回收PET瓶洗瓶機(jī)高速摩擦清洗裝置設(shè)計(jì)方案案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25867回收PET瓶洗瓶機(jī)高速摩擦清洗裝置設(shè)計(jì)方案案例概述 1284291.1清洗裝置的初步方案 1307691.2主軸的設(shè)計(jì) 2199601.3傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 412771.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率計(jì)算與選型 4212661.1.2帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的選型與計(jì)算 6314461.4軸承的選型及壽命計(jì)算 9192491.5結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì) 10177641.6摩擦清洗裝置結(jié)構(gòu)總圖 13回收PET高速摩擦清洗裝置清洗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將影響到了實(shí)現(xiàn)工作時(shí)的工作質(zhì)量和瓶片的清洗效率。清洗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求能夠達(dá)到基本的功能且能夠與后續(xù)的工作達(dá)到相互的能力，清洗時(shí)還要保證清洗的潔凈度。在裝置達(dá)到基本功能的同時(shí)，裝置的穩(wěn)定性能是十分重要的。于是，在裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中始終將結(jié)構(gòu)的安全性和對(duì)廢舊瓶片清洗潔凈度的功能放在首要考慮的位置。1.1清洗裝置的初步方案回收PET瓶片高速摩擦清洗裝置為了方便對(duì)于清洗產(chǎn)生的污漬的收集處理，對(duì)于主軸的放采用斜置的方式，主軸采用螺旋四周型設(shè)計(jì)方案，電機(jī)采用帶傳動(dòng)的方式給主軸提供動(dòng)力，清洗裝置簡(jiǎn)如圖3-1所示。圖3-1回收PET瓶片高速摩擦清洗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.2主軸的設(shè)計(jì)1）焊接板焊接板是利用焊接的方式將板塊焊接在主軸上，焊接板與摩擦葉片接觸面與主軸的前基準(zhǔn)面呈45度角放置，螺旋的分布在主軸的四個(gè)直角點(diǎn)，呈現(xiàn)一種螺旋狀的主軸焊接板分布。這樣的分布方式能夠帶動(dòng)瓶片從進(jìn)料口往出料口的位置移動(dòng)，既達(dá)到了清洗的目的又解決瓶片的移動(dòng)。2）摩擦葉片摩擦葉片是以長(zhǎng)145mm、寬81mm、高20mm的長(zhǎng)方形板塊，長(zhǎng)寬度分別比焊接板長(zhǎng)2mm左右。我們可以通過(guò)三維軟件自帶的功能看出摩擦葉片的體積為V=210772mm3≈2.1×10-4m3。在選擇材料時(shí)我們使用碳素鋼材料，通過(guò)查找相關(guān)書(shū)籍，碳素鋼的密度為=7.85×103kg/m3[14]。摩擦葉片的質(zhì)量=7.85×103×2.1×10-4=1.65kg（3-1）摩擦葉片的重力=1.65×9.8=16.17N16N（3-2）3）主軸主軸屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，選型要求來(lái)源于軸的工作量和進(jìn)出料口的直徑。我們可通過(guò)通過(guò)三維軟件自帶的功能可以看出主軸的體積V=66785901mm3≈6.7×10-2m3。由于主軸的轉(zhuǎn)速很高，由于主軸具有很大的轉(zhuǎn)矩，因此我們采用45號(hào)鋼，經(jīng)查相關(guān)手冊(cè)可知，45號(hào)鋼的密度為=7.85×103kg/m3。主軸的質(zhì)量=7.85×103×6.7×10-2=526kg主軸的重力=526×9.8=5154.8N5155N主軸的功率計(jì)算（3-3）主軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算（3-4）主軸的強(qiáng)度校核1.按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算實(shí)心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：（3-5）寫(xiě)成設(shè)計(jì)公式，軸的最小直徑（3-6）式中，——軸的抵抗扭矩截面系數(shù)（mm）P——主軸傳遞的功率（kW）N——主軸軸的轉(zhuǎn)速（r/mm）——材料的許用切應(yīng)力（MPa）C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，可由表3-3查得所以求得主軸最小直徑(mm)由之前的預(yù)定主軸最小直徑為80mm，所以該主軸滿足設(shè)計(jì)的基本使用，可以暫定該主軸為摩擦清洗主軸，如果后續(xù)工作不足，可做調(diào)整。表3-1軸強(qiáng)度計(jì)算公式的系數(shù)C軸的材料Q235,20Q255,Q275,354540Cr,38SiMnMo等[TT]/MPa12160151482013525125301183511240106451025298C1.3傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)可分為機(jī)械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電傳動(dòng)等方式[15]，考慮成本和磨損的問(wèn)題，綜合對(duì)比帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等傳動(dòng)方式，對(duì)傳動(dòng)效率的要求和選擇范圍方面，本課題優(yōu)先采用帶傳動(dòng)作為傳動(dòng)方案。傳動(dòng)主要目的是把電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩變換為旋轉(zhuǎn)主軸所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，具有很高的穩(wěn)定性和便捷的維護(hù)。1.1.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率計(jì)算與選型摩擦清洗機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，是用于克服在物料摩擦清洗過(guò)程中的瓶片與摩擦葉片所產(chǎn)生阻力而消耗的能量。對(duì)比多種類型的電機(jī)，最后本課題采用Y型三相異步電機(jī)提供動(dòng)力，其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)性價(jià)比高、震動(dòng)小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)等。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中消耗的能量主要包含了如下幾個(gè)部分：1）空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)消耗的功率；2）克服傾斜阻力消耗的功率；3）物料與機(jī)殼、螺旋葉片摩擦消耗的功率;4）軸承處摩擦消耗的功率;5）清洗裝置與物料之間相互運(yùn)動(dòng)消耗的功率。這樣，高速摩擦清洗機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，就由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的阻力來(lái)決定的，以下是回收PET瓶片高速摸下清洗裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算過(guò)程。已知條件如表3-2：:表3-2主軸的基本參數(shù)機(jī)構(gòu)名稱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重量（Kg）526本設(shè)計(jì)中，電機(jī)的最終的輸出速度為5~30m/s。電機(jī)所需轉(zhuǎn)速n：（3-7）式中：V——皮帶的運(yùn)行線速度，V選擇最高速度30m/s；r——小帶輪齒槽半徑，60mm；將數(shù)據(jù)代入（3-1）中，可得：按上表已知機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)重量：求得G=5155N。電機(jī)所需功率P：（3-8）式中：G——電機(jī)驅(qū)動(dòng)受到的重力；V——皮帶最大速度；將數(shù)據(jù)代入（3-3）中，可得：根據(jù)電機(jī)選型手冊(cè)[16]，本設(shè)計(jì)中主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為Y280S-2，具體參數(shù)如表3-3所示：表3-3Y三相異步電機(jī)Y280S-2電機(jī)參數(shù)型號(hào)功率(KW)額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（rpm）效率η（%）功率因數(shù)（cos）額定轉(zhuǎn)矩（Nm）額定/最大轉(zhuǎn)矩（Nm）Y280S-2751402970920.9822.21.1.2帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的選型與計(jì)算帶傳動(dòng)是通過(guò)帶輪和皮帶質(zhì)檢產(chǎn)生的摩擦力來(lái)向主軸傳遞動(dòng)力[17]。根據(jù)截面的不同一般分為：平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)和多楔帶傳動(dòng)等方式。由于考慮成本和高速度的要求，本課題采用V帶傳動(dòng)，通過(guò)皮帶與齒輪槽的張緊力互相作用產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。V帶傳動(dòng)的各零部件，如皮帶、帶輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便后期的維修和保養(yǎng)、裝配過(guò)程中還便于安裝。V帶工作的移動(dòng)平穩(wěn)，根數(shù)同時(shí)使用，即使損壞一根，機(jī)器任然能夠正常的運(yùn)行。由表3-4可知V帶工作情況系數(shù)KA，根據(jù)實(shí)際工作情況，選擇KA=1.2。表3-4V帶工作情況系數(shù)KA載荷性質(zhì)每天工作小時(shí)數(shù)/h空、輕載啟動(dòng)重載啟動(dòng)≦1010～16>16≦1010～16>16載荷平穩(wěn)11.11.21.11.21.3載荷變動(dòng)小1.11.21.31.21.31.4載荷變動(dòng)較大1.21.31.41.41.51.6沖擊載荷1.31.41.51.51.61.81)根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為=2970r/min，傳動(dòng)比i1=2.4，經(jīng)過(guò)電機(jī)后，主軸的輸出的轉(zhuǎn)速為=1237.5r/min。2)確定計(jì)算所需要的功率（1）確定計(jì)算所需要的功率并選擇V帶的類型1.確定計(jì)算功率PC由表3-4可選取V帶的工作情況系數(shù)KA=1.2，故（3-9）2.選擇V帶的帶型根據(jù)，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查詢可得選用SPB型V帶[18]。（2）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算皮帶的移速1．預(yù)選主動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查詢可得，取主動(dòng)帶輪的準(zhǔn)直徑。2.驗(yàn)算帶速。按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求驗(yàn)算皮帶的速度（3-10）因?yàn)閹л喌倪m用范圍為，故帶速可以。1.計(jì)算被動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑。計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑（3-11）依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查詢可得，直徑取圓整得。（3）確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長(zhǎng)度根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得帶輪中心距計(jì)算公式：（3-12）初定帶輪中心距為。計(jì)算所需基準(zhǔn)長(zhǎng)度（3-13）選帶輪基準(zhǔn)長(zhǎng)度。計(jì)算實(shí)際的帶輪中心距。（3-14）得出帶輪中心距的取值范圍為。（4）驗(yàn)算帶輪包角（3-15）（5）計(jì)算帶的根數(shù)1.計(jì)算一根V帶的所需的額定功率由和，得根據(jù)，和SPB型V帶查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查詢可得，，因此（3-16）2.計(jì)算窄V帶所需要的根數(shù)Z（取5根）（3-17）2.1.6確定V帶的初拉力和壓軸力由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得SPB型V帶單位長(zhǎng)度質(zhì)量（3-18）應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力壓軸力最小值。（3-19）1.4軸承的選型及壽命計(jì)算軸承選用標(biāo)準(zhǔn)型的零件進(jìn)行裝配[19]在主軸的摩擦清洗要想達(dá)到理想的轉(zhuǎn)速，不僅要電機(jī)有較大的功率，我們可以安裝軸承既可以支撐主軸的旋轉(zhuǎn)，又降低轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦，提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)的效率。軸承一般分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。本設(shè)計(jì)是主要是軸的旋轉(zhuǎn)，所以滾動(dòng)軸承更適合本次的設(shè)計(jì)，摩擦清洗裝置為了方便分離清洗完的瓶片和清洗的污漬，采用斜著放置的，進(jìn)/出料口由具有一定的高度差，于是進(jìn)料端的軸承需要承受主軸本身的重力帶來(lái)的軸向載荷和徑向載荷，對(duì)比所有的滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)選擇推力調(diào)心滾子軸承，該軸承能夠承受非常大的軸向載荷，還能夠最多承受軸向載荷55%的徑向載荷，該類軸承的調(diào)心性能好。所以選用型號(hào)為GB/T5859-2008的推力滾子軸承。但是考慮到清洗摩擦裝置需要非常高的轉(zhuǎn)速，需要考慮軸的扭矩，所以我們采用進(jìn)料端安裝兩個(gè)軸承，利用擋板將兩個(gè)軸承隔離，在推力調(diào)心滾子軸承右端安裝圓柱滾子軸承，能夠承受很大的徑向載荷，彌補(bǔ)了推力軸承徑向載荷的不足，并且能夠防止旋轉(zhuǎn)扭矩的增加。所以選用型號(hào)為GB/T283-2007的圓柱滾子軸承。采用兩個(gè)軸承串聯(lián)的安裝方式，能夠減少力矩和擾曲的作用。能夠確保軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承的轉(zhuǎn)速都在所能承受的極限轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。出料端的軸承并不像進(jìn)料端，只需要保證主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和承擔(dān)較高的徑向載荷就可以，并且與進(jìn)料端軸承一樣具有自動(dòng)調(diào)心的能力，于是選擇較為適中的調(diào)心滾子軸承做為出料端的軸承。所以選用型號(hào)為GB/T288-2013的調(diào)心滾子軸承。因?yàn)橹鬏S時(shí)傾斜放置的，推力調(diào)心滾子軸承和圓柱滾子軸承承受的力較大，所以只需要考慮進(jìn)料端的軸承壽命問(wèn)題。軸承壽命的計(jì)算：預(yù)計(jì)壽命=30000h（1）推力調(diào)心滾子軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P（3-20）由于推力調(diào)心軸承主要承受軸向力，所以只受算軸向載荷查手冊(cè)查得基本額定動(dòng)載荷C=14000N，=，轉(zhuǎn)速n=1230r/min。因?yàn)?0，軸向載荷系數(shù)Y=1，徑向載荷系數(shù)X=0，因工作穩(wěn)定，取=1.2，則驗(yàn)算軸承壽命h>20000h（3-21）故所選用軸承滿足要求，確定推力調(diào)心滾子軸承GB/T5859-2008。（2）圓柱滾子軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P由于圓柱軸承主要承受徑向力，所以只受算徑向載荷查手冊(cè)查得基本額定動(dòng)載荷C=20000N，=，轉(zhuǎn)速n=1230r/min。因?yàn)镕a=0，軸向載荷系數(shù)Y=0，徑向載荷系數(shù)X=1，因工作穩(wěn)定，取=1.2，則驗(yàn)算軸承壽命h>20000h故所選用軸承滿足要求，確定圓柱滾子軸承GB/T283-2007。1.5結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)如圖3-2所示為回收PET瓶片高速摩擦清洗裝置的支撐架三維結(jié)構(gòu)圖，考慮成本等各類因數(shù)，支撐架選用的是Q235的碳素鋼材料，有很高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度[20]。圖3-2支撐架三維結(jié)構(gòu)圖支撐架結(jié)構(gòu)是通過(guò)零件焊接而成，呈斜三角狀放置，我們可以看出排污結(jié)構(gòu)是與進(jìn)出料的面板緊密焊接，能夠?qū)ξ蹪n完整的收集，收集設(shè)計(jì)為錐型，還留有排污口，方便進(jìn)行收集工作。如果呈水平放置，雖然方便對(duì)瓶片的移動(dòng)，但是對(duì)污漬的集中處理這方面就顯得由明顯的不足。所以支撐架的設(shè)計(jì)呈斜三角設(shè)計(jì)更為合適。支撐架屬于非標(biāo)件，可按模具鑄造而成[21]。1）篩網(wǎng)為了方便分離清洗完的瓶片和清洗時(shí)產(chǎn)生的污漬的分離，裝置中設(shè)計(jì)了一種外圍的焊接式的篩網(wǎng)完成分離的工作。2）水管在篩網(wǎng)的上方安裝兩個(gè)相同的水管，為清洗時(shí)提供水源和及時(shí)清洗殘留在篩網(wǎng)上的污漬，利用多個(gè)直徑6mm的小孔進(jìn)行對(duì)清洗裝置提供水源。3）排污板排污裝置的設(shè)計(jì)為了方便對(duì)于清洗產(chǎn)生的污漬的集中，方便后期的處理工作。排污板屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，選型要求來(lái)源于進(jìn)/出料端之間距離和寬度。我們可通過(guò)通過(guò)三維軟件自帶的功能排污板的體積V=25343206mm3≈2.5×10-2m3。由于排污板和支架一體，于是選擇碳素鋼材料，經(jīng)查閱相關(guān)手冊(cè)可知，碳素鋼的密度為=7.85×103kg/m3。排污板的質(zhì)量=7.85×103×2.5×10-2=196kg排污板的重力=196×9.8=1920.8N1920N4）支撐架支撐架是屬于對(duì)整個(gè)裝置的支撐作用。支撐架屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，選型要求來(lái)源于整個(gè)裝置重量和位置的分布。我們可通過(guò)SolidWorks——評(píng)估——質(zhì)量屬性可以測(cè)得的體積V=181028400mm3≈1.8×10-1m3。由于需要支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)的重力，選用碳素鋼材料，經(jīng)查閱資料可知，碳素鋼的密度為=7.85×103kg/m3。支撐架的質(zhì)量=7.85×103×1.8×10-1=1413kg支撐架的重力