1 洗瓶臺的結(jié)構(gòu)和工作原理
洗瓶機(jī)的清洗過程可分為進(jìn)瓶工位、預(yù)濕工位、清洗工位、出瓶工位(圖1)。清洗時將一筐菌瓶倒扣在載瓶板上，載瓶板開有16個圓孔，剛好可以卡住16個菌瓶的瓶頸。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個噴頭對16個菌瓶噴水預(yù)濕，預(yù)濕后輸送到清洗工位，清洗工位通過洗瓶臺對菌瓶的內(nèi)部與外瓶口進(jìn)行清洗，清洗完成后出瓶。整個洗瓶過程中清洗工位是zui重要的。
洗瓶臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。洗瓶臺由清洗齒輪、驅(qū)動齒輪、中心驅(qū)動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)動由驅(qū)動齒輪與中心驅(qū)動齒輪驅(qū)動，如圖3所示。中心驅(qū)動齒輪與升降花鍵相連，升降花鍵與電機(jī)的花鍵軸連接，洗瓶臺的上下移動由2個氣缸推桿完成。當(dāng)瓶筐輸送到清洗工位，這時洗瓶臺由2個氣缸推桿將其推到洗瓶位置，16把毛刷伸入到菌瓶內(nèi)部；16把牙刷與外瓶口接觸，通過齒輪傳動帶動16個清洗齒輪轉(zhuǎn)動，達(dá)到對菌瓶內(nèi)部與外瓶口的清洗，清洗完成后復(fù)位出瓶。圖4為洗瓶臺剖視圖。
2 洗瓶臺的設(shè)計
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可知在清洗時毛刷與菌瓶是一一對應(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)漸開線花鍵結(jié)構(gòu)，與電機(jī)軸之間可以上下移動，內(nèi)花鍵模數(shù)為2，齒數(shù)取25°、30°平齒根，根據(jù)毛刷長度，花鍵長度取300 mm。
考慮到齒輪工作處于濕潤的環(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)計扭矩選擇T=2 N·m，電機(jī)選擇4級異步減速電機(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)計要求。
3 洗瓶臺關(guān)鍵部件的有限元分析
洗瓶機(jī)的整個設(shè)計過程中由于受力小，傳動部件的受力分析比較少，但是前面對洗瓶臺的設(shè)計過程可以看出，中心驅(qū)動齒輪同時驅(qū)動20個齒輪傳動受力較大需要進(jìn)一步校核。塑料齒輪的選型和計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。
在齒輪嚙合的過程中，一個輪齒由齒根進(jìn)入嚙合到齒頂退出嚙合的整個過程為一個嚙合周期，也就是經(jīng)歷了雙齒嚙合-單齒嚙合-雙齒嚙合的過程。一般在嚙合過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)格劃分對求解影響非常大。Patran系統(tǒng)中擁有強(qiáng)大的單元類型庫：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，盡量要簡單，便于計算，同時要有足夠的約束，保證不發(fā)生剛體位移。所以分別對三維坐標(biāo)X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動和平動進(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)該是單齒嚙合時的根部。所以，齒根的彎矩強(qiáng)度應(yīng)該按載荷單元對齒輪嚙合區(qū)zui高點(diǎn)處受到的載荷來計算[11]。為了便于計算和分析，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：一類是在Results模塊中進(jìn)行處理，另一類是在Insight模塊中進(jìn)行的后處理，兩者在處理方法上有類似之處，只是后者更一些。本研究運(yùn)用Results模塊進(jìn)行后處理。
在Analysis頁面中進(jìn)行設(shè)置參數(shù)后求解。計算完畢后在Results頁面中進(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，說明了齒輪傳動平穩(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)計要求。
4 樣機(jī)測試
4.1 樣機(jī)測試的方法
為了解洗瓶臺的設(shè)計是否滿足生產(chǎn)要求，對該洗瓶臺進(jìn)行了性能測試。主要從洗瓶效率、清潔度2個方面進(jìn)行測試。在試驗中機(jī)器洗瓶測試10組，每組清洗10筐菌瓶；同時設(shè)人工洗瓶10組，每組2筐作為對照組。
1)試驗準(zhǔn)備。取120筐工廠化生產(chǎn)挖瓶后的菌瓶。
2)試驗指標(biāo)及測定方法。①洗瓶效率。每小時洗瓶的筐數(shù)，通過測試每組的洗瓶時間，根據(jù)效率公式算出。②清潔度。通過目視檢查法將清洗過的菌瓶清洗程度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個等級，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 試驗結(jié)果與分析
通過試驗獲得數(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。同時洗瓶機(jī)每小時大約可以清洗360筐菌瓶，即5 760瓶，是人工洗瓶(每小時28筐)的12.8倍，滿足了食用菌工廠化生產(chǎn)的要求。
