洗瓶机
前言
机械原理课程设计能够培养机械类专业学生的创新能力，是学生综合应用机械原理课程所学理论知识和技能解决问题，获得工程技术训练必不可少的实践性教学环节。本课程设计是参考裘建新主编的机械原理课程设计指导书中的选题，选择设计的题目是洗瓶机。
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900 W 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。
洗瓶机是的常见机械，按照清洗的功能和能力有各式各样的种类。一个完整的洗瓶机包含送料系统、清洗系统以及后续的加工包装系统。此次设计的洗瓶机，作为机械原理这一课程的实践性课程设计，限于我们目前的知识水平和设计经验，我们仅仅是综合考虑了一些关键因素及设计要求，应用所学的机械原理理论知识，初步的设计了简单的洗瓶机的主要机构。目的是通过设计洗瓶机这一选题，进一步巩固所学的机械原理打得相关理论知识，将理论与实践相结合，作为一种初步的实践性探索。
由于我们的设计经验尚不够丰富，错误及不足之处在所难免，敬请各位老师和同学批评指正。
目录
前言 (1)
目录 (2)
1设计任务书 (3)
1.1设计题目 (3)
1.2 设计任务 (3)
1.3 设计要求 (3)
1.3.1 工作原理 (3)
1.3.2 原始数据 (3)
2机械运动方案设计 (4)
2.1 分析设计要求 (4)
2.2 推瓶机构选择 (4)
2.2.1 凸轮－铰链四杆机构方案 (4)
2.2.2 五杆组合机构方案 (5)
2.2.3 曲柄摇杆机构 (5)
2.3 运动方案的比较和拟定 (6)
3 机械总体结构设计 (6)
3.1机械总体结构的设计 (6)
3.2 机械工作循环图的编制 (6)
4 机械传动系统设计 (8)
4.1 机械传动系统传动比的计算 (8)
4.2 机械传动系统机构的设计 (9)
5 执行机构和传动部件的结构设计 (9)
5.1 计算分析 (9)
5.2 结构设计 (9)
6 主要零部件的设计计算 (10)
6.1曲柄摇杆机构 (10)
6.2传动机构 (12)
7最终设计方案和机构简介 (13)
8小结 (15)
9致谢 (16)
10参考文献 (17)
11附录一 (18)
12附录二 (19)
13附录三 (20)
1
2
一个待洗的瓶子已送入导辊待推。 洗瓶机的技术要求见表1-1。
表1-1 洗瓶机的技术要求（写自己的技术方案）
方案号
瓶子尺寸/（直径×长）/(mm,mm) 工作行程/(mm)
生产率/(个/min)
急回系数K
电动机转速/(r/min)
A φ100×200 600 3 3 1440
B φ80×180 500 4 3.2 1440
C φ60×150 420 5 3.5 960 D
φ60×180
500
5
3.5
1440
1.2 设计任务
1.洗瓶机应包括齿轮、平面连杆机构等常用机构或组合机构。
2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计组合机构实现运动要求，并对从动杆进行运动分析。也可以设计平面连杆机构以实现运动轨迹，并对平面连杆机构进行运动分析。绘出运动线图。
5.其他机构的设计计算。
6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：洗瓶机推瓶机构的计算机动态演示等。 1.3 设计要求 1.3.1 工作原理
为了清洗瓶子，需将瓶子推入同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转，推动瓶子沿导辊前进，转动的刷子就将瓶子洗净。它的主要动作是将瓶子沿着导辊推动，瓶子推动过程中将瓶子旋转以及将刷子转动。 1.3.2 原始数据
（1）瓶子尺寸：长度L=180mm ，直径D=60mm 。
（2）推进距离S=500mm，推瓶机构应使推移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，准备进入第二个工作循环。
（3）按生产率每分钟5个的要求，推程的平均速度v=53.57mm/s，返回时的平均速度为工作时的平均速度的3.5倍。
（4）电动机转速为1440 r/min。
（5）急回系数3.5。
2 机械运动方案设计
2.1 分析设计要求
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。
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，在工作段前后可有变速运动，回程时有急回。
图2-1 推头M运动轨迹
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。
2.2 推瓶机构选择
推瓶机构的方案：根据前述设计要求,推瓶机构应为一具有急回特性的机构,为了提高工作效率,一是行程速比变化系数K尽量大一些;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曲柄滑块机构,曲柄转动导杆机构和曲柄摆动导杆机构。
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往复直线运动的特点，所以根据要求，有如下方案(如下图所示)
2.2.1 凸轮－铰链四杆机构方案
如图3所示，铰链四杆机构的连杆2上点M走近似于所要求的轨迹，M点的速度由等速转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。由于此方案的曲柄1是从动件，所以要注意度过死点的措施。
把下页的文字提上来，不能留白
3
2.2.2 五杆组合机构方案
确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此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征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图4 所示为两个自由度五杆低副机构，1、4为它们的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而
图2-2-2 五杆组合机构的方案
4
2.2.3 曲柄摇杆机构
根据设计要求，一般可首先考虑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要求，也就是让它与一个输出变速度的附加机构组合。有如下方案：
图 2-2-3 曲柄摇杆机构方案
2.3 运动方案的比较和拟定
(1）凸轮－铰链四杆机构方案：
分析该方案可知，原动件是凸轮，而曲柄作为从动件，有死点，必须设计有足够的措施冲过死点。由于工作行程要求是直线或近似直线，所以杆长有一定的设计限制，为设计满足要求的急回系数，还需设计合适的凸轮轮廓曲线。
（2）五杆组合机构方案
在五杆机构中，有两个输入构件，按照预定的轨迹要求和急回系数，设计杆长和基础构件的轮廓曲线。设计的方法主要为解析法和图解法，前者精确但计算复杂，后者相对简单但有一定的误差。总体难度较大。
（3）曲柄摇杆机构
该机构此机构有较好的急回运动特性，可达到题目要求的回程速度是推程速度的3.5倍。可设计出满足要求的机构运动方案。
综上所述，采用曲柄摇杆机构的方案显然较有优势，省去了设计凸轮轮廓曲线的繁杂。有较强的可操作性。
3 机械总体结构设计
3.1机械总体结构的设计
选用曲柄摇杆作为执行机构，利用给定的电动机，通过多级减速达到预定的速度传动。设计了如下图3-1所示总体机械机构
如图3-1所示，整个机械系统的动力由一个转速为1440r/min的电机提供，经过带轮1.2的一次减速传递到一对渐开线圆柱齿轮进行二次减速，然后根据不同的需要将速度分成两支：一支直接传递给带动毛刷的齿轮，以带动毛刷转动，此速度相对于曲柄所需的转速显然大得多，另一分支，因速度相对于曲柄所需的速度来说仍然较高，采用行星轮系再次减速，在传递给曲柄。但是两导辊也需要动力，故而根据需要采用了一对相同的圆锥齿轮，将速度变向，其大小与曲柄的转速相同。如此整个洗瓶机的整体结构设计方案便定下来了。
3.2 机械工作循环图的编制
根据设计要求，我们采用的是曲柄摇杆机构。曲柄作为原动件即输入构件，我们就以曲柄所转过的角度为参照依据，设计其它构件的工作行程。根据设计要求，工作行程是500mm,急回系数是3.5，两导辊匀速的转动，主要是负责翻转瓶子，上方的毛刷在整个清洗过程中是一直以一定的速度运数转动的。根据急回系数，我们推算了带动推杆转动的曲柄的转角。在整个工作行程中，
5
曲柄转角为280°，剩余的80°为回程时所转角度。综合考虑各执行构件的协调配合，设计了机械的工作循环图如下：
曲柄转角0°90°180°270°280°360°
12
34
56
8
910
7
11
行星轮系
导辊
毛刷12
13
14
对图进行编辑
图 3-1机械结构总体设计方案
1-- 2-- 3--
写清楚图中零件名称
把下页文字提上
6
7
4 机械传动系统设计
4.1 机械传动系统传动比的计算
根据急回系数及工作行程设计了如上图机构，分析其速度。设已知行程S ，急回系数为K ，回程时间为t ，生产率为n 个每分则工作行程时间为3.5t ，加工一个工件的平均速度为T ，
60T n =
，(1)T Kt t K t =+=+，1T t K =+。推程速度S V t
=，而V RW =，其中R 为曲柄的固定铰至行程中点的距离进而求出曲柄角速度W 。又因为2260
n
W f ππ==，所以曲柄转速
60302W W
n ππ==
。 根据以上分析计算得到参数如下表4的参数列表。 从带轮1传动到锥齿轮8的传动比24
1813
14404.88ae r z i i r z =
=，其中ae i 为所设计的行星轮系的传动比，1r ，2r ，分别为带轮1和2 的半径。
245
1136
144080r z r i r z r 6==，3z ，4z 分别为啮合齿轮3,4的齿数，5r ，6r 分别为带轮5,6的半径。
综合考虑，齿数分配如下：
24
1813
14404.88ae r z i i r z =
=，其中ae i 为渐开线齿轮行星传动比， 1814403006073.872954.8815030i ==??=；
11318i i =；
245113614403006018018801503040
r z r i r z r 6===??=；
不留白
8
表 4-1各参数列表
项目
值 电机转速（r/min) 1440 推程位移(mm) 500 生产率(个/min) 5 平均每个耗时(s) 12 急回系数K 3.5 推程用时(s)
2.666666667 推程平均速度(mm/s) 5
3.57142857 曲柄铰至中点距离(mm) 10
4.9 曲柄转速(r/min) 4.879208154 总传动比
295.13
4.2 机械传动系统机构的设计
根据以上分析，设计了如下图所示的传动机构：从电动机传出的动力经过带轮1、2减速，传给一对渐开线圆柱齿轮3、4第二次减速，从齿轮4传出的动力开始分支：一部分传给带轮5、6进一步减速输送给毛刷传动齿轮，各毛刷的转速大小一致，另一部分由于速度仍然比较大，选用3K 型的NGWN 型渐开线行星轮系进一步减速。最终速度减为所需速度，直接由8处的动力带动曲柄摇杆机构的曲柄转动。并且，通过一对圆锥齿轮将速度变向，传递给两个导辊，其间的传动比都为1。如此，整个洗瓶机的传动机构设计便完成了。详见图4-2所示。
5 执行机构和传动部件的结构设计
5.1 计算分析
根据设计要求推进距离S=500mm ，推瓶机构应使推移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，准备进入第二个工作循环。按生产率每分钟5个的要求，推程的平均速度v=53.57mm/s ，返回时的平均速度为工作时的平均速度的3.5倍。 利用摇杆的急回特性综合考略行程要求设计了如下执行机构。该机构主要有曲柄摇杆，和推头部分组成。当曲柄与摇杆垂直时的两个极限位置之间推头走过的位移即为所需的行程，因为急回系数是3.5,即回程的的速度是工作行程时间的3.5倍。假设回程时间为t ，则工作行程时间为3.5t ，因为曲柄是匀速转动的，时间t 即等价于转角，只要3.5360αα+=?，80α=?即可满足要求。 5.2 结构设计
根据以上的设计计算分析，采用AutoCAD2007软件，行程为500和急回角为80°设计了如下图5-2所示的传动机构。
﹖
图 4-2传动机构简图
1、毛刷在哪里，和岛2辊位置关系错误
2、写出零件名称及相应编号
图 5执行机构和传动部件结构设计
请给各杆编号，并给出原动件在图上写出杆长
9
10
6 主要零部件的设计计算
6.1曲柄摇杆机构
根据以上设计，得到了曲柄的杆长为80mm ，截面尺寸如图6-1-1所示，厚度为10mm ，可以满足需求。
6-1-1曲柄尺寸
设计的摇杆杆长为357.5mm ，但是摇杆上套有滑块，由于整个洗瓶机构是循环往复的，若将滑块设计成矩形截面，显然摩擦阻力较大，不利于长期循环工作。因此，我们设计了圆柱形的滑块，详细尺寸见图6-1-2标注所示。另外，摇杆是绕着固定铰做转动的，在铰接处专门设计了矩形截面，以适应所需的回转要求，详细尺寸见图6-1-2所示尺寸。
6-1-2 摇杆尺寸
设计所需的工作行程是500mm ，由于铰接及安装轴承、固定端等尺寸要求，设计的最终尺寸为620mm
。但推杆是与摇杆上的滑块铰接在一起的，所以，此时推杆的截面设计成矩形，其尺寸见图6-1-3所示。再设计推头，推头的材料以塑质橡胶为宜，采用半圆形形状。
6-1-3 推杆尺寸
综上所述，最终确定的曲柄摇杆机构的各尺寸见表6-1
表6-1曲柄摇杆机构设计尺寸
零件 长度（mm ） 厚度（mm ）
截面尺寸（mm ×mm ）
曲柄 80 10 15×10 摇杆
387.5
10
15×10
推杆620 10 15×10
6.2传动机构
从电动机传出的动力首先经过带传动进行一次减速。如图6-2-1所示，主动轮1通过皮带带
动从动轮2从转动，传动比与它们各自的半径比值成正比。根据上述分析，
122 1
i ，即只要满足
从动轮与主动轮的径比值为2，综合考虑带轮1选用直径为150mm,从动轮2的直径设计成
300mm。带型选用普通V带传动中的Y型。详细尺寸见下图6-2-2和表6-2-1
11
1—主动轮，2—从动轮，3—皮带
图 6-2-1带轮传动示意图
不留白
11
表 6-2-1 普通V带截面参数
顶宽b(mm) 节宽b p高度h 楔角α单位长度质量q（kg/m）
0.02
6 5.3 4
40°
根据以上设计和分析，各齿轮的主要参数列表如下：
表 6-2-2 各齿轮参数列表
齿轮标号功能齿数（个）模数分度圆直径（mm）
3 减速30 2 60
4 减速60 2 120
8 变向60 2 120
9 变向60 2 120
10 传递170 1 170
11 传递170 1 170
12 驱动导辊67.5 1 67.5
13 驱动两导辊齿轮67.5 1 67.5
14 驱动导辊67.5 1 67.5
15 驱动毛刷(5个) 50 2 100
另外行星轮系中的各齿轮及对应主要参数，见图6-2-3和表6-2-3：
该行星轮系为3K型的NGWN型行星轮系，H为行星架，a,b,c,d,e都为渐开线啮合齿轮
b c
a
H
e
d
图6-2-3 行星轮系（图剪掉边框）
表 6-2-3 行星轮系各齿轮参数
齿轮 a b e c d 齿数(个) 15 66 63 26 23
7最终设计方案和机构简介
12
依题意，工件放在两导辊之间，其形位尺寸见图7-1，其它各构件的安装尺寸详见附录所配装配图。根据以上设计分析和计算，最终确定如下图7-2设计方案
图7-1 导辊及工件的形位尺寸
12
3
4
56
7 8
9
10
11
16
15
17
18
19
20
12
13
14图 7-2 洗瓶机俯视图
1—小皮带轮 2—大皮带轮 3—小啮合齿轮 4—大啮合齿轮 5—小皮带轮 6—大皮带轮7—NGWN型行星轮系 8—锥齿轮 9—锥齿轮 10—锥齿轮同轴齿轮 11—导辊大主动齿轮 12—导辊从动齿轮1 13—导辊小主动齿轮 14—导辊从动齿轮2 15—导辊1 16—导辊2 17—毛刷主动齿轮 18—毛刷 19—曲柄摇杆机构安装位置 20—异步电动机
如图7-2所示，整个洗瓶机由一台异步电动机提供动力，经带轮1、2一次减速传递到齿轮3、4再次减速，从齿轮4传出的动力开始分支：一部分传给带轮5、6进一步减速输送给毛刷传动齿轮，各毛刷的转速大小一致，另一部分由于速度仍然比较大，选用3K型的NGWN型渐开线行星轮系进一步减速。最终速度减为所需速度，直接由8处的动力带动曲柄摇杆机构的曲柄转动。
13
并且，通过一对圆锥齿轮将速度变向，传递给两个导辊，其间的传动比都为1，即导辊的转速与曲柄的转速相同。
小结
14
该洗瓶机的设计方案是严格按照设计任务书的要求设计的。设计思路简单、清晰，能满足预定的设计要求。
在任务书的编制过程中，我们严格按照选题要来制定任务书，因为好的任务书方能设计出好的方案。只有严格要求，才能有所收获。在确定机构运动方案时，我们集思广益，提出了许多方案，但我们坚信只有一个最优方案，那就是用最少的材料，最简单的原理完成任务要求。终于我们确定了如上所述的设计方案。机构运动的方案既定，接着我们开始利用提供的物料设计传动系统，传动系统中，理论上只要满足传动比即可满足要求，中间过程不必设计，但在现实的设计中是不存在的。综合了经济和技术要求，我们设计的传动系统主要以简单的渐开线齿轮为主，以带轮为辅助，在加以必要的锥齿轮，即达到了设计要求。执行机构的设计是整个设计的核心，它的设计好坏直接关系到设计任务要求能否顺利完成。在这一机构的设计中，我们主要利用AotouCAD 软件直接按照急回和行程要求进行计算机辅助设计，准确且迅速，完全能达到设计要求。在最后的整体机械方案设计中，我们考虑了现实的可操作性，确定了最后的洗瓶机整体方案。
总体来说，该洗瓶机已达到设计要求，能满足预定的计划和要求，设计简单，耗材较少。但是，在设计的过程中我们也发现了设计中存在的问题。例如，在曲柄摇杆机构中干的设计中，我们只是粗略的估计了能满足行程要求所需的杆长，并未做最更深入调查研究。作为课程设计，有许多只是，限于水平，我们未能涉及，例如带轮的参数方面，及各种轴、齿轮的受力分析和运动学的分析仍然较缺乏，需要进一步学习改进。
致谢
15
在本设计说明书的编写过程中，感谢指导老师对写作格式的讲解，让我能按照正确的写作格式，顺利的完成了说明书的编写。同时，还应感谢广大同学的热情帮助，让我在遇到不能理解或操作的问题时给我提供了许多好的建议，让我恍然大悟，少走了不少弯路。这其中当然还有直接和我一起合作的小组成员们，正是在他们的集思广益中，我们的方案才得以设计的更顺利，充分发挥了集体的智慧，解决了许多我们自己很困惑的问题。
参考文献
16
［1］汤先祥.新式小型洗瓶机设计. 包装与食品机械，1995，13（4）：25～30。
［2］裘建新.机械原理课程设计指导书.第一版.北京:高等教育出版社，2008: 143～146。
［3］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.第七版.北京:高等教育出版社，2009。
［4］秦保振.洗瓶机的现状及发展趋势. 机电信息，2007，167：31～34。
17
洗瓶机机构简图主视图
18
洗瓶机机构侧视图
19