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洗瓶机设计 I 摘 要 洗瓶设备主要用于制药、化工、食品等行业灌装前瓶子 的 清洗 。 洗瓶机器设备的出现，改变了人工刷洗的传统工艺，实现了自动化生产方式，达到了减少劳动力、节约费用、提高工作效率、增加企业经济效益之目的。 本文设计的 洗瓶机 由电动机、曲柄滑块推瓶机构、刷瓶机构、导辊机构、传动系统等构成。 设计该洗瓶机过程中，首先，调查了 洗瓶 机研究现况，在此基础上根据设计技术要求选定了推瓶机构及传动系统结构方案；接着，根据选定的结构方案选定了各个机构主要参数；然后，详细计算了曲柄滑块推瓶机构及传动系统各主要零部件的尺寸并进行了校核；最 后通过 图软件绘制了该洗瓶机的装配图及主要零部件图。 本文的研究与设计方法适用于各类洗瓶机及其零件的设计与改造，具有较好的参考价值。 关键词： 洗瓶机 ， 推瓶机构， 曲柄滑块 机构， 传动系统 洗瓶机设计 is in to of of by an to of of of on of to of in to of of a of of to a of in to of of a 瓶机设计 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 题研究的背景及意义 . 1 瓶机概况 . 2 内外研究现况 . 2 第二章 方案设计 . 4 计要求与分析 . 4 计要求 . 4 计要求分析 . 4 案设计 . 5 瓶机构的方案选择 . 5 动系统方案设计 . 6 瓶机总体设计及其布局 . 7 第三章 总体参数的选定与计算 . 9 动机的选择 . 9 瓶机构 . 9 动比的分配 . 9 动及动力参数的计算 . 10 刷机构 . 10 动比的分配 . 10 动及动力参数的计算 . 10 辊机构 . 11 辊机构布置 . 11 动比的分配 . 11 动及动力参数的计算 . 12 第四章 推瓶机构的尺寸设计 . 13 第五章 传动系统主要零件的设计 . 15 带传动设计 . 15 带 3、 4 设计 . 15 他 V 带的设计 . 17 杆传动设计 . 18 轮传动设计 . 22 洗瓶机设计 齿轮副 9、 10 设计 . 22 他各齿轮副的设计 . 26 及轴上零件的设计 . 26 轮轴及轴承、键的设计 . 26 他轴的设计 . 29 辊、转刷、机架等零件的设计 . 29 辊 . 29 刷 . 29 总 结 . 30 参考文献 . 31 致 谢 . 32 洗瓶机设计 1 第一章 绪论 题 研究的 背景及 意义 由于工业生产和社会生活的需要，大量的玻璃瓶、塑料瓶需要进行回收清洗后再利用，节省了大量制瓶所需要的费用同时也提高了工业生产的生产效率。然而就在此时也出现了回收后再清洗的问题。产品盛载是车间的最后一道关键工序，因此玻璃瓶的供应速度也 就决定了总的生产效率的高低。从而产生了对洗瓶机设备的研究与改进工作。随着啤酒市场不断地发展变化，酒瓶种类、标纸和粘接剂品种不断增加，特别是现在的头标铝箔纸的出现，给洗瓶设备和工艺提出了新的更高的要求在长期使用多种洗瓶机的过程中。为了适应现在啤酒回收瓶的洗涤要求，我们同该洗瓶机的制造厂家进行了广泛地讨论和研究，对洗瓶机适时地进行了一系列的技术改进。 洗瓶机器设备的出现并且运用到实际生产中，改变了人工刷洗的传统工艺，实现了自动化生产方式，达到了减少劳动力、节约费用、提高工作效率 1、增加企业经济效益之目的。并 且得到了广大用户的支持和好评，而且使得化、制药、食品等行业的生产率产生了质的飞跃。 随着科学技术的进步，现代化大规模生产的需要，市场多元化的产生，普通的洗瓶机已经不能满足市场生产力所需。现在洗瓶机应用广泛，不仅在生产制造业工厂生产线，在生物制药行业，科研技术领域等等都可以起到重大作用。所以它不仅在生产制造业有重要作用，而且在科研制药行业发挥一定作用，并且在生产和生活中的作用领域不断扩大。 洗瓶机作为一种清洗洁净工具，在完成清洗的同时，现在要求具有消毒、干燥等功能同时具备，在完成整个工作过程中，对于提高生产能 力、保证产品质量 2、减轻劳动强度、降低生产成本、提高生产效率、加快生产周转等方面均有着重要的影响。同时也要保证安全生产、减少破损率也有显著的作用。现在市场上的很多洗瓶机都同时具备很多功能，他的技术已经超越了单纯的减轻体力劳动这一传统概念，因为它不仅在清洗程度上有很大的改变，而且具有严格的时间、速率概念，根据系统事实的需要，及时地、迅速地、准确地 “将待洗瓶进行准确而彻底的清洗，并完成相应的检验指标要求 ”，否则，就不能适应现代生产的要求。在传统的灌装生产线上，相应的其他各个环节都做得比较到位，留给人们最的疑 问与担忧就是：能否保证瓶子的干净卫生？人们的观点就代表市场的需求，那么在洗瓶子的这一个环节可以说是还有很多值得研究，是占领市场赢得人们的信任与赞可的大份。而这个就得依赖于先进的清洗消毒工具洗瓶机。 在灌装生产线的加工生产过程中，对瓶子的清洗主要依靠洗瓶机。随着现代企业生产能力、规模的扩大，对这方面的要求越来越严苛，对瓶子的清洁程度消毒水平都有了更高的要求，并且对机器的生产能力和效率也有了相当的要求，使得洗瓶子朝着高生产洗瓶机设计 2 率高效率自动化的方向发展。本次的设计就是在这样的市场要求大环境下进行的，由于时间有限能力限 制，我则主要负责洗瓶机的机械部分，主要包括主工作部件、辅助工作部件的设计。 瓶机 概况 洗瓶机作为主要保障灌装生产线的生产要求和卫生保证的关键和重要的环节，其工作的稳定性、安全性、先进性一直受到人们的高度重视，但受传统技术的制约，市场上的洗瓶机基本都是大同小异，没有什么突破性的进展，往往不能兼顾，结合所有比较好的性能于一体。随着科学技术的不断进步与发展，大量先进技术成果的应用，现在洗瓶机也将发生很大的变化的。 自动数字洗瓶机是在生产工作过程中不直接进行人工处理的情况下，能自动对瓶子进行彻底的清洗、消 毒、干燥等，它的主体是数字管理中心。全自动数字洗瓶机是采用机械式操作过程，依托数字系统进行控制管理，通过数字化处理能自动控制洗瓶机，进行相关的作业，能自动、彻底、准确、迅速地对待洗瓶进行清洗、消毒、干燥并且计量。随着数字化自动化的不断运用与普及，必是洗瓶机的最大发展趋势，故仅就自动洗瓶机的发展趋势做一些初步的分析与探讨。 洗瓶机适用于玻璃瓶、塑料瓶等毛刷式清洗和水冲式清洗单独或配合使用清洗的专用设备。洗瓶是食品行业包装工艺流程中不可缺少的一环，设计出合理、高效的洗瓶机是包装技术发展的必然要求。洗瓶机的种类很 多，目前国内市场上的洗瓶机有扭道式、箱式、滚筒式和立式等多种，无论是何种洗瓶机大多采用了超声波清洗技术，利用超声波空化作用所产生的机械摩擦力，以清除用一般洗瓶工艺难以清除的瓶内、外粘附较牢固的物质。但安瓿瓶、西林瓶、口服液瓶对超声波的功率大小要求各不相同，瓶子的规格越大、壁越厚所需要的功率就越大，通常洗瓶机超声波的功率在 900W 左右，且大小可调。其中，扭道式洗瓶机产量低、速度较慢，以洗西林瓶和口服液瓶为主，使用客户相对较少。以 B+S 公司的早期产品为原型的箱式洗瓶机在国内药厂的应用也不多。目前国内市场以滚筒式 洗瓶机和立式洗瓶机的应用最为广泛，且立式洗瓶机后来居上，发展势头迅猛，已取代了滚筒式洗瓶机的传统地位，目前国内生产立式洗瓶机的代表厂家有长沙楚天、上海远东、上海旭发、长沙正中等。在国际其中浸泡喷冲式洗瓶机因其清洗效果好、自动化程度高、效率高，目前使用最为广泛。在洗瓶机的设计中，结构紧凑、清洗效果与除标效果成为人们最为关注的要点。 内外研究现况 洗瓶机从其诞生至今已经有百年多的历史，随着人们的要求越来越高和科学技术的发展的不断进步，各种新的科技都可以在其身上看到影子。特别是二战以后，科技水平发展迅猛， 新的科技力量和理念不断诞生，并且应用越来越普遍。作为机械生产的一员，对洗瓶机的研究和改革创新也是不断取得新的成果。 洗瓶机设计 3 我们的国内洗瓶机市场发展比其欧美国家落后 3，而且我们国家的技术在一定程度上跟不上市场发展的需要，导致国内市场上的洗瓶机没有形成一定的强势资源，各个生产厂家技术保密，不能形成很好的信息交换和共享，导致市场上洗瓶机的发展参差不齐，功能不全面。 目前有很多的国内企业采取与发达技术的国家企业合作，一起促进了洗瓶机市场在国内的发展。新技术的发展也给洗瓶机的市场带来一股新的活力，特别是大量的企业采用新 的计算机技术，二维的 已在制造业普及，三维的设计也在慢慢推广。电气设计部分采用 先进设计手段，引入定子调压和变频调速， 与系统控制，采用了大量高新传感元器件，实现了定位准确，操控方便，其安全可靠性也逐步提高。通过专家系统的应用，极大地推进了创新设计的进程，并且利用系统论和信息论等现代计算机应用技术研究成果，使得洗瓶机的创新设计开始向数字化化方向发展。 根据现实和发展，设计手段越来越体现出精确化、自动化、虚拟化与快捷的特点。现代的洗瓶机正朝着机电一体化、自动化、数字化、个性化方向发展。自动检 测、自动数据处理（运算、判断、存储、记忆）、自动显示、自动控制、故障诊断和自动保护及维护等功能得到了大量的应用。因此洗瓶机产品创新设计是以降低设计成本，提高设计速度，缩短设计周期为目的，包括降低成本设计、可靠性设计、快速设计、并行设计、数字化设计、智能设计、广义优化设计等现代设计技术。 洗瓶机设计 4 第二章 方案设计 计要求 与 分析 计要求 下图是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头 M 把瓶推向前进时，转动着的 刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗涮完毕时，后一个待洗的瓶子已进入导辊待推。 图 2瓶机工作情况示意图 (1) 瓶子尺寸：大端直径 d=80小端直径 d=25， 200 (2) 推进距离 l=600瓶机构应使推头 M 以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。 (3) 按生产率的要求，推程平均速度为 v=45mm/s，返回的平均速度为工作行程的 3倍。 (4) 机构传动性能良好，结构紧凑制造方便。 计要求 分析 洗瓶机主要由推 瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。设计的推瓶机构应使推头 稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。 根据设计要求，推头 M 可走图 2 所示轨迹，而且推头 M 在工作行程中应作匀速直线运动，在回程时可有变速运动且 回程时轨迹形状不限，但不能反向拨动下一个瓶子，除此以外 回程时必须有急回。 图 2头 M 运动轨迹 洗瓶机设计 5 对这种运动要求，若用单一的常用机构是不容易实现的，通常要把若干个基本机构组合起来，设计成一个组合机构。 在设计组合机构时，一般可首先考虑选择满足轨迹要求的机构（ 基础机构），而沿轨迹运动时的速度要求，则通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的附加机构组合。 案设计 瓶机构的 方案 选择 根据上述设计要求 ,推瓶机构应为一在工作行程时能作直线运动返回时具有急回特性的机构 ,为了提高工作效率 ,机构的急回系数 在推程 (即工作行程 )中 ,应使推头作直线运动 ,或者近似直线运动 ,以保证工作的稳定性 ,这些运动要求并不一定都能得到满足 ,但是必须保证推瓶中推头的运动轨迹至少为近似直线 ,以此保证安全性。 推头的运动要求主要是满足急回特性 ,能满足急回特性的机构主要有（ 1）曲柄滑块机构（ 2）凸轮机构（ 3）曲柄摆动导杆机构。 运用前述设计的思想方法 ,再考虑到机构的急回特性和推头做直线运动的特点，根据要求得出如下 三 个方案。 a) 方案方案一：连杆凸轮机构 此洗瓶机的推瓶机构运用凸轮机构使推头的运动可以由凸轮的外轮廓线来确定，而连杆机构可以使凸轮的推程放大，达到设计题目要求 k=3。 图 2杆凸轮机构 可是推头在推动瓶子在导辊上移动时摩擦较大，须加载的驱动力也较大，且凸轮和曲柄的运动都会存在死点，使机构运行不平稳，所以不采用。 b)方案二： 五连杆机构 具有两自由度的连杆机构，都具有精确再现给定平面轨迹的特性。点 洗瓶机设计 6 图 2 连杆机构 但此方案中完全采用平面连杆设计，杆数较多，虽然容易制造，但由于推程较长，必然会导致机构上的动载荷和惯性力难平衡，会有累积误差，且效率低，所以舍弃方案。 c)方案三： 曲柄滑块机构 如图 2示，在此机构中只要极位夹角为 90 度时，洗瓶机的推头部分就能实现急回系数 k=3，而且题目要求推头的推程为 600机构也容易满足。 图 2柄滑块机构方案 优点：该方案中急回系数和推程都容易满足，推杆只在水平面运动不管是工进还是急回，所以推头能很平稳地推进瓶子。而且此机构 制作较简便且承受的负载能力大， 有较好的急回运动特性， 计算尺寸也相对简单，造价的成本也不高。除此之外该机构也容易实现瓶子内外一起清洗。 综合以上 三 种方案可以看出，方案一、二的缺点较明显优点不突出，而方案 三 的优点明显，所以综合考虑后采用方案 三 机构作为本洗瓶机的推出机构。 动系统方案设计 传动系统的设计简图如图 2示，本传动系统主要采用的是齿轮传动与带传动相洗瓶机设计 7 结合的方式，齿轮传动具有工作可靠、使用寿命长、传动效率高、结构紧凑的优点，而带传动具有传动平稳、适合远距离传动的优点。 图 2动系统简图 （ 1）转刷机构传动过程 如 图 2示，电动机带动蜗杆 1 转动，蜗杆 1 带动蜗轮 2 转动，皮带轮 4 由与蜗轮 2 同轴的皮带轮 3 通过皮带带着转动，与皮带轮 4 同轴的皮带轮 5 通过皮带带动带轮6 转动，带轮 6 通过皮带带动带轮 7 转动同时也带动与带轮 7 同轴的齿轮 8 转动，齿轮8 带动齿轮 11、 12、 13、 14、 15 转动，在齿轮 11、 13、 15 套上毛刷即可实现转刷的转动，其中蜗杆 1 采用的是右旋螺纹的蜗杆，各轮的转动方向如图所示。 （ 2）推瓶机构传动过程 如图 2示，电动机带动蜗杆 1 转动，蜗杆 1 带动蜗轮 2 转动，与蜗轮同轴的齿轮 9 带动齿轮 10 转动，齿轮 10 与推瓶 机构的曲柄相连即可实现曲柄的转动，从而使推瓶机构能运行。在图 8 中电动机的转动方向是向里的，由于蜗杆 1 是右旋的所以齿轮 9是逆时针旋转的，那么齿轮 10 旋转方向就是顺时针的，推瓶机构就能实现工进和急回。 （ 3）导辊机构传动过程 如图 2示，电动机带动齿轮 16 转动，齿轮 16 与齿轮 17 啮合带动齿轮 17 转动，齿轮 18 与齿轮 17 同轴，齿轮 18 与齿轮 19 啮合带动齿轮 19 转动，再由齿轮 19 带动导辊转动。 瓶机总体设计及其布局 综合上述选定的推瓶机构及传动系统方案确定的 洗瓶机的总体布局如图 2示，其中推瓶机 构是一个曲柄滑块机构， 通过洗瓶机上部的转刷来清洗。 洗瓶机设计 8 图 2瓶机总体设计及其布局图 洗瓶机设计 9 第三章 总体参数 的 选定 与计算 动机的选择 根据设计要求，本次 洗瓶机的技术要求如下： 表 2瓶机的技术要求 瓶子尺寸 （ 大 长度） 作行程 产率 个 /回系数 k 8000 600 3 3 通过调查市场现有洗瓶机，可以知道通常洗瓶机所需电机功率在 3右，从表2瓶机的技术要求可知，本次设计的洗瓶机属 于普通洗瓶机，因此本次选用三相异步电动机 参数如下： 表 2动机计算参数 电机型号 额定功率 同步转速 满载转速 堵转转矩 最大转矩 500r/440r/ 瓶机构 动比的分配 设计要求的工作行程的平均速度为 45mm/s，而返回时的平均速度为工作行程的 3倍，即回程速度为 135mm/s。 所以工作行程所用的时间： 001 回程所用的时间： 002 所以推头在一个来回所用的总时间应为： 由于题目中所要求的速度是接近于匀速，所以为了变于计算取推头来回一趟的总时间为 18s，也相当于曲柄 一周为 18s，所以曲柄 速度 =2/18=s，曲柄 转速 ： m 推瓶推杆的曲柄是由一个齿轮作为主动轮来转动的，因此由上面推瓶机构尺寸计算中得到主动轮的角速度与曲柄的角速度相同为 s，转速相同为 由设计要求得电动机的转速为 1440r/ 那么推瓶机构的总传动比 ： 440110 用蜗轮蜗杆将电动机转速降速，再用齿轮传动进行第二次降速。由于涡轮蜗杆传动多用于减速传动且它们之间的传动比可取较大洗瓶机设计 10 值 。 因此可取 涡轮蜗杆之间的传动比选为 ： 8012 i 那么齿轮之间的传动比 ： 3 2/12110910 动及 动力参数的计算 转速计算： m 8m 8m 880m 4 4 0m 4 4 0102921齿轮：齿轮：蜗轮：蜗杆：输入 功率计算： 本洗瓶机负载不大，为了计算方便： 组成洗瓶机的三套机构 推瓶机构、转刷机构、导辊机构 计算时 功率均分 ： 齿轮：齿轮：蜗轮：蜗杆：刷机构 动比的分配 转刷转速不宜过高，转速过高会导致 转刷甩出的物资污染洗刷好的干净瓶， 转速太低会导致洗刷不彻底， 通常 洗瓶机 转刷转速 取 80100r/次取：m 011 转刷： 则转刷机构总传动比： 16901440111 8012 i 因此带传动 总 传动比为：51801637 一级带传动比：156167动及动力参数的计算 洗瓶机设计 11 带轮转速计算： m 0m 02/1m 5m 5m m 8m 8678645423带轮输入功率计算： 辊机构 辊机构布置 为防 止瓶在 导辊机构上滚落，本次选定导辊及瓶的布置如下，此时 瓶与两导辊所成夹角大于 90， 瓶不易滚落。 图 2辊机构布置图 导辊机构在传送瓶的过程中 导辊 转速不宜过高，转速过高会导致 瓶被 甩出，转速太低会导致洗刷不彻底，通常 导辊 转速取 5080r/次取： 0导辊 动比的分配 则 导辊 机构总传动比： 24601440161 9 一级齿轮传动比： 61617 12 第二级齿轮传动比： 41819 动及动力参数的计算 齿 轮转速计算： m 04m 4 0m 4 0m 4 06m 4 4 0m 4 4 019171817116齿轮 输入功率计算： 洗瓶机设计 13 第 四 章 推瓶机构的尺寸设计 由设计要求知推瓶机构的急回系数 k=3，所以该机构在返回时的平均速度为工作时速度的 3 倍，因此可由公式 ： )1()1(180 故： 推瓶机构的极位夹角为 90 推瓶机构的极限位置如 图 2示，在极限位置时曲柄 摇杆 互垂直，极限位置为 D、 E 两点所在的位置。 图 2瓶机构极限位置图 因此如图所示 ： 以曲柄滑块机构在两极限位置时进行机构尺寸的计算，因为极位夹角为 90， 所以 0，由于是对称关系 5，在极限位置时 0。 由设计要求知两个极限位置 D、 E 之间的距离即为总推程 00 在的那个滑杆的长度 L600以取成 700 铰链 C 到达中点的时候， E/2=300所以 00 从而得出摆杆长 002以 值可任意取但两者是相等的，只要保证 O 为一个周转副即可所以取B 150502= 设计要求的工作行程的平均速度为 45mm/s， 而返回时的平均速度为工作行程的 3洗瓶机设计 14 倍，即回程速度为 135mm/s。 所以工作行程所用的时间 t=600/45回程所用的时间 t=600/135所以推头在一个来回所用的总时间应为 由于题目中所要求的速度是接近于匀速，所以为了变于计算取推头来回一趟的总时间为 18s， 也相当于曲柄 一周为 18s， 所以曲柄 速度 =2/18=s， 曲柄 转速 n=1/1860= 表 2 推瓶机构的尺寸参数 极位夹角 90 曲柄旋转周期 18s 推杆长 700柄角速度 s 摆杆长 500柄转速 柄长 150 洗瓶机设计 15 第 五 章 传动系统 主要零件的 设计 带传动设计 带 3、 4 设计 （ 1） V 带的基本参数 1）确定计算功率 已知： ； 5 ； 查机械设计基础表 13工况系数： K ； 则： 2）选取 V 带型号： 根据机械设计基 础图 13用 A 型 V 带 , 3）确定大、小带轮的基准直径 初选小带轮的基准直径： d 801 ； 计算大带轮基准直径： ）（）（带 ； 圆整取 002 ，误差小于 5%，是允许的。 4）验算带速： )25,5(/ 0 060 1 4 4 0 060 1 带的速度合适。 5）确定 V 带的基准长度和传动中心距： 中心距： )(2)(1021 初选中心距 00 基准长度： 洗瓶机设计 16 0200()20080()(22202122100对于 A 型带选用 250 实际中心距： 0 6）验算主动轮上的包角 1 ： 由 1 8 0121 得 1 2 02 0 0(1 8 01 主动轮上的包角合适。 7）计算 V 带的根数 z ： c)( 00 440 rn m ， d 801 查机械设计基础表 13： ； 4 4 0 带， m ，查表得： ； 由 查表得，包角修正系数 K由 250，与 V 带型号 A 型查表得： 93.0 z 取 105 z 合适。 8）计算预紧力 0F （初拉力）： 根据带型 A 型查机械设计基础表 13： 洗瓶机设计 17 9）计算作用在轴上的压轴力 0其中 1 为小带轮的包角。 10） V 带传动的主要参数整理并列表： 带型 带轮基准直径 (传动比 基准长度 (A 801 2002 250 中心距（ 根数 初拉力 (N) 压轴力 (N) 2） 带轮结构的设计 1）带轮的材料： 采用铸铁带轮（常用材料 2）带轮的结构形式： V 带轮的结构形式与 V 带的 基准直径有关。小带轮接电动机， 01 较小，所以采用实心式结构带轮。 他 V 带的设计 同理算得 5、 6 带传动的参数如下： 带型 带轮基准直径 (传动比 基准长度 (A 801 2002 250 洗瓶机设计 18 中心距（ 根数 初拉力 (N) 压轴力 (N) 、 7 带传动的参数如下： 带型 带轮基准直径 (传动比 基准长 度 (A 801 2002 250 中心距（ 根数 初拉力 (N) 压轴力 (N) 杆传动设计 （ 1） 选择蜗轮蜗杆的传动类型 传动参数： ； 440 ； 80i 根据设计要求选用阿基米德蜗杆即 。 （ 2） 选择材料 设 滑动速度： 100 2 6.0co 0 060 111 蜗杆选 45 钢，齿面要求淬火，硬度为 45蜗轮用 属模制造。 为了节约材料齿圈选青铜，而轮芯用灰铸铁 造 确定许用接触应力 H根据选用的蜗轮材料为 属模制造，蜗杆的螺旋齿面硬度 45从文献 1 11查蜗轮的基本许用应力 2 6 8H M P a 应力循环次数 72 14406 0 6 0 1 1 8 3 0 0 8 2 . 0 7 1 080hN j n L 寿命
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