《机械原理》课程设计洗瓶机课程设计.docx
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《机械原理》课程设计洗瓶机课程设计
重庆理工大学
机械原理课程设计报告
课程设计题目：
立式全自动洗瓶机
专业班级：
汽车学院车辆工程
学生学号：
1090405
指导老师：
学生姓名：
联系电话：
完成日期：
2011年6月30日
一、洗瓶机设计目标简述………………………………3
1.1、课程设计目标选择…………………………………3
1.2、洗瓶机规格基本要求………………………………4
二、洗瓶机设计基础解析………………………………5
2.1、洗瓶部分——立式滚动刷设计……………………5
2.2、洗瓶部分——螺旋斜纹刷设计……………………6
2.3、洗瓶传送部分——橡胶软套缓冲设计………………7
2.4、洗瓶输出部分——V型传送带设计…………………8
三、立式洗瓶机工作运动简述…………………………9
3.1、机械工作连续性简述………………………………9
3.2、洗瓶机注水部分简述………………………………9
四、洗瓶机机构各部分分析…………………………10
4.1、滚刷与瓶子之间摩擦力及下压力分析……………10
4.2、洗瓶机动力系统及传动数据分析…………………11
五、立式洗瓶机优缺点分析…………………………15
5.1、立式洗瓶机优点分析……………………………15
5.2、立式洗瓶机缺点分析……………………………15
六、课程设计总结……………………………………16
七、参考资料…………………………………………18
一、洗瓶机设计目标简述
1、课程设计目标选择：
为了设计洗瓶机机构，我查阅资料，分析了水平洗瓶机机构设计，其设计采用推头拖动瓶子在导辊长前进，并由旋转的刷子洗掉瓶子的外面。
其设计方案为：
其洗瓶机为间歇式，也就是洗瓶子效率过慢，机构设计较为复杂。
于是我也决定采用辊式原理来设计洗瓶机，但是我又从玉米脱粒机上得到启发：
为什么不能把瓶子从竖直放向上进行洗刷呢？
玉米脱粒机是利用竖立摆放的一个滚筒，滚筒上焊接了螺旋凸纹路，玉米放进滚筒与尺寸固定的滑道，玉米与滚筒之间有较大的摩擦力不至于玉米掉落下去，而且可以增加脱粒的利用滚筒上带有的螺旋凸纹对玉米产生向下的压力以确保玉米能向下走动，另外还会产生对玉米的正向压力以确保脱粒效果。
我所设计的立式自动洗瓶机即从玉米脱粒机中得到启发，由三个滚筒成等边三角分布，滚筒的主轴为一端密封，一端开口的空心轴，轴外钻滚筒周围钻小孔，起注水洗瓶的作用，并在滚筒上粘上螺旋向下的刷毛，以达到旋转洗瓶目的。
三个方向向的滚筒刷会和瓶子之间产生一定的压力以确保瓶子不会自动下落，刷毛向下螺旋设计的目的在于滚筒转动的时候能顺利带动瓶子向下运动。
该洗瓶机不采用间隙机构，设计机构简单，工作效率高，可连续性工作。
以下为我所确定的洗瓶机设计方案。
洗瓶机设计简图：
2、洗瓶机规格基础要求：
（1）、瓶子尺寸：
大端D=80mm，长L=200mm；
（2）、洗瓶机洗瓶部分导程为400mm，洗瓶机滚刷转速大约为25rad/s；
（3）、洗瓶出口的传送带速度大约为0.3m/s；以保证经滚刷洗好的瓶子能快速送出；
（4）、洗瓶机要求机构传动性能良好，结构简单紧凑，效率高等特点。
二、洗瓶机设计基础解析
1、洗瓶部分——立式滚动刷设计：
a.立式滚刷的俯视图：
说明：
1、皮带同步；2、刷毛；3、瓶子；4、驱动齿轮；5、滚刷辊体。
以上即为洗瓶部分的俯视简图，该设计采用了三个滚刷，按照等边三角形的空间方位摆放。
每个滚刷的实际辊体直径D=70mm，外加厚度为10mm的刷毛，整体直径为D`=90mm，为使瓶子夹紧不至于自己掉落，瓶子会与滚刷之间产生挤压（挤压距离为5mm），也即滚刷与瓶子之间实际相切时的直径D``=80mm；三个滚筒采用皮带同步其转速，皮带轮盘直径D=50mm，这样确保三个滚筒都能以同样的速度转动；其中一个滚筒（即为主动滚筒）上会多一个齿轮（上图右边位置4），以保证洗瓶机底部通过齿轮传递上来的动力能和该齿轮配合产生动力。
瓶子的位置在中间，由上图可知，瓶子直径为80mm，机械工作开始的时候，采用人工以竖直方向将瓶子放进洗瓶槽中，向下压一下即可被带通道清洗。
2、洗瓶部分——滚刷刷毛设计及滚筒传动位置：
b.滚刷及传动组正视图：
说明：
1、齿轮传动；2、辊体斜纹刷毛；3、皮带同步；4、动力输入端轴；5、过水通道。
此图为滚筒刷毛的设计，在图中，刷毛是有间隙地螺旋向下缠绕而成（与轴向大约成26.56°），刷毛厚度为10mm，宽度为10mm，刷毛之间间隔为10mm，设计为轴向右旋转，因此会对放置其中的瓶子产生向下的推力，瓶子就会向下旋转运动，速度大约为0.2m/s。
又因为主动轴上有注水通道，所以在圆柱形滚筒壁上开了一系列的小孔，起洗瓶时起水冲刷瓶子的作用。
3、洗瓶传送部位——橡胶软套缓冲设计：
c．洗瓶输出缓冲部位简图：
上图为瓶子从滚刷到传送带的过渡阶段，因为从滚刷向下洗瓶过程中速度比较快，因此在滚筒下面必须加上一个缓冲带，使玻璃瓶子不至于碰碎。
由实际数据测算得到缓冲带高度大约为240mm，缓冲套的直径D=500mm。
缓冲套得材料采用光滑的橡胶材料，可以起良好的缓冲作用。
以确保瓶子能够顺利到达传送带传出的目的。
4、洗瓶输出部位——V型传送带设计：
d．洗瓶机传送带简图：
说明：
1、锥齿盘；2、V型传送带；3、锥齿轮组合；4、驱动凹辊；5、瓶子。
上图为洗瓶机的传送带部分简图，由图中可知道，皮带设计为V型，目的是使瓶子更好的和传送带紧密接触，以便能顺利地把洗好的瓶子传送出去。
在传动带左端为锥齿盘，由一个小锥齿轮与之啮合达到传输动力的目的。
传送带全程长度为1m，宽度为160mm，V型带的张角为120°，凹辊的大端直径为180mm，小端直径为80mm。
传送带要求传送速度为0.3m/s，以确保洗好的瓶子能快速送出。
以上四个部分的基础解析即为我设计的立式自动洗瓶机的洗瓶基础部分。
三、洗瓶机工作运动简述
1、机械工作连续性简述
我所设计的立式自动洗瓶机的最大特点就是可以连续洗瓶，省略了水平洗瓶机构的间歇机构。
为实现此功能，该立式洗瓶机机构采用了成等边三角形摆放的竖立式滚刷设计，利用三个方向的刷毛与放置其中的瓶子之间的压力摩擦保持瓶子不下落，同时，斜纹刷毛会产生向下的压力，也保证了瓶子能顺利下落。
这里我要说的是，在机构上端开孔部位，需人工（可以另加一个送瓶机构与该立式洗瓶机结合形成完全的全自动洗瓶流水线，这里就不再去简述了）把瓶子小端朝下，送入滚刷，把瓶子轻压进去，接着下一个瓶子也紧跟着前一个瓶子，一个接一个地往下，因为每个瓶子之间都是紧密接触的，达到了连续洗瓶的目的。
此机构连续性洗瓶性能明显，速度快，洗瓶比较干净。
2、机械洗瓶注水部分简述
该设计在洗瓶工作时主滚筒上端注水，但主滚筒下端是密封的，在其中心轴的管壁开有小孔，当滚刷转动的时候，上端注入的水会因滚刷转动产生的离心力而向外喷出，达到配合滚刷洗瓶的目的。
另外在V型传送带部位也有喷水部位，在瓶子送出的过程中对瓶子进行一个二次冲刷以确保瓶子洗干净。
瓶子经过V型传送带过后可经流水线传送带进入消毒装置及烘干装置。
（此处暂不讨论）。
因此，立式自动洗瓶机所达到的效果显露无疑。
四、洗瓶机机构各部分分析
洗瓶机主要机构为滚刷洗瓶系统和齿轮传动系统，以及V型传送带系统组成，以下即对这三部分进行必要动力学、材料学、传动效率、机构稳定性分析。
1、滚刷与瓶子之间摩擦力机下压力分析
说明：
1、滚刷；2、瓶子；3、螺旋斜纹。
当瓶子放进滚刷中时，瓶子与之应形成一个压力，切由此产生的摩擦力能平衡瓶子自重。
（瓶子自重为0.2KG）
滚刷刷毛采用复合涤纶材料，通过查阅材料特性知道其摩擦系数为
=0.25，选取10mm厚刷毛，刷毛压紧5mm，由此产生的的压力约为F
=10N，则
因为：
f=
F
=10
0.25=2.5N>2N
所以：
满足条件使瓶子不下落
对于螺旋斜纹刷，V1为其转动速度，V2为由螺旋斜纹对瓶产生的向下的驱动速度，F为斜纹刷对瓶的正向旋转压力。
由理论力学知识可知其关系为：
tana=
v2=
=
=0.2m/s
即洗瓶时瓶子向下走的速度为0.2m/s，斜纹刷与水平方向的夹角为26.56°
2、洗瓶机动力系统分析
此部分为轮系传动系统，分为滚刷轮系系统和传送带轮系系统两部分。
通过一个电机驱动，由两组独立的轮系传递出滚刷和V型传送带各自所需的转速。
驱动电机转速为n=900r/min,即为94.2rad/s。
（查资料知各种传动效率对应为：
圆柱直齿轮为0.96，锥齿轮为0.92~0.95，V型带传动为0.94~0.96，同步带传动为0.98~0.99）。
该动力传动系统采用了多级齿轮减速器来实现输出端对速度及功率的不同要求，在合理的地方采用了直齿锥齿轮进行动力输出转向调整。
以下即对各部分轮系进行分析。
1）、滚刷轮系部分分析：
说明：
该轮系为三组齿轮啮合而成，由电动机（转速为900r/min）带动1号齿轮运动，1、2、5、6号为直齿轮，3、4号为锥齿轮。
a、轮系齿轮组分析：
由于条件限制，6齿轮要求转速为25rad/s，而一号齿轮转速为94.2rad/s，因此经过合理配比，采用如下齿轮设计：
传动比：
i
=
=
=
=3.8
分锥角：
（小锥）
（大锥）
齿轮详细数据表：
齿轮数据
齿轮号
模数m
齿数z
分度圆直径d=mz
分锥角
1
1.25
20
25.0mm
2
1.25
30
37.5mm
3
1.25
32
40.0mm
37.3°
4
1.25
42
52.5mm
52.7°
5
1.25
24
30.0mm
6
1.25
46
57.5mm
b、轮系效率分析：
2）、V型传送带轮系部分分析：
说明：
该轮系为四组齿轮组合而成，由电动机带动1号齿轮运动，其中1、2、3、4、5号为圆柱直齿轮，6、7号为锥齿轮，最后为V型传送带。
a、齿轮轮系分析：
由于输出部分的V型传送带条件限制，要求起传送，速度为0.3m/s,7号锥齿轮分度圆直径为120mm，即换算角速度为5rad/s，1号齿轮的转速为94.2rad/s，为达到传动目的，即采用如下轮系配比设计：
传动比：
i
=
=19
分锥角：
（小锥）
（大锥）
齿轮详细数据表：
齿轮数据
齿轮号
模数m
齿数z
分度圆直径d=mz
分锥角
1
1.5
20
30.0mm
2
1.5
28
42.0mm
3
1.5
42
63.0mm
4
1.5
22
33.0mm
5
1.5
60
90.0mm
6
1.5
24
36.0mm
16.7°
7
1.5
80
120.0mm
83.3°
b、轮系效率分析：
以上即为对洗瓶机机构传动系统的分析。
五、立式洗瓶机优缺点分析
为实现洗瓶功能，洗瓶机的设计有多种多样的方案，例如开篇所举的“水平洗瓶机机构”。
对于不同的设计有不同的工作步骤及原理，但是最终都为了实现洗瓶一个目标。
这里我们就得针对洗瓶机的机构优化，工作效率的提高，工艺复杂度的降低，生产成本控制等。
因此，这里以此标准来说明立式洗瓶机的优缺点。
1、立式洗瓶机优点分析：
我所设计的立式洗瓶机最大的特点就是可以连续性洗瓶，且速度快，效率高。
而且该洗瓶机仅属于洗瓶部分，起扩展性强，可在进瓶端和V型传送带输瓶端添加一定的流水线装置（如烘干装置、消毒装置等），可将洗瓶效率提高到一个较高的层次。
该立式洗瓶机构省略掉了了水平洗瓶机构中所采用的间歇式推瓶机构，从机构复杂度上看，立式洗瓶机机构更简单，从而可降低机械的故障率。
立式洗瓶机构中加入了筒式甩水机构和V型传送带上端的二次喷水冲洗机构，该机构可将瓶子洗得更加干净。
2、立式洗瓶机缺点分析：
立式洗瓶机构中共采用了5组圆柱直齿轮传动，1组同步带传动，2组锥齿轮传动，1组V型带传动，从齿轮传递效率上来说，由于齿轮组较多，传动效率不太高是其缺点。
使用了2组锥齿轮组，因为锥齿轮的成本控制比较高，此处会增加机械成本。
滚刷是有三向辊体组合而成，拆卸可能不便。
另外，该立式洗瓶机构各部分的机构比较紧凑，所以要求的装配精度也比较高，这就会使个别部件的加工成本提高。
六、课程设计总结
经过这次机械原理课程设计，我重新认识了机械原理这门课程，在设计的过程中，我明白了很多以前书本上我不知道机构原理。
机械课程设计是用实践来检验自己对机械原理这门课程的真正熟悉程度的。
在以前，我虽然知道机械原理书本上介绍的很多机构的运动原理，也知道其实现什么目的，但是，从实际上来说，我并没有真正明白，我没有计算过机构到底是如何运动，如何实现其功能的，只是通过大脑想象和推测来判断。
而现在，就在我做机械原理课程设计的过程中，我亲自确定设计方案，利用autoCAD软件进行设计绘图，查阅资料计算各机构部分的准确数据。
从中我不仅仅温习了autoCAD绘图软件的使用，而且对与机械原理相关的知识进行了一遍实际演练，同时加深了对机械原理这门课程的理解，对学习接下来的《机械设计》课程有很大的帮助。
另外，针对我所设计的“立式全自动洗瓶机”来说，我在设计之初，通过上网查资料以及翻阅机械原理课程设计指导书，从各种方案中分析洗瓶机的优先选择方案，在此过程中，我对每种方案做了简单的机构分析、性能分析、工作效率分析、成本控制分析等，在玉米脱粒机上寻找到了设计灵感，并结合水平洗瓶机构，进行了优化设计，最后确定了“立式全自动洗瓶机”的设计方案。
过程中，一方面我深知自身对机械原理知识理解的程度对设计的帮助，拥有良好的设计头绪和设计基础知识能更好地帮助我完成课程设计；另一方面，我也深刻感受到“灵感”一词对于搞这类设计的重要性，熟话说，灵感是一切的来源，某种程度上来看这是无可厚非的。
有了好的灵感，我发现自己在搞机械原理设计时随心应手，很多东西都可以迎刃而解。
当然了，在课程设计过程中我也发现了自己很多地方的不足。
在知识层面上我学得还有有所欠佳，对知识的掌握和应用不灵活，对设计数据处理的时候花费过多时间，而且计算精确性不太高。
我在设计洗瓶机的时候，开始只想了如何工作，后来在具体设计计算的时候发现很多地方不能光靠想象，很多的时候得用数据说话，经过后来一次次地测算才勉强确定了设计尺寸要求。
我的方案设计中，装配尺寸一块是个难题，对于现在的我还是不太好解决，若真要那么做无疑会加大工作量，光靠一个人是不行的，得有团队的力量，集众人之智慧，聚成功之火焰。
设计结束了，对于我无疑是一个轻松的感受，经过一周的课程设计，费尽了所有心思，终于做出成果，这无疑是对我最大的鼓励。
我想了，以后一定得多多做这样的自主设计，从实践中检验我所学知识，看看自己到底能走多远。
七、参考资料
1、孙恒陈作模葛文杰，机械原理（第七版）174页，高等教育出版社，2011；
2、孙恒陈作模葛文杰，机械原理（第七版）180页，高等教育出版社，2011；
3、孙恒陈作模葛文杰，机械原理（第七版）198页，高等教育出版社，2011；
4、孙恒陈作模葛文杰，机械原理（第七版）214页，高等教育出版社，2011。
（完）
重庆汽车学院
09级车辆2班
杨泽10904050232
2011-6-30
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