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饮用水桶自动清洗机设计说明书292020年4月19日文档仅供参考，不当之处，请联系改正。饮用水桶自动清洗机设计者：臧凌玉、陈龙、王琪、张立智、李震（青岛理工大学机械工程学院 ，青岛 266033） 作品内容简介针对现在饮用水桶清洁人工清洗速度慢和清洗质量难以保证的问题，经过市场调查和实验总结设计研究出一种新型饮用水桶自动清洗机。研发此产品目的是：弥补现有清洁技术的不足，使用完全贴合的毛刷对桶进行清洗，做到对桶内壁和外壁无死角的高效清洁，而且采用自动化程度高的PLC编程控制，实现各功能各部分自动化配合、达到机器的自动化运转的机械装置。我们设计的饮用水桶自动清洗机包括按其组成机构能够划分为桶的气动夹持机构a、由螺旋丝杠传动和多功能伸缩嵌套式多杆机构组成的内壁清洗机构、气动夹持机构a、b、外壁清洗机构四个部分。 （1）整体UG图 （2）实物图 气动夹持机构a由抱桶夹和气缸组成，两侧对称的抱桶夹固定在两侧气缸上。由螺旋丝杠传动和多功能伸缩嵌套式多杆机构组成的内壁清洗机构由多杆机构、 截水皮套、锁紧机构、 弧状积水槽、多杆导轨、污水槽、导管、螺旋丝杠传动机构、传动导轨、电机、带传动机构、尼龙刷。多功能伸缩嵌套式多杆结构安装在螺旋丝杆传动机构上，并依靠螺旋丝杆传动机构达到预定位置，多杆导轨位于杆的一侧用于固定杆的传动方向，截水皮套位于多功能伸缩嵌套式多杆结构内杆与外杆之间，防止水沿内杆流入外杆。锁紧机构分两部分：锁紧槽位于外杆处于竖直方向间隔一定位置处，用于固定杆的形状；弹性锁紧球位于多杆的外杆上。弧状积水槽固定与外壁刷桶机构的下方，用于接住外壁清洗流下的污水，下连导管，把污水倒入污水槽中。传动导轨固定在螺旋丝杠传动一侧，用于固定导轨的传动。带传动机构一侧连螺旋丝杠传动，一侧连电动机，提供动力。多功能伸缩嵌套式多杆结构内壁粘附尼龙刷气动夹持机构b由圆环形滑槽、气缸、旋转触头、锁紧固定开关、抱桶夹。两个气缸分别固定在机架上，圆环形滑槽分两半固定在两侧气缸上，抱桶夹和锁紧固定开关及旋转触头与桶活动配合，并经过锁紧固定开关与桶状外毛刷相固定然后经过抱桶夹抱住桶。外壁清洗机构及桶底盖刷：桶底上部固定机架、桶底盖刷转轴、桶底盖刷、滚轮、桶状外毛刷、空心轴管、固定轴承、法兰盘。桶状外毛刷内壁粘附尼龙刷，桶状外毛刷经过法兰盘固定在空心轴管上，空心轴管内径大于桶口直径、外壁经过轴承固定在机架上，桶底上部固定机架成圆形一侧固定在机架上一侧固定几个滚轮用固定桶。桶底盖刷经过桶底盖刷转轴固定在机架上位于桶状外毛刷的上部。 具体实施过程：该机器先移动桶底盖刷，待水桶倒置进桶状外毛刷槽中，桶底盖刷复位。启动气动夹持机构b，气动夹持机构启动将圆环形滑槽合拢，抱桶夹在圆环形滑槽的作用下向里推动从而实现在桶腰部分将桶夹紧，将水桶和桶槽连为一体。空心轴旋转带动桶状外毛刷转动，螺旋丝杠传动机构带动多功能伸缩嵌套式多杆伸进水桶内，当杆顶触及桶底杆受力展开成与桶壁贴合形状，弹性锁紧球卡住上部锁紧槽使形状固定，刷桶底与桶下半部分，到达上极限后向下运动继续刷桶的上半部分和桶口直至杆触及桶口然后弹性锁紧球受力收缩恢复原状与卡住下部锁紧槽。同时桶底盖刷在桶的旋转之下将桶底外部清洁。待伸缩杆清洗完桶内壁在力的作用下恢复原状从桶口撤出后，气动夹持机构松开分离，使桶状外毛刷与桶分离。气动夹持机构b启动，此时桶固定不动，桶状外毛刷相对桶旋转内附毛刷条对桶外壁进行清洗。为保证排水可控，空心传动轴与多功能伸缩嵌套式杆出连接弧状积水槽，保证刷外壁的水收集到弧状积水槽中，同时上连导管将水排入污水槽中，嵌套式多功能伸缩杆的内杆与外杆之间均有截水皮套防止水沿多功能伸缩嵌套式多杆的内杆杆进入外杆。整个过程除了放桶、取桶步骤外均由PLC编程控制，以行程开关，时间继电器等组成自动化控制电路实现程序、步骤的可控、可靠的自动化运行。 其主要创新特点是：由桶状外毛刷对饮用水桶进行固定，固定牢靠的同时实现刷桶的目的；多功能伸缩嵌套式多杆结构张开与桶壁贴合，收缩成一根杆便于从桶口撤出；两种不同结构不同形状的气动夹持机构，方便内外壁清洗的转换；螺旋丝杠传动系统带动伸缩杆上下移动，经过行程开关控制行程且自锁性好；双轴承固定空心轴杆同轴度高；桶上部固定机构滚轮减少摩擦力，同时实现桶槽不会左右晃。桶底盖刷的设计实现桶底清洗的同时给桶底一个支持力，固定程度高。 联系人：臧凌玉 联系电话： Email：1研制背景及意义经调查了解，市场上常会出现这种情形，某消费者反映家里桶装纯净水有时候喝起来有股说不上来的异味，甚至还发生过几次因为喝了这种纯净水导致拉肚子的事情。一开始怀疑是纯净水有问题，可是换了几家，纯净水有异味的问题还是时常出现。事实上，这位消费者遇到的问题很普遍。 随着人们对饮用水质量要求的不断提升，饮用水销售一直处于旺季不见消退，桶装水市场再次成为关注焦点。很多消费者很关心饮用水的卫生安全问题，看似晶莹剔透的大桶水水桶，往往也会成为我们生活中容易忽视的健康“杀手”。一些清洁性达不到要求的的水桶甚至很多在市场上流转。 这是因为现在大桶水清洁主要靠人工清洗，但存在两个问题：一是人工清洗速度较慢，二就是清洗质量一般。在科技发展迅猛的今天，机器是各个工厂的重要组成部分，针对人工刷桶所存在的问题，我们决定做新型饮用水桶自动清洁机来有效改进所存在的各种问题。我们改进的新型刷桶机经过伸缩杆的配合能够实现桶的全面刷洗，能够用于大批量的生产作业中，缩短劳动时间及节约劳动力，降低加工成本，较好的解决了饮用水桶清洗难难，依赖手工的问题，并使刷桶效率和刷桶质量有所提高，实现高效、低耗、低成本绿色清洁生产。现在存在一些刷桶机主要用毛刷清洗，清洗度得不到保证。2主要功能和性能指标主要功能：1、 内壁清洗机构：经过螺旋丝杠传动带动多功能伸缩嵌套式多杆进给运动，将旋转运动转换成直线运动自锁性高且经过行程开关控制行程可控性高，多功能伸缩嵌套式多杆结构经过弹性锁紧球和锁紧槽和桶支撑力的共同作用实现桶内壁刷的转换，贴合桶壁深层清洁。2、 气动夹持结构a：经过气缸和抱桶夹共同作用实现桶的夹紧。3、 气动夹持机构b：使经过气缸的推力推进圆环形滑槽闭合，推进旋转触头经过锁紧固定开关使抱桶夹抱紧桶而且与桶状外毛刷固定使桶与桶状外毛刷在旋转触头在圆环滑槽里旋转的限制下旋转。4、 外壁清洗机构：经过桶状外毛刷固定桶的同时也能够实现对桶外壁无死角清洗，空心轴管双轴承固定稳定且桶槽上部固定机构使桶槽稳定固定，桶底盖毛刷实现桶底清洗的同时给桶一个支撑力、限制力。性能指标：每分钟清洁水桶数量：8-10个 清洗清洁度达98%。3各机构的设计3.1内壁清洁机构的设计3.1.1多功能伸缩嵌套式多杆结构的设计 我们市场研究了解了桶的基本尺寸如下因此能够得出如下结论：绝大多数的水桶直径在2425之间，占总量的98%。绝大多数的桶口直径在5.06.0之间，占总量的99%基于以上参数，我们最后确定参数杆1：106.25，杆2:131.75，杆3:131.75，杆4:106.25，杆5:110.5，杆6:55.25,7、17锁紧槽之间的距离为161.5，杆8：外杆，9：多杆导轨。我们经过多方查询、调查决定多杆我们采用聚碳酸酯，这种材料安全无毒，无色透明，耐热耐冲击，阻燃，在普通使用温度内都有良好的机械性能。基于以上的性能我们选择聚碳酸酯来制作清洗水杆。采用碳纤维树脂材料，因为碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到 Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。因此完全满足我们轻质高强度，高韧性的要求。3.1.2滚轴丝杠传动机构的设计 我们根据工作效率我们要用的工作效率600mm/min，而我们电机选择的工作速度为120r/min，导程为5的滚珠丝杠。 参照上图的基本参数，我们选择轴承钢的 ，轴承钢（earing steel）是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的钢，有高而均匀的硬度、耐磨性和高的弹性极限。轴承钢的化学成分均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。1976年，国际标准化组织ISO将一些通用的轴承钢号纳入国际标准，把轴承钢分为：全淬透型轴承钢、表面硬化型轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等四类共17个钢号。因此轴承钢的选择完全符合我们的具体要求。3.2气动夹持机构a的设计 夹持机构1由气缸和抱桶夹组成，抱桶夹的区率为220mm，碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到 Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。因此完全满足我们轻质高强度，高韧性的要求。基于以上的性能我们选择碳纤维材料制作抱桶夹。3.3气动夹持机构b的设计气动夹持机构b由圆环形滑槽、气缸、旋转触头、锁紧固定开关、抱桶夹。主要靠圆环形滑槽将旋转触头固定在一个滑道中，因此滑道的直径为外桶槽的直径加旋转触头加一部分间隙，因此我们设计的直径为420mm，中间的锁紧固定开关主要依靠弹簧的弹性模量，我们选择的弹簧的弹性模量为20。 抱桶夹的材料我们用碳纤维树脂，圆环形滑槽我们采用强度大的不锈钢，不锈钢的主要元素有：铬,是给不锈钢提供高的钝化能力,使其具有高耐蚀性的基本元素；镍,镍是扩大钢的奥氏体区域和稳定奥氏体组织的元素；碳是强烈扩大钢的奥氏体区域和稳定奥氏体组织的元素是镍的30倍；钼是铁素体形成元素,提高不锈钢在酸类介质,特别是含氯离子的介质中耐蚀性；铜对奥氏体起稳定作用；不锈钢中加入钛和铌是防止晶间腐蚀；硅是铁素体形成元素,能提高不锈钢在氧化性介质中的耐腐蚀性能；锰是扩大钢的奥氏体区域和稳定奥氏体组织的元素；氮是强烈扩大钢的奥氏体区域和稳定奥氏体组织的元素,是镍的25倍；硫和硒,她们主要改进切削加工性能,对防腐蚀是不利的。因此我们选用不锈钢完全符合要求。弹簧用弹簧钢：弹簧钢，是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。弹簧钢主要是有好的弹性，又由于它是在动载荷环境条件下工作的，因此对制造弹簧的材质最主要的应有高的屈服强度；在承受重载荷时不引起塑性变形；应有高的疲劳强度，在载荷重复作用下具有长的使用寿命；并有足够的韧性和塑性，以防在冲击力作用下突然脆断。3.4外壁清洗机构及桶底盖刷3.4.1桶状外毛刷及固定穿动机构 3.4.1桶状外毛刷及固定传动机构 我们调查到桶的最大直径为24.19，因此考虑到毛刷及夹子的空隙因此我们设计的尺寸为300mm，空心管的内径大于桶的外径，桶的外径为50.5，结合市场实际情况我们买的光轴的内径54，外径65，同时法兰盘的尺寸为国标65的，轴承为国标65的。 轴承的材料是轴承钢（earing steel）是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的钢，有高而均匀的硬度、耐磨性和高的弹性极限。轴承钢的化学成分均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。完全符合要求。 空心轴管我们采用无缝普通碳素钢管为一种中空的长条圆形钢材，是一种经济的断面钢材，是钢铁工业中的一项重要产品，其按生产方式分为无缝管和焊管两大类，按材质分为普通碳素钢管、合金钢管、轴承钢管等多种类，安全可靠、卫生环保、经济适用。3.4.2桶底盖刷的设计 桶底盖刷下端附尼龙毛刷，尼龙为韧性角状半透明或乳白色结晶性树脂，作工程塑料的尼龙分子量一般为1.5-3万。尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，摩擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好，染色性差。缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能，纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。常见于制作梳子、 牙刷、衣钩、扇骨、网袋绳、水果外包装袋等等。无毒性，但不可长期与酸碱接触。我们主要利用的是无毒性的特点，盖子的材料我们采用碳纤维树脂材料。3.4.3桶上部固定机构 这部分主要有消除摩擦力的滚轮，和起固定作用支架，支架采用高强度的黄铜以锌作主要添加元素的铜合金具有美观的黄色，且强度高。本着滚轮性价比高的想法，我们采用不可旋转的滚轮，起固定支撑的作用。3.4.4排水可控设计 这部分由弧状积水槽、导管、截水皮套组成。刷外壁的水收集到弧状积水槽中，同时上连导管将水排入污水槽中，嵌套式多功能伸缩杆的内杆与外杆之间均有截水皮套防止水沿多功能伸缩嵌套式多杆的内杆杆进入外杆。截水皮套，弧状积水槽均有橡胶材料组成：具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性，在很小的 外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。橡胶属于完全无定型聚合物，它的玻璃化转变温度（T g）低，分子量往往很大，大于几十万。因此橡胶材料完全符合我们的要求。4 理论设计计算 4.1电动机的设计： 我们需要用两台电动机，一台电动机用于带动桶做旋转运动，一台用于驱动螺旋传动机构。 驱动桶旋转运动的电动机：考虑到中国家庭用电的实际电压均为220V，因此选择额定电压为220V的电动机，选择电动的转速600转/分，旋转半径为0.02m,估计所设计电动机的最大负载约为400N；根据公式得： 从以上各个方面因素考虑，宜采用YL系列单相异步电动机（YL8024-750W），技术参数如下。主要性能参数为： 功率：90W 电压：220V 转速：600r/min 安装结构型式: 立式用于驱动螺旋运动的的电动机:考虑到中国家庭用电的实际电压为220V，因此选择额定电压为220V的电动机，选择转速为120r/min。估计所设计的电动机最大负载约为160N，旋转半径为0.01m。根据公式得 从以上各因素考虑，宜采用交流微型电机60YCJ10/4-30。主要性能参数为： 功率：25W 电源：220V 转速：120r/min 安装结构型式：立式同理我们需要的电动机一般负载要求，转速100r/min左右，满足第一台各种参数的电动机均符合要求，而且负载转速要求更低因此25W左右的电动机便能满足其需求。因此其它电动机也选择交流微型电机60YCJ10/4-30，即可。4.24.2螺纹的设计及校核 结合本装置的实际运用，电动机开始动作，考虑到一定的安全系数和加工时还有物料的进入，经过传感器测得载荷为F=100N.1)在拉力F的作用下，各个螺栓分担的载荷拉力 2)对于一些有密封要求的连接要有一定的预紧力，预紧力： （本设计取1.8） 3)则每个螺栓的总拉力F2： 求得 4)计算拉伸强度： 故强度要求满足。4.3轴承的设计及校核 由于我们同心的精由度不是很高，因此我们选择6号深沟球轴承，如下图我们知道我们选用的轴承必须满足寿命极限即必须大于1000000。 C1=PL10 L10=(C/P)106r若轴承工作转速为n r/min，可求出以小时为单位的基本额定寿命其中P-当量载荷，L10-基本额定寿命，长以106为单位；-寿命指数，球轴承=3，查手册得基本额定动载荷C是以L10=1、可靠度为90%为依据的。由上式可得轴承的寿命远远大于106因此完全符合要求。4.4多杆结构的强度校核 经过我们的设计实验分析，多功能伸缩嵌套式多杆结构的设计基于原先的尺寸设计完全能够伸展开成我们需要的形状，而且杆的变形量完全在杆的弹性范围之内。4.5带的强度校核 铸铁式制V带有以下几种形式：实心式、腹板式、孔板式、椭圆轮辐式，由于我们采用的直径比较小因此采用实心式。已知电动机的额定功率为90W，转速为n1=60rmin，选取传动比i=2，采用普通V带传动。 Pc=KAP =1.190=99 （查表得KA=1.1）查资料取Y型，主动轮基准直径=900mm，则从动轮的直径为9002=1800mm。 V=n1dd1/60001000=0.0282635m/s, 确定带的中心距根据0.7（dd1+dd2)a02(dd1+dd2) 1890a05400 设定中心距a0=4000，Ld=2a0+/2(900+1800)+(1800-900)2/4250=1 a=a0+（Ld-Ld）/2 a1=180-（dd2-dd1）/a57.5 Z=Pca/（P0+P0）KdKl=2.08因此我们选用Y型带，2根。 正在申请国家级实用新型专利一项。5.创新点及应用 5.1五大创新 1由桶状外毛刷对饮用水桶进行固定，固定牢靠的同时实现刷桶的目的； 2、多功能伸缩嵌套式多杆结构张开与桶壁贴合，收缩成一根杆便于从桶口撤出；3.两种不同结构不同形状的气动夹持机构，方便内外壁清洗的转换。 3. 螺旋丝杠传动系统带动伸缩杆上下移动，经过行程开关控制行程且自锁性好。 5、 双轴承固定空心轴杆同轴度高； 6、 桶上部固定机构滚轮减少摩擦力，同时实现桶槽不会左右晃；7、桶底盖刷的设计实现桶底清洗的同时给桶底一个支持力，固定程度高。 8.此产品能够配合PLC系统控制，自动化程度高，大大节约人力，符合现代社会高速发展的快节奏。 5.2应用前景 随着人们对饮用水质量要求的不断提升，饮用水销售一直处于旺季不见消退，桶装水市场必将迎来更多的饮用水灌装公司的加入，随着很多消费者很关心饮用水的卫生安全问题，灌装公司也会重视饮用水桶的清洗问题。我们新型机器的研制成功的解决了饮用水桶人工不易清洗的问题，必将给灌装公司以新的启示，我们的机器必将受到广泛的欢迎。 参考文献1 濮良贵，纪名刚. 机械设计. 7版. 北京：高等教育出版社， 2 龚溎义. 机械设计课程设计指导书. 北京：高等教育出版社， 3 孙桓，陈作模. 机械原理. 北京：高等教育出版社， 4 陈于萍，周兆元主. 互换性与测量技术基础. 北京：机械工业出版社， 5 李丽. 电动机的选择. 电工文摘. ,4,706 张琳，杨月英.机械制图.北京：中国建材工业出版社， 7 荣涵锐.机械设计课程设计简明图册.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 8 秦曾煌，电工学 上册 .北京：高等教育出版社， 9机械设计手册(第5版单行本)液压传动与控制 闻邦椿 主编 工程技术工具书 机械工业出版社10成大先化学工业出版社轴承单行本机械设计手册11机械设计实用手册(第三版)/吴宗泽/化学工业出版社