菌瓶洗瓶機(jī)洗瓶臺的設(shè)計與試驗(yàn)

王教領(lǐng)　宋衛(wèi)東　王明友　吳今姬　王培雨

摘要：為了解決食用菌工廠化生產(chǎn)菌瓶清洗耗費(fèi)大量人力的問題，設(shè)計了基于工廠化種植特性的菌瓶洗瓶機(jī)，重點(diǎn)闡述洗瓶機(jī)關(guān)鍵部件洗瓶臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對洗瓶臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和計算，確定了洗瓶臺的材料、尺寸等屬性，且對洗瓶臺的關(guān)鍵部件中心驅(qū)動齒輪做了有限元分析。分析表明，中心驅(qū)動齒輪的最大應(yīng)變是0.053 5 mm，最大應(yīng)力是38.7 Mpa，小于齒輪材料PA6的屈服極限（69 Mpa），齒輪應(yīng)力、應(yīng)變均滿足設(shè)計要求。結(jié)果表明，洗瓶機(jī)每小時可以清洗菌瓶5 760瓶，是人工洗瓶的12.8倍；機(jī)器洗瓶與人工洗瓶清潔度接近，符合洗瓶要求。該研究為食用菌工廠化生產(chǎn)菌瓶洗瓶機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與性能提升提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：食用菌；洗瓶機(jī)；洗瓶臺；中心驅(qū)動齒輪

中圖分類號：TQ460.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）22-5743-05

Abstract：In order to solve the problem of consuming a lot of manpower to wash bottle in Edible fungus factory prod-uction， designed the bottle washer based on the characteristics of the edible fungi factory planting. The article focusing on the structural characteristics of wash platform， designing and calculating the structure of the wash platform to determine the material， size and other attributes. Through to the key components of central drive gear do finite element analysis， Analysis shows that maxi-mum strain is 0.053 5 mm， maximum stress is 38.7 Mpa less than the yield limit of PA6（69 Mpa）， gear stress and strain meet the design requirements. The results showed that washing machines can clean 5 760 bottles per hour bacteria bottle， is 12.8 times that of manual washing； the machine wash bottle with the manual washing bottle cleanness is approach and accord with wash bottle request. This paper provides an important reference for the structural optimization design and perfo-rmance improvement of the edible fungus factory production bacteria bottle washing machine.

Key words： edible mushrooms； bottle washer； wash platform； central drive gear

食用菌因富含多種營養(yǎng)成分而受到人們的青睞。目前中國食用菌的種植與消費(fèi)量全球第一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。食用菌按照栽培基質(zhì)分為木腐菌與草腐菌，木腐菌是中國重要的栽培品種。木腐菌工廠化生產(chǎn)以瓶栽為主，其主要工藝流程為：原料混合攪拌→裝瓶→滅菌→冷卻→接種→培養(yǎng)→搔菌→催蕾→出菇管理→采收→挖瓶[1]。但是在挖瓶以后菌瓶清洗需要人工清洗，既不利于連續(xù)生產(chǎn)，也加大了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

目前市場上的洗瓶機(jī)并不適用于食用菌菌瓶的清洗。首先，醫(yī)藥、啤酒行業(yè)所要清洗的瓶子裝的是液體，瓶口較小，對衛(wèi)生的要求很高，所以需要經(jīng)過堿液浸泡、噴淋、出標(biāo)等環(huán)節(jié)；而食用菌瓶所裝基料是固體，菌瓶口徑大，接種后有滅菌環(huán)節(jié)，所以在清洗過程中無需嚴(yán)格的消毒。其次，藥用瓶、啤酒瓶洗瓶機(jī)的進(jìn)瓶方式是流水進(jìn)入，而食用菌瓶工廠化生產(chǎn)，一般是將菌瓶放于筐中，以筐為單位進(jìn)行種植，所以清洗也應(yīng)以筐為單位進(jìn)行清洗，以方便下一輪生產(chǎn)。因此，本研究針對上述問題研究設(shè)計了針對食用菌工廠化生產(chǎn)特性的菌瓶洗瓶機(jī)，重點(diǎn)對洗瓶機(jī)的關(guān)鍵部件洗瓶臺進(jìn)行了設(shè)計，以期解決食用菌工廠化生產(chǎn)中菌瓶清洗耗費(fèi)大量人力的問題。

1 洗瓶臺的結(jié)構(gòu)和工作原理

洗瓶機(jī)的清洗過程可分為進(jìn)瓶工位、預(yù)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(jìn)瓶工位輸送到預(yù)濕工位；預(yù)濕工位是利用4根預(yù)濕水管上的16個噴頭對16個菌瓶噴水預(yù)濕，預(yù)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(jìn)行清洗，清洗完成后出瓶。整個洗瓶過程中清洗工位是最重要的。

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(jī)的花鍵軸連接，洗瓶臺的上下移動由2個氣缸推桿完成。當(dāng)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(dá)到對菌瓶內(nèi)部與外瓶口的清洗，清洗完成后復(fù)位出瓶。圖4為洗瓶臺剖視圖。

2 洗瓶臺的設(shè)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(yīng)，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(dāng)進(jìn)行清洗時毛刷和菌瓶是配合的，所以O(shè)O1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(jī)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(qiáng)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，是工程塑料首選材料[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(shè)計扭矩選擇T=2 N·m，電機(jī)選擇4級異步減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速選取1 440 r/min，其中減速比選擇1∶5，則輸出電機(jī)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(jī)型號5GN5K/5K90KGN-CF，此電機(jī)最大功率0.09 kW，減速比為1∶5，滿足設(shè)計要求。

3 洗瓶臺關(guān)鍵部件的有限元分析

洗瓶機(jī)的整個設(shè)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(shè)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(jìn)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(shí)質(zhì)上還是有較大的差別，而且塑料齒輪強(qiáng)度的校核目前還沒有完備的理論[5-8]。因此完全采用校核金屬齒輪強(qiáng)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(jìn)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(shè)計采用在PRO/E創(chuàng)建齒輪模型，再導(dǎo)入到NASTRAN進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)，網(wǎng)格劃分的好壞是有限元分析的關(guān)鍵步驟之一，合理的網(wǎng)格劃分對精確求解影響非常大。Patran系統(tǒng)中擁有強(qiáng)大的單元類型庫：點(diǎn)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(diǎn)形式，F(xiàn)inite Element頁面中設(shè)置參數(shù)，最后得到網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)置的準(zhǔn)確與否直接影響到后面分析的準(zhǔn)確性。設(shè)置邊界的原則是：邊界條件要符合實(shí)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(biāo)X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動和平動進(jìn)行約束。

齒輪嚙合有單齒嚙合和雙齒嚙合兩種，齒輪齒根受力彎矩最大的狀態(tài)應(yīng)該是單齒嚙合時的根部。所以，齒根的彎矩強(qiáng)度應(yīng)該按載荷單元對齒輪嚙合區(qū)最高點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行處理，另一類是在Insight模塊中進(jìn)行的后處理，兩者在處理方法上有類似之處，只是后者更高級一些。本研究運(yùn)用Results模塊進(jìn)行后處理。

在Analysis頁面中進(jìn)行設(shè)置參數(shù)后求解。計算完畢后在Results頁面中進(jìn)行后處理后得到應(yīng)變圖（圖6）。

由應(yīng)變圖（圖7）可以看出，齒輪的最大應(yīng)變0.053 5 mm，即齒輪在正常工作狀態(tài)下引起的應(yīng)變非常小，說明了齒輪傳動平穩(wěn)，受力均勻。而在應(yīng)力云圖（圖7）中看出最大應(yīng)力是38.7 Mpa，最大應(yīng)力集中在齒頂，這是齒輪最容易疲勞失效的部位。查閱相關(guān)的機(jī)械手冊得到PA6的屈服極限是69 Mpa，因此最大應(yīng)力小于屈服極限，滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

4 樣機(jī)測試

4.1 樣機(jī)測試的方法

為了解洗瓶臺的設(shè)計是否滿足生產(chǎn)要求，對該洗瓶臺進(jìn)行了性能測試。主要從洗瓶效率、清潔度2個方面進(jìn)行測試。在試驗(yàn)中機(jī)器洗瓶測試10組，每組清洗10筐菌瓶；同時設(shè)人工洗瓶10組，每組2筐作為對照組。

1）試驗(yàn)準(zhǔn)備。取120筐工廠化生產(chǎn)挖瓶后的菌瓶。

2）試驗(yàn)指標(biāo)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(yīng)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(yàn)結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)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(jī)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(jī)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。

5 結(jié)論

1）本研究對洗瓶臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和計算，并對洗瓶臺的中心驅(qū)動齒輪做了有限元分析，表明設(shè)計的齒輪能滿足工作要求。

2）通過試驗(yàn)獲得了洗瓶機(jī)的洗瓶效率和清潔度，并通過設(shè)立人工洗瓶作為對照組進(jìn)行試驗(yàn)對比，結(jié)果表明，機(jī)器洗瓶效率是人工洗瓶的12.8倍，且洗瓶效果良好，滿足了食用菌工廠化生產(chǎn)洗瓶的要求。

3）洗瓶機(jī)的發(fā)明進(jìn)一步完善了食用菌工廠化生產(chǎn)的自動化程度，促進(jìn)了食用菌周年化、工廠化、集約化生產(chǎn)，為中國食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供可靠的生產(chǎn)裝備。

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（責(zé)任編輯 屠 晶）