1 洗瓶臺的結(jié)構(gòu)和工作原理
洗瓶機的清洗過程可分為進瓶工位、預濕工位、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。載瓶板由進瓶工位輸送到預濕工位；預濕工位是利用4根預濕水管上的16個噴頭對16個菌瓶噴水預濕，預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，升降花鍵與電機的花鍵軸連接，洗瓶臺的上下移動由2個氣缸推桿完成。當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，達到對菌瓶內(nèi)部與外瓶口的清洗，清洗完成后復位出瓶。圖4為洗瓶臺剖視圖。
2 洗瓶臺的設計
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，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。當進行清洗時毛刷和菌瓶是配合的，所以OO1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，所以本研究設計扭矩選擇T=2 N·m，電機選擇4級異步減速電機，轉(zhuǎn)速選取1 440 r/min，其中減速比選擇1∶5，則輸出電機轉(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)選擇配套電機型號5GN5K/5K90KGN-CF，此電機zui大功率0.09 kW，減速比為1∶5，滿足設計要求。
3 洗瓶臺關鍵部件的有限元分析
洗瓶機的整個設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質(zhì)上還是有較大的差別，而且塑料齒輪強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。本設計采用在PRO/E創(chuàng)建齒輪模型，再導入到NASTRAN進行分析。齒輪的基本參數(shù)由第二節(jié)的分析可知是模數(shù)為2的標準齒輪，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)格是進行有限元分析的基礎，網(wǎng)格劃分的好壞是有限元分析的關鍵步驟之一，合理的網(wǎng)格劃分對求解影響非常大。Patran系統(tǒng)中擁有強大的單元類型庫：點單元、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)點形式，F(xiàn)inite Element頁面中設置參數(shù)，zui后得到網(wǎng)絡模型。
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
邊界條件設置的準確與否直接影響到后面分析的準確性。設置邊界的原則是：邊界條件要符合實際情況，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X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動和平動進行約束。
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)應該是單齒嚙合時的根部。所以，齒根的彎矩強度應該按載荷單元對齒輪嚙合區(qū)zui高點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模塊中進行處理，另一類是在Insight模塊中進行的后處理，兩者在處理方法上有類似之處，只是后者更一些。本研究運用Results模塊進行后處理。
在Analysis頁面中進行設置參數(shù)后求解。計算完畢后在Results頁面中進行后處理后得到應變圖(圖6)。
由應變圖(圖7)可以看出，齒輪的zui大應變0.053 5 mm，即齒輪在正常工作狀態(tài)下引起的應變非常小，說明了齒輪傳動平穩(wěn)，受力均勻。而在應力云圖(圖7)中看出zui大應力是38.7 Mpa，zui大應力集中在齒頂，這是齒輪zui容易疲勞失效的部位。查閱相關的機械手冊得到PA6的屈服極限是69 Mpa，因此zui大應力小于屈服極限，滿足強度設計要求。
4 樣機測試
4.1 樣機測試的方法
為了解洗瓶臺的設計是否滿足生產(chǎn)要求，對該洗瓶臺進行了性能測試。主要從洗瓶效率、清潔度2個方面進行測試。在試驗中機器洗瓶測試10組，每組清洗10筐菌瓶；同時設人工洗瓶10組，每組2筐作為對照組。
1)試驗準備。取120筐工廠化生產(chǎn)挖瓶后的菌瓶。
2)試驗指標及測定方法。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。
