前 言創(chuàng)新課程設計能夠提高我們機械類專業(yè)學生的創(chuàng)新能力，也是我們綜合應用所學的機械方面專業(yè)知識和技能解決問題，獲得工程技術(shù)訓練必不可少的實踐性教學環(huán)節(jié)。本次創(chuàng)新課程設計所選的題目是洗瓶機設計。洗瓶是食品行業(yè)包裝工藝流程中不可缺少的一環(huán)，設計出合理、高效的洗瓶機是包裝技術(shù)發(fā)展的必然要求。洗瓶機的種類很多，目前國內(nèi)市場上的洗瓶機有扭道式、箱式、滾筒式和立式等多種，其中以滾筒式洗瓶機和立式洗瓶機的應用最為廣泛，且立式洗瓶機后來居上，發(fā)展勢頭迅猛，已取代了滾筒式洗瓶機的傳統(tǒng)地位，目前國內(nèi)生產(chǎn)立式洗瓶機的代表廠家有長沙楚天、上海遠東、上海旭發(fā)、長沙正中等。在洗瓶機的設計中，結(jié)構(gòu)緊湊、清洗效果與除標效果成為人們最為關(guān)注的要點。洗瓶機是的常見機械，按照清洗的功能和能力有各式各樣的種類。一個完整的洗瓶機包含送料系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)以及后續(xù)的加工包裝系統(tǒng)。此次設計的洗瓶機，限于我們目前的知識水平和設計經(jīng)驗，我們僅僅是綜合考慮了一些關(guān)鍵因素及設計要求，應用所學的機械專業(yè)知識，初步的設計了簡單的洗瓶機的主要機構(gòu)。目的是通過設計洗瓶機這一選題，進一步鞏固所學的機械專業(yè)理論知識，將理論與實踐相結(jié)合，作為一種初步的實踐性探索。由于我們的設計經(jīng)驗尚不夠豐富，錯誤及不足之處在所難免，敬請老師批評指正。目 錄第一章 設計任務 31 設計題目 32 洗瓶機的技術(shù)要求 33 設計任務 44 原始數(shù)據(jù) 4第二章 機械運動方案設計 51 分析設計要求 52 推瓶機構(gòu)方案選擇5方案一 凸輪-鉸鏈四桿機構(gòu) 6方案二 多個曲柄滑塊機構(gòu) 7方案三 五連桿機構(gòu) 8方案四 曲柄滑塊機構(gòu)9第三章 推瓶機構(gòu)的尺寸設計10第四章 傳動系統(tǒng)的設計 121 傳動過程分析 12轉(zhuǎn)刷機構(gòu)傳動過程 12推瓶機構(gòu)傳動過程 13導輥機構(gòu)傳動過程 132 傳動比的分配 13第五章 洗瓶機工作循環(huán)圖 16第六章 洗瓶機總體設計及其布局 17第七章 其他機構(gòu)的設計計算 18 1 轉(zhuǎn)刷傳動機構(gòu)設計 18 2 內(nèi)部清洗裝置的設計 19第八章 心得體會21參考文獻22第一章 設計任務書1、設計題目 洗瓶機主要是由推瓶機構(gòu)、導輥機構(gòu)、轉(zhuǎn)刷機構(gòu)組成。待洗的瓶子放在兩個同向轉(zhuǎn)動的導輥上，導輥帶動瓶子旋轉(zhuǎn)。當推頭M把瓶子推向前進時，轉(zhuǎn)動著的刷子就把瓶子外面洗凈。當前一個瓶子將洗刷完畢時，后一個待洗的瓶子已送入導輥待推。如圖1所示。圖 12、洗瓶機的技術(shù)要求表1 洗瓶機的技術(shù)要求方案號瓶子尺寸（長直徑）mm，mm工作行程mm生產(chǎn)率個/min急回系數(shù)k電動機轉(zhuǎn)速r/minA1002006003314403、設計任務 （1）.洗瓶機應包括齒輪、平面連桿機構(gòu)等常用機構(gòu)或組合機構(gòu)。學生應該提出兩種以上的設計方案并經(jīng)分析比較后選定一種進行設計。 （2）.設計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。 （3）.畫出機器的機構(gòu)運動方案簡圖和運動循環(huán)圖。 （4）.設計組合機構(gòu)實現(xiàn)運動要求，并對從動桿進行運動分析。也可以設計平面連桿機構(gòu)以實現(xiàn)運動軌跡，并對平面連桿機構(gòu)進行運動分析。繪出運動線圖。 （5）.其他機構(gòu)的設計計算。 （6）.編寫設計計算說明書。4、原始數(shù)據(jù)（1）、瓶子尺寸：長度L=100mm，直徑D=200mm。 （2）、推進距離S=600mm，推瓶機構(gòu)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，準備進入第二個工作循環(huán)。（3）、按生產(chǎn)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）、電動機轉(zhuǎn)速為1440 r/min。（5）、急回系數(shù)3。第二章 機械運動方案設計1、分析設計要求洗瓶機主要由推瓶機構(gòu)、導輥機構(gòu)、轉(zhuǎn)刷機構(gòu)組成。設計的推瓶機構(gòu)應使推頭M以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，準備第二個工作循環(huán)。根據(jù)設計要求，推頭M可走圖2 所示軌跡，而且推頭M在工作行程中應作勻速直線運動，在回程時可有變速運動且回程時軌跡形狀不限，但不能反向撥動下一個瓶子，除此以外回程時必須有急回。圖2 推頭M運動軌跡對這種運動要求，若用單一的常用機構(gòu)是不容易實現(xiàn)的，通常要把若干個基本機構(gòu)組合起來，設計成一個組合機構(gòu)。在設計組合機構(gòu)時，一般可首先考慮選擇滿足軌跡要求的機構(gòu)（基礎(chǔ)機構(gòu)），而沿軌跡運動時的速度要求，則通過改變基礎(chǔ)機構(gòu)主動件的運動速度來滿足，也就是讓它與一個輸出變速度的附加機構(gòu)組合。2、推瓶機構(gòu)的選擇根據(jù)上述設計要求,推瓶機構(gòu)應為一在工作行程時能作直線運動返回時具有急回特性的機構(gòu),為了提高工作效率,機構(gòu)的急回系數(shù)K盡量大一些;在推程(即工作行程)中,應使推頭作直線運動,或者近似直線運動,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頭的運動軌跡至少為近似直線,以此保證安全性。推頭的運動要求主要是滿足急回特性,能滿足急回特性的機構(gòu)主要有（1）曲柄滑塊機構(gòu)（2）凸輪機構(gòu)（3）曲柄擺動導桿機構(gòu)。運用前述設計的思想方法,再考慮到機構(gòu)的急回特性和推頭做直線運動的特點，根據(jù)要求得出如下四個方案。方案一 凸輪鉸鏈四桿機構(gòu)如圖3所示，鉸鏈四桿機構(gòu)的連桿2上點M走近似于所要求的軌跡，M點的速度由等速轉(zhuǎn)動的凸輪通過構(gòu)件3的變速轉(zhuǎn)動來控制。推頭的運動可以由凸輪的外輪廓線來確定，而連桿機構(gòu)可以使凸輪的推程放大，達到設計題目要求k=3。圖3凸輪-鉸鏈四桿方案缺點：該方案的原動件是凸輪，而曲柄1是作為從動件的，所以有死點存在，機構(gòu)運動不平穩(wěn)，必須設計有足夠的措施沖過死點。由于工作行程要求直線或近似直線，所以桿長有一定的設計限制，為設計滿足要求的急回系數(shù)，還需設計合適的凸輪輪廓曲線。除此之外，推頭在推瓶子時與瓶底有碰撞，而推頭在推動瓶子在導輥上移動時摩擦較大，須加載的驅(qū)動力也較大，綜合以上缺點采用此方案設計時較難。方案二 多個曲柄滑塊機構(gòu)的組合如圖4所示，此洗瓶機的推瓶機構(gòu)是由曲柄搖桿滑塊機構(gòu)組成，當圖中1、2兩個搖桿長度比為1:2時，機構(gòu)就能達到題目要求的急回系數(shù)為3。圖4多個曲柄滑塊機構(gòu)方案缺點：該方案的機構(gòu)都是由桿件連接的，在速度的傳動方面不太穩(wěn)定，而且機械效率不高。除此之外，推頭部分與機架之間有摩擦，又降低了機械效率，對推頭的壽命也有影響。所以綜合以上缺點該方案不宜采用。方案三 五連桿機構(gòu)如圖5所示，具有兩自由度的連桿機構(gòu)，都具有精確再現(xiàn)給定平面軌跡的特性。點M的速度和機構(gòu)的急回特性可通過控制該機構(gòu)的兩個輸入構(gòu)件間的運動關(guān)系來得到。圖5五連桿機構(gòu)方案缺點：該方案中完全采用平面連桿設計，桿數(shù)較多，雖然容易制造，但由于推程較長，必然會導致機構(gòu)上的動載荷和慣性力難平衡，會有累積誤差，且效率低。在五桿機構(gòu)中，除此之外，該機構(gòu)的設計方法主要為解析法和圖解法兩種方法，前者精確但計算復雜，后者相對簡單但有一定的誤差，總體設計難度較大。所以綜合以上缺點該方案不宜采用。方案四 曲柄滑塊機構(gòu)（類似于牛頭刨床機構(gòu)）如圖6所示，在此機構(gòu)中只要極位夾角為90度時，洗瓶機的推頭部分就能實現(xiàn)急回系數(shù)k=3，而且題目要求推頭的推程為600mm，此機構(gòu)也容易滿足。圖6曲柄滑塊機構(gòu)方案優(yōu)點：該方案中急回系數(shù)和推程都容易滿足，推桿只在水平面運動不管是工進還是急回，所以推頭能很平穩(wěn)地推進瓶子。而且此機構(gòu)制作較簡便且承受的負載能力大，有較好的急回運動特性，計算尺寸也相對簡單，造價的成本也不高。除此之外該機構(gòu)也容易實現(xiàn)瓶子內(nèi)外一起清洗。綜合以上四種方案可以看出，方案一、二、三的缺點較明顯優(yōu)點不突出，而方案四的優(yōu)點明顯，所以綜合考慮后采用方案四機構(gòu)作為本洗瓶機的推出機構(gòu)。第三章 推瓶機構(gòu)的尺寸設計由設計要求知推瓶機構(gòu)的急回系數(shù)k=3，所以該機構(gòu)在返回時的平均速度為工作時速度的3倍，因此可由公式推出推瓶機構(gòu)的極位夾角為90，推瓶機構(gòu)的極限位置如圖7所示，在極限位置時曲柄OA與搖桿BC相互垂直，極限位置為D、E兩點所在的位置。圖7推瓶機構(gòu)極限位置圖因此如圖所示 : 以曲柄滑塊機構(gòu)在兩極限位置時進行機構(gòu)尺寸的計算，因為極位夾角為90，所以DBE=90，由于是對稱關(guān)系OBA=45，在極限位置時OAB=90。由設計要求知兩個極限位置D、E之間的距離即為總推程DE=600mm，但DE所在的那個滑桿的長度L>600mm可以取成700mm。鉸鏈C到達中點的時候，CD=DE/2=300mm,所以BC=300mm,從而得出擺桿長BD=3002424.26mm，所以BC所在的滑桿設計的時候要大于424.26mm。OA與AB的值可任意取但兩者是相等的，只要保證O為一個周轉(zhuǎn)副即可所以取OA=AB150mm，OB=1502=212.13mm。設計要求的工作行程的平均速度為45mm/s,而返回時的平均速度為工作行程的3倍，即回程速度為135mm/s。所以工作行程所用的時間t=600/4513.3s,回程所用的時間t=600/1354.4s,所以推頭在一個來回所用的總時間應為17.7s。由于題目中所要求的速度是接近于勻速，所以為了變于計算取推頭來回一趟的總時間為18s,也相當于曲柄OA轉(zhuǎn)一周為18s,所以曲柄OA角速度=2/18=0.35rad/s,曲柄OA的轉(zhuǎn)速n=1/1860=3.33r/min。表2推瓶機構(gòu)的尺寸參數(shù)極位夾角90曲柄旋轉(zhuǎn)周期18s推桿長700mm曲柄角速度0.35rad/s擺桿長500mm曲柄轉(zhuǎn)速3.33r/min曲柄長150mm第四章 傳動系統(tǒng)設計1、傳動過程分析傳動系統(tǒng)的設計簡圖如圖8所示，本傳動系統(tǒng)主要采用的是齒輪傳動與帶傳動相結(jié)合的方式，齒輪傳動具有工作可靠、使用壽命長、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，而帶傳動具有傳動平穩(wěn)、適合遠距離傳動的優(yōu)點。圖8傳動系統(tǒng)簡圖轉(zhuǎn)刷機構(gòu)傳動過程如圖8所示，電動機帶動蝸桿1轉(zhuǎn)動，蝸桿1帶動蝸輪2轉(zhuǎn)動，皮帶輪4由與蝸輪2同軸的皮帶輪3通過皮帶帶著轉(zhuǎn)動，與皮帶輪4同軸的皮帶輪5通過皮帶帶動帶輪6轉(zhuǎn)動，帶輪6通過皮帶帶動帶輪7轉(zhuǎn)動同時也帶動與帶輪7同軸的齒輪8轉(zhuǎn)動，齒輪8帶動齒輪11、12、13、14、15轉(zhuǎn)動，在齒輪11、13、15套上毛刷即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)動，其中蝸桿1采用的是右旋螺紋的蝸桿，各輪的轉(zhuǎn)動方向如圖所示。推瓶機構(gòu)傳動過程如圖8所示，電動機帶動蝸桿1轉(zhuǎn)動，蝸桿1帶動蝸輪2轉(zhuǎn)動，與蝸輪同軸的齒輪9帶動齒輪10轉(zhuǎn)動，齒輪10與推瓶機構(gòu)的曲柄相連即可實現(xiàn)曲柄的轉(zhuǎn)動，從而使推瓶機構(gòu)能運行。在圖8中電動機的轉(zhuǎn)動方向是向里的，由于蝸桿1是右旋的所以齒輪9是逆時針旋轉(zhuǎn)的，那么齒輪10旋轉(zhuǎn)方向就是順時針的，推瓶機構(gòu)就能實現(xiàn)工進和急回。導輥機構(gòu)傳動過程如圖8所示，電動機帶動齒輪16轉(zhuǎn)動，齒輪16與齒輪17嚙合帶動齒輪17轉(zhuǎn)動，齒輪18與齒輪17同軸，齒輪18與齒輪19嚙合帶動齒輪19轉(zhuǎn)動，再由齒輪19帶動導輥轉(zhuǎn)動。2、傳動比的分配推瓶推桿的曲柄是由一個齒輪作為主動輪來轉(zhuǎn)動的，因此由上面推瓶機構(gòu)尺寸計算中得到主動輪的角速度與曲柄的角速度相同為0.35rad/s，轉(zhuǎn)速相同為3.33r/min 。由設計要求得電動機的轉(zhuǎn)速為1440r/min，那么推瓶機構(gòu)的總傳動比i110=1440/3.33432，由于傳動比較大所以采用兩級傳動，先用蝸輪蝸桿將電動機轉(zhuǎn)速降速，再用齒輪傳動進行第二次降速。由于渦輪蝸桿傳動多用于減速傳動且它們之間的傳動比可取較大值，所以渦輪蝸桿之間的傳動比選為i12=80，那么齒輪之間的傳動比i910=432/80=5.4。蝸輪蝸桿基本參數(shù)的選擇，蝸桿選用單頭蝸桿也就是其齒數(shù)z1為1，那么蝸輪的齒數(shù)z2為80，蝸桿的軸向模數(shù)mx與蝸輪的端面模數(shù)mt相等取為4，蝸桿分度圓直徑取d1=40mm,蝸輪分度圓的直徑取d2=mtz2=480=320mm。齒輪基本參數(shù)的選擇，齒輪9、10之間的傳動比為5.4，齒輪9的齒數(shù)取z9為20，模數(shù)m為4，則其分度圓直徑為d9=z9m=204=80mm。那么齒輪10的模數(shù)m也為4，由傳動比選擇齒輪10的齒數(shù)取z10為108，則其分度圓直徑為d10=z10m=1084=432mm。以上的數(shù)據(jù)都是根據(jù)機械設計一書選擇而來。表3傳動零件的各尺寸參數(shù)推瓶機構(gòu)總傳動比i110432蝸輪蝸桿間傳動比i1280蝸桿的頭數(shù)z11蝸桿的分度圓直徑d140mm蝸桿的軸向模數(shù)mx4mm蝸輪的齒數(shù)z280蝸輪的分度圓直徑d2320mm齒輪9、10間的傳動比i9105.4齒輪9、10的模數(shù)m4mm齒輪9的齒數(shù)z920齒輪9的分度圓直徑d980mm齒輪10的齒數(shù)z10108齒輪10的分度圓直徑d10432mm由于轉(zhuǎn)刷和導輥的轉(zhuǎn)速未給出，所以不好確定它們與電動機的傳動比，但是轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速的改變可以通過改變皮帶輪3、4、5、6、7間的傳動比來實現(xiàn)，導輥轉(zhuǎn)速改變則可以通過改變齒輪16、17、18、19間的傳動比來實現(xiàn)。第五章 洗瓶機工作循環(huán)圖轉(zhuǎn)刷勻速旋轉(zhuǎn)導輥勻速旋轉(zhuǎn)推桿勻速推進急速退回曲柄轉(zhuǎn)角090180270360圖9洗瓶機工作循環(huán)圖洗瓶機中的轉(zhuǎn)刷、導輥、推桿、曲柄都是同時運動的，三個轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)向是相同的，兩個導輥的轉(zhuǎn)向也是相同的，曲柄順時針旋轉(zhuǎn)同時帶動推桿工進與急回。第六章 洗瓶機總體設計及其布局圖10洗瓶機總體設計及其布局圖洗瓶機的總體布局如圖10所示，其中推瓶機構(gòu)是一個曲柄滑塊機構(gòu)，該洗瓶機的特別之處在于它可以同時進行瓶子內(nèi)部和外部的清洗，外部是通過洗瓶機上部的轉(zhuǎn)刷來清洗，而內(nèi)部則是通過一根管壁帶有小孔的銅管利用從銅管小孔中噴出的細水柱進行清洗，由于導輥在旋轉(zhuǎn)帶動瓶子也旋轉(zhuǎn)，那么也就能清洗到瓶子內(nèi)部四周。內(nèi)部清洗裝置的具體設計見下面其他機構(gòu)的設計計算。第七章 其他機構(gòu)的設計計算1、轉(zhuǎn)刷傳動機構(gòu)設計 從電動機傳出的速度首先經(jīng)過蝸輪蝸桿進行一次減速，再經(jīng)過皮帶輪3、4、5、6分別進行二次和三次減速，具體連接方式如圖10所示，而在這主要討論兩個帶輪之間的連接及傳動，具體如圖11所示，主動輪1通過皮帶帶動從動輪2從轉(zhuǎn)動，傳動比與它們各自的半徑比值成反比。由于沒有給出確切的轉(zhuǎn)刷轉(zhuǎn)速所以不好確定具體的傳動比，一旦轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速確定就可算出電動機與轉(zhuǎn)刷的總傳動比，再分配傳動比給各組帶輪。帶型選用普通V帶傳動中的Y型，詳細尺寸見下圖12和表4。1主動輪，2從動輪，3皮帶圖 11圖12表4普通V帶截面參數(shù)頂寬b（mm）節(jié)寬bp高度h楔角單位長度質(zhì)量65.34400.022、內(nèi)部清洗裝置的設計 本洗瓶機內(nèi)部清洗主要是利用水來清洗，具體是利用一根管壁帶有小孔的銅管，在銅管中通入具有一定壓力的水流讓其從小孔中噴出以達到清洗瓶子內(nèi)部的效果，具體設計方案見圖13。圖13內(nèi)部清洗裝置 該內(nèi)部清洗裝置是由水管、調(diào)壓閥、推塊以及銅噴頭組成的，水管與銅噴頭分別連接在推塊的兩邊且推塊內(nèi)部開通以便于水管與銅噴頭相同，調(diào)壓閥用來控制水管中水流的壓力即控制銅噴頭中噴出水的壓力。 銅噴頭尺寸的確定：由設計要求知瓶子尺寸為100200mm，所以銅噴頭的長度必須小于200mm，在這我們?nèi)°~噴頭的長L為180mm直徑D為10mm，銅噴頭上小孔直徑d為2mm。 水管中壓力的確定：確定水管中壓力是為了計算水在多大的壓力下是從銅噴頭小孔中噴射出的而不是流出的，由流體力學知識知流體在運動過程中滿足伯努利方程即z1+p1/+u12/2g=z2+p2/+u22/2g ，其中水的重度=g（為水的密度），由于水流在管中是水平流動的所以z1=z2 ，p1為水管中水流的壓力，p2為銅噴管小孔處的壓力即為大氣壓，由于水管中流量與噴孔處流量相等那么u1A1=u2A2 , A1為銅噴頭的截面積A2為銅噴頭上小孔的面積，那么u1/u2=d2/D2=22/102=1/25 , u1=u2/25 。那么伯努利方程可化解為 （p1-p2）/=u22/2-(u2/25)2/2u22/2 ，要使水流能從銅噴頭小孔中能噴射出u2>0 ,那么p1>p2 (p2為大氣壓)即水管中的壓力必須大于大氣壓（水管中壓力必須大于1.013105pa）。調(diào)節(jié)壓力閥就可使從小孔中噴出的水得到不同的噴射速度。第八章 心得體會經(jīng)過這次親身體驗創(chuàng)新課程設計我明白了很多東西。首先，機械設計并不是一件簡單的工作，在一定要求下設計一種機構(gòu)也不是想象中的那么容易。其次，使我正視了機械設計工作者應該具備的嚴謹?shù)膽B(tài)度。最后，使我再次回顧以前學過的機械原理和機械設計方面的知識。該洗瓶機的設計方案是嚴格按照設計任務書的要求設計的。設計思路簡單、清晰，能滿足預定的設計要求。在任務書的編制過程中，我們嚴格按照選題要來制定任務書，因為好的任務書方能設計出好的方案。只有嚴格要求，才能有所收獲。在確定機構(gòu)運動方案時，我們集思廣益，提出了許多方案，但我們堅信只有一個最優(yōu)方案，那就是用最少的材料，最簡單的原理完成任務要求。終于我們確定了如上所述的設計方案。在設計傳動系統(tǒng)時，理論上只要滿足傳動比即可滿足要求，中間過程不必設計，但在現(xiàn)實的設計中是不存在的。綜合了經(jīng)濟和技術(shù)要求，我們設計的傳動系統(tǒng)主要以簡單的漸開線齒輪為主，以帶輪為輔助。執(zhí)行機構(gòu)的設計是整個設計的核心，它的設計好壞直接關(guān)系到設計任務要求能否順利完成。在這一機構(gòu)的設計中，我采用了類似牛頭刨床機構(gòu)的曲柄滑塊機構(gòu)作為推瓶機構(gòu)。在最后的整體機械方案設計中，我們考慮了現(xiàn)實的可操作性，確定了最后的洗瓶機整體方案。總體來說，該洗瓶機已達到設計要求，能滿足預定的計劃和要求，設計簡單，耗材較少。參考文獻1 邱宣懷，郭可謙主編.機械設計.北京：高等教育出版社，20102 鄭文緯，吳克堅主編.機械原理.北京：高等教育出版社，19963 張景松，楊春敏主編.流體力學.徐州：中國礦業(yè)出版社，2010