前 言
创新课程设计能够提高我们机械类专业学生的创新能力，也是我们综合应用所学的机械方面专业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。本次创新课程设计所选的题目是洗瓶机设计。
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，其中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，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，应用所学的机械专业知识，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专业理论知识，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，敬请老师批评指正。
目 录
第一章 设计任务···········································3
1 设计题目 ···········································3 2 洗瓶机的技术要求 ··································3 3 设计任务 ···········································4 4 原始数据 ···········································4
第二章 机械运动方案设计 ·································5
1 分析设计要求 ·······································5 2 推瓶机构方案选择···································5
方案一 凸轮-铰链四杆机构 ······················6
方案二 多个曲柄滑块机构························7
方案三 五连杆机构 ······························8
方案四 曲柄滑块机构·····························9
第三章 推瓶机构的尺寸设计·······························10
第四章 传动系统的设计 ···································12 1 传动过程分析 ·······································12
转刷机构传动过程 ·······························12
推瓶机构传动过程 ·······························13
导辊机构传动过程 ·······························13
2 传动比的分配·······································13
第五章 洗瓶机工作循环图 ·································16
第六章 洗瓶机总体设计及其布局 ··························17
第七章 其他机构的设计计算 ······························18 1 转刷传动机构设计 ··································18 2 内部清洗装置的设计 ·······························19
第八章 心得体会···········································21 参考文献···················································22
第一章 设计任务书
1、设计题目
洗瓶机主要是由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。待洗的瓶子放在两个同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头M把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷
2、洗瓶机的技术要求
表1 洗瓶机的技术要求
3、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。学生应该提出两种以上的设计方案并经分析比较后选定一种进行设计。
（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。
4、原始数据
（1）、瓶子尺寸：长度L=100mm，直径D=200mm。
（2）、推进距离S=600mm，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3个的要求，推程的平均速度v=45mm/s，返回时的平均速度为工作时的平均速度的三倍。
（4）、电动机转速为1440 r/min。
（5）、急回系数3。
第二章 机械运动方案设计
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，在回程时可有变速运动且回程时轨迹形状不限，但不能反向拨动下一个瓶子，除此以外回程时必须有急回。
图2 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，设计成一个组合机构。
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、推瓶机构的选择
根据上述设计要求,推瓶机构应为一在工作行程时能作直线运动
返回时具有急回特性的机构,为了提高工作效率,机构的急回系数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（1）曲柄滑块机构（2）凸轮机构（3）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直线运动的特点，根据要求得出如下四个方案。
方案一 凸轮－铰链四杆机构
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。推头的运动可以由凸轮的外轮廓线来确定，而连杆机构可以使凸轮的推程放大，达到设计题目要求k=3。
图3凸轮-铰链四杆方案
缺点：该方案的原动件是凸轮，而曲柄1是作为从动件的，所以有死点存在，机构运动不平稳，必须设计有足够的措施冲过死点。由于工作行程要求直线或近似直线，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。除此之外，推头在推瓶子时与瓶底有碰撞，而推头在推动瓶子在导辊上移动时摩擦较大，须加载的驱动力也较大，综合以上缺点采用此方案设计时较难。
方案二 多个曲柄滑块机构的组合
如图4所示，此洗瓶机的推瓶机构是由曲柄摇杆滑块机构组成，当图中1、2两个摇杆长度比为1:2时，机构就能达到题目要求的急回系数为3。
图4多个曲柄滑块机构方案
缺点：该方案的机构都是由杆件连接的，在速度的传动方面不太稳定，而且机械效率不高。除此之外，推头部分与机架之间有摩擦，
又降低了机械效率，对推头的寿命也有影响。所以综合以上缺点该方案不宜采用。
方案三 五连杆机构
如图5所示，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性。点M的速度和机构的急回特性可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系来得到。
图5五连杆机构方案
缺点：该方案中完全采用平面连杆设计，杆数较多，虽然容易制造，但由于推程较长，必然会导致机构上的动载荷和惯性力难平衡，会有累积误差，且效率低。在五杆机构中，除此之外，该机构的设计方法主要为解析法和图解法两种方法，前者精确但计算复杂，后者相对简单但有一定的误差，总体设计难度较大。所以综合以上缺点该方案不宜采用。
方案四 曲柄滑块机构（类似于牛头刨床机构）
如图6所示，在此机构中只要极位夹角为90度时，洗瓶机的推头部分就能实现急回系数k=3，而且题目要求推头的推程为600mm，此机构也容易满足。
图6曲柄滑块机构方案
优点：该方案中急回系数和推程都容易满足，推杆只在水平面运动不管是工进还是急回，所以推头能很平稳地推进瓶子。而且此机构制作较简便且承受的负载能力大，有较好的急回运动特性，计算尺寸也相对简单，造价的成本也不高。除此之外该机构也容易实现瓶子内外一起清洗。
综合以上四种方案可以看出，方案一、二、三的缺点较明显优点不突出，而方案四的优点明显，所以综合考虑后采用方案四机构作为本洗瓶机的推出机构。
第三章 推瓶机构的尺寸设计
由设计要求知推瓶机构的急回系数k=3，所以该机构在返回时的
(k1)180平均速度为工作时速度的3倍，因此可由公式推出推(k1)
瓶机构的极位夹角为90°，推瓶机构的极限位置如图7所示，在极限位置时曲柄OA与摇杆BC相互垂直，极限位置为D、E两点所在的位置。
图7推瓶机构极限位置图
因此如图所示 : 以曲柄滑块机构在两极限位置时进行机构尺寸的计算，因为极位夹角为90°，所以∠DBE=90°，由于是对称关系∠OBA=45°，在极限位置时∠OAB=90°。由设计要求知两个极限位置
D、E之间的距离即为总推程DE=600mm，但DE所在的那个滑杆的长度
L>600mm可以取成700mm。铰链C到达中点的时候，CD=DE/2=300mm,所以BC=300mm,从而得出摆杆长BD=300√2≈424.26mm，所以BC所在的滑杆设计的时候要大于424.26mm。
OA与AB的值可任意取但两者是相等的，只要保证O为一个周转副即可所以取OA=AB＝150mm，OB=150√2=212.13mm。
设计要求的工作行程的平均速度为45mm/s,而返回时的平均速度为工作行程的3倍，即回程速度为135mm/s。所以工作行程所用的时间t=600/45≈13.3s,回程所用的时间t=600/135≈4.4s,所以推头在一个来回所用的总时间应为17.7s。由于题目中所要求的速度是接近于匀速，所以为了变于计算取推头来回一趟的总时间为18s,也相当于曲柄OA转一周为18s,所以曲柄OA角速度ω=2π/18=0.35rad/s, 曲柄OA的转速n=1/18×60=3.33r/min。
表2推瓶机构的尺寸参数
第四章 传动系统设计
1、传动过程分析
传动系统的设计简图如图8所示，本传动系统主要采用的是齿轮传动与带传动相结合的方式，齿轮传动具有工作可靠、使用寿命长、传动效率高、结构紧凑的优点，而带传动具有传动平稳、适合远距离传动的优点。
图8传动系统简图
转刷机构传动过程
如图8所示，电动机带动蜗杆1转动，蜗杆1带动蜗轮2转动，皮带轮4由与蜗轮2同轴的皮带轮3通过皮带带着转动，与皮带轮4同轴的皮带轮5通过皮带带动带轮6转动，带轮6通过皮带带动带轮7转动同时也带动与带轮7同轴的齿轮8转动，齿轮8带动齿轮11、12、13、14、15转动，在齿轮11、13、15套上毛刷即可实现转刷的转动，其中蜗杆1采用的是右旋螺纹的蜗杆，各轮的转动方向如图所示。
推瓶机构传动过程
如图8所示，电动机带动蜗杆1转动，蜗杆1带动蜗轮2转动，与蜗轮同轴的齿轮9带动齿轮10转动，齿轮10与推瓶机构的曲柄相连即可实现曲柄的转动，从而使推瓶机构能运行。在图8中电动机的转动方向是向里的，由于蜗杆1是右旋的所以齿轮9是逆时针旋转的，那么齿轮10旋转方向就是顺时针的，推瓶机构就能实现工进和急回。 导辊机构传动过程
如图8所示，电动机带动齿轮16转动，齿轮16与齿轮17啮合带动齿轮17转动，齿轮18与齿轮17同轴，齿轮18与齿轮19啮合带动齿轮19转动，再由齿轮19带动导辊转动。
2、传动比的分配
推瓶推杆的曲柄是由一个齿轮作为主动轮来转动的，因此由上面推瓶机构尺寸计算中得到主动轮的角速度与曲柄的角速度相同为0.35rad/s，转速相同为3.33r/min 。
由设计要求得电动机的转速为1440r/min，那么推瓶机构的总传动比i110=1440/3.33≈432，由于传动比较大所以采用两级传动，先用蜗轮蜗杆将电动机转速降速，再用齿轮传动进行第二次降速。由于涡轮蜗杆传动多用于减速传动且它们之间的传动比可取较大值，所以涡轮蜗杆之间的传动比选为i12=80，那么齿轮之间的传动比i910=432/80=5.4。
蜗轮蜗杆基本参数的选择，蜗杆选用单头蜗杆也就是其齿数z1
为1，那么蜗轮的齿数z2为80，蜗杆的轴向模数mx与蜗轮的端面模数mt相等取为4，蜗杆分度圆直径取d1=40mm,蜗轮分度圆的直径取
d2=mt×z2=4×80=320mm。
齿轮基本参数的选择，齿轮9、10之间的传动比为5.4，齿轮9的齿数取z9为20，模数m为4，则其分度圆直径为d9=z9×m=20×4=80mm。那么齿轮10的模数m也为4，由传动比选择齿轮10的齿数取z10为108，则其分度圆直径为d10=z10×m=108×4=432mm。
以上的数据都是根据机械设计一书选择而来。
表3传动零件的各尺寸参数
由于转刷和导辊的转速未给出，所以不好确定它们与电动机的传动比，但是转刷的转速的改变可以通过改变皮带轮3、4、5、6、7间的传动比来实现，导辊转速改变则可以通过改变齿轮16、17、18、19间的传动比来实现。
第五章 洗瓶机工作循环图
图9洗瓶机工作循环图
洗瓶机中的转刷、导辊、推杆、曲柄都是同时运动的，三个转刷的转向是相同的，两个导辊的转向也是相同的，曲柄顺时针旋转同时带动推杆工进与急回。
第六章 洗瓶机总体设计及其布局
图10洗瓶机总体设计及其布局图
洗瓶机的总体布局如图10所示，其中推瓶机构是一个曲柄滑块机构，该洗瓶机的特别之处在于它可以同时进行瓶子内部和外部的清洗，外部是通过洗瓶机上部的转刷来清洗，而内部则是通过一根管壁带有小孔的铜管利用从铜管小孔中喷出的细水柱进行清洗，由于导辊在旋转带动瓶子也旋转，那么也就能清洗到瓶子内部四周。
内部清洗装置的具体设计见下面其他机构的设计计算。
第七章 其他机构的设计计算
1、转刷传动机构设计
从电动机传出的速度首先经过蜗轮蜗杆进行一次减速，再经过皮
带轮3、4、5、6分别进行二次和三次减速，具体连接方式如图10所示，而在这主要讨论两个带轮之间的连接及传动，具体如图11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反比。由于没有给出确切的转刷转速所以不好确定具体的传动比，一旦转刷的转速确定就可算出电动机与转刷的总传动比，再分配传动比给各组带轮。带型选用普通V带传动中的Y型，详细尺寸见下图12和表4。
1—主动轮，2—从动轮，3—皮带
图 11
图12
表4普通V带截面参数
2、内部清洗装置的设计
本洗瓶机内部清洗主要是利用水来清洗，具体是利用一根管壁带有小孔的铜管，在铜管中通入具有一定压力的水流让其从小孔中喷出以达到清洗瓶子内部的效果，具体设计方案见图13。
图13内部清洗装置
该内部清洗装置是由水管、调压阀、推块以及铜喷头组成的，
水管与铜喷头分别连接在推块的两边且推块内部开通以便于水管与铜喷头相同，调压阀用来控制水管中水流的压力即控制铜喷头中喷出水的压力。
铜喷头尺寸的确定：由设计要求知瓶子尺寸为Ø100×200mm，所
以铜喷头的长度必须小于200mm，在这我们取铜喷头的长L为180mm直径D为10mm，铜喷头上小孔直径d为2mm。
水管中压力的确定：确定水管中压力是为了计算水在多大的压
力下是从铜喷头小孔中喷射出的而不是流出的，由流体力学知识知流体在运动过程中满足伯努利方程即z1+p1/γ+u12/2g=z2+p2/γ+u22/2g ， 其中水的重度γ=ρg（ρ为水的密度），由于水流在管中是水平流动的所以z1=z2 ，p1为水管中水流的压力，p2为铜喷管小孔处的压力即为大气压，由于水管中流量与喷孔处流量相等那么u1A1=u2A2 , A1为铜喷头的截面积A2为铜喷头上小孔的面积，那么u1/u2=d2/D2=22/102=1/25 , u1=u2/25 。那么伯努利方程可化解为 （p1-p2）/ρ=u22/2-(u2/25)2/2≈u22/2 ，要使水流能从铜喷头小孔中能喷射出u2>0 ,那么p1>p2 (p2为大气压)即水管中的压力必须大于大气压（水管中压力必须大于1.013×105pa）。调节压力阀就可使从小孔中喷出的水得到不同的喷射速度。
第八章 心得体会
经过这次亲身体验创新课程设计我明白了很多东西。首先，机械设计并不是一件简单的工作，在一定要求下设计一种机构也不是想象中的那么容易。其次，使我正视了机械设计工作者应该具备的严谨的态度。最后，使我再次回顾以前学过的机械原理和机械设计方面的知识。
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。在设计传动系统时，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。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，我采用了类似牛头刨床机构的曲柄滑块机构作为推瓶机构。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。
参考文献
1 邱宣怀，郭可谦主编.机械设计.北京：高等教育出版社，2010 2 郑文纬，吴克坚主编.机械原理.北京：高等教育出版社，1996 3 张景松，杨春敏主编.流体力学.徐州：中国矿业出版社，2010