摘要：设计针对学校学生宿舍楼内饮料瓶处理问题，提出一种饮料瓶粉碎器的设计方案；参考塑料的剪切力、抗拉强度等力学性能，结合现有电机的参数，进行电机选择计算，依据计算结果进行传动皮带的转速计算和材料选择；根据安全人机工程学课程知识和国家相关数据标准对粉碎机的机身、进料口、粉碎室料斗、筛网、手动压缩装置等部位进行人机学优化设计，设计出了一种可满足学校宿舍使用的落地式饮料瓶粉碎器。
关键词：饮料瓶粉碎器，人机学设计，剪切，压缩，塑料
Ergonomics design of beverage bottle crusher
Abstract: the design for the school student dormitory building meat drink bottles of dealing with problems, and put forward the design scheme of a kind of beverage bottle crushing device, refer to manage material shear mechanical properties such as tensile strength, a current motor parameters, select the motor I calculate, according to the I calculate result z belt speed I calculate and material selection, according to the safe man-machine E bauingenieurwesen curriculum knowledge and countries and clearance data standard fuselage of crusher, feeding, crushing chamber hopper, screen ergonomics optimization in areas such as the manual compression set, I design a mountain can satisfy the school dorm room floor beverage bottle crushing apparatus.
Key words: beverage bottle crusher,ergonomics design,cutting,compression,plastic
1 前言
随着社会经济、制造业、建筑业、化工、医疗等的飞速发展，塑科被广泛应用在包装、农业、建筑、汽车、制造、生活用品等多个行业。由于塑料质量轻、可反复使用、低温易成形、功能多样化，其用处广，使用量大，“以塑代钢、以塑代木”的发展趋势愈演愈烈[1]。塑料制品一般是通过模塑机成件，其原料均为颗粒状。但由于塑料制品在加工过程中，存在大量的废角料，这些废角料可以通过塑料粉碎机粉碎后回收利用。同时，塑料制品的广泛使用，带来了大量的塑料垃圾，而这些塑料垃圾也需要利用塑料粉碎机粉碎再加以回收利用。粉碎的任务是提供具有合适粒径的原料，满足进一步加工和使用的需要[1]；塑料的破碎是塑料回收再利用的必要过程。
我们每天都少不了喝水，而盛水的瓶瓶罐罐少不了塑料瓶了。在我们的日常生活中，瓶装矿泉水和饮料的塑料瓶往往被作为废品随意丢弃。在太原工业学院的学生宿舍里，对于学生平常丢弃的饮料瓶来说，主要是通过楼管阿姨的定点回收，一栋宿舍楼大概两天就能回收上百个，这其中还不包括学生扔在宿舍外面垃圾桶和宿舍的。这些饮料瓶往往会占一定的空间，如果在炎热的夏天，饮料瓶内部还有可能产生异味；为此，基于环境特性的研究和作业空间的改善，设计一种基于大学生宿舍的饮料瓶粉碎器。
1.1 饮料瓶的产生及影响
1.1.1 宿舍饮料瓶的来源
由于大学课程安排的情况，学生每天都有很多的课余时间，在这些时间里，大部分学生会选择在宿舍，所以学生宿舍成了很多同学的主要生活场所。大家每天都会产生很多的生活垃圾，其中不可回收的部分被值日生送到垃圾桶，有一些可以回收的垃圾就被楼管阿姨设置定点回收，包括废纸箱和饮料瓶。
矿泉水、饮料不是大家的必需品，但由于宿舍人数基数大所以每天会产生很多的废弃塑料瓶，根据自己的宿舍生活经验以及请教楼管阿姨，了解到：宿舍楼每天产生的废弃饮料瓶数量为50-80，冬天少一些，大概50个，夏天多一些，有80个左右。这些瓶子都是由阿姨设置一个回收点收集，然后通过学校联系的垃圾回收的业务人员来处理。
1.1.2 废弃饮料瓶的影响
宿舍每天产生的废气塑料瓶有将近100个，看似不多，但塑料瓶本身是中空状，又大小不一，所以会占用很大的空间，宿舍楼本身人口密度就很大、楼道窄，堆放这些瓶子会占用学生的正常生活空间，使原本就不是很大的空间再次受挤压。每当天气热起来，有些饮料瓶内没有喝完的部分还会发出刺鼻的气味，对宿舍的环境造成影响。
1.2 国内外粉碎机的发展状况和趋势
1.2.1 国外发展状况
近代的破碎机械是在蒸汽机和电动机等动力机械逐渐完善和推广之后相继创造出来的。1806年出现了用蒸汽机驱动的辊式破碎机；1858年，美国的布莱克发明了破碎岩石的颚式破碎机；1878年美国发展了具有连续破碎动作的旋回破碎机，其生产效率高于作间歇破碎动作的颚式破碎机；1895年，美国的威廉发明能耗较低的冲击式破碎机。
与此同时，粉磨机械也有了相应的发展，19世纪初期出现了用途广泛的球磨机；1870年在球磨机的基础上，发展出排料粒度均匀的棒磨机；1908年又创制出不用研磨介质的自磨机。二十世纪30～50年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立轴式中速磨煤机。
这些破碎机械的出现，大大提高了粉碎作业的功效。但是，由于各种物料的粉碎特性互有差异，不同行业对产品的粒度要求也彼此不同，于是又先后创制出按不同工作原理进行粉碎作业的多种破碎机械，如轮碾机、振动磨、涡轮粉碎机、气流粉碎机、风扇磨煤机、砂磨机、胶体磨等。
到了70年代初期，已制造出每小时产量为5000吨、最大给料直径达2000毫米的大型旋回破碎机,可将物料磨细到粒度小于0.01微米的胶体磨。
用机械粉碎固体物料的主要方法有五种，即挤压、弯曲、劈裂、研磨和冲击。前四种都是使用静力，最后一种则应用动能。在绝大多数破碎机械中，物料常在两种以上粉碎方法的作用下被粉碎，例如，在旋回破碎机中，主要应用挤压、劈裂和弯曲；在球磨机中，主要应用冲击和研磨。
随着科技的发展，破碎机械发展至今，已取得了长足的进步。尤其是进入90年代以后，破碎机械产销量增长迅速，加入破碎机械生产的企业不断增加，使破碎机械制造企业多达万余家，能够生产0.5-30t振动破碎机、4-24t静碾破碎机和16-30t轮胎破碎机等规格品种较为完备齐全的系列产品，基本形成能够自主开发与生产的完整破碎机制造体系，其技术水平与国际先进水平之间的差距正逐步缩小。这种高速增长的局面，势必将破碎机械配套件行业推向一个新的发展时期。
1.2.2 国内发展状况
在20世纪70年代，因为科学技术的快速发展和我国社会经济的不断发展，使我国的塑料破碎机也得到了进一步的发展。而且，在我国对外开放力度持续加大的过程中我国和其他国家的交流与合作也越来越频繁，在这个大背景下，通过引进、学习、吸收一些先进发达国家的设备，使我国的塑料破碎机实现了进一步的发展。 从目前我国破碎机市场的实际情况来看，基本上已经能够满足我国小规模的需求。但是，对于那些较大型破碎机的发展来说，和发达国家相比还有明显的差距，难以满足实际的需求[7]。
1.2.3 破碎机的发展趋势
随着我国工程建筑的持续加强，破碎机械行业呈现良好的发展势头，迎来较大的发展机遇。当前矿机行业比较注重的还是产量和用户体验，其中“以人为本”的生产理念尤显重要,要知道人的需求是多种多样的，不同的人需求也不一样。传统的破碎机型号单一，且作业环境要求苛刻，所以使用户很难选择一款比较合适的设备，不是产值不合适，就是场地环境不合适。但是，在“以人为本”理念下设计的新型破碎机，可以有效保证机械功能的完整性。
随着十三五时代的到来，推行绿色发展的社会，降低能源的消耗量、减少污染的排放量已经成为我国各行各业的发展重心。在这个大背景下，节能环保、节能减排的方式也将成为塑料破碎机以及其他类型破碎机的主要发展方向。
所以，对于塑料破碎机相关的企业来说，必须要牢牢抓住机会，提高产品品质、塑造高端品牌，此外，也应该不断地进行创新，研发新产品，大力推广洁净生产与轮回经济的发展，以此来给行业创造更多的经济效益，并能够促进行业的可持续发展。
1.3 本课题的研究意义
人机学是一门综合性的应用科学，它的研究对象是工作设计中与人体有关的问题，旨在解决工程设计包括机器系统和环境系统与人的生理心理要求相适应，从而创造整个人机系统最优化的工作效率，使人们高效、安全、健康和舒适地工作。
大学宿舍是一个人员密集的场所，人员流动比较频繁且空间狭窄，大多数时间是用来学习之余的休息；为此，人机学设计的基于大学生宿舍的粉碎器，必须要满足：人性化的，体积不能过大（可放置于楼道、宿舍、水房等）、具有自适应性、可收集液体的、自动化的。
通过粉碎器的设计，能够有效的对废旧饮料瓶进行处理，减少了楼管的工作量，也一定程度改善了宿舍的环境，并且人机学设计使得处理工作更加经济高效。在此设计过程中，能够锻炼本人对所学知识的运用能力和实际操作能力，也对提升本人的综合素质起到积极作用。
2 饮料瓶粉碎器的人机学设计
2.1 饮料瓶粉碎方式选择及粉碎机械的工作原理
2.1.1 饮料瓶材质介绍
塑料瓶由瓶体(PET)、瓶盖(HDPE)、商标(BOPP)组成。
塑料瓶主要是由聚乙烯或聚丙烯等材料并添加了多种有机溶剂后制成的。塑料瓶广泛使用聚酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）为原料，添加了相应的有机溶剂后，经过高温加热后，通过塑料模具经过吹塑、挤吹、或者注塑成型的塑料容器。常见矿泉水瓶、碳酸饮料瓶等等抄的材料为百 PET 聚对苯二甲酸乙二醇脂
原先，各种饮料都是用玻璃瓶盛装的，近年来已基本被塑料瓶所取代。生产塑料瓶的材料大多为聚酯。热塑性聚酯是由饱和的二元酸和二元醇通过缩聚反应制得的线性聚合物。不同种类的二元酸和二元醇，可以合成许多种热塑性聚酯，但其中最主要的产品是聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。
PBT最早由德国科学家于1942年研制成功，之后在美国进行工业化开发，于1970年以30％玻璃纤维增强的PBT塑料投放市场。PBT是通用工程塑料中工业化最晚而发展速度最快的一个品种，之所以成为工程塑料的后起之秀，首先在于它具有优良的综合性能，其次，PBT的生产方法与PET基本相同，可以利用PET成熟的生产工艺，投产便利，投资费用也较低。
PET则是英国首先于1941年合成的，1953年在美国实现了工业化生产。初期，PET几乎都用于生产合成纤维，俗称涤纶或的确良。纯PET树脂呈脆性，不能用作工程塑料，直到1966年日本采用玻璃纤维增强PET后，才使PET进入了工程塑料的行列，但仍有成型时所需温度高、周期长、加工性能不理想等问题。在其后的发展中，于20世纪80年代有了突破性的进展，克服了抗冲击强度低等缺点，从而使PET与PBT一起成为五大工程塑料之一。
PET树脂的合成有以对苯二甲酸二甲酯为原料的酯交换—缩聚法（简称酯化法）和以对苯二甲酸为原料的直接酯化—缩聚法（简称直接酯化法），目前主要采用直接酯化法。聚酯树脂虽有许多优点，但单独使用尚有不足之处，大都需经过改性才能充分发挥其特性，拓宽其应用范围。如纯PBT工程塑料热变形温度不高，但PBT与ABS的混合物经玻璃纤维增强改性后热变形温度可达200℃。
PBT的成型加工大多采用注塑法；二次加工有涂装、黏结、超声波熔接、攻丝及其他机械加工等多种方法。用它制作电子电器、汽车、机械设备以及精密仪器的零部件，可以取代铜、锌、铝及铁铸件等金属材料和酚醛树脂、醇酸树脂等热固性塑料以及一些热塑性工程塑料。加入10％～30％玻璃纤维改性后的PBT耐热性可提高到160～180℃，长期使用温度为135℃。用作电子电器零部件时，具有优良的耐焊锡性以及高温下的尺寸稳定性。增强PBT在加入阻燃剂后，阻燃性均可达到标准。
PET树脂的加工成型方法有注塑、挤出、挤出吹塑等，它主要用于纤维，但其他方面的应用也越来越多。由于PET材料具有强度大、重量轻，透明度好、气密性好、无臭无味、无毒和耐酸碱等优良性能，很适合做包装材料，再加上可再生利用的优点，因而近年来广泛用于生产碳酸饮料瓶、矿泉水瓶及其他包装容器。PET薄膜主要用于电气绝缘材料，如电容器、电缆绝缘、印刷电路布线基材等。它的另一个应用领域是制成片状或带状，如电影胶片、X光片、磁带以及食品、药物、茶叶等包装材料。PET薄膜还可进行真空镀铝（或锌、银、铜等）以制成金属化薄膜，如金银线、微型电容器薄膜等。
PET膜的拉伸强度很高，可与铝箔媲美，是HDPE膜的9倍，是PC和PA膜的3倍。增强PET的蠕变性小、耐疲劳极好（好于增强PC和PA）、耐磨性和耐摩擦性良好。PET的力学性能受温度影响较小。
2.1.2 粉碎机械选择
物料在破碎时，必须由外力对物料进行做功破坏分子间作用力，才能达到将物料破碎的目的。当外力对物料进行做功使其破碎时，物料的能量会因对其做功而增加，而物料破碎时的能量消耗实质上是破碎过程中对物料做功与破碎前后物料能量之间的相互传化。塑料的主要粉碎方式大致可分为削切、磨碎、压碎和击碎四种。
材料的基本力学性能是反映材料在外力作用下变形、流动和破坏行为的性能。通常研究和表征这种性能，总是利用下述两种参量:
①反映材料变形的量，常用刚度(模量)或由模量决定的柔度、泊松比表示。
②反映材料破坏过程的量，常用强度，其中包括材料破坏时的力和能量来表示。然而，应力-应变曲线是综合反映材料的模量和强度这些性能的，因而应力一应变行为是材料的最重要最基本的机械力学行为[2]。
塑料的粉碎过程是塑料断裂的过程。如何使塑料变得容易粉碎,必须考虑其断裂的有关特性,以及影响断裂的各种因素,如施力的方式、类型、速率的大小、环境等等[2]。塑料属于粘弹性材料,它既有刚性固体的弹性,又有粘性液体在外力作用下不可逆的流动性。具有粘弹性的高分子材料宏观的破坏,可分为脆性断裂和塑性断裂。
有几种典型的塑料粉碎设备：
(1)剪切式粉碎机
剪切式破碎机主要靠“剪和切”的原理来完成破碎固体废弃物的过程，马达带动减速机通过刀辊轴将扭矩传递给破碎机的动刀，动刀的刀钩勾住物料往下撕，对辊的刀片像剪刀一样切碎固废。剪切式粉碎机可用于破碎木材、塑料、轮胎、废铁皮以及生活垃圾等各种物料，破碎后的物料及预筛分的物料由破碎机底部排出。
(2)单辊齿形粉碎机
单辊式破碎机工作时，给入两辊子之间的物料受辊子与物料之间摩擦力作用，随着辊子转动咬住进而被带入两辊之间的破碎腔内，受挤压破碎后从下部排出。如遇有不能破碎物料落入破碎腔，此时弹簧被压缩，颚板离开辊增大排料口，使物料排出，避免破碎机损坏。破碎机辊子轴上装有飞轮，以平衡破碎机动能。
(3)低温粉碎机
低温粉碎机系统以液氮为冷源，被粉碎物料通过冷却在低温下实现脆化易粉碎状态后，进入机械粉碎机腔体内通过叶轮高速旋转，物料与叶片，齿盘，物料与物料之间的相互反复冲击，碰撞，剪切，摩擦等综合作用下，达到粉碎效果：被粉碎后的物料有气流筛分级机进行分级并收集：没有达到细度要求的物料返回料仓继续粉碎，冷气大部分返回料仓循环使用。
(4)涡流磨
(5)机械冲击式粉碎机
冲击式粉碎设备指用围绕水平或垂直轴高速旋转的回转体(棒、锤、叶片、刀片等)对物体进行激烈的打击、冲击、剪切等作用，使其与器壁或固定体以及颗粒之间产生强烈的碰撞从而使物体粉碎的粉碎设备。影响粉碎设备选择的因素包括：物料的性质、状态，物料和产品的粒度，处理能力，粉碎方式等。根据2.1.1中介绍的饮料瓶材质的性质，结合宿舍楼的环境特点，可选择使用剪切式和冲击式粉碎机。
2.2 粉碎机主要参数计算
2.2.1 粉碎机设计要求
针对宿舍楼饮料瓶的产生数量和宿舍的特殊环境，对设计提出要求：
-
采用冲击时粉碎；
-
粉碎动力采用电机驱动；
-
进料口尺寸：300mm×300mm；
-
刀片转速≤1000rpm；
-
生产率：10kg／h；
-
饮料瓶破碎后的粒度：15mm×15mm。
2.2.2 粉碎机主要参数计算
(1)转动刀具的最大剪切力的确定
破碎机在剪切饮料瓶时瓶子处于自由状态，并没有固定。目前，针对松散状态下的物料切削力的计算并没有确定的方法，所以只能利用实验来计算相应数据，由于无法进行实验，通过网络上查找相关文献资料，得到不同厚度的塑料剪切对应的剪切力及刀架轴扭矩大小如表2-1所示
表2-1 不同厚度塑料剪切力及刀架轴扭矩值[4]
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塑料厚度／mm |
剪切力大小／N |
刀架轴扭矩大小／Nm |
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0-5 |
300-947 |
40-97 |
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5-10 |
1241-2086 |
125-231 |
|
10-20 |
2318-3920 |
268-385 |
破碎的物料为饮料瓶，饮料瓶的厚度在0-5mm之间且多数瓶体厚度在1mm以下，在饮料瓶重叠情况下也不足3mm，所以，在计算取值的时候，以5mm对应的各项数值完全可以满足设计需求，取947N的剪切力即可，但是为了便于计算，可四舍五入取1000N为本设计所需的剪切力。
(2)电动机的选择及刀具的最大切线速度计算
为实现高强度的剪切拉伸破碎，一般选用低转速、大转矩的粉碎机，但转速过低，破碎单位质量的塑料能耗较大，生产效率低，很难实现高生产率的要求且不符合设计要求；转速过快，则会使颗粒粉碎过小，造成过粉碎从而形成浪费，结合《电机型号、机座号、功率对照表》和现有的各种塑料粉碎机的参数，选择YBX3-90L-2型号电动机，该电动机对应的转速为970rpm，功率为11Kw。皮带传动传动比越大，皮带轮的包角就越小，如果包角越小，带传动就会出现打滑现象此时电机就不能将有效功最大程度的输出给主轴，出现粉碎机工作时动力不足现象，主轴稍微受力偏大，就会出现“伪过载”。若传动比过大就会使带轮直径增大，影响机器结构，同时机器的传动特性也会大大降低，因此应选择合适的皮带传动比。带轮的传云比一般i<7，在本设计中传动比取i=2，这样机器整体结构较为协调。
刀具最大转速的计算公式：
n＝。。。。[4]
式中，
n：转速，rpm，n＝2890rpm
D：刀具旋转时的最大外径，mm，D＝300mm
V：刀具的切线速度，m⁄s，
根据以上公式及数值，带入计算得到最大切线速度为22.69m⁄s.
(3)电动机功率核算
在选择粉碎机转子转速的时候，已经选定了电机的型号，根据功率的计算公式
P＝。。。。[1]
式中
P:发动机功率；2.2Kw
r:转子半径，m，0.04m
n:电机转速，rpm，2890rpm
计算得到电机需求转速为526rpm；计算结果小于1445rpm，所以选用的电机型号可以满足剪切力的需求。
(4)粉碎机生产率计算
粉碎机生产率的计算可以利用下列公式：
Q=αβnABCρ[3]
式中：
Q：粉碎机的生产率；
α：刀片上的刀齿数；
β：折算系数：考虑每转一次每个刀齿不一定完整剪切物料，取β=0.4-0.5；
n：转速，rpm；
A：刀齿上刀刃的宽度；
B：刀齿上刀刃的长度；
C：剪切长度；根据物料形状确定；m
ρ：垃圾密度；kg／m³。
根据设计要求对上面几个相关量进行取值计算，得到可满足要求的生产率为
Q=3×0.5×1445×0.1×0.05×0.002×1455=31.54 kg／h。
2.3 粉碎机整体设计及人机学优化
所谓人机工程学[6]，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。
一般人机学的设计好坏可以从一下几个方面来评判：（安全、经济、高校、健康）
产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；
产品是否顺手和方便使用；
是否能防止使用者操作时意外的伤害和错用时产生的危险；
各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；
产品是否便于清洗、保养及修理。
基于以上五个标准，对粉碎机的各个部分进行设计。
在进行设计之前，需分析现有的饮料瓶粉碎机存在哪些使用上的缺陷和安全隐患；经过分析现在使用的几类粉碎机，可总结一下发现的问题：
剪切式破碎机主要靠“剪和切”的原理来完成破碎固体废弃物的过程，马达带动减速机通过刀辊轴将扭矩传递给破碎机的动刀，动刀的刀钩勾住物料往下撕，对辊的刀片像剪刀一样切碎固废。这剪切式种破碎机可用于破碎木材、塑料、轮胎、废铁皮以及生活垃圾等各种物料，破碎后的物料及预筛分的物料由破碎机底部排出。针对这个问题，可以把破碎后过长的物料分拣出来，在原剪切式破碎机里进行二次破碎，或者增加二级破碎设备，经过给料输送机进入一级破碎、磁力分选，然后进入二级破碎，并经过最终分选，获得不同种类的产品。振动粉碎机一般采用电机直接联接粉碎装置，这种连接方式简单、易维修。但是如果在装配过程中两者不能很好连接，就会造成粉碎几的整体振动。电机转子与粉碎机转子不同心。可左、右移动电机的位置，或在电机底脚下面加垫，以调整两转子的同心度。粉碎机转子不同心。其原因是支掌转子轴的2个支承面不在同一个平面内。可在支承轴承座底面垫铜皮，或在轴承底部增加可调的楔铁，经保证2个轴头同心。粉碎室部分振动较大。其原因是联轴器与转子的联接不同心或转子内部的平锤片质量不均匀。可根据不同类型联轴器采取相应的方法调整联轴器与电机的联接：当锤片质量不均时，须重新选配每组锤片，使相对称的锤片轴承过热轴承是粉碎机上较为重要的配件，其性能直接影响到到设备的正常运行及生产效率。设备运行过程中，使用者要特别注意轴承的升温和轴承部位的噪声，出现异常要及早处理。2个轴承座高低不平，或电机转子与粉碎机转子不同心，会使轴承受到额外负荷的冲击，从而引起轴承过热。出现这种情况，要马上停机排除故障，以避免轴承早期损坏。轴承内润滑油过多、过少或老化也是引起轴承过热而损坏的主要原因，因此，要按着使用使用书要求按时定量地加注润滑，一般润滑占轴承空间的 70%—80%，过多或过少都不利于轴承润滑和热传递。轴承延长其使用寿命。轴承盖与轴的配合过紧，轴承与轴的配合过紧或过松都会引轴承过热。一但发生这种问题，在设备运转中，就会发出磨擦声响及明显的摆动。应停机拆下轴承。修整磨擦部位，然后按要求重新装配。结合总结的问题，对粉碎机进行设计。
2.3.1 粉碎机机身设计
工业型产品的设计不单包括功能、性能方面的研究，还涵盖了造型设计[5]。
机身是整个机器外围，主要涉及尺寸形状以及颜色等方面的设计：
(1)机身尺寸
根据之前计算确定的数值和相关配件的尺寸（如电机、皮带）以及各部分之间位置组合，可以确定整个机器的尺寸为800×900×1300左右。整个机身采用钣金件铆接或焊接，为使粉碎机工作时稳定，可在机器四角安装地脚螺丝。金属外壳必须要接地。
结合GB/T 10000-1988《中国成年人人体尺寸》中的数据，18-25岁男性90百分位数对应的相关数值：身高1764、上臂长333、前臂长254、眼高1653、肘高1088等数值[10-11]。根据人眼的特点，最舒适的视觉中心垂直方向是0-15°。
结合这些数据，对机身的一些零部件进行布局；下料口应设置单项挡板，利用扭转弹簧，使挡板只可以向内顶起，下料完成后由于弹簧的反弹作用将挡板合上，使下料口密闭，为粉碎室提供密闭空间，使粉碎不完全的碎片能被转动刀具的高速旋转形成的负压吹起。
(2)急停装置
根据以上数据，可在除开关外的机器机身1.2米处设置急停按钮，在机器过载或故障时停机。根据人的眼高、肘高以及上臂的活动范围可知，在1.2米处最容易让人看见并触摸到。
保险丝也被称为电流保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体(fuse-link)"，也就是当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和热度的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。看似简单的一个小部件对于设备的保护作用却是巨大的，这也是其为何如此简单却始终最为最有效的保护器的原因，目前几乎所有的高端设备上使用的还是这种原始的保护装置，就是因为它极高的可靠性。
短路保护是在电路发生故障，比如不经过负载，导线的电阻几乎可以忽略不计，因此瞬间产生的极大的电流提供切断电源，防止设备损坏和造成事故。过载保护是指当电路中同时处于启动状态的负载引起的总电流超过该段导线能承受的额定电流时切断电源，防止导线等受损坏。
所谓过载保护，也称过流保护。所谓过流，即流过电器设备及线路的电流，不仅超过了其额定电流值，而且还超过了其允许承受的时间。过流分允许过电流和故障过电流两种，象鼠笼式电动机启动时，其启动电流远大于额定电流，但没超过其允许承受的时间，所以是允许过电流。过负荷保护都是对故障过电流而言的。短路也是过负荷，是一种严重的过负荷现象。
(3) 颜色布置
不同颜色对人的影响不同，如红色有增加食欲的作用；蓝色有使高烧病人退烧和使人情绪稳定的作用；紫色有镇静作用；褐色有升高血压的作用。暖色系颜色给人以兴奋感，可以激发人的感情和情绪，使人兴奋激情，精力旺盛，明亮而鲜艳的暖色给人以轻快活泼的感觉，但也易疲劳。冷色系颜色给人以沉静感，可以抑制人的情感和情绪，使人沉着冷静和宁静的休息。明度较低、柔和的冷色，使人有稳重和宁静的感觉；深暗而浑浊的冷色给人以忧郁沉闷的感觉。色彩的轻重感还会受到色彩样态的影响。有光泽、质感细密、坚硬的表面色样态给人以稍重的感觉，而无光泽、质感粗松、柔软的表面色样态给人以稍轻的感觉。例如，在工业生产中，高大的重型机器下部多采用深色，上部多采用亮色，可给人以稳定安全感，否则会使人感到有倒下来的危险。不同颜色对人的影响不同，如红色有增加食欲的作用；蓝色有使高烧病人退烧和使人情绪稳定的作用；紫色有镇静作用；褐色有升高血压的作用。暖色系颜色给人以兴奋感，可以激发人的感情和情绪，使人兴奋激情，精力旺盛，明亮而鲜艳的暖色给人以轻快活泼的感觉，但也易疲劳。冷色系颜色给人以沉静感，可以抑制人的情感和情绪，使人沉着冷静和宁静的休息。明度较低、柔和的冷色，使人有稳重和宁静的感觉；深暗而浑浊的冷色给人以忧郁沉闷的感觉。根据颜色对人的心理情绪的影响和机器长期放置的位置(宿舍楼)，可以采用蓝色(参考宿舍窗帘)为主色，再加以黄色等暖色系颜色也可以起到黄色的警示作用，在机身可用红色禁止标语。
2.3.2 传动部分设计
传动方式有带传动、齿轮传动、链传动蜗杆、螺杆传动等，此设备可采用带传动，其具有噪音小、结构简单、成本低的特点，并且在过载时打滑可起到缓冲作用来防止损坏其他部件。
根据皮带的剖面形状，可分为平皮带传动、三角皮带(三角胶带)传动和圆皮带传动等.
在同样的力作用下，三角皮带在工作表面上产生的正压力较平皮带大。故在其它条件相同时，三角皮带能传递较大的圆周力。圆皮带一般只适用于小功率的传动，如缝纫机和某些仪器上的传动装置。三角皮带传动较平皮带传动应用广泛，而两者的计算原理基本相同。
1大皮带轮的计算直径D2
D2=。。。。
式中
D1:小皮带轮直径；mm，80 mm
n1:小皮带轮转速，rpm，2890rpm
n2:大皮带轮转速，rpm，1445rpm
计算得大皮带轮直径160mm。
2大皮带轮实际转速n2
n2=(1-ε) 。。。。
式中
ε：相对滑动系数；滑布心皮带取ε=0.02，棉线心皮带ε=0.005-0.008
选用滑步心皮带计算得n2=1417rpm。
3皮带轮线速度v
v=。。。。
带入数据得v=12.10m／s。
O、A、B、C型三角带的v≤25m／s，D、E、F型三角带的v≤30m／s。
经过计算，结合三角皮带型号选用表，可选择B型三角带作为传动皮带。皮带断面尺寸：顶端宽度17mm，厚度10.5mm。
根据《安全防护罩标准》，所有做旋转或振荡运动的杠杆、凸轮、传动装置或轴安装防护装置。防护罩应尽量采用封闭机构，当采用网状结构时，应符合：
防止手指间通过造成伤害时，其开口的宽度应小于6.5mm，安全距离不应小于35mm。
制作的防护罩应双面刷涂黄色漆，于防护罩的顶部中间部位刷涂旋转方向箭头，箭头的长度小于0.5倍防护罩长度，宽度小于0.2倍防护罩宽度。
设备防护罩应采用固定式防护罩，经常进行调节和维护的运动部件，应优先采用连锁式防护罩，条件不允许时可采用开启式或可调节式防护罩。
防护罩表面光滑无毛刺和尖锐棱角，严禁产生新的危险源。组装前从每个零部件内部清除全部加工垃圾。防护罩设计不影响视线和正常操作，便于设备的检查和维修
2.3.3 粉碎室设计
粉碎室主要用来对物料进行破碎，其结构包括刀架、刀架轴、定刀、动刀等。
(1)粉碎室尺寸设计
因为粉碎机工作是通过刀架轴带动刀片高速旋转进行剪切物料的，所以，在设计粉碎室尺寸的时候要考虑整个动刀的旋转直径，在宽度上要大于旋转直径，留出部分空间用来给刀架轴做配重装置，平衡粉碎室整体受力且使刀架轴工作平衡，减小抖动。在高度上，应该与下料口保持200mm-300mm的距离，这个距离可以提供缓冲空间，防止刀架轴因物料堆积卡死，也给下料人员下料留有安全距离，防止因动刀距离下料口过近造成进料人员受伤事件。
(2)刀架轴设计
刀架轴是整个粉碎的核心构件之一，它通过刀架将动刀进行固定，并且在工作过程中会进行高速旋转，所以它的位置和材料选择显得尤为重要，为防止上面提到的振动现象，刀架轴应固定在粉碎室水平方向的正中间，在垂直方向上，由于为下料口留安全距离，所以在垂直方向上刀架轴应设置在中间偏下的位置。
刀架是刀架轴的重要组成部件，它可以通过焊接连接在刀架主轴上，它的连接方向直接决定了动刀的旋转方向，所以在设计时应考虑到它的朝向，为避免在剪切粉碎过程中飞起的物料飞出下料口或对下料口挡板进行过多的冲击，应将刀架的方向设置为背离下料口的方向。这种设计可使旋转刀片与下料比较 完美的结合，从而提高粉碎效率减小功耗。
刀片可选的有平刀、爪刀等几种；平刀主要是针对薄膜等柔软性材料进行破碎，其是三角形刀架，此种结构设计在刀具旋转剪切过程中刀具会与粉碎物料贴合，大大降低粉碎效率及粉碎效果，其在市面上的占有率也相对最低；爪刀既可以适应冲击式和锤式粉碎机，又可以适用于剪切式粉碎[1]，其在粉碎过程中粉碎力度大，刀具受力均匀不易折断，粉碎过程噪声相对较小，对粉碎室的冲击力度也小，所以刀具使用寿命长；爪刀式粉碎机可粉碎超硬塑料，由于其刀架轴质量较大，刀片和刀架结构相对复杂，切削量小，粉碎能力低，，所以无法满足市场要求；但是本设计所要求的生产率很低且粉碎物料有硬塑料，所以爪刀正好适合本设计要求。
刀具在粉碎过程中，收到的冲击力很大，如果在粉碎过程中出现突然堵死的现象，会给刀具一个非常大的冲击，除此之外，刀具在粉碎过程中还会收到长时间的磨损，所以在刀具选材时，应选择抗磨损和抗冲击性能好的材料。粉碎机刀片材料有：65Mn、9CrSi、6CrW2Si、Cr12MoV、SKD-11、W18Cr4V、硬质合金（钨钢）、镶锋钢等，其中SKD11是高耐磨韧性通用冷作模具钢、高碳高铬合金工具钢和真空脱气精炼钢，钢质纯净,具有淬透性好、淬火变形量小的良好淬硬性。该钢经球化退火软化处理，可加工性良好，碳化物颗粒细小均匀，无须担心淬火开裂强化元素钼、钒的特殊加入；
具有高硬度、高耐磨共晶碳化物均匀，韧性好、不易开裂等优点，所以可用于多数的粉碎刀具。
2.3.4 筛网设计
筛网是过滤区分粉碎物的重要装置，通常安装在粉碎室的底部，既能将粉碎合格的物料及时筛选出来，减小粉碎室的压力，也能防止物料过度粉碎，造成不必要的浪费。
筛网的网孔大小就成了决定物料粉碎程度的主要影响因素，由于本设计没有给出具体的要求，所以筛网的网孔大小就由实际需要来自己设定；鉴于我们只是为了饮料瓶的回收且后续还有压缩过程，将网孔设置在15mm×15mm即可。
筛网材料多数采取低碳钢、中碳钢等。且采取渗碳淬火处理，其耐磨性和使用寿命被大大加强。我们选用最常用的45#钢作为筛网材料。
2.3.5 手动压缩装置设计
经过粉碎机粉碎后的饮料瓶变成了15×15的塑料碎片，这些碎片需经过进一步的处理才能达到回收利用的目的。由于粉碎后的塑料碎片是无规则掉落的，所以它的体积还是会比较大，在收集过程中由于质量轻，容易被风吹起，不容易集体回收。针对这个问题，可以设计一个压缩装置对碎片进行压缩，并且这个装置还可以在粉碎之前将饮料瓶进行压缩，减小下料的体积从而减小粉碎室的空间占用，还可以降低粉碎机的功率浪费。
2.4 粉碎机操作程序及注意事项
将合适数量的饮料瓶放入压缩装置中进行压缩。
饮料瓶粉碎机在起动前，应当先用人力将传动轮搬动一两圈，确认运动灵活后，始可开机。等破碎机运转正常后才给料。
停止运转前，应先停止给料并将机中物料排净，然后才切断电动机电源。
粉碎完成后，将碎片进行压缩收集。
在运转中要注意轴承的温度，务使轴承保持良好的润滑状态，并且注意音响和振动有无异常。发现不正常情况时，应停车检查是否被不易破碎的物件卡住，或机件是否损坏。
要保持矿泉水瓶粉碎机的给料均匀，防止过载。严防金属等不能破碎的物件落入机中。
检查破碎产物的粒度是否符合要求。如果超过规定尺寸的颗粒过多，应当找出原因（如筛网缝隙过大，排料口过宽，刀具磨损等），并采取适当的措施消除。
饮料瓶粉碎机停车时，要检查紧固螺栓是否牢固，易磨损部位的磨损程度如何。
磨损了的部件，应及时更换或修复。
饮料瓶粉碎机的保险装置，要保持良好状态，绝不可为省事，而使保险装置失效。
3 其他方法
3.1 一种饮料瓶压缩装置
饮料瓶的回收有多种方法，目前最常见的就是先将饮料瓶通过粉碎机粉碎成各种不同粒径或形状的碎片粉末，再加以回收利用。这种方法可以有效的减小饮料瓶的体积，方便运输，也可以提高回收效率；但是粉碎机粉碎过程中会产生大量噪音形成噪声污染，并且在本次设计中，由于环境(学生宿舍)的特殊，噪声问题就显得更加突出，粉碎机除了噪声大这个缺点外，还有就是它工序较多，能耗较大。
针对粉碎机噪音大、能耗大等问题，有多种塑料回收方法可以代替：1、用添加含有磷、钴和锰的聚酯稳定剂的水溶液或悬浮液来熔化磨碎的聚酯废料；2、将废聚酯薄片和新聚酯一起在挤出机中熔化并成型为一次性制品；在催化剂存在下，借助于乙二醇，完全分解磨碎的聚对苯二甲酸乙二酯瓶，称为“醇解”；3、对于缩聚后聚合物熔化物造粒的进一步可能性为水下造粒，其中将熔化物从造粒机的喷嘴或多孔板形成后立即在随后的水室中用切割板切割；4、用于造粒和进一步将PET加工为小球的方法，26℃和280℃之间的温度下，将具有粘度为0.08至0.15的低聚体混合物通过喷嘴挤压，用惰性气体气氛形成通过冷却区域落入水浴或落在传送带上的液滴，以将液滴凝固为无定形小球。此方法也生产具有高比例无定形结构的小球；5、增材制造[13]（也称为3D打印）及其直接（或分布式）制造能力正在成为关键的工业过程，可以在从线性经济到循环经济的转变中发挥重要作用[]。这些方法都或多或少适用于工业上较大规模的回收处理，但与本设计适用于学生宿舍不相符合。那此时我们可以根据前面的设计思路，来专门设计一个饮料瓶压缩装置。
前文设计了一个手动压缩装置，它是一种小型的、可移动的、手动方式的压缩机。它能有效减少约50－70%的塑料体积，降低塑料的存储和运输成本。具有体积小，移动方便、手动操作、操作简单安全等优点，它作为粉碎辅助装置可以起到很大作用，但是由于有些塑料具有记忆特性，被压缩后容易反弹，所以光是压缩还不能达成饮料瓶回收的目的，为此在压缩的基础上还要对饮料瓶进行加热，使其软化，消除它的弹性记忆。
3.2 剪切式破碎机
剪切式破碎机是固废处理破碎行业的通用设备，主要结构是由两条刀轴组成，由马达带动刀轴，通过刀具的剪切，挤压，撕裂减小物料尺寸。这种粉碎机广泛应用于废塑料、废橡胶、木材和其它大体积废弃物的破碎工作上。
剪切式破碎机主要靠“剪和切”的原理来完成破碎固体废弃物的过程，马达带动减速机通过刀辊轴将扭矩传递给破碎机的动刀，动刀的刀钩钩住物料往下撕，对辊的刀片像剪刀一样切碎固废。剪切式粉碎机可用于破碎木材、塑料、轮胎、废铁皮以及生活垃圾等各种物料，破碎后的物料及预筛分的物料由破碎机底部排出。
剪切式破碎机有单轴、双轴等多种形式。
双轴剪切式破碎机主要有破碎刀箱、机架、减速机和电机等部分组成[15]。破碎刀箱固定于机架上的刀箱座上，减速机一端与破碎刀箱主轴联接，另一端通过减震碟片固 定于于机架减震板上。破碎刀箱平行布置有主、副轴，电 机通过减速机为主轴提供低速高转矩动力，主轴与副轴之间的齿轮可将动力分配至副轴上，并使主、副轴带动其上的动刀做相向转动实现对物料的剪切破碎。
在双轴剪切式破碎机工作时，需要将物料钩住向两轴之间进行剪切撕裂，由于饮料瓶多数是圆形结构且质量轻，所以不容易被动刀刀钩钩住。针对这个情况，我们通常都是通过人力直接用手摁住饮料瓶，使其被动刀带入两辊轮之间，但这样的操作与我们人机学的安全理念相悖，为保证人员的安全，在设计时应该给这种破碎机加一个可以压缩向下的装置，以避免人用手去向下压住瓶子。这个装置也可以有效防止辊轮挤压过程中因为气压原因致使瓶盖飞出伤人事件发生。但是加上压缩装置以后，每次下料都需要来回不停的抬起落下，不能够连续进行破碎。
4 结论
废旧塑料瓶的回收具有非常重要的意义，粉碎是废旧塑料回收的重要工序。
本次设计针对学生宿舍饮料瓶处理问题，进行了处理方式的研究选择，提出了几种粉碎处理的方法，其中对剪切-冲击式粉碎机进行了设计要求确定、主要参数选择计算以及粉碎机机身、粉碎室、传动装置、筛网、压缩装置等部分的人机学设计和部分关键材料选择，最后也简单提出了两种不同的饮料瓶处理方式；通过对比，第二种和第三种设计方案由于环境原因和操作原因等可行性不够，选择了第一种设计方案。
这种剪切-冲击式粉碎机，在满足设计要求的同时，还考虑到了机器本身的安全、高效性，操作者的健康、舒适性，还有人机学设计的经济性。但是由于本人专业知识的了解不够，在设计上也存在一些不足：粉碎机的自动化程度较低、计算没有进行能量分析，在计算取值上都以偏大取值来进行，所以造成较大的浪费、粉碎机的安全措施设计的较少，噪音问题解决不好。
正如《废旧塑料的粉碎研究》和《破碎机的发展现状与趋势研究》中提到的：对废旧塑料进行有效的回收，首先应该弄清塑料粉碎的机理，其次是根据不同的粉碎机理要求设计出先进合理的粉碎设备。随着十三五时代的到来，推行绿色发展的社会，降低能源的消耗量、减少污染的排放量已经成为我国各行各业的发展重心。在这个大背景下，节能环保、节能减排的方式也将成为塑料破碎机以及其他类型破碎机的主要发展方向。
在设计过程中，我也学到了：要进行设计，要先了解设计对象的相关工作原理以及相关物料的各种性质，只有了解了这些才能选择最好的设计方案，才有可能设计出符合要求的安全、高效的产品。
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