設(shè)計 10
4.5 帶輪的設(shè)計 11
4.6 風(fēng)機(jī)的選擇 13
4.7 其他零件的選擇 14
總結(jié) 15
致謝 16
參考文獻(xiàn) 17
工程概況
本文首先介紹了國內(nèi)外堆肥技術(shù)的現(xiàn)狀及所需解決的問題，描述了新型好氧堆肥的生化反應(yīng)機(jī)理，將堆肥過程所需的外部條件都說明了一下。隨后，就新型好氧堆肥的工作原理，基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。重點講述的是新型好氧堆肥裝置的反應(yīng)倉體機(jī)架的設(shè)計和攪拌軸槳葉的設(shè)計計算和有限元仿真分析，其次就是大小帶輪的設(shè)計計算和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇。
·
1 概述
1.1 本課題來源及研究的目的和意義
隨著城市人口急劇增加，中國每年有大量的有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)生，主要種類包括畜禽糞便、作物秸稈、污泥和城市垃圾等。這些有機(jī)固體廢棄物很大一部分沒有得到妥善處理，對中國城鄉(xiāng)環(huán)境正形成巨大的壓力。而近年來，各地環(huán)境日趨嚴(yán)峻，這些廢棄物的處理問題越來越引起人們的重視，如何有效的利用這些廢物使之變廢為寶成為現(xiàn)在首要解決的問題。
隨之就出現(xiàn)了堆肥技術(shù)。即在受控制條件下， 利用微生物的作用和酶活性加速有機(jī)物的生物降解和轉(zhuǎn)化,最終使有機(jī)物達(dá)到腐熟化和穩(wěn)定化的過程。堆肥一般采用在好氧條件下，利用微生物將污泥中的有機(jī)質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)的過程，并殺滅其中的病原微生物和寄生蟲。
堆肥過程不僅可以減少有機(jī)固體廢棄物的體積、重量、臭味, 殺滅病原菌、蟲卵、植物種子等，同時會產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)[2]。生產(chǎn)出來的堆肥品， 可以作為土壤調(diào)理劑和植物營養(yǎng)源,，能有效地改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，是一種無害化、減量化和穩(wěn)定化的綜合處理技術(shù)。好氧堆肥是實現(xiàn)城市污泥無害化、減量化和資源化的有效方法，處理后的污泥垃圾進(jìn)行土地利用是很有前景的一種處理方式[1]。
1.2 本課題所涉及的問題在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
目前，堆肥處理存在很多問題，主要包括：調(diào)理劑添加過多、堆肥效率低、能耗較大、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、污泥堆肥施用量確定不科學(xué)等[1]。在中國,囿于當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀,高度機(jī)械化、自動化的堆肥設(shè)備成本太高,不符合中國的國情。所以要在中國發(fā)展堆肥產(chǎn)業(yè)和堆肥技術(shù),就必須去尋找一個成本較低、操作方便、維護(hù)性較好、真正適合中國國情的堆肥工藝和技術(shù)[6]。
目前國內(nèi)外研究的好氧堆肥裝置大都采用進(jìn)料、攪拌、通氣、出料同時進(jìn)行的高效發(fā)酵裝置,其核心是好氧發(fā)酵倉。發(fā)酵倉按形狀可分為塔式發(fā)酵設(shè)備、水平式發(fā)酵滾筒、料倉式發(fā)酵裝置、條垛式發(fā)酵設(shè)備、組合型發(fā)酵系統(tǒng)等。但是,高溫好氧堆肥裝置相關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)十分有限。
在國外,堆肥技術(shù)正在向著機(jī)械化、自動化的方向發(fā)展,而為了防止對環(huán)境的二次污染,堆肥也趨向于采用密閉的發(fā)酵倉方式[6]。成熟的技術(shù)堆肥方法主要有5種，即定期翻堆條垛式、通風(fēng)靜態(tài)垛式、被動通風(fēng)條垛式、反應(yīng)器式和蠕蟲堆肥系統(tǒng)[4]。根據(jù)攪拌過程的不同分槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、推進(jìn)式攪拌器、錨式攪拌器、框式攪拌器、螺帶式攪拌器、螺桿式攪拌器、圓盤鋸齒式攪拌器等等。
目前，國外垃圾堆肥廠數(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，應(yīng)用最廣的是機(jī)械生物技術(shù)（MBT)。河北省高碑店市的垃圾處理即采用德國先進(jìn)的MBT主體技術(shù)，對垃圾進(jìn)行機(jī)械分揀、生物處理和后處理，產(chǎn)生生物穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)物，設(shè)計每年可處理城市生活垃圾4萬余噸[5]。
有關(guān)堆肥技術(shù)的研究目前仍是國內(nèi)外的熱門課題,不斷改進(jìn)堆肥工藝、設(shè)備、降低經(jīng)濟(jì)成本、提高堆肥成品質(zhì)量是研究者們研究的主要方向。
2 堆肥裝置的主要結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1 堆肥裝置的主要結(jié)構(gòu)
堆肥裝置如圖2-1主要包括部分、動力部分、傳動部分及爆汽、布水和取料等部分。其主要結(jié)構(gòu)有反應(yīng)倉體及機(jī)架、攪拌機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)以及感應(yīng)裝置。其中倉體的作用是堆肥。堆肥過程中堆體需要一定的濕度、溫度、水和空氣。反應(yīng)釜外形設(shè)置為圓筒形，結(jié)合好氧堆肥工藝對發(fā)酵倉的具體尺寸進(jìn)行設(shè)計，堆肥工藝為強(qiáng)制曝氣有攪拌好氧堆肥，堆肥物料在反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)攪拌槳葉的翻堆，由入料、中溫高溫發(fā)酵后、出料，形成有機(jī)肥料。
1. 電機(jī)；2.可編程控制器；3.減速器；4.風(fēng)機(jī)；5.倉體；6.攪拌軸；7.槳葉；8.布水孔；
9. 傳感器；10.出料口；11.皮帶輪；12.聯(lián)軸器；13.軸套；14.進(jìn)料口；15.電滑環(huán)
圖2-1 新型好氧堆肥裝置簡圖
2.2 裝置工作原理
倉體內(nèi)有攪拌軸及槳葉，溫度和濕度感應(yīng)器分布于槳葉內(nèi)，感應(yīng)堆體溫度及濕度變化并將數(shù)據(jù)傳到倉體外的感應(yīng)裝置，感應(yīng)裝置的核心是可編程控制器（PLC），負(fù)責(zé)接收感應(yīng)器傳出的信號并且翻譯再將信號發(fā)給相應(yīng)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再發(fā)出相應(yīng)的指令。
傳動系統(tǒng)由攪拌軸、減速器、帶輪和電機(jī)構(gòu)成。攪拌軸裝在倉體內(nèi)部，主要作用是攪拌，在堆肥過程中，堆肥化過程常分為兩個階段，第一階段是高速階段,第二階段是熟化階段。高速階段的特征是耗氧速率高、溫度高、揮發(fā)性有機(jī)物降解速率高和很濃的臭味，所以在這個階段需要經(jīng)常攪拌保證堆體有充足的氧氣進(jìn)行生化反應(yīng)，同時散去過高的溫度，讓堆體的壞境有利于好氧菌的生存和發(fā)酵。熟化階段的特征則是溫度低、耗氧速率低和很淡的臭味，這時候就可以減少攪拌次數(shù)，以免造成溫度過低也不利于好氧菌的發(fā)酵和生存。
為了保證堆體各部分發(fā)酵的均勻性，需要定期對堆體進(jìn)行攪拌，在攪拌的同時還要布水，布水孔就分布在攪拌軸上的槳葉內(nèi)，一邊攪拌一邊布水。倉體外部有機(jī)架，用來放置減速器、電機(jī) 及其他零部件。
動力裝置是電機(jī)，電機(jī)與減速器之間用皮帶傳動，減速器的輸出軸端與攪拌軸相連。
3 新型好氧堆肥裝置的設(shè)計
3.1 裝置倉體的設(shè)計
堆肥裝置倉體如圖3-1采用過共晶白口鐵組成，桶底直徑約500mm左右，桶頂上沿部分開有入料口，底面部分設(shè)有出料口，物料填充率為80%，有效容積為45L左右，攪拌軸轉(zhuǎn)速為2r/min，桶外壁可附裝聚異丙烯保溫層，厚度為100mm，能實現(xiàn)低溫環(huán)境下的溫度保持。
桶內(nèi)攪拌軸槳葉采用鍍鋅四分管，具有較好的抗腐蝕性，管內(nèi)設(shè)有向下曝氣孔與溫度傳感器。槳葉與空心軸通過四通接口進(jìn)行螺紋鉸接，空心攪拌軸下方通過電滑環(huán)與筒體相連，電滑環(huán)負(fù)責(zé)對溫度傳感器與PLC之間的信息交互。
曝氣裝置采用風(fēng)機(jī)通過套筒與空心攪拌軸進(jìn)行連接，密封軸承過盈配合在套筒與軸之間，軸上設(shè)有氣孔，風(fēng)機(jī)氣體通過氣孔進(jìn)行曝氣。連接電機(jī)與空心軸的減速機(jī)選用1：80蝸輪減速機(jī)。
溫度傳感器將信號通過電滑環(huán)傳至PLC中，PLC將信號進(jìn)行處理，控制電機(jī)與風(fēng)機(jī)的啟停，風(fēng)機(jī)通過空心軸將氣體從槳葉下方的曝氣孔排出，進(jìn)行內(nèi)部曝氣，電機(jī)帶動減速機(jī)進(jìn)行攪拌操作。
倉體上方焊接有機(jī)架，用于組裝減速器，電動機(jī)。
圖3-1 倉體
在倉體的上下兩端分別開有兩個直徑60mm的孔，用于安裝軸承，下端機(jī)架用于安裝減速器和電動機(jī)。
3.2 攪拌軸及攪拌槳的設(shè)計
攪拌軸設(shè)計如圖3-2為空心軸，軸內(nèi)需要安裝傳感器，將堆體的溫度濕度傳到控制系統(tǒng)。
空心攪拌主軸上連接有空心槳葉，空心槳葉兩兩間隔90°，分上下兩層，兩層之間設(shè)有中部測溫裝置，槳葉下端設(shè)有曝氣孔，漿內(nèi)可設(shè)置傳感器。槳葉材質(zhì)選用自來水供給管道所用的鍍鋅四分管，其表面光滑，便于攪拌。
攪拌器的主要作用為在堆肥的過程中進(jìn)行物料翻堆和物料的混合均勻。在好氧堆肥化進(jìn)程中,對堆體物料的翻堆，不僅有助于堆體物料氧氣通透均勻，而且有助于中間局部高溫降溫。攪拌裝置的合理設(shè)計可有助于堆肥順利進(jìn)行。
攪拌形式的確定根據(jù)實際生產(chǎn)要求，初步設(shè)定攪拌器為兩層攪拌，攪拌器直徑D取標(biāo)準(zhǔn)值,即攪拌容器直徑的三分之一：D= 500mm/3≈167mm，底間距與攪拌容器內(nèi)徑比值一般在0. 05～ 0. 3范圍內(nèi)選取即攪拌軸距堆肥倉體的底高度有：C=(0. 05～ 0. 3)D= 0. 1～ 0. 6m?？紤]到實際生產(chǎn)中容器底部將會有0. 3m厚的沉積物,C值不能太??；C值太大攪拌效果不足,結(jié)合實際情況取C= 50mm對于雙層攪拌器,攪拌器層間距Sp=(0. 5～ 2)D= 取Sp= 220mm。
在攪拌設(shè)備設(shè)計中，采用懸臂軸結(jié)構(gòu),以解決在采用底軸承和中間軸承結(jié)構(gòu)時帶來的安裝檢修困難、對中麻煩、在有磨損性顆粒物料時造成軸承磨損、堵住咬死等問題。國內(nèi)外攪拌設(shè)備也大量采用這種結(jié)構(gòu)[3]。
圖3-2 攪拌軸及槳葉
3.3 基于有限元對攪拌軸進(jìn)行仿真分析
（1) 有限元概述
達(dá)朗貝爾原理指出，對處于運(yùn)動狀態(tài)的非平衡質(zhì)點系，如果在每個質(zhì)點上加上慣性力，則該質(zhì)點系所受到的所有主動力、約束力和慣性力組成平衡系統(tǒng)。其中，所加的慣性力與質(zhì)點的質(zhì)量和運(yùn)動的加速度成正比，其方向與加速度方向相反。達(dá)朗貝爾原理提出了解決質(zhì)點系動力學(xué)問題的一個方法，對結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)分析，也應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理建立基本方程。
有限元法是一種適用性很強(qiáng)的數(shù)值計算方法，可用于求解多種類型的代數(shù)方程組或常微分方程。有限元法是隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的。
有限元法的具體做法是，先將整體假想的劃分成多個小單元，各單元通過節(jié)點連在一起每個單元都用節(jié)點未知量通過插值函數(shù)來近似得表示單元內(nèi)部的各種物理量，并使其在單元內(nèi)部滿足該問題的控制方程，從而可將各單元對整體的影響通過單元的節(jié)點傳遞；然后再將這些單元組裝成一個整體，并使他們滿足整個物體的邊界條件和連續(xù)條件，得到一組有關(guān)節(jié)點未知量的聯(lián)立方程，解出方程后，再用插值函數(shù)和有關(guān)公式就可以求得物體內(nèi)部各點所要求的各種物理量。
與傳統(tǒng)方法相比，有限元法不受物體幾何形狀限制，適應(yīng)各種各樣的工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜集合形狀，能處理許多物體內(nèi)部帶有間斷性的復(fù)雜問題，還可以適應(yīng)不連續(xù)的邊界條件和載荷條件。由于有限元分析的各個步驟可以表示成規(guī)范化的矩陣形式，最后導(dǎo)致求解方程可以統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的矩陣代數(shù)問題，所以特別適用計算機(jī)的編程和執(zhí)行。
（2）結(jié)構(gòu)裝置有限元分析
利用有限元軟件ANSYS分析攪拌裝置主要分前處理、求解計算、后處理三大部分。
前處理的任務(wù)是建立結(jié)構(gòu)的幾何模型，通過對幾何模型劃分單元實現(xiàn)從幾何模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換，如圖3-3將攪拌軸的幾何模型通過單元劃分轉(zhuǎn)換成有限元模型。
圖3-3 攪拌軸單元化
前處理后是求解計算部分，動力學(xué)可以進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析等。同時該部分需要設(shè)置的參數(shù)等與靜力學(xué)有著較大的差異，特別是有關(guān)頻率、載荷時間等。
在求解計算過程中結(jié)構(gòu)失效最常見的原因是疲勞，為了在設(shè)計階段預(yù)先研究零件的預(yù)期疲勞程度，通過靜疲勞理論和震動疲勞理論進(jìn)行分析。
攪拌軸在堆體受力情況經(jīng)測量如表3-1所示：
表3-1 攪拌軸在堆體內(nèi)受力情況
序 號
深度10cm
深度 20cm
深度 30cm
G(N)
平均值
F(N)
平均值
1
2
3
4
5
1
2
3
12.5
14.5
13.5
15
13
13.7
9.5
9
9
9.17
28.5
17
24
23
25
25.13
12
13
15
13.33
45
42
38
37
40
40.4
25
26
26
25.67
（3）靜疲勞理論
材料力學(xué)是根據(jù)靜力實驗來確定材料的力學(xué)性能，（比如彈性極限，屈服極限，強(qiáng)度極限）的，這些力學(xué)性能沒有充分反映材料在交變應(yīng)力作用下的特性。因此在交變載荷作用下工作的零件或結(jié)構(gòu)，如果還是按靜載荷設(shè)計，在使用過程中往往就會發(fā)生突如其來的破壞。靜疲勞破壞與傳統(tǒng)的靜力破壞有許多本質(zhì)區(qū)別。
靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞：疲勞破壞是多次反復(fù)載荷作用下的破壞，他不是短期發(fā)生的，而是要經(jīng)歷一定的時間，甚至長時間才會發(fā)生破壞。
當(dāng)屈服極限大于靜應(yīng)力，或者強(qiáng)度極限大于靜應(yīng)力時，靜力破壞不會發(fā)生；靜強(qiáng)度極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交變應(yīng)力，或者屈服極限大于變應(yīng)力是才會發(fā)生疲勞破壞
靜應(yīng)力在產(chǎn)生的時候有明顯的塑性的變形產(chǎn)生，例如：疲勞破壞的隱蔽性通常處于事先不易察覺的非宏觀的不顯著塑性變形區(qū)域，所以靜力破壞具有巨大的危險性。
結(jié)構(gòu)所受到的動態(tài)交變載荷的振動頻率與結(jié)構(gòu)本身具有的固定頻率相近或者相同，從
而使結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生疲勞的現(xiàn)象，只有共振區(qū)域內(nèi)或者附近的所收到的共振疲勞稱為振動疲勞破壞。
疲勞壽命是結(jié)構(gòu)對疲勞破壞強(qiáng)度抵抗能力的表示，同靜力載荷一次作用逐級上升不同，疲勞載荷引發(fā)的疲勞應(yīng)力是方向不定的，次數(shù)變化的循環(huán)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)在疲勞應(yīng)力的作用下不斷磨損，產(chǎn)生裂紋與損傷，所承受的應(yīng)力次數(shù)n為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
求解的過程中，ANSYS默認(rèn)的類型是靜力學(xué)求解，根據(jù)表3-1定義載荷，然后求解。
（4） 后處理
在后處理部分大多數(shù)動力學(xué)響應(yīng)的處理和顯示需要在時間歷程處理器里完成。通過動力學(xué)分析，可以得到節(jié)點的位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變等參量的時間函數(shù)，也可以得到節(jié)點的頻率響應(yīng)函數(shù)，還可以進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)計算得到新函數(shù)。
通過前期設(shè)定的參數(shù)對裝置進(jìn)行求解，得攪拌軸帶槳葉的應(yīng)力分析云圖如圖3-4和應(yīng)變分析云圖如圖3-5和攪拌軸總變形分析云圖如圖3-6。
圖3-4 攪拌軸帶槳葉的應(yīng)力分析云圖
圖3-5 攪拌軸帶槳葉的應(yīng)變分析云圖
圖3-6 攪拌軸帶槳葉總變形分析云圖
由總云圖可以看出槳葉的形變與初始狀態(tài)相比，向下彎曲了0.00054035mm，且形變量隨著與攪拌軸的距離的增加而增加，但是攪拌軸的形變處于設(shè)計安全范圍之內(nèi)。
（5）危險區(qū)域的預(yù)防與處理
空心攪拌軸與空心槳葉施加載荷的作用下2.3851e-5mm的形變，大小可以忽略不計，材料連接完全滿足堆肥需要，應(yīng)力分析云圖中槳葉與軸的連接部分至其向外延伸25mm處，應(yīng)力變化明顯，這一區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變也較為顯著，參考平均應(yīng)力修正理論，在槳葉與軸連接部位進(jìn)行加厚加固處理能提高安全系數(shù)并增加使用壽命，原始機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)。
危險區(qū)域經(jīng)過處理應(yīng)力形變下降了50%，處理后裝置總變形分析云圖如圖3-7。槳葉末端與攪拌軸的連接處增加抗疲勞處理后，各項數(shù)據(jù)同樣滿足堆肥裝置攪拌強(qiáng)度要求，原始機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)。
圖3-7 處理后裝置總變形分布云圖
4 傳動部分的設(shè)計
4.1 電動機(jī)機(jī)選擇
根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。
根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8~0.9。過大的備用功率回事電機(jī)效率降低，對于感應(yīng)電機(jī)，其功率因數(shù)將變壞，并使按電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)械造價提高。
根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因數(shù)的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。
除此之外，選擇電動機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、以及價格、運(yùn)行和維修費(fèi)用、生產(chǎn)過程中前后期電動機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。
選擇符合該裝置要求規(guī)格、功能完備的電動機(jī)是提高裝置的可靠性與經(jīng)濟(jì)效益的重要因素， 根據(jù)槳型和裝置特性,確定各層槳功率準(zhǔn)數(shù),再用各層槳功率準(zhǔn)數(shù)、槳徑、轉(zhuǎn)速及物料密度計算各層槳軸功率,計算各層槳軸功率之和,同時將傳動系統(tǒng)效率、電機(jī)儲備系數(shù)考慮在內(nèi),即可確定攪拌裝置電機(jī)功率。
課題所設(shè)計的攪拌軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為2r/min，取減速器的傳動比為i減=80，帶輪的傳動比為i帶=4，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速，取轉(zhuǎn)速為940r/min，根據(jù)攪拌軸在堆體的受力情況如表4-1
表4-1 攪拌軸在堆體的受力情況
深度(N)
重力（N）
摩擦力（N）
200
400
600
24.5
67.62
110.88
10.3
25.7
59.8
因為攪拌軸的摩擦力和重力都需要消耗功率，由上表數(shù)據(jù)得，在扭轉(zhuǎn)過程中T=M，而攪拌軸的
M=FR (4-1)
G=mg (4-2)
由此求得攪拌軸整體轉(zhuǎn)動所需的扭矩為22N·m，
(4-3)
得電機(jī)的功率為2.17kw，故選擇同步轉(zhuǎn)速為1000，額定功率為2.2kw的電動機(jī)。
4.2 電動機(jī)支架的設(shè)計
電動機(jī)選型后安裝在堆肥倉機(jī)架上時需要專門的支架如圖4-1（a）、（b），然后再用用螺栓固定。
圖4-1 （a） 圖4-1(b)
圖4-1 電機(jī)支架圖
4.3 減速器的選擇
根據(jù)減速器的傳動及結(jié)構(gòu)特點可分為五大類：齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、行星齒輪減速器、擺線齒輪減速器、諧波齒輪減速器。
減速器是原動機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的獨立的閉式傳動裝置，是機(jī)械傳動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的傳動部件之一，主要用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩在標(biāo)準(zhǔn)系列化的減速器中，規(guī)定了主要的尺寸、參數(shù)值和適用條件，我們可根據(jù)減速器工作條件和參數(shù)進(jìn)行選擇，絕大部分情況下可不必自行設(shè)計，從而大大減少了制造周期和成本，且提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。
選用減速器時應(yīng)從工作機(jī)的選用條件動力機(jī)的性能，技術(shù)參數(shù)以及經(jīng)濟(jì)性因素等方面考慮；比較不同類型、品種的減速器外型尺寸，承載能力，減速比，傳動效率，價格等參數(shù)隸屬用戶需求的程度，進(jìn)而選擇較為合適的減速器型號。
減速器型號，通常情況這個過程依靠人為的查詢機(jī)械設(shè)計手冊先初選減速器型號，然后驗算選取的減速器的型號是否符合初選要求。
按減速機(jī)輸出軸傳遞功率和轉(zhuǎn)數(shù)計算減速機(jī)輸出軸扭矩，按攪拌軸、攪拌槳自重及攪拌軸所受偏心力，計算減速機(jī)輸出軸軸向力、徑向力，由上述兩項結(jié)果選擇減速機(jī)。
由整體裝置可知所選減速器應(yīng)具有較大的減速比，所以選擇蝸輪蝸桿減速器。
4.4 減速器支架的設(shè)計
減速器選型后安裝在堆肥倉機(jī)架上時需要專門的支架，用螺栓固定。由于減速器輸出軸需要與攪拌軸鏈接，減速器的尺寸過小，所以在減速器與支架的中間需要加一塊墊板，然后再用螺栓固定。
減速器支架與墊板如圖4-2、圖4-3。
圖4-2 減速器支架圖
圖4-3 墊板圖
4.5 帶輪的設(shè)計
已知裝置電機(jī)功率為，轉(zhuǎn)速，傳動比，每天工作小于8小時。
（1）確定計算功率P
由《機(jī)械設(shè)計》第九版表8-8查的工作情況系數(shù)，故
(4-4)
（2）選擇V帶的帶型
根據(jù)、由《機(jī)械設(shè)計》第九版圖8-11選用Z型。
（3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗算帶速
初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑。由《機(jī)械設(shè)計》第九版表8-7和表8-9，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑。
驗算帶速，按式π驗算帶的速度
π= (4-5)
計算大帶輪基準(zhǔn)直徑
(4-6)
得大帶輪的直徑為，取標(biāo)準(zhǔn)值為
（4）確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長度
根據(jù)式
(4-7)
初定中心距。
計算帶所需的基準(zhǔn)長度
(4-8)
選帶的基準(zhǔn)長度。
計算實際中心距。
(4-9)
（5）計算帶的根數(shù)。
計算單根V帶的額定功率。
由和，查《機(jī)械設(shè)計》第九版表8-4得。
根據(jù)，和Z型帶，查《機(jī)械設(shè)計》第九版表8-5得。查《機(jī)械設(shè)計》第九版表8-6得，表8-2得，于是
(4-10)
得
計算V帶的根數(shù)。
(4-11)
取3根。
（6）計算單根V帶的初拉力
已知Z型帶的單位質(zhì)量，所以
(4-12)
得
（7）計算壓軸力
(4-13)
得
所以選用Z型普通V帶3根，帶基準(zhǔn)長度700mm。帶輪基準(zhǔn)直徑，，中心距控制在。單根帶初拉力。
大帶輪和小帶輪的三維效果如圖4-4和4-5。
圖4-4 小帶輪
圖4-5 大帶輪
4.6 風(fēng)機(jī)的選擇
在堆肥過程中,通風(fēng)的作用有一供氧。通風(fēng)可以為好氧微生物的活動提供足夠的氧氣，同時將積累在堆體中由于微生物呼吸作用釋放的二氧化碳吹出。濕的堆肥容易產(chǎn)生臭氣、滲濾液,招引蒼蠅,增加運(yùn)費(fèi)。所以，干化是堆肥化過程取得的重要收益。
為了滿足微生物種群的最適宜溫度范圍，控制過高溫度時，常需要增加空氣供應(yīng)以去除熱量，達(dá)到調(diào)節(jié)堆體溫度的目的。此外，通風(fēng)狀況會影響物料中氮的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響到氮損失、空氣污染等。含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與氧氣有著密切的關(guān)系，適宜的通風(fēng)供氧可以降低氮素?fù)p失和惡臭產(chǎn)生。
堆肥的通風(fēng)方式可分為自然通風(fēng)、翻堆、被動通風(fēng)、強(qiáng)制通風(fēng)等。
風(fēng)機(jī)按工作壓力大小分類有
風(fēng)扇標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)額定壓力范圍此風(fēng)機(jī)無機(jī)殼，又稱自由風(fēng)扇，常用于建筑物的通風(fēng)換氣。
（1） 通風(fēng)機(jī) 在設(shè)計條件下，額定壓力范圍為。通風(fēng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)機(jī)。空氣污染治理、通風(fēng)、空調(diào)等工程大多采用此類風(fēng)機(jī)。
（2） 鼓風(fēng)機(jī) 工作壓力范圍為。壓力較高，是污水處理曝氣工藝中常用的設(shè)備。
（3） 壓縮機(jī) 工作壓力范圍為，或氣體壓縮比大于3.5的風(fēng)機(jī)，如常用的空氣壓縮機(jī)。
所以堆肥裝置選擇的風(fēng)機(jī)是鼓風(fēng)機(jī)。
4.7 其他零件的選擇
（1）軸承的選擇
攪拌軸的兩端由軸承支撐，根據(jù)攪拌軸的直徑選擇的軸承是滾動軸6304 GB/T276—1994。
（2）螺栓的選擇
將電動機(jī)和電機(jī)支架固定在一起的螺栓選擇的是GB/T 5783 M10×40；將減速器與減速器支架固定在一起的螺栓選擇的是GB/T 5782 M8×55；將軸承座與倉體固定在一起的螺栓選擇的是GB/T 5783 M6×30。
（3）鍵的選擇
減速器軸與小帶輪之間鍵選擇的是GB/T 1096 鍵6×6×32；電動機(jī)軸與大帶輪之間鍵選擇的是GB/T 1096 鍵8×7×20。
17
總 結(jié)
為期三個月的畢業(yè)設(shè)計業(yè)已經(jīng)結(jié)束?；仡櫿麄€畢業(yè)設(shè)計過程，雖然充滿了困難與曲折，但卻讓我感到受益匪淺。本次畢業(yè)設(shè)計的課題是新型好氧堆肥裝置的設(shè)計。
通過此次畢業(yè)設(shè)計，我掌握了新型好氧堆肥裝置設(shè)計方法和步驟及認(rèn)識到了在設(shè)計過程中所要注意的問題，包括反應(yīng)倉通風(fēng)曝氣，布水及控制系統(tǒng)人機(jī)界面的相關(guān)知識。其中最重要的利用有限元軟件ANSYS對攪拌釜的仿真分析，同時也讓我接觸到了有限元法的相關(guān)知識，尤其是近年來有限元法與計算機(jī)的結(jié)合在工程應(yīng)用上的巨大價值。
在裝置的理論設(shè)計部分結(jié)束的時候裝置組裝也完成了，看著裝置我能直觀的了解新型好氧堆肥裝置各個零部件的工作情況，
總的來是說，這次設(shè)計使我在基本理論的綜合運(yùn)用以及正確解決實際問題方面得到依次較好的鍛煉，提高了我獨立思考問題、解決問題以及創(chuàng)新設(shè)計的能力，如果以后從事這方面工作，也能為我以后從事工程技術(shù)工作奠定了一個良好的基礎(chǔ)。同時也讓我了解目前我們這個專業(yè)所處的位置。
本次設(shè)計任務(wù)業(yè)已順利完成，但由于本人水平有限，缺乏經(jīng)驗，難免會留下一些遺憾，在此懇請各位老師不吝賜教。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計到這里就快要畫上句號了， 過去的三個多月雖然辛苦可卻非常充實。當(dāng)然能在最后階段懷著這種心情，心中要感謝的實在太多太多。 首先要感謝的是這次帶我畢業(yè)設(shè)計的導(dǎo)師周老師，周老師是一個做事比較講究效率的人，從開學(xué)到整個畢業(yè)設(shè)計結(jié)束，周老師把時間都規(guī)劃的很細(xì)致，每個時間段都有每個時間段的任務(wù)，這樣就相當(dāng)于把一個大目標(biāo)為我們分的很小很小，所以整個畢業(yè)設(shè)計過程我們都感覺比較輕松，同時，她教會了我們很多東西。
其次，我要感謝，在這次畢業(yè)設(shè)計期間對我有幫助的所有人，包括親愛王靜同學(xué)，還有其他師兄師姐，因為有了你們的幫助，讓我們在整個過程都一點都不枯燥，不會的可以討論，不懂的可以交流，Everybody把所知道的都是傾囊相授，一點都不保留，我想這對我們以后培養(yǎng)自己的團(tuán)隊合作精神是非常有幫助的，也正是因為這樣，我們才能順利的完成這次畢業(yè)設(shè)計。
再次我還要感謝大學(xué)所有的老師，正因為有了他們的兢兢業(yè)業(yè)，資深的專業(yè)素養(yǎng)，嚴(yán)格的要求，為我們在機(jī)械專業(yè)知識方面打下了堅實的基礎(chǔ)。
最后感謝塔里木大學(xué)這些年對我的大力栽培，因為母校這個平臺，鍛煉了我，同時也讓我學(xué)到了很多寶貴的經(jīng)驗，也正是因為有了母校，我得以認(rèn)識那么多對我人生有幫助的人，我想，帶著所有的這份充實，滿足，我一定能在機(jī)械這個行業(yè)走的更好、更遠(yuǎn)。
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1、本課題來源及研究的目的和意義。
隨著城市人口急劇增加，中國每年有大量的有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)生，主要種類包括畜
禽糞便、作物秸稈、污泥和城市垃圾等。這些有機(jī)固體廢棄物很大一部分沒有得到妥善處理，對中國城鄉(xiāng)環(huán)境正形成巨大的壓力。而近年來，各地環(huán)境日趨嚴(yán)峻，這些廢棄物的處理問題越來越引起人們的重視，如何有效的利用這些廢物使之變廢為寶成為現(xiàn)在首要解決的問題。
隨之就出現(xiàn)了堆肥技術(shù)。即在受控制條件下, 利用微生物的作用和酶活性加速有機(jī)物的生物降解和轉(zhuǎn)化,最終使有機(jī)物達(dá)到腐熟化和穩(wěn)定化的過程。堆肥一般采用在好氧條件下，利用微生物將污泥中的有機(jī)質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)的過程，并殺滅其中的病原微生物和寄生蟲（卵）。堆肥過程不僅可以減少有機(jī)固體廢棄物的體積、重量、臭味, 殺滅病原菌、蟲卵、植物種子等,同時會產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)[11]。生產(chǎn)出來的堆肥品, 可以作為土壤調(diào)理劑和植物營養(yǎng)源, 能有效地改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，是一種無害化、減量化和穩(wěn)定化的綜合處理技術(shù)。好氧堆肥是實現(xiàn)城市污泥無害化、減量化和資源化的有效方法，處理后的污泥垃圾進(jìn)行土地利用是很有前景的一種處理方式[1]
2、本課題所涉及的問題在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析。
2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀：目前，堆肥處理存在很多問題，主要包括：調(diào)理劑添加過多、堆肥效率低、能耗較大、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、污泥堆肥施用量確定不科學(xué)等[1]。在中國,囿于當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀,高度機(jī)械化、自動化的堆肥設(shè)備成本太高,不符合中國的國情。所以要在中
國發(fā)展堆肥產(chǎn)業(yè)和堆肥技術(shù),就必須去尋找一個成本較低、操作方便、維護(hù)性較好、真正適合中國國情的堆肥工藝和技術(shù)[15]。
2.2國外研究現(xiàn)狀：在國外,堆肥技術(shù)正在向著機(jī)械化、自動化的方向發(fā)展,而為了防止對環(huán)境的二次污染,堆肥也趨向于采用密閉的發(fā)酵倉方式[15]。成熟的技術(shù)堆肥方法主要有5種，即定期翻堆條垛式、通風(fēng)靜態(tài)垛式、被動通風(fēng)條垛式、反應(yīng)器式和蠕蟲堆肥系統(tǒng)[14]。根據(jù)攪拌過程的不同分槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、推進(jìn)式攪拌器、錨式攪拌器、框式攪拌器、螺帶式攪拌器、螺桿式攪拌器、圓盤鋸齒式攪拌器等等。
目前，國外垃圾堆肥廠數(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，應(yīng)用最廣的是機(jī)械生物技術(shù)（MBT)。河北省高碑店市的垃圾處理即采用德國先進(jìn)的MBT主體技術(shù)，對垃圾進(jìn)行機(jī)械分揀、生物處理和后處理，產(chǎn)生生物穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)物，設(shè)計每年可處理城市生活垃圾4萬余噸[16]。
有關(guān)堆肥技術(shù)的研究目前仍是國內(nèi)外的熱門課題,不斷改進(jìn)堆肥工藝、設(shè)備、降低經(jīng)濟(jì)成本、提高堆肥成品質(zhì)量是研究者們研究的主要方向。
3、 對課題所涉及的任務(wù)要求及實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析：本學(xué)期對于此次課題的主要設(shè)計內(nèi)容和裝置分析已經(jīng)有了初步的思路，堆肥裝置的容積設(shè)計為直徑1米左右的圓柱形，主要可以分為攪拌裝置，傳動裝置，動力裝置，其次還有取料、布水系統(tǒng)等。其中重點設(shè)計部分是攪拌裝置，其次是傳動裝置和布水系統(tǒng)。其中攪拌軸的設(shè)計分析完成，傳動部分的帶輪設(shè)計分析完成。接下來的設(shè)計內(nèi)容主要就是計算部分。
4、 本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路
4.1 、研究的主要內(nèi)容：新型好氧堆肥裝置主要包括攪拌裝置、動力裝置、傳動裝置及爆汽、布水和取料等部分。在攪拌裝置的設(shè)計部分，主要是攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計。
確定底間距，底間距與攪拌容器內(nèi)徑比值一般在0. 05～ 0. 3范圍內(nèi)選取,在槳型、槳徑確定的前提下,該比值越小,固相完全離底懸浮臨界轉(zhuǎn)數(shù)越小,因此,在滿足底層槳軸向排量的前提下,該比值盡量取最小值。
確定層間距，層間距與槳徑之比一般在0. 5～ 2. 0范圍內(nèi),由攪拌槳軸向作用范圍和反應(yīng)釜高度決定攪拌槳層數(shù)。對于兩層以上的多層槳,要調(diào)整槳徑和層數(shù)取得較合理的層間距,使上下兩層槳作用范圍既能相接又不重疊過多,達(dá)到攪拌效果好軸功率低的效果。
確定攪拌槳轉(zhuǎn)速，一般轉(zhuǎn)速越低,攪拌效果越好,電機(jī)功率要求也大,反之亦然；確定攪拌裝置電機(jī)功率根據(jù)槳型和裝置特性,確定各層槳功率準(zhǔn)數(shù),再用各層槳功率準(zhǔn)數(shù)、槳徑、轉(zhuǎn)速及物料密度計算各層槳軸功率,計算各層槳軸功率之和,同時將傳動系統(tǒng)效率、電機(jī)儲備系數(shù)考慮在內(nèi),即可確定攪拌裝置電機(jī)功率。
設(shè)計攪拌軸確定葉片按攪拌軸傳遞功率、軸強(qiáng)度、軸剛度以及臨界轉(zhuǎn)速分別計算軸最小直徑,取計算值中較大值為軸最小直徑;另外還要考慮,軸上開孔、開槽、以及介質(zhì)腐蝕的影響一般增大軸徑4～ 15%。對于直徑小于6m、高徑比小于1. 2的攪拌軸采用實心軸,底部可不加底軸承;對于直徑大于6m、高徑比大于1. 2的攪拌軸采用空心軸,底部需加裝底軸承；
攪拌軸的設(shè)計部分完成后就可以進(jìn)行電動機(jī)功率的選擇。
傳動裝置的設(shè)計部分主要是帶輪的設(shè)計和V帶的選擇。帶傳動具有良好的撓性，可緩和沖擊吸收震動，過載保護(hù)且結(jié)構(gòu)簡單成本較低，所以在電動機(jī)和減速器之間選擇用帶輪傳動。
整個堆肥系統(tǒng)的布水系統(tǒng)主要是在攪拌軸及槳葉里，類似于穿孔配水，穿孔管布水系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于給水和污水處理系統(tǒng),如濾池、厭氧反應(yīng)器、沉淀池等的布水系統(tǒng)。目前穿孔配水管的設(shè)計理論是基于工程流體力學(xué)的伯努利方程( 孔口出流公式) ，將配水管的孔口看作薄壁孔口，即孔口處的出水可視為薄壁小孔口出流，但因為穿孔管是分布在肥堆內(nèi)所以需要一定的壓力才能將水泵出。目前對穿孔布水管布水均勻性的改進(jìn)主要有兩種: 一是擴(kuò)大配水管的管徑和減小孔口的開孔面積，以減小管內(nèi)水頭損失并增大孔口處的局部水頭損失，減少孔口之間的水頭差值以此來平衡孔口間的流量差距; 另一種是采用變間距的方法，孔口間距沿水流方向依次減小，使單位長度管道上的出水流量相等。
4.2、解決思路：
5完成本課題所必須的工作條件及解決方法：在解決問題的過程中，需要進(jìn)行實際的堆肥，因為需要測量一些數(shù)據(jù)如長方形材料板在不同深度和重力下的粘滯力及V字板在不同深度的粘滯力。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來計算前面提到的攪拌軸的設(shè)計部分。根據(jù)之前設(shè)計思路，整個裝置分為攪拌裝置，傳動裝置及動力裝置。攪拌裝置又分為槳葉和倉體，槳葉的設(shè)計就需要用到測量所得的數(shù)據(jù)，包括肥料的重力和肥料與槳葉之間的粘滯力。傳動裝置分為減速器與懸臂軸，懸臂軸要進(jìn)行扭矩校核。
6、 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃：首先，拿到課題要分析課題所涉及的內(nèi)容，構(gòu)思一下，查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)。然后撰寫開題報告，確定要設(shè)計的裝置。最后進(jìn)行設(shè)計計算，整理，撰寫設(shè)計論文。
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