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1、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 ） 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，通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，并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可以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
2、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
3、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，并通过锁紧固定开关与桶状外毛刷相固定然后通过抱桶夹抱住桶。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
4、粘附尼龙刷，桶状外毛刷通过法兰盘固定在空心轴管上，空心轴管内径大于桶口直径、外壁通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。桶底盖刷通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
5、，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
6、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，通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
7、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，但是换了几家，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
8、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善所存在的各种问题。我们改进的新型刷桶机通过伸缩杆的配合能够实现桶的全面刷洗，可以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：通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通过行程开关控制行程可控性高，多功能伸缩嵌套式
9、多杆结构通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：通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：使通过气缸的推力推进圆环形滑槽闭合，推进旋转触头通过锁紧固定开关使抱桶夹抱紧桶并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：通过桶状外毛刷固定桶的同时也可以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
10、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可以得出如下结论：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
11、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2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa
12、/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。所以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2005，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
13、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。所以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、
14、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2000Mpa/(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。所以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
15、要靠圆环形滑槽将旋转触头固定在一个滑道中，所以滑道的直径为外桶槽的直径加旋转触头加一部分间隙，所以我们设计的直径为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,他们主要改善切削加工性能,对防腐蚀是不利的。所以我们选用不锈钢完全符合要求。弹簧用弹簧钢：弹簧钢，是
