PA飲用水桶自動清洗機(jī)設(shè)計者：臧凌玉、陳龍、王琪、張立智、李震（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青島266033）作品內(nèi)容簡介針對現(xiàn)在飲用水桶清潔人工清洗速度慢和清洗質(zhì)量難以保證的問題，通過市場調(diào)查和實驗總結(jié)設(shè)計研究出一種新型飲用水桶自動清洗機(jī)。研發(fā)此產(chǎn)品目的是：彌補(bǔ)現(xiàn)有清潔技術(shù)的不足，使用完全貼合的毛刷對桶進(jìn)行清洗，做到對桶內(nèi)壁和外壁無死角的高效清潔，并且采用自動化程度高的PLC編程控制，實現(xiàn)各功能各部分自動化配合、達(dá)到機(jī)器的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置。我們設(shè)計的飲用水桶自動清洗機(jī)包括按其組成機(jī)構(gòu)可以劃分為桶的氣動夾持機(jī)構(gòu)a、由螺旋絲杠傳動和多功能伸縮嵌套式多桿機(jī)構(gòu)組成的內(nèi)壁清洗機(jī)構(gòu)、氣動夾持機(jī)構(gòu)a、b、外壁清洗機(jī)構(gòu)四個部分。（1）整體UG圖（2）實物圖氣動夾持機(jī)構(gòu)a由抱桶夾和氣缸組成，兩側(cè)對稱的抱桶夾固定在兩側(cè)氣缸上。由螺旋絲杠傳動和多功能伸縮嵌套式多桿機(jī)構(gòu)組成的內(nèi)壁清洗機(jī)構(gòu)由多桿機(jī)構(gòu)、截水皮套、鎖緊機(jī)構(gòu)、弧狀積水槽、多桿導(dǎo)軌、污水槽、導(dǎo)管、螺旋絲杠傳動機(jī)構(gòu)、傳動導(dǎo)軌、電機(jī)、帶傳動機(jī)構(gòu)、尼龍刷。多功能伸縮嵌套式多桿結(jié)構(gòu)安裝在螺旋絲桿傳動機(jī)構(gòu)上，并依靠螺旋絲桿傳動機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)定位置，多桿導(dǎo)軌位于桿的一側(cè)用于固定桿的傳動方向，截水皮套位于多功能伸縮嵌套式多桿結(jié)構(gòu)內(nèi)桿與外桿之間，防止水沿內(nèi)桿流入外桿。鎖緊機(jī)構(gòu)分兩部分：鎖緊槽位于外桿處于豎直方向間隔一定位置處，用于固定桿的形狀；彈性鎖緊球位于多桿的外桿上?；罘e水槽固定與外壁刷桶機(jī)構(gòu)的下方，用于接住外壁清洗流下的污水，下連導(dǎo)管，把污水倒入污水槽中。傳動導(dǎo)軌固定在螺旋絲杠傳動一側(cè)，用于固定導(dǎo)軌的傳動。帶傳動機(jī)構(gòu)一側(cè)連螺旋絲杠傳動，一側(cè)連電動機(jī)，提供動力。多功能伸縮嵌套式多桿結(jié)構(gòu)內(nèi)壁粘附尼龍刷氣動夾持機(jī)構(gòu)b由圓環(huán)形滑槽、氣缸、旋轉(zhuǎn)觸頭、鎖緊固定開關(guān)、抱桶夾。兩個氣缸分別固定在機(jī)架上，圓環(huán)形滑槽分兩半固定在兩側(cè)氣缸上，抱桶夾和鎖緊固定開關(guān)及旋轉(zhuǎn)觸頭與桶活動配合，并通過鎖緊固定開關(guān)與桶狀外毛刷相固定然后通過抱桶夾抱住桶。外壁清洗機(jī)構(gòu)及桶底蓋刷：桶底上部固定機(jī)架、桶底蓋刷轉(zhuǎn)軸、桶底蓋刷、滾輪、桶狀外毛刷、空心軸管、固定軸承、法蘭盤。桶狀外毛刷內(nèi)壁粘附尼龍刷，桶狀外毛刷通過法蘭盤固定在空心軸管上，空心軸管內(nèi)徑大于桶口直徑、外壁通過軸承固定在機(jī)架上，桶底上部固定機(jī)架成圓形一側(cè)固定在機(jī)架上一側(cè)固定幾個滾輪用固定桶。桶底蓋刷通過桶底蓋刷轉(zhuǎn)軸固定在機(jī)架上位于桶狀外毛刷的上部。具體實施過程：該機(jī)器先移動桶底蓋刷，待水桶倒置進(jìn)桶狀外毛刷槽中，桶底蓋刷復(fù)位。啟動氣動夾持機(jī)構(gòu)b，氣動夾持機(jī)構(gòu)啟動將圓環(huán)形滑槽合攏，抱桶夾在圓環(huán)形滑槽的作用下向里推動從而實現(xiàn)在桶腰部分將桶夾緊，將水桶和桶槽連為一體?？招妮S旋轉(zhuǎn)帶動桶狀外毛刷轉(zhuǎn)動，螺旋絲杠傳動機(jī)構(gòu)帶動多功能伸縮嵌套式多桿伸進(jìn)水桶內(nèi)，當(dāng)桿頂觸及桶底桿受力展開成與桶壁貼合形狀，彈性鎖緊球卡住上部鎖緊槽使形狀固定，刷桶底與桶下半部分，到達(dá)上極限后向下運(yùn)動繼續(xù)刷桶的上半部分和桶口直至桿觸及桶口然后彈性鎖緊球受力收縮恢復(fù)原狀與卡住下部鎖緊槽。同時桶底蓋刷在桶的旋轉(zhuǎn)之下將桶底外部清潔。待伸縮桿清洗完桶內(nèi)壁在力的作用下恢復(fù)原狀從桶口撤出后，氣動夾持機(jī)構(gòu)松開分離，使桶狀外毛刷與桶分離。氣動夾持機(jī)構(gòu)b啟動，此時桶固定不動，桶狀外毛刷相對桶旋轉(zhuǎn)內(nèi)附毛刷條對桶外壁進(jìn)行清洗。為保證排水可控，空心傳動軸與多功能伸縮嵌套式桿出連接弧狀積水槽，保證刷外壁的水收集到弧狀積水槽中，同時上連導(dǎo)管將水排入污水槽中，嵌套式多功能伸縮桿的內(nèi)桿與外桿之間均有截水皮套防止水沿多功能伸縮嵌套式多桿的內(nèi)桿桿進(jìn)入外桿。整個過程除了放桶、取桶步驟外均由PLC編程控制，以行程開關(guān)，時間繼電器等組成自動化控制電路實現(xiàn)程序、步驟的可控、可靠的自動化運(yùn)行。其主要創(chuàng)新特點是：由桶狀外毛刷對飲用水桶進(jìn)行固定，固定牢靠的同時實現(xiàn)刷桶的目的；多功能伸縮嵌套式多桿結(jié)構(gòu)張開與桶壁貼合，收縮成一根桿便于從桶口撤出；兩種不同結(jié)構(gòu)不同形狀的氣動夾持機(jī)構(gòu)，方便內(nèi)外壁清洗的轉(zhuǎn)換；螺旋絲杠傳動系統(tǒng)帶動伸縮桿上下移動，通過行程開關(guān)控制行程且自鎖性好；雙軸承固定空心軸桿同軸度高；桶上部固定機(jī)構(gòu)滾輪減少摩擦力，同時實現(xiàn)桶槽不會左右晃。桶底蓋刷的設(shè)計實現(xiàn)桶底清洗的同時給桶底一個支持力，固定程度高。聯(lián)系人：臧凌玉聯(lián)系電話mail：3118848557@1研制背景及意義經(jīng)調(diào)查了解，市場上常會出現(xiàn)這種情形，某消費(fèi)者反映家里桶裝純凈水有時候喝起來有股說不上來的異味，甚至還發(fā)生過幾次因為喝了這種純凈水導(dǎo)致拉肚子的事情。一開始懷疑是純凈水有問題，但是換了幾家，純凈水有異味的問題還是時常出現(xiàn)。事實上，這位消費(fèi)者遇到的問題很普遍。隨著人們對飲用水質(zhì)量要求的不斷提升，飲用水銷售一直處于旺季不見消退，桶裝水市場再次成為關(guān)注焦點。很多消費(fèi)者很關(guān)心飲用水的衛(wèi)生安全問題，看似晶瑩剔透的大桶水水桶，往往也會成為我們生活中容易忽視的健康“殺手”。一些清潔性達(dá)不到要求的的水桶甚至很多在市場上流轉(zhuǎn)。這是因為現(xiàn)在大桶水清潔主要靠人工清洗，但存在兩個問題：一是人工清洗速度較慢，二性能指標(biāo)：每分鐘清潔水桶數(shù)量：8-10個清洗清潔度達(dá)98%。3各機(jī)構(gòu)的設(shè)計3.1內(nèi)壁清潔機(jī)構(gòu)的設(shè)計3.1.1多功能伸縮嵌套式多桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計我們市場研究了解了桶的基本尺寸如下因此可以得出如下結(jié)論：絕大多數(shù)的水桶直徑在24~25之間，占總量的98%。絕大多數(shù)的桶口直徑在5.0~6.0之間，占總量的99%基于以上參數(shù)，我們最后確定參數(shù)桿1：106.25，桿2:131.75，桿3:131.75，桿4:106.25，桿5:110.5，桿6:55.25,7、17鎖緊槽之間的距離為161.5，桿8：外桿，9：多桿導(dǎo)軌。我們經(jīng)過多方查詢、調(diào)查決定多桿我們采用聚碳酸酯，這種材料安全無毒，無色透明，耐熱耐沖擊，阻燃，在普通使用溫度內(nèi)都有良好的機(jī)械性能?；谝陨系男阅芪覀冞x擇聚碳酸酯來制作清洗水桿。采用碳纖維樹脂材料，因為碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。所以完全滿足我們輕質(zhì)高強(qiáng)度，高韌性的要求。3.1.2滾軸絲杠傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計我們根據(jù)工作效率我們要用的工作效率600mm/min，而我們電機(jī)選擇的工作速度為120r/min，導(dǎo)程為5的滾珠絲杠。參照上圖的基本參數(shù)，我們選擇軸承鋼的2005，軸承鋼（earingsteel）是用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈的鋼，有高而均勻的硬度、耐磨性和高的彈性極限。軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分嚴(yán)格，是所有鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。1976年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO將一些通用的軸承鋼號納入國際標(biāo)準(zhǔn)，把軸承鋼分為：全淬透型軸承鋼、表面硬化型軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼等四類共17個鋼號。所以軸承鋼的選擇完全符合我們的具體要求。3.2氣動夾持機(jī)構(gòu)a的設(shè)計夾持機(jī)構(gòu)1由氣缸和抱桶夾組成，抱桶夾的區(qū)率為220mm，碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。所以完全滿足我們輕質(zhì)高強(qiáng)度，高韌性的要求?；谝陨系男阅芪覀冞x擇碳纖維材料制作抱桶夾。3.3氣動夾持機(jī)構(gòu)b的設(shè)計氣動夾持機(jī)構(gòu)b由圓環(huán)形滑槽、氣缸、旋轉(zhuǎn)觸頭、鎖緊固定開關(guān)、抱桶夾。主要靠圓環(huán)形滑槽將旋轉(zhuǎn)觸頭固定在一個滑道中，所以滑道的直徑為外桶槽的直徑加旋轉(zhuǎn)觸頭加一部分間隙，所以我們設(shè)計的直徑為420mm，中間的鎖緊固定開關(guān)主要依靠彈簧的彈性模量，我們選擇的彈簧的彈性模量為20。抱桶夾的材料我們用碳纖維樹脂，圓環(huán)形滑槽我們采用強(qiáng)度大的不銹鋼，不銹鋼的主要元素有：鉻,是給不銹鋼提供高的鈍化能力,使其具有高耐蝕性的基本元素；鎳,鎳是擴(kuò)大鋼的奧氏體區(qū)域和穩(wěn)定奧氏體組織的元素；碳是強(qiáng)烈擴(kuò)大鋼的奧氏體區(qū)域和穩(wěn)定奧氏體組織的元素是鎳的30倍；鉬是鐵素體形成元素,提高不銹鋼在酸類介質(zhì),特別是含氯離子的介質(zhì)中耐蝕性；銅對奧氏體起穩(wěn)定作用；不銹鋼中加入鈦和鈮是防止晶間腐蝕；硅是鐵素體形成元素,能提高不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的耐腐蝕性能；錳是擴(kuò)大鋼的奧氏體區(qū)域和穩(wěn)定奧氏體組織的元素；氮是強(qiáng)烈擴(kuò)大鋼的奧氏體區(qū)域和穩(wěn)定奧氏體組織的元素,是鎳的25倍；硫和硒,他們主要改善切削加工性能,對防腐蝕是不利的。所以我們選用不銹鋼完全符合要求。彈簧用彈簧鋼：彈簧鋼，是指由于在淬火和回火狀態(tài)下的彈性，而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。彈簧鋼主要是有好的彈性，又由于它是在動載荷環(huán)境條件下工作的，所以對制造彈簧的材質(zhì)最主要的應(yīng)有高的屈服強(qiáng)度；在承受重載荷時不引起塑性變形；應(yīng)有高的疲勞強(qiáng)度，在載荷反復(fù)作用下具有長的使用壽命；并有足夠的韌性和塑性，以防在沖擊力作用下突然脆斷。3.4外壁清洗機(jī)構(gòu)及桶底蓋刷3.4.1桶狀外毛刷及固定穿動機(jī)構(gòu)3.4.1桶狀外毛刷及固定傳動機(jī)構(gòu)我們調(diào)查到桶的最大直徑為24.19，所以考慮到毛刷及夾子的空隙所以我們設(shè)計的尺寸為300mm，空心管的內(nèi)徑大于桶的外徑，桶的外徑為50.5，結(jié)合市場實際情況我們買的光軸的內(nèi)徑54，外徑65，同時法蘭盤的尺寸為國標(biāo)65的，軸承為國標(biāo)65的。軸承的材料是軸承鋼（earingsteel）是用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈的鋼，有高而均勻的硬度、耐磨性和高的彈性極限。軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分嚴(yán)格，是所有鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。完全符合要求?？招妮S管我們采用無縫普通碳素鋼管為一種中空的長條圓形鋼材，是一種經(jīng)濟(jì)的斷面鋼材，是鋼鐵工業(yè)中的一項重要產(chǎn)品，其按生產(chǎn)方式分為無縫管和焊管兩大類，按材質(zhì)分為普通碳素鋼管、合金鋼管、軸承鋼管等多種類，安全可靠、衛(wèi)生環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用。3.4.2桶底蓋刷的設(shè)計桶底蓋刷下端附尼龍毛刷，尼龍為韌性角狀半透明或乳白色結(jié)晶性樹脂，作工程塑料的尼龍分子量一般為1.5-3萬。尼龍具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，軟化點高，耐熱，摩擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐堿和一般溶劑，電絕緣性好，有自熄性，無毒，無臭，耐候性好，染色性差。缺點是吸水性大，影響尺寸穩(wěn)定性和電性能，纖維增強(qiáng)可降低樹脂吸水率，使其能在高溫、高濕下工作。尼龍與玻璃纖維親合性十分良好。常用于制作梳子、牙刷、衣鉤、扇骨、網(wǎng)袋繩、水果外包裝袋等等。無毒性，但不可長期與酸堿接觸。我們主要利用的是無毒性的特點，蓋子的材料我們采用碳纖維樹脂材料。3.4.3桶上部固定機(jī)構(gòu)這部分主要有消除摩擦力的滾輪，和起固定作用支架，支架采用高強(qiáng)度的黃銅以鋅作主要添加元素的銅合金﹐具有美觀的黃色，且強(qiáng)度高。本著滾輪性價比高的想法，我們采用不可旋轉(zhuǎn)的滾輪，起固定支撐的作用。3.4.4排水可控設(shè)計這部分由弧狀積水槽、導(dǎo)管、截水皮套組成。刷外壁的水收集到弧狀積水槽中，同時上連導(dǎo)管將水排入污水槽中，嵌套式多功能伸縮桿的內(nèi)桿與外桿之間均有截水皮套防止水沿多功能伸縮嵌套式多桿的內(nèi)桿桿進(jìn)入外桿。截水皮套，弧狀積水槽均有橡膠材料組成：具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大形變，除去外力后能恢復(fù)原狀。橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）低，分子量往往很大，大于幾十萬。所以橡膠材料完全符合我們的要求。4理論設(shè)計計算4.1電動機(jī)的設(shè)計：我們需要用兩臺電動機(jī)，一臺電動機(jī)用于帶動桶做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一臺用于驅(qū)動螺旋傳動機(jī)構(gòu)。驅(qū)動桶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電動機(jī)：考慮到我國家庭用電的實際電壓均為220V，因此選擇額定電壓為220V的電動機(jī)，選擇電動的轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，旋轉(zhuǎn)半徑為0.02m,估計所設(shè)計電動機(jī)的最大負(fù)載約為400N；根據(jù)公式得：從以上各個方面因素考慮，宜采用YL系列單相異步電動機(jī)（YL8024-750W），技術(shù)參數(shù)如下。主要性能參數(shù)為：功率：90W電壓：220V轉(zhuǎn)速：600r/min安裝結(jié)構(gòu)型式:立式用于驅(qū)動螺旋運(yùn)動的的電動機(jī):考慮到我國家庭用電的實際電壓為220V，因此選擇額定電壓為220V的電動機(jī)，選擇轉(zhuǎn)速為120r/min。估計所設(shè)計的電動機(jī)最大負(fù)載約為160N，旋轉(zhuǎn)半徑為0.01m。根據(jù)公式得從以上各因素考慮，宜采用交流微型電機(jī)60YCJ10/4-30。主要性能參數(shù)為：功率：25W電源：220V轉(zhuǎn)速：120r/min安裝結(jié)構(gòu)型式：立式同理我們需要的電動機(jī)一般負(fù)載要求，轉(zhuǎn)速100r/min左右，滿足第一臺各種參數(shù)的電動機(jī)均符合要求，而且負(fù)載轉(zhuǎn)速要求更低所以25W左右的電動機(jī)便能滿足其需求。所以其他電動機(jī)也選擇交流微型電機(jī)60YCJ10/4-30，即可。4.24.2螺紋的設(shè)計及校核結(jié)合本裝置的實際運(yùn)用，電動機(jī)開始動作，考慮到一定的安全系數(shù)和加工時還有物料的進(jìn)入，通過傳感器測得載荷為F=100N.1)在拉力F的作用下，各個螺栓分擔(dān)的載荷拉力2)對于一些有密封要求的連接要有一定的預(yù)緊力，預(yù)緊力：（本設(shè)計取1.8）3)則每個螺栓的總拉力F2：求得4)計算拉伸強(qiáng)度：故強(qiáng)度要求滿足。4.3軸承的設(shè)計及校核由于我們同心的精由度不是很高，所以我們選擇6號深溝球軸承，如下圖我們知道我們選用的軸承必須滿足壽命極限即必須大于1000000。Cε×1=Pε×L10L10=(C/P)ε×106r若軸承工作轉(zhuǎn)速為nr/min，可求出以小時為單位的基本額定壽命其中P-當(dāng)量載荷，L10-基本額定壽命，長以106為單位；ε-壽命指數(shù)，球軸承ε=3，查手冊得基本額定動載荷C是以L10=1、可靠度為90%為依據(jù)的。由上式可得軸承的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于106所以完全符合要求。4.4多桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核經(jīng)過我們的設(shè)計實驗分析，多功能伸縮嵌套式多桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計基于原先的尺寸設(shè)計完全能夠伸展開成我們需要的形狀，并且桿的變形量完全在桿的彈性范圍之內(nèi)。4.5帶的強(qiáng)度校核鑄鐵式制V帶有以下幾種形式：實心式、腹板式、孔板式、橢圓輪輻式，由于我們采用的直徑比較小所以采用實心式。已知電動機(jī)的額定功率為90W，，轉(zhuǎn)速為n1=60rmin，選取傳動比i=2，采用普通V帶傳動。Pc=KA×P=1.1×90=99（查表得KA=1.1）查資料取Y型，主動輪基準(zhǔn)直徑=900mm，則從動輪的直徑為9002=1800mm。V=лn1dd1/6000×1000=0.02826≦35m/s,確定帶的中心距根據(jù)0.