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湖 南 農 業(yè) 大 學 全日制普通本科生畢業(yè)設計 啤酒瓶回收清洗機構設計 DESIGN OF RECYCLING AND WASHING MECHANISM FOR BEER BOTTLE 學生姓名： 陳 林 學 號： 200941634107 年級專業(yè)及班級： 2009級機械設計制造及其自動化(2)班 指導老師及職稱： 高英武 教授 學 院： 工學院 湖南·長沙 提交日期：2013 年 5 月 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 畢業(yè)設計作者簽名：陳 林 2013年 5 月 26 日 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………1 關鍵詞…………………………………………………………………………………2 1 前言…………………………………………………………………………………2 2 研究課題的提出……………………………………………………………………2 2.1 課題研究的意義及現(xiàn)狀…………………………………………………………2 2.2 國內外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………3 2.3 課題研究方向……………………………………………………………………3 3 設計任務書…………………………………………………………………………4 3.1 設計題目及工作原理……………………………………………………………4 3.2 功能原理…………………………………………………………………………5 3.3 啤酒瓶回收清洗機的技術要求…………………………………………………6 3.4 設計任務…………………………………………………………………………6 3.5 原始數(shù)據(jù)…………………………………………………………………………6 4 方案設計……………………………………………………………………………6 4.1 分析設計要求……………………………………………………………………6 4.2 推瓶機構的選擇…………………………………………………………………7 4.2.1 自動上料裝置中常見的幾種機構……………………………………………7 4.2.2 方案的選擇……………………………………………………………………8 4.3 送料方式確定及數(shù)據(jù)計算………………………………………………………9 4.3.1 送料方式的確定………………………………………………………………9 4.4 洗瓶機構的選擇…………………………………………………………………10 4.4.1 洗瓶裝置簡圖…………………………………………………………………10 4.4.2 洗瓶設計說明…………………………………………………………………10 4.5 洗瓶總體方案設計………………………………………………………………11 4.5.1 總體方案及運動說明…………………………………………………………11 4.5.2 方案評估………………………………………………………………………12 4.6 傳動部分結構設計………………………………………………………………12 4.6.1 方案確定………………………………………………………………………12 4.6.2 凸輪設計………………………………………………………………………12 4.6.3 齒輪設計………………………………………………………………………16 4.7 方案的可行性驗算………………………………………………………………21 4.8 輸入端方案確定及結構設計……………………………………………………22 4.8.1 輸入端結構設計計算…………………………………………………………22 4.9 輸入端軸的設計計算……………………………………………………………23 4.9.1 軸的材料………………………………………………………………………23 4.9.2 軸的各段直徑的確定…………………………………………………………23 4.9.3 軸的各段長度的確定…………………………………………………………24 4.9.4 軸上零件的軸向定位…………………………………………………………24 4.9.5 軸的設計計算…………………………………………………………………24 4.9.6 軸的強度校核…………………………………………………………………26 5 結論…………………………………………………………………………………27 參考文獻 ……………………………………………………………………………28 致謝……………………………………………………………………………………29 29 啤酒瓶回收清洗機構設計 學 生：陳 林 指導老師：高英武 (湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128) 摘 要： 洗瓶設備主要用于啤酒瓶灌裝前的清洗。機械生產中，工件的加工和裝配過程的自動化，不僅大大提高了生產率，把人們從繁重的勞動中解脫出來;而且對提高產品質量，降低成本、促進產業(yè)結構的合理化起到了積極的作用。 該課題是啤酒瓶回收清洗機構設計。文中針對課題的設計要求設計了一款自動上料裝置。該自動上料裝置采用不完全齒輪和凸輪機構的組合機構來獲得較長的停歇時間。方案新穎，結構簡單、緊湊，其清洗時間與上下料時間的比值較大，能大大提高清洗的效率。文中詳細的介紹了該裝置的設計思路及步驟。并將其分為3大部分：送料部分、傳動部分和動力部分。文章主要針對這三個部分進行方案分析、方案選擇、零件參數(shù)的確定及數(shù)據(jù)計算、方案驗證等。 關鍵詞:啤酒瓶；洗瓶機；推瓶機構；凸輪機構；不完全齒輪機構； Design of Recycling and Washing Mechanism for Beer Bottle Student: Chen Lin Tutor: Gao yingwu (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: The washing bottle cleaning equipment is mainly used for washing beer bottle before filling. Not only could the automatization of the tool’s machining and the fitting improve productivity,but also could it advance the quality of the product and reduce the cost in the mechanical producting. My project mainly design an equipment which is used for beer bottle washing .This equipmengt use incomplete gears to cease ,and adopt cams for transport bearings.This design is creative.The structure is simple and compact. As the clearing time is more longer than the transporting time,the clearing efficiency could be developed rapidly.In the passage we could find the process of the design.It consist of three part,transporting ,driving and power.My passage primarily tell of scheme analyzing,scheme choosing and data accounting,scheme validating. Key words: Beer bottles;Rinsing machines; Push bottles of institutions;CAM mechanism; Incomplete gear mechanism. 1 前言 從上世紀九十年代以來，隨著社會經濟的高速發(fā)展，啤酒消費市場得到急劇擴大，啤酒行業(yè)的成品酒包裝形式日益多樣化，已出現(xiàn)瓶裝、罐裝、桶裝及PE瓶灌裝等多種啤酒包裝形式。目前國內啤酒市場受消費習慣及生產成本等因素影響，仍以玻璃瓶容器為啤酒灌裝的主要包裝形式。成品啤酒流入市場銷售前通常有兩類滅菌方式，一類為高溫(巴氏滅菌法)滅菌，行業(yè)上稱為熟啤酒;另一類為低溫膜過濾滅菌，行業(yè)上稱為純生啤酒?，F(xiàn)階段純生啤酒的市場份額占總啤酒銷售量的百分之五，純生啤酒的灌裝用瓶基本上是第一次投用的全新玻璃瓶或經過預洗的一級回收玻璃瓶。熟啤酒是目前國內市場上的主流啤酒，占國內啤酒市場的總銷售份額百分九十五。受生產成本制約，熟啤酒的灌裝用瓶除少量使用新瓶外，基本使用多次回收的舊玻璃瓶。 國內啤酒企業(yè)普遍使用的熟啤酒回收玻璃瓶經歷成品消費、中轉回收、場地儲運、清洗再生產、投放市場消費及再次回收等多次循環(huán)后，瓶源狀況逐步轉差?；厥掌烤胁滑F(xiàn)程度的沾污，需經過嚴格篩選，分別存放使用。正式生產過程中必須對回收舊瓶進行堿浸泡消毒滅菌，并要求脫除舊瓶瓶身上的殘留標紙及瓶內污物等，回收舊玻璃瓶的工藝處理要求較高。舊啤酒瓶在清洗過程中會產生較多的碎玻璃、殘標紙、污泥及廢堿液等雜物，生產現(xiàn)場的運行管理工作量較大，且啤酒瓶的冼凈率低、能耗偏高。通常洗瓶設備的能物耗消耗量占灌裝生產線全線約百分之四十五。高能耗、低效率等局面成為了困擾啤酒行業(yè)灌裝生產線日常管理的難題。 本論文以啤酒生產企業(yè)的洗瓶設備為研究對象，通過對其實際運行狀況進行分析，從而找出影響啤酒瓶通用洗瓶設備的設計缺陷，為改善啤酒行業(yè)洗瓶設備的運行效率及降低洗瓶設備的能物耗消耗提供切實可行的設計方案。 2 研究課題的提出 2.1 課題研究的意義及現(xiàn)狀 啤酒瓶屬于日用玻璃范圍，是一種常見的普通鈉-鈣-硅酸鹽玻璃，具有機械強度高、化學穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)質性能。啤酒瓶多為玻璃瓶，頸細下粗狀，將空氣抽出后釘上瓶蓋，方可出廠。喝完后啤空酒瓶可以被回收利用。在高溫下同類汽水瓶容易發(fā)生爆炸。啤酒瓶多用于慶?；顒?，比如西方流行的開酒慶祝儀式正是利用啤酒瓶內的氣壓把里面的啤酒噴出來，表示歡慶。就目前市場而言，啤酒瓶回收還是薄利行業(yè)，主要原因是回收要求高造成的回收成本高。很多啤酒企業(yè)坦言，回收一個啤酒瓶的成本有時比買一個酒瓶成本還高，這就造成很多企業(yè)不愿意進行酒瓶的回收再利用，造成大量污染和浪費。為此，有效降低回收成本是酒瓶回收的關鍵。而在啤酒瓶回收的工業(yè)加工過程中對成品質量影響非常大，輕則降低包裝線的運行效率，增加水電汽等運行成本；重則影響啤酒的生物穩(wěn)定性甚至會造成投訴率上升，影響企業(yè)形象。由此啤酒瓶回收清洗機便應運而生。啤酒瓶回收清洗機主要有以下優(yōu)點：一、降低了人們的勞動強度，提高了工作效益。二、清洗徹底，有效提高了衛(wèi)生標準。 2.2 國內外研究現(xiàn)狀 上世紀六、七十年代我國開始引入國外設備，并對設備進行了測繪仿制以及改良完善，即消化吸收與自主創(chuàng)新階段。此階段設備運行速度先后經歷了8000, 1.2萬、2萬、2.4萬、3.6萬、4.4萬等多品種及單端、臥式雙端、立式雙端等多種類型。上世紀70年代中期第一代洗瓶機瓶盒排數(shù)為16排，主鏈瓶盒運行間歇動作，產量最高為8000瓶每小時。由于本機具有結構簡單，容易制造等優(yōu)點，在計劃經濟時代仍占據(jù)市場相當長的一段時間。第一代洗瓶機是現(xiàn)有洗瓶機的早期產品，生產速度低，主鏈運動空運轉行程對能耗浪費較大。 上世紀80年代，德國SEN、 H&K等公司生產制造出第二代洗瓶機，該機的瓶盒排數(shù)為30排，洗瓶機機型同樣屬于浸泡噴沖連續(xù)清洗的形式，產量可達2-2.4萬瓶小時。第二代洗瓶機已改善了第一代機型中主鏈空運轉缺陷，但整體運行速度仍然偏低。 上世紀90年代初期，德國KHS公司設計出第三代洗瓶機，瓶盒數(shù)量為38排，仍屬浸泡噴沖連續(xù)形式，產量高達36萬瓶每小時，此機型目前成為國內主流設備制造商的基準機型，近凡年單端機型均在它的基礎上不斷地改進完善創(chuàng)新。 90年代末期，為了滿足純生啤酒灌裝的需要，國內不少洗瓶制造商研制出臥式雙端洗瓶機，克服了同一方向進出瓶可能出現(xiàn)的交叉污染缺點。 進入21世紀，洗瓶設備取得了新的技術進步，目前己出現(xiàn)了采用無軸變頻傳動取代萬向聯(lián)軸節(jié)傳動的新型傳動洗瓶機，除標方式上則出現(xiàn)了立式軸流泵噴沖，或對原有離心泵噴淋進行了完善升級。洗瓶產能、可操作性及設備運行效率得到進一步提升。 2.3 課題研究方向 根據(jù)以上課題的產生背景可知，本課題的研究內容包括以下幾個方面： （1）機構的型式組合即用什么機構去完成所設設計的運動規(guī)律。機構的種類很多，它們一可以完成許多種運動，如往復運動、往復擺動、沿直線運動、沿某一指定的曲線運動、等速轉動和不等速轉動等等。而洗瓶機是主要又推瓶機構、一甘輥機構、轉刷機構組成。設計的推瓶機構應使推頭接近均勻的速度準瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后，推頭快速返回原位，準備第二個工作循環(huán)。根據(jù)設計要求，推頭在工作行程中應作勻速直線運動，在工作前后可有變速運動，回程時有急回。 對這種運動要求，若用單一的常用機構是不容易實現(xiàn)的，通常要把若干個基本機構織合起來，設計組合機構。 （2）推瓶機構的運動規(guī)律設計 即怎樣根據(jù)使用要求或工藝要求制定出一個合理的運動規(guī)律。例如推瓶機構的設計，如果采用凸輪一連桿機構的功能原理，則需要提出相應的運動規(guī)律來完成所運動的軌跡，來完成相應的實際功能;如果采用四連桿機構的功能原理，怎樣實現(xiàn)推頭推瓶的均勻速度和推頭快速返回原位等等。在這些可能的運動規(guī)律中，要找出一個適合客觀規(guī)律的最優(yōu)方案。 （3）進瓶機構的設計 洗瓶機如要進行生產，必須要有進瓶機構作為各工序間的連接。另外進瓶機構還起到協(xié)調瓶流的作用，這意味著性能優(yōu)秀的進瓶機構可以起到提高生產線的產量、效率，甚至降低成本的作用。 （4）機構的分析和綜合綜合出合適的機構類型后，怎樣進一步確定機構中各構件尺寸和結構形狀，也是一項要研究的問題。結合實際分析連桿機構的運動規(guī)律及外型尺寸最終確定其整體外型尺寸。洗瓶機設備只用一個動力源，實現(xiàn)三個功能運動的機構必須聯(lián)動，井且其主要功作必須協(xié)調。 3 設計任務書 3.1 設計題目及工作原理 洗瓶機是由送料機構、推瓶機構、導輥機構和轉刷機構共同來完成它的工作的。根據(jù)下面洗瓶機工作情況示意圖，首先是由推瓶機構以均勻的速度將瓶子推上工作臺（導輥)，推頭的往復運動使瓶子一個一個不間斷的送上工作臺進行清洗工作，由于瓶子是從靜止到具有一定的速度，推頭和瓶子之間必然存在著一定的沖擊，所以就要考慮推頭的材料不能是剛性材料，要用其有一定韌性的塑性材料以保證在工作過程中不至于將瓶子碰碎。第二，瓶子送到工作臺的同時導輥己經進入了旋轉的狀態(tài)并且噴水機構也開始對瓶子進行噴水，使瓶子隨著導輥的旋轉進行圓周運動，安裝在導輥上而旋轉的轉刷能夠將瓶子的四周都能夠清洗干凈。如圖所示。 圖1 洗瓶機工作示意圖簡圖 Fig 3-1 Bottle washing machine working schematic diagram 3.2 功能原理 在實際工作中，要設計的機器往往比較復雜，其使用要求或工藝要求往往需要很多的功能原理組合成一個總的功能原理。下面我們來分析一下洗瓶機是通過什么功能原理來實現(xiàn)它所要完成的工作的。 首先推瓶機構所采用的功能原理是用機械能迫使瓶子由工作臺的一側運動到另一側，則要求有一個工作行程為L往返運動的推桿，同時推頭在工作過程中要勻速，回程時要快速，能夠滿足此運動規(guī)律可以有很多種，如可以設計成凸輪連桿機構等實現(xiàn)其往復運動來完成其工作。要運用此功能原理來滿足其工作需要，在運動規(guī)律設計方而就要考慮用什么來帶動凸輪機構的轉動，一般我們都用電機來完成此項轉動功能。 其次是轉輥機構所運用的是機械的轉動規(guī)律，也是機械運動中比較簡單的運動規(guī)律，只需要有一定的轉動速度與推瓶機構、轉輥機構相配合來實現(xiàn)洗瓶設各的整體工作功能。它是有兩個長圓柱型導輥旋轉，帶動瓶子旋轉并且由導輥的一側移動到另一側的，其中導輥只完成其中的旋轉功能，移動功能是由推瓶機構來 實現(xiàn)的。 最后我們要了解一下轉刷機構所采用的功能原理，它與導輥機構相同運用的都是機械的轉動規(guī)律，與其不同的是轉刷機構的旋轉要有很高的速度來完成其對瓶子外壁的清洗工作。知道了它的運動規(guī)律就要進一步了解它是由什么機構帶動完成其所要求的功能的。推瓶機構、導輥機構和轉刷機構都是由一臺電機來提供所有的機械轉動規(guī)律的，這就要求我們對它們深入分析、研究各構件之間的運動規(guī)律的聯(lián)系，進而的設計出符合其聯(lián)動規(guī)律的整體設備，來滿足我們預期想要實現(xiàn)的目標。 3.3 啤酒瓶回收清洗機的技術要求 啤酒瓶尺寸 工作行程 生產率 急回系數(shù) （長×直徑） mm 個/min k mm, mm 200×60 600 3 3 表1 啤酒瓶回收清洗機的技術要求 Tab 1 The technical requirements of beer bottle recycling cleaning machine 3.4 設計任務 （1）啤酒瓶洗瓶機總體方案的擬定和主要參數(shù)的設計計算； （2）傳動方案的確定及設計計算，主要工作部件的設計； （3）主要受力零件的強度或壽命校核計算； （4）裝配總圖、部件圖、零件工作圖的繪制； （5）其他機構的設計計算。 （6）編寫設計計算說明書。 3.5 原始數(shù)據(jù) （1）瓶子尺寸:長度L=200mm ,直徑D=60mm . （2）推進距離S=600mm,推瓶機構應使推移接近均勻的速度推瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后推頭快速返回原位，準各進入第二個工作循環(huán)。 （3）按生產率每分鐘3個的要求，推程的平均速度v=45mm/s，返回時的平均速度為工作時的平均速度的三倍。 （4）機構傳動性能良好，結構緊湊，制造方便。 4 方案設計 4.1 分析設計要求 由題目可知:洗瓶機主要由推瓶機構、導輥機構、轉刷機構組成。設計的推瓶機構推桿應以均勻的速度推瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后，快速返回原位，準備第二個工作循環(huán)。 根據(jù)設計要求，推桿在工作行程中應作勻速直線運動，在工作段前后可有變速運動，回程時有急回。 對這種運動要求，若用單一的常用機構是不容易實現(xiàn)的，通常要把若干個基 本機構組合起來，設計組合機構。 為了完成清洗工藝過程，需要實現(xiàn)下列運動功能要求: （1）瓶子的旋轉運動，因此需要設計相應的導輥機構。 （2）旋轉地瓶子沿導輥的平移運動，因此需要設計相應的推動機構。 （3）為實現(xiàn)瓶子洗刷，因此需要設計相應的轉刷機構。 （4）此外，還應有相應的送料機構和取料機構。 （5）為節(jié)約時間，提高效率，因此還要考慮推動機構的急回特性。 對三種機構進行分析: （1）導輥機構 通過合理的設計及計算，利用學輥轉動所產生的摩擦力來 帶動瓶子的旋轉是可以實現(xiàn)的。 （2）推動機構 通過對工作行程、生產率急回系數(shù)等的分析，可以設計出 滿足其急回特性的推動機構。 （3）轉刷機構 只需通過軸的轉動來帶動刷子即可。 （4）送料機構和取料機構 均采用履帶及導輥傳輸。 此外，還應注意: （1）各機構間運動速度的協(xié)調。 （2）應通過計算，使推桿運動時，避免與轉刷機構接觸。若推頭僅作勻速直接運動，則不用考慮推桿與轉刷機構的接觸。 在設計組合機構時，一般可首先考慮選擇滿足軌跡要求的機構(基礎機構)， 而沿軌跡運動時的速度要求，則通過改變基礎機構主動件的運動速度來滿足，也就是讓與一個輸出變速度的附加機構組合。 4.2 推瓶機構的選擇 推瓶機構的方案:根據(jù)前述設計要求，推瓶機構應為一具有急回特性的機構， 為了提高且作效率，一是行程速比變化系數(shù)K盡量大一些;在推程(即工作行程) 中，應使推桿作直線運動，以保證工作的穩(wěn)定性，這些運動要求并不一定都能得到滿足，但是必須保證推瓶中推桿的運動軌跡至少為近似直線，以此保證安全性。 運用前述設計的思想方法，再考慮到機構的急回特性和推頭做往復直線運動 的特點，所以根據(jù)要求，本機構采用了凸輪機構。實現(xiàn)要求的機構方案有很多，我們可用多種機構組合來實現(xiàn)。 4.2.1 自動上料裝置中常見的幾種機構 自動上下料裝置中常見的幾種機構有：曲柄滑塊機構、凸輪機構、槽輪機構、棘輪機構、不完全齒輪機構等。如圖2所示： 4.2.2 方案的選擇 1、 凸輪機構 凸輪機構是最常見的停歇機構，結構形式多種多樣，應用于各種自動上料的場合。不僅能夠實現(xiàn)送料，還能實現(xiàn)停歇。 2、 曲柄滑塊機構 能實現(xiàn)送料，且其“偏心距”是凸輪的一半，因此相對于凸輪機構，設計出來的機構結構會小巧很多。 3、 槽輪機構 槽輪機構 同樣能實現(xiàn)送料和停歇，在實際生產中應用也相當廣泛。但由于清洗方式要求豎直方向的壓緊，會對槽輪產生相當大的翻轉力，因此被摒棄。 圖2 自動上料裝置中常見的幾種機構 Fig 2 Automatic feeding device in common several kinds of institutions 4、 棘輪機構 棘輪機構結構簡單，應用也很廣泛。但由于工作過程中會產生較大噪聲。因此也不選用。 五、不完全齒輪機構 不完全齒輪機構也能實現(xiàn)停歇，工作時常與其他機構搭配，組成組合機構。 綜上所述，能夠滿足要求的有：凸輪機構 曲柄滑塊機構與不完全齒輪機構的組合、凸輪機構與不完全齒輪機構的組合。 凸輪機構相對于組合機構來說，在獲得停歇時間上會遜色很多，因此不予考慮。那么，我們只用分析討論后兩者的優(yōu)缺點： A.曲柄滑塊機構與不完全齒輪的組合機構 若要實現(xiàn)較大的傳動比，不完全齒輪機構本身必須用有較大的傳動比。即完整的齒輪需要比其大數(shù)倍的不完全齒輪帶動旋轉，這樣會大大縮短齒輪的使用壽命，這在設計過程中是應盡量避免的。此外由于大齒輪的存在，總體結構也會很大。 B.凸輪機構與不完全齒輪機構的組合機構 雖說由于凸輪機構的存在，總體結構較大，但由于該機構的啟停之比等于凸輪的啟停之比與不完全齒輪啟停之比的成積。因此容易獲得較大的停歇時間。 綜上所述，選取凸輪機構與不完全齒輪機構組合而成的組合機構，如圖3所示： 圖3 凸輪與不完全齒輪組成的組合機構結構簡圖 Fig 3 CAM with incomplete gear consisting of a combination structure diagram 4.3 送料方式確定及數(shù)據(jù)計算 4.3.1 送料方式的確定 由于方案的限制，我們選取如下的送料方式，如圖4所示： 采用并行輸送帶。當啤酒瓶到達A位置時，凸輪1動作，將啤酒瓶推向B位置，在B位置經清洗后，再由凸輪2推向C位置，由輸送帶帶走。 兩凸輪相對運動的原則為：當凸輪2推動啤酒瓶至輸送帶回到起始位置時，凸輪1剛好準備運動。 圖4 送料的原理圖 Fig 4 Feeding principle diagram 4.4 洗瓶機構的選擇 4.4.1 洗瓶裝置簡圖 4.4.2 洗瓶設計說明 我這里推頭特意設計成可以洗內表面的刷子，它比瓶子的內徑稍大一些，瓶子下來時，在推頭的作用下，后面又有洗外表面刷子的阻力，內刷子就可以很輕松的插入瓶內，待到推頭的擋板抵到瓶口后就可以推著瓶子走了。隨著導輥的轉動，瓶子內外表面都得到很好的清洗。 圖5 洗瓶裝置簡圖 Fig 5 Washing bottle installation diagram 另外，值得注意的一點是，內刷子因為要伸到瓶子里面，所以要選用軟一點刷子，方便輕易的伸到瓶里面而不影響瓶子移動。還有就是內刷子的刷桿也要用軟一點橡膠棒，方便瓶子洗好時，借助重力好脫離內刷子，順著出瓶軌道滑出，滑到裝瓶箱。 4.5 洗瓶機總體方案設計 4.5.1 總體方案及運動說明 首先需將瓶子放入膠帶上，通過進瓶機構間歇的送到導輥軌跡上，轉動的毛刷通過五桿組合機構帶動毛刷插入瓶子，毛刷在導桿的推動和旋轉下邊前進邊清洗內表面，推動瓶子沿導輥前進，再由外面轉動的刷子將瓶子外表面洗凈。 要實現(xiàn)上述分功能,有下列工藝動作過程: (1)凸輪通過不完全齒輪做間歇運動； (2)瓶子由輸送帶到導輥的滑動； (3)內表面毛刷勻速推進和瓶子自身旋轉； (4)推桿作直線或者近似直線運動,將瓶子沿導輥推到指定的位置; (5)推桿沿直線運動推動瓶子移動的程中,瓶子同時跟著兩同向轉動的導輥轉動; (6)同時,有原動件帶動的刷子也同時在轉動,當瓶子沿導輥移動時將瓶子的外表面就清洗干凈; (7)在瓶子移動過程中,內刷子同時在瓶子內轉動,動作結束,則刷子移出瓶外. (8)瓶子離開輸送帶,而推瓶機構急回至推瓶初始位置,進入下一個工作循環(huán). (9)洗好的瓶子輸送帶送出. 4.5.2 方案評估 （1）運動鏈的長短:方案比較簡單，運動鏈的長度不多，構件數(shù)目少。 （2）機構的排列順序：方案的排列順序不是十分合理。該方案中有帶傳動時（進瓶與出瓶機構），這種摩擦傳動外廓尺寸較大的機構一般安排在運動鏈的起始端，而其沒有，也不是十分合理。 通過仔細評估，該方案設計合理，可行性高，而且布局上也合理，結構設計也比較嚴謹。在數(shù)據(jù)處理上也清楚明了，所以最終通過評估決定選用該方案作為最終選定方案. 4.6 傳動部分結構設計 4.6.1 方案確定 為了使得兩凸輪能夠按照以上要求以上動作，兩凸輪間應有一定的連接。 兩凸輪相對運動的原則為：當凸輪2推動啤酒瓶至輸送帶回到起始位置時，凸輪1剛好準備運動。同時我們要求兩個完整齒輪的齒數(shù)必須完全一樣且不完全齒輪齒數(shù)與凸輪升程和回程所包含的齒數(shù)相同。 我們取不完全齒輪齒數(shù)為n,在不全齒輪圓周中占有的角度為a，完整齒輪齒數(shù)為N,我們不妨設凸輪升程與回程的時間為T，則： 凸輪旋轉一周時間為360T/120 =3T .而不完全齒輪需旋轉3 周，凸輪才能旋轉一周。由于不完全齒輪齒數(shù)與凸輪升程和回程所包含的齒數(shù)相同，能不完全齒輪旋轉一周時間為360°T/a ，因此不完全齒輪需要經過360T/a x 3=1080T/a時間，凸輪才能完成一個循環(huán)（即清洗一個啤酒瓶）。 這個數(shù)據(jù)是相當樂觀的，由于該機構的兩部分由一定的制約，還需要除去兩者之間時間間隔，及清洗設備的準備時間和撤離時間。在后面的方案可行性驗算 中會提及。 4.6.2 凸輪結構設計 （1）凸輪機構的組成 凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件。凸輪通常作等速轉動，但也有作往復擺動或移動的。推桿是被凸輪直接推動的構件。因為在凸輪機構中推桿多是從動件，故又常稱其為從動件。凸輪機構就是由凸輪、推桿和機架三個主要構件所組成的高副機構。 （2）凸輪機構中的作用力 　　直動尖頂推桿盤形凸輪機構在考慮摩擦時，其凸輪對推桿的作用力 F 和推桿所受的載荷(包括推桿的自重和彈簧壓力等) G 的關系為 F = G /［cos(α+φ1) - (l+2b/l)sin(α+φ1)tanφ2］ （1） （3）凸輪機構的壓力角 　　推桿所受正壓力的方向(沿凸輪廓線在接觸點的法線方向)與推桿上作用點的速度方向之間所夾之銳角，稱為凸輪機構在圖示位置的壓力角，用α表示 　　在凸輪機構中，壓力角α是影響凸輪機構受力情況的一個重要參數(shù)。在其他條件相同的情況下，壓力角α愈大，則分母越小，作用力 F 將愈大；如果壓力角大到使作用力將增至無窮大時，機構將發(fā)生自鎖，而此時的壓力角特稱為臨界壓力角αc ，即 α＝arctan{1/[(1+2b/l)tanφ2]}-φ1 （2） 為保證凸輪機構能正常運轉，應使其最大壓力角αmax小于臨界壓力角αc 。在生產實際中，為了提高機構的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機構的最大壓力角αmax應小于某一許用壓力角[α]。其值一般為： 推程對擺動推桿取[α] ＝35o～45o ； 回程時通常取[α]′ ＝70o～80o。 凸輪的輪廓主要尺寸是根據(jù)四桿機構推頭所要達到的工作行程和推頭工作速度來確定的，初步定基圓半徑r0=50m，溝槽寬20mm，凸輪厚25mm, 孔r=15mm ,滾子半徑r=10mm。 凸輪的理論輪廓曲線的坐標公式為： ， （3） （4）求凸輪理論輪廓曲線： a）推程階段=1.2 = b）遠休階段 = 7.5 c)回程階段 o 33 d) 近休階段 o= e)推程段的壓力角和回程段的壓力角 （4） 將以上各相應值代入式（A）計算理論輪廓曲線上各點的坐標值。在計算中時應注意：在推程階段取，在遠休階段取，在回程階段取，在近休階段取。 根據(jù)推瓶機構原理，推瓶機構所需達到的工作要求來設計凸輪，凸輪的基本尺寸在近休時尺寸為50mm,達到最遠距離時尺寸為180.9mm。 (5)求工作輪廓曲線： 有公式的 （5） 其中： （6） （7） a）推程階段 （8） = （9） a)遠休階段 b)回程階段 c)近休階段 （10） （11） 表2 凸輪工作輪廓曲線各點的坐標 Table 2 CAM contour curve of the coordinates of each point x y 0o 5o 10o … 350o 355o 360o 0.0 4.359 8.705 … -8.682 -4.358 0.0 50.0 49.826 49.370 … 49.246 49.810 50.0 0.0 3.602 7.409 … -6.946 -3.486 0.0 40.0 39.855 39.455 … 39.392 39.847 40.0 圖6 凸輪結構示意圖 Fig 6 CAM structure diagram 為了計算上的方便及擁有較長的停歇時間，我們取凸輪升程與回程總的轉角為120°,不難設計出兩個凸輪的結構，如圖6所示：升距e=90mm 由上圖可知：凸輪2中心距導槽邊緣最小距離為160+20=180mm 凸輪1中心距導槽邊緣最小距離為175+20=195mm 由凸輪結構及送料裝置的結構，我們不難知道： 凸輪1中心距導槽上A點最小距離為240mm+195mm=435mm 凸輪2中心距導槽上A點最小距離為135mm+180mm=315mm （在以后章節(jié)中，我們均稱偏心距為115的凸輪為凸輪1，偏心距為90的凸輪為凸輪2） 4.6.3 齒輪設計 三個齒輪均采用腹板式結構。 選擇齒輪材料與熱處理：所設計齒輪傳動屬于閉式傳動，通常齒輪采用軟齒面。查閱相關資料可知，選用價格便宜便于制造的材料，完整齒輪材料為鑄鋼，調質，齒面硬度260HBS；大齒輪材料也為鑄鋼，調質處理，硬度為215HBS； 精度等級：洗瓶機是一般機器，速度不高，故選8級精度。 因為齒輪采用軟齒面開式傳動，齒面不會發(fā)生疲勞點蝕，因此初步確定按齒根彎曲疲勞強度設計齒輪傳動主要參數(shù)和尺寸。齒根彎曲疲勞強度設計公式 （12） 式中——齒形系數(shù)，反映了輪齒幾何形狀對齒根彎曲應力的影響 ——應力修正系數(shù)，用以考慮齒根過度圓角處的應力集中和除彎曲應力以外的其它應力對齒根應力的影響。 ——重合度系數(shù)，是將全部載荷作用于齒頂時的齒根應力折算為載荷作用于單對齒嚙合區(qū)上界點時的齒根應力系數(shù) ——許用齒根彎曲應 1.完全齒輪傳遞的轉矩 （13） （14） 式中： ——帶輪的傳動效率 ——對滾動軸承的傳遞的功率 取，，代入上式，得 所以， 2.載荷系數(shù)的確定 由于值未知，不能確定，故可初選 = 1.1 ~ 1.8 ，這里初選 = 1.3 3.齒寬系數(shù)的確定 選取齒寬系數(shù) 4. 齒數(shù)的初步確定 初選完全齒輪=60，設計要求中齒輪傳動比，故 不完全齒輪 此時傳動比誤差 5.齒形系數(shù)和應力修正系數(shù) 查表得，齒形系數(shù)， 應力修正系數(shù)， 6.重合度系數(shù)的確定 對于標準外嚙合齒輪傳動，端面重合度 式中 、——齒數(shù) 把= 17 ， = 88，代入上式得 根據(jù)經驗公式，確定 7.許用彎曲應力的確定 （15） 式中 ——計入了齒根應力修正系數(shù)之后,試驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限應力；當齒輪雙側工作時圖中時值乘以0.7 單側不用乘系數(shù) ——安全系數(shù)；與疲勞點蝕相比，斷齒的后果更為嚴重，所以，一般取=1.25 彎曲疲勞極限應力 ， 取安全系數(shù) 小齒輪與大齒輪的應力循環(huán)次數(shù)可按下式計算 （16） 式中 n ——齒輪轉速，r/min； a ——齒輪轉一周，同一側齒面嚙合的次數(shù)； ——齒輪的工作壽命，h（小時） 代入數(shù)值，分別有 由參考文獻得，彎曲強度壽命系數(shù) 故彎曲應力 所以 =0.0244 8.初算模數(shù) 對于開式齒輪傳動，為考慮齒面磨損，要將上式計算出來的模數(shù)m后，增大10%~15%，故 1. 計算載荷系數(shù)K 設計要求機器工作平穩(wěn)，由參考文獻查得 由參考文獻1圖6.7得動載荷系數(shù) 由參考文獻1圖6.12得齒向載荷分布系數(shù) 由參考文獻1表6.4得齒間載荷分布系數(shù)，則 K值與初取的 = 1.3差距很小，不須修正 2. 修正m 圓整取第一系列標準模數(shù)6。 計算傳動尺寸 中心距 所以 ， 完整齒輪結構圖如7圖所示： 圖7 完整齒輪的結構示意圖 Fig 7 Full gear structure diagram 不完全齒輪結構如圖11所示： 4.7 方案的可行性驗算 不完全齒輪旋轉一周撥動小齒輪旋轉120°，即不完全齒輪旋轉3周，小齒輪才能旋轉一周。 我們假設凸輪升程與回程總時間為T，則凸輪（小齒輪）旋轉一周時間為3T。由于不完全齒輪齒數(shù)與凸輪升程和回程所包含的齒數(shù)相同，能不完全齒輪旋轉一周時間為360°T/100° =3.6T，可知：不完全齒輪需要經過3.6T x 3=10.8T時間，凸輪才能完成一個循環(huán)（即清洗一個啤酒瓶）。 圖 8 不完全齒輪結構圖 Fig 8 Incomplete gear structure 要是得清洗的時間盡可能的長，我們僅需使得凸輪2回到初始位置時，凸輪1剛好動作（將啤酒瓶推到指定的位置）。清洗的時間需要減去滑塊1將啤酒瓶推到指定位置的時間和滑塊2由指定位置回到初始位置的時間，即為T。另外根據(jù)實際生產情況需給一定的時間用來使得清洗裝置加緊啤酒瓶及清洗裝置的脫開，我們取這段時間為1.8T. 綜上所述：一個清洗周期中，啤酒瓶進給和推出、清洗裝置到位及清洗裝置脫開時間為T+1.8T=2.8T，清洗時間為10.8 T-2.8 T=8T.由此可知清洗時間所占的比例是相當可觀的。 4.8 輸入端方案確定及結構設計 4.8.1 輸入端結構設計計算 由于不完全齒輪所在的軸為立軸，為了便于電動機的安裝，因此需要將扭矩的傳遞方向變?yōu)樗椒较颉＜葱枰惭b兩圓錐齒輪，由于圓柱齒輪的傳動比為72:60。因此我們不妨選取兩圓錐齒輪的傳動比為36:30。這樣的話，傳動比只與輸入端有關。另外我們仍取齒輪模數(shù)為m=6。 4.8.2 輸入端傳動機構的選擇： 我們不妨選啤酒瓶進給的時間T=2.5s，則清洗時間為8T=20s，滿足要求， 因此凸輪軸3T=7.5S轉一周，即其轉速為8r/min。 查手冊知：電動機型號TYD-永磁低速電動機，滿載轉速為60r/min,最大輸入功率180w。電動機中心高為65mm，外伸軸端DXE=28mmx75mm。 查手冊知 二級圓柱齒輪減速器 傳動比為i=12.5，減速器中心高為160mm，外伸軸端D x E=28mm x70mm。 綜上所述：凸輪軸的轉速為60/12.5=4.8r/min 凸輪軸轉一圈時間為12.5s， 則啤酒瓶進給時間為2.5s，清洗時間為20s，滿足要求。 4.9 輸入端軸的設計計算 4.9.1 軸的材料 選取45鋼調質,硬度230HBS，強度極限640MPa ，屈服極限355MPa,彎曲疲勞強度極限275MPa,剪切疲勞強度155MPa,對稱循環(huán)變應力時的許用應力60MPa。 4.9.2 軸的各段直徑的確定 軸的右端與聯(lián)軸器的相連，因此軸端直徑為ф30mm。其結構如圖9所示 圖9 軸的結構簡圖 Fig 9 Shaft structure diagram 自右向左第一段軸：d1=30 mm 第二段軸d2=35 mm（取定位軸肩高度h=2.5 mm） 第三段軸d3=42 mm（取定位軸肩高度h=3.5 mm） 第四、六段軸相同d4=d5=50 mm（取定位軸肩高度h=4 mm） 第五段軸d3=45 mm（取定位軸肩高度h=2.5 mm） 4.9.3 軸的各段長度的確定 自右向左第一段軸：L1=60 mm（聯(lián)軸器孔深60 mm） 第二段軸L2=50 mm 第三段軸L3=18+2+2+5=27 mm（螺母厚度為18 mm） 第四軸L=29.25+5=33 mm（圓錐滾子軸承32310 T=29.25mm） 第六段軸L5=54+29.25+5-8=80 mm 第五段軸L4=150-29.25-29.25-5-5=81 mm（取兩軸承兩端之間最大距離為150 mm） 4.9.4 軸上零件的軸向定位 A.輸入端與聯(lián)軸器連接，周向定位采用平鍵連接。按d=30 mm ，查表得：選用圓頭普通平鍵，C8X32 ,，鍵的截面尺寸8x7，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度為32 mm，同時為了保證聯(lián)軸器與軸具有良好的對中性，故選用其配合為H7/k6。滾動軸承與軸的周向定位是借助齒輪斷面、法蘭及螺母來保證的。 B.軸間處的倒角 軸間處的倒角為2x1.5，軸的兩端倒角為2x45°。 4.9.5 軸的設計計算 (1)軸的受力分析 工作功率為 選=110， dmin==28.2 （17） 考慮到開鍵槽，將其軸徑增加10%，故其軸的直徑為30㎜。 軸的轉速 n=4.5 r/min 軸傳遞的轉矩 T1=9.55×106=7215N·㎜ d1=30㎜ Ft==1311.2N （2）計算軸的彎矩，并畫出彎矩圖，按M=進行彎矩合成，畫出彎矩圖。 =0 故 M===Ft·55=7215N·㎜ 圖10 彎矩圖 Fig 10 Bending moment diagram （3）計算并畫當量彎矩圖 轉矩按脈動循環(huán)變化計算，取=0.6，則 T1=0.6×7215 =4329N·㎜ 按Mca=計算，并畫當量彎矩圖。 圖11 當量彎矩圖 Fig 11 Equivalent bending moment diagram 4.9.6 軸的強度校核 鍵槽處d1=30㎜ 鍵槽處當量彎矩為 Mca==8414N·㎜ 強度校核：考慮鍵槽的影響，查表得 b=8㎜ t=7㎜ ==112.68 ===243.35 ==7.5MPa 顯然，≤ , 故安全。 4.9.7 按安全系數(shù)校核 Ⅰ.判斷危險截面 在鍵槽處有應力集中源，且當量彎矩較大，故確定為危險面。 Ⅱ.疲勞強度校核 .鍵槽處截面上的應力： 彎曲應力幅： ==6.41MPa 扭轉應力幅： ==1.49MPa 彎曲平均應力：=0 扭轉平均應力：==1.49MPa .材料的疲勞極限：根據(jù)=650MPa，=360MPa，查表得 =0.2 =0.1 .截面應力集中系數(shù)：查表得 k=1.825 k=1.625 .表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查表得 =0.94 =0.60 =0.60 .分別考慮彎矩或扭矩作用時的安全系數(shù)： Sσ==8.7 (18) Sτ==3.61 (19) Sca==3.33＞[S]=2.5 (20) 故安全。 5 結論 作為一名機械的初學者，在畢業(yè)設計的過程中我深入的體會到機械設計的規(guī)范化與標準化，認識到學習的重要性，更加鞏固了我大學四年所學到的知識，總之，受益匪淺。 在畢業(yè)設計的過程中，手冊成了我最好的朋友。在我們機械專業(yè)，所有的設計都是建立在標準化與規(guī)范化的基礎上的創(chuàng)新。所有的零部件的設計我們都在滿足其機械性能的基礎上優(yōu)先選用標準件，在大量的翻閱手冊的過程中，我認識到手冊在機械的重要性，離開手冊，任何設計都是空洞，沒有依據(jù)的。 在這幾個月的設計中，我對大學階段所學的專業(yè)知識又有了一次全面而深入的學習，在機械制造、機械設計、互換性技術與應用等課本中本來生疏的的知識在這一段時間里又有了實踐性的認識。同時在設計的過程中，我們大學所學到的所有課程都被聯(lián)系到了一起，特別是后期設計說明書的書寫，那是對我大學所學知識的一次大演練。在整個設計過程中，我深深體會到了理論知識運用到實踐中的難度，我明白了要將所學的知識運用到實處還需要付出很多努力與汗水。 經過幾個月的努力，我的畢業(yè)設計圓滿完成了。通過畢業(yè)設計，我對機械機構的傳動以及AutoCAD軟件使用有了更加深入的了解和掌握。本次畢業(yè)設計設計的自動上料裝置采用不完全齒輪來實現(xiàn)停歇，凸輪機構來完成啤酒瓶送給，方案新穎，結構簡單，擁有相對較長的停歇時間，能大大提高清洗的效率。但由于該機構只針對特定啤酒瓶所設計的，不具有通用性。且由于該機械僅處于理論階段，可能會有小部分結構在實際生產中出現(xiàn)生產問題，該方案需要不斷完善。 在這次的設計過程中，用到了幾乎以前學過的所有專業(yè)課的知識，還有一部分知識是通過查閱相關的設計資料以及得到老師的幫助，才能夠順利掌握并應用的。 總之，在這次設計中，我學到的知識是我這一生寶貴的財富，我會在以后