1 洗瓶臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工作原理
洗瓶機(jī)的清洗過(guò)程可分為進(jìn)瓶工位,、預(yù)濕工位、清洗工位,、出瓶工位(圖1),。清洗時(shí)將一筐菌瓶倒扣在載瓶板上，載瓶板開(kāi)有16個(gè)圓孔,，剛好可以卡住16個(gè)菌瓶的瓶頸,。載瓶板由進(jìn)瓶工位輸送到預(yù)濕工位；預(yù)濕工位是利用4根預(yù)濕水管上的16個(gè)噴頭對(duì)16個(gè)菌瓶噴水預(yù)濕,，預(yù)濕后輸送到清洗工位,，清洗工位通過(guò)洗瓶臺(tái)對(duì)菌瓶的內(nèi)部與外瓶口進(jìn)行清洗，清洗完成后出瓶,。整個(gè)洗瓶過(guò)程中清洗工位是zui重要的,。
洗瓶臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。洗瓶臺(tái)由清洗齒輪,、驅(qū)動(dòng)齒輪,、中心驅(qū)動(dòng)齒輪和升降花鍵組成，清洗齒輪上裝有毛刷與牙刷,。清洗齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)齒輪與中心驅(qū)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng),，如圖3所示。中心驅(qū)動(dòng)齒輪與升降花鍵相連,，升降花鍵與電機(jī)的花鍵軸連接,，洗瓶臺(tái)的上下移動(dòng)由2個(gè)氣缸推桿完成。當(dāng)瓶筐輸送到清洗工位,，這時(shí)洗瓶臺(tái)由2個(gè)氣缸推桿將其推到洗瓶位置,，16把毛刷伸入到菌瓶?jī)?nèi)部,；16把牙刷與外瓶口接觸，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)16個(gè)清洗齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),，達(dá)到對(duì)菌瓶?jī)?nèi)部與外瓶口的清洗,，清洗完成后復(fù)位出瓶。圖4為洗瓶臺(tái)剖視圖,。
2 洗瓶臺(tái)的設(shè)計(jì)
工廠化生產(chǎn)以為筐為單位種植食用菌,，所以洗瓶也以筐為單位。圖5是4×4的菌瓶放在菌筐上的示意圖,，結(jié)合圖2可知在清洗時(shí)毛刷與菌瓶是一一對(duì)應(yīng),，配合清洗。工廠化生產(chǎn)選擇菌筐的外部尺寸是430 mm×430 mm×90 mm,，內(nèi)部尺寸是397 mm×397 mm×85 mm。當(dāng)進(jìn)行清洗時(shí)毛刷和菌瓶是配合的,，所以O(shè)O1和O2O3距離相等,。公式如下：
將L=397代入得Z1+Z2=70.1，整取70,，所以Z1+Z2=70,，分配齒數(shù)后Z1=32，Z2=38,。即m1=m2=2 mm,，d1=64 mm，d2=78 mm,。
洗瓶臺(tái)的托板尺寸根據(jù)齒輪的安裝尺寸與工作要求確定為500 mm×500 mm,。升降結(jié)構(gòu)采用內(nèi)漸開(kāi)線花鍵結(jié)構(gòu)，與電機(jī)軸之間可以上下移動(dòng),，內(nèi)花鍵模數(shù)為2,，齒數(shù)取25°、30°平齒根,，根據(jù)毛刷長(zhǎng)度,，花鍵長(zhǎng)度取300 mm。
考慮到齒輪工作處于濕潤(rùn)的環(huán)境,，選用塑料作為齒輪與托板的材料,，在工程塑料里尼龍強(qiáng)度高、韌性好,、抗沖擊,、耐疲勞，并且具有較好的抗蠕變,、吸音,、回彈和很好的耐磨、自潤(rùn)滑、與其他材料不黏結(jié)等多種性能,，是工程塑料材料[3,，4]，因此選擇PA6作為齒輪的材料,。但是目前塑料齒輪還不能承受太大的力矩,，所以本研究設(shè)計(jì)扭矩選擇T=2 N·m，電機(jī)選擇4級(jí)異步減速電機(jī),，轉(zhuǎn)速選取1 440 r/min,，其中減速比選擇1∶5，則輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速n=288 r/min,，根據(jù)公式：
代入數(shù)據(jù)得到P=0.06 kW,。根據(jù)以上數(shù)據(jù)選擇配套電機(jī)型號(hào)5GN5K/5K90KGN-CF，此電機(jī)zui大功率0.09 kW,，減速比為1∶5,，滿足設(shè)計(jì)要求。
3 洗瓶臺(tái)關(guān)鍵部件的有限元分析
洗瓶機(jī)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中由于受力小,，傳動(dòng)部件的受力分析比較少,，但是前面對(duì)洗瓶臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程可以看出，中心驅(qū)動(dòng)齒輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)20個(gè)齒輪傳動(dòng)受力較大需要進(jìn)一步校核,。塑料齒輪的選型和計(jì)算與一般的金屬齒輪相似,，但是塑料與金屬材料實(shí)質(zhì)上還是有較大的差別，而且塑料齒輪強(qiáng)度的校核目前還沒(méi)有完備的理論[5-8],。因此*采用校核金屬齒輪強(qiáng)度的方法是行不通的,，這里采用MSC·NASTRAN軟件分析齒輪受力情況。
在齒輪嚙合的過(guò)程中,，一個(gè)輪齒由齒根進(jìn)入嚙合到齒頂退出嚙合的整個(gè)過(guò)程為一個(gè)嚙合周期,，也就是經(jīng)歷了雙齒嚙合-單齒嚙合-雙齒嚙合的過(guò)程。一般在嚙合過(guò)程單齒的受力比雙齒的受力大,，所以以單齒受力作為研究對(duì)象[9,，10]。
3.1 齒輪模型的生成
在NASTRAN軟件內(nèi)部也可以創(chuàng)建齒輪的模型,，但是工作量很大,。本設(shè)計(jì)采用在PRO/E創(chuàng)建齒輪模型，再導(dǎo)入到NASTRAN進(jìn)行分析,。齒輪的基本參數(shù)由第二節(jié)的分析可知是模數(shù)為2的標(biāo)準(zhǔn)齒輪,，其物理性能參數(shù)查表可知，參數(shù)如表1所示,。
3.2 劃分有限元網(wǎng)格
劃分有限元網(wǎng)格是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ),，網(wǎng)格劃分的好壞是有限元分析的關(guān)鍵步驟之一,，合理的網(wǎng)格劃分對(duì)求解影響非常大。Patran系統(tǒng)中擁有強(qiáng)大的單元類(lèi)型庫(kù)：點(diǎn)單元,、梁/桿單元,、三角形單元、四邊形單元,、四面體單元,、五面體單元以及六面體單元。本研究采用四面體5節(jié)點(diǎn)形式,，F(xiàn)inite Element頁(yè)面中設(shè)置參數(shù),，zui后得到網(wǎng)絡(luò)模型。
3.3 添加材料屬性
在Patran中,，利用Properties按鈕創(chuàng)建材料屬性,。本設(shè)計(jì)中齒輪材料采用PA6，PA6具有良好的綜合性能,，彈性模量E=2 830 Mpa,，泊松比U=0.4，密度ρ=1.15 g/c,。
3.4 定義載荷邊界條件及施加載荷
邊界條件設(shè)置的準(zhǔn)確與否直接影響到后面分析的準(zhǔn)確性。設(shè)置邊界的原則是：邊界條件要符合實(shí)際情況,，盡量要簡(jiǎn)單,，便于計(jì)算，同時(shí)要有足夠的約束,，保證不發(fā)生剛體位移,。所以分別對(duì)三維坐標(biāo)X、Y,、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)進(jìn)行約束,。
齒輪嚙合有單齒嚙合和雙齒嚙合兩種，齒輪齒根受力彎矩zui大的狀態(tài)應(yīng)該是單齒嚙合時(shí)的根部,。所以,，齒根的彎矩強(qiáng)度應(yīng)該按載荷單元對(duì)齒輪嚙合區(qū)zui高點(diǎn)處受到的載荷來(lái)計(jì)算[11]。為了便于計(jì)算和分析,，在齒頂處加上全部載荷,，并且沿著齒輪嚙合線將載荷在節(jié)點(diǎn)處分解為互相垂直的徑向力和圓周力。則前述中T=2 N·m,，d=64 mm,，
由式(3)得Ft=62.2 N，再代入式(4)得Fr=22.5 N,。將圓周力和徑向力分別加載在齒輪的頂部,。
3.5 求解和后處理
Patran的后處理有兩類(lèi)：一類(lèi)是在Results模塊中進(jìn)行處理,，另一類(lèi)是在Insight模塊中進(jìn)行的后處理，兩者在處理方法上有類(lèi)似之處,，只是后者更一些,。本研究運(yùn)用Results模塊進(jìn)行后處理。
在Analysis頁(yè)面中進(jìn)行設(shè)置參數(shù)后求解,。計(jì)算完畢后在Results頁(yè)面中進(jìn)行后處理后得到應(yīng)變圖(圖6),。
由應(yīng)變圖(圖7)可以看出，齒輪的zui大應(yīng)變0.053 5 mm,，即齒輪在正常工作狀態(tài)下引起的應(yīng)變非常小,，說(shuō)明了齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，受力均勻,。而在應(yīng)力云圖(圖7)中看出zui大應(yīng)力是38.7 Mpa,，zui大應(yīng)力集中在齒頂，這是齒輪zui容易疲勞失效的部位,。查閱相關(guān)的機(jī)械手冊(cè)得到PA6的屈服極限是69 Mpa,，因此zui大應(yīng)力小于屈服極限，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,。
4 樣機(jī)測(cè)試
4.1 樣機(jī)測(cè)試的方法
為了解洗瓶臺(tái)的設(shè)計(jì)是否滿足生產(chǎn)要求,，對(duì)該洗瓶臺(tái)進(jìn)行了性能測(cè)試。主要從洗瓶效率,、清潔度2個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試,。在試驗(yàn)中機(jī)器洗瓶測(cè)試10組，每組清洗10筐菌瓶,；同時(shí)設(shè)人工洗瓶10組,，每組2筐作為對(duì)照組。
1)試驗(yàn)準(zhǔn)備,。取120筐工廠化生產(chǎn)挖瓶后的菌瓶,。
2)試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法。①洗瓶效率,。每小時(shí)洗瓶的筐數(shù),，通過(guò)測(cè)試每組的洗瓶時(shí)間，根據(jù)效率公式算出,。②清潔度,。通過(guò)目視檢查法將清洗過(guò)的菌瓶清洗程度分為Ⅰ、Ⅱ,、Ⅲ 3個(gè)等級(jí),，且相應(yīng)的賦予2分、1分和0分,，得分大于1,，即滿足洗瓶要求,。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
通過(guò)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)結(jié)果如下列表2、表3所示,。由表2和表3數(shù)據(jù)可以看出,，機(jī)器洗瓶清潔度與人工接近且均大于1，符合洗瓶要求,。同時(shí)洗瓶機(jī)每小時(shí)大約可以清洗360筐菌瓶,，即5 760瓶，是人工洗瓶(每小時(shí)28筐)的12.8倍,，滿足了食用菌工廠化生產(chǎn)的要求,。
