菌瓶洗瓶机洗瓶台的设计与试验

王教领　宋卫东　王明友　吴今姬　王培雨

摘要：为了解决食用菌工厂化生产菌瓶清洗耗费大量人力的问题，设计了基于工厂化种植特性的菌瓶洗瓶机，重点阐述洗瓶机关键部件洗瓶台的结构特点，并对洗瓶台的结构进行了设计和计算，确定了洗瓶台的材料、尺寸等属性，且对洗瓶台的关键部件中心驱动齿轮做了有限元分析。分析表明，中心驱动齿轮的最大应变是0.053 5 mm，最大应力是38.7 Mpa，小于齿轮材料PA6的屈服极限（69 Mpa），齿轮应力、应变均满足设计要求。结果表明，洗瓶机每小时可以清洗菌瓶5 760瓶，是人工洗瓶的12.8倍；机器洗瓶与人工洗瓶清洁度接近，符合洗瓶要求。该研究为食用菌工厂化生产菌瓶洗瓶机的结构优化设计与性能提升提供了重要参考。

关键词：食用菌；洗瓶机；洗瓶台；中心驱动齿轮

中图分类号：TQ460.5 文献标识码：A 文章编号：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

食用菌因富含多種营养成分而受到人们的青睐。目前中国食用菌的种植与消费量全球第一，在国民经济中占有重要地位。食用菌按照栽培基质分为木腐菌与草腐菌，木腐菌是中国重要的栽培品种。木腐菌工厂化生产以瓶栽为主，其主要工艺流程为：原料混合搅拌→装瓶→灭菌→冷却→接种→培养→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，既不利于连续生产，也加大了企业的生产成本。

目前市场上的洗瓶机并不适用于食用菌菌瓶的清洗。首先，医药、啤酒行业所要清洗的瓶子装的是液体，瓶口较小，对卫生的要求很高，所以需要经过碱液浸泡、喷淋、出标等环节；而食用菌瓶所装基料是固体，菌瓶口径大，接种后有灭菌环节，所以在清洗过程中无需严格的消毒。其次，药用瓶、啤酒瓶洗瓶机的进瓶方式是流水进入，而食用菌瓶工厂化生产，一般是将菌瓶放于筐中，以筐为单位进行种植，所以清洗也应以筐为单位进行清洗，以方便下一轮生产。因此，本研究针对上述问题研究设计了针对食用菌工厂化生产特性的菌瓶洗瓶机，重点对洗瓶机的关键部件洗瓶台进行了设计，以期解决食用菌工厂化生产中菌瓶清洗耗费大量人力的问题。

1 洗瓶台的结构和工作原理

洗瓶机的清洗过程可分为进瓶工位、预湿工位、清洗工位、出瓶工位（图1）。清洗时将一筐菌瓶倒扣在载瓶板上，载瓶板开有16个圆孔，刚好可以卡住16个菌瓶的瓶颈。载瓶板由进瓶工位输送到预湿工位；预湿工位是利用4根预湿水管上的16个喷头对16个菌瓶喷水预湿，预湿后输送到清洗工位，清洗工位通过洗瓶台对菌瓶的内部与外瓶口进行清洗，清洗完成后出瓶。整个洗瓶过程中清洗工位是最重要的。

洗瓶台的结构如图2所示。洗瓶台由清洗齿轮、驱动齿轮、中心驱动齿轮和升降花键组成，清洗齿轮上装有毛刷与牙刷。清洗齿轮的转动由驱动齿轮与中心驱动齿轮驱动，如图3所示。中心驱动齿轮与升降花键相连，升降花键与电机的花键轴连接，洗瓶台的上下移动由2个气缸推杆完成。当瓶筐输送到清洗工位，这时洗瓶台由2个气缸推杆将其推到洗瓶位置，16把毛刷伸入到菌瓶内部；16把牙刷与外瓶口接触，通过齿轮传动带动16个清洗齿轮转动，达到对菌瓶内部与外瓶口的清洗，清洗完成后复位出瓶。图4为洗瓶台剖视图。

2 洗瓶台的设计

工厂化生产以为筐为单位种植食用菌，所以洗瓶也以筐为单位。图5是4×4的菌瓶放在菌筐上的示意图，结合图2可知在清洗时毛刷与菌瓶是一一对应，配合清洗。工厂化生产选择菌筐的外部尺寸是430 mm×430 mm×90 mm，内部尺寸是397 mm×397 mm×85 mm。当进行清洗时毛刷和菌瓶是配合的，所以OO1和O2O3距离相等。公式如下：

将L=397代入得Z1+Z2=70.1，整取70，所以Z1+Z2=70，分配齿数后Z1=32，Z2=38。即m1=m2=2 mm，d1=64 mm，d2=78 mm。

洗瓶台的托板尺寸根据齿轮的安装尺寸与工作要求确定为500 mm×500 mm。升降结构采用内渐开线花键结构，与电机轴之间可以上下移动，内花键模数为2，齿数取25°、30°平齿根，根据毛刷长度，花键长度取300 mm。

考虑到齿轮工作处于湿润的环境，选用塑料作为齿轮与托板的材料，在工程塑料里尼龙强度高、韧性好、抗冲击、耐疲劳，并且具有较好的抗蠕变、吸音、回弹和很好的耐磨、自润滑、与其他材料不黏结等多种性能，是工程塑料首选材料[3，4]，因此选择PA6作为齿轮的材料。但是目前塑料齿轮还不能承受太大的力矩，所以本研究设计扭矩选择T=2 N·m，电机选择4级异步减速电机，转速选取1 440 r/min，其中减速比选择1∶5，则输出电机转速n=288 r/min，根据公式：

代入数据得到P=0.06 kW。根据以上数据选择配套电机型号5GN5K/5K90KGN-CF，此电机最大功率0.09 kW，减速比为1∶5，满足设计要求。

3 洗瓶台关键部件的有限元分析

洗瓶机的整个设计过程中由于受力小，传动部件的受力分析比较少，但是前面对洗瓶台的设计过程可以看出，中心驱动齿轮同时驱动20个齿轮传动受力较大需要进一步校核。塑料齿轮的选型和计算与一般的金属齿轮相似，但是塑料与金属材料实质上还是有较大的差别，而且塑料齿轮强度的校核目前还没有完备的理论[5-8]。因此完全采用校核金属齿轮强度的方法是行不通的，这里采用MSC·NASTRAN软件分析齿轮受力情况。

在齿轮啮合的过程中，一个轮齿由齿根进入啮合到齿顶退出啮合的整个过程为一个啮合周期，也就是经历了双齿啮合-单齿啮合-双齿啮合的过程。一般在啮合过程单齿的受力比双齿的受力大，所以以单齿受力作为研究对象[9，10]。

3.1 齿轮模型的生成

在NASTRAN软件内部也可以创建齿轮的模型，但是工作量很大。本设计采用在PRO/E创建齿轮模型，再导入到NASTRAN进行分析。齿轮的基本参数由第二节的分析可知是模数为2的标准齿轮，其物理性能参数查表可知，参数如表1所示。

3.2 划分有限元网格

划分有限元网格是进行有限元分析的基础，网格划分的好坏是有限元分析的关键步骤之一，合理的网格划分对精确求解影响非常大。Patran系统中拥有强大的单元类型库：点单元、梁/杆单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元、五面体单元以及六面体单元。本研究采用四面体5节点形式，Finite Element页面中设置参数，最后得到网络模型。

3.3 添加材料属性

在Patran中，利用Properties按钮创建材料属性。本设计中齿轮材料采用PA6，PA6具有良好的综合性能，弹性模量E=2 830 Mpa，泊松比U=0.4，密度ρ=1.15 g/c。

3.4 定义载荷边界条件及施加载荷

边界条件设置的準确与否直接影响到后面分析的准确性。设置边界的原则是：边界条件要符合实际情况，尽量要简单，便于计算，同时要有足够的约束，保证不发生刚体位移。所以分别对三维坐标X、Y、Z方向的转动和平动进行约束。

齿轮啮合有单齿啮合和双齿啮合两种，齿轮齿根受力弯矩最大的状态应该是单齿啮合时的根部。所以，齿根的弯矩强度应该按载荷单元对齿轮啮合区最高点处受到的载荷来计算[11]。为了便于计算和分析，在齿顶处加上全部载荷，并且沿着齿轮啮合线将载荷在节点处分解为互相垂直的径向力和圆周力。则前述中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。将圆周力和径向力分别加载在齿轮的顶部。

3.5 求解和后处理

Patran的后处理有两类：一类是在Results模块中进行处理，另一类是在Insight模块中进行的后处理，两者在处理方法上有类似之处，只是后者更高级一些。本研究运用Results模块进行后处理。

在Analysis页面中进行设置参数后求解。计算完毕后在Results页面中进行后处理后得到应变图（图6）。

由应变图（图7）可以看出，齿轮的最大应变0.053 5 mm，即齿轮在正常工作状态下引起的应变非常小，说明了齿轮传动平稳，受力均匀。而在应力云图（图7）中看出最大应力是38.7 Mpa，最大应力集中在齿顶，这是齿轮最容易疲劳失效的部位。查阅相关的机械手册得到PA6的屈服极限是69 Mpa，因此最大应力小于屈服极限，满足强度设计要求。

4 样机测试

4.1 样机测试的方法

为了解洗瓶台的设计是否满足生产要求，对该洗瓶台进行了性能测试。主要从洗瓶效率、清洁度2个方面进行测试。在试验中机器洗瓶测试10组，每组清洗10筐菌瓶；同时设人工洗瓶10组，每组2筐作为对照组。

1）试验准备。取120筐工厂化生产挖瓶后的菌瓶。

2）试验指标及测定方法。①洗瓶效率。每小时洗瓶的筐数，通过测试每组的洗瓶时间，根据效率公式算出。②清洁度。通过目视检查法将清洗过的菌瓶清洗程度分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个等级，且相应的赋予2分、1分和0分，得分大于1，即满足洗瓶要求。

4.2 试验结果与分析

通过试验获得数据结果如下列表2、表3所示。由表2和表3数据可以看出，机器洗瓶清洁度与人工接近且均大于1，符合洗瓶要求。同时洗瓶机每小时大约可以清洗360筐菌瓶，即5 760瓶，是人工洗瓶（每小时28筐）的12.8倍，满足了食用菌工厂化生产的要求。

5 结论

1）本研究对洗瓶台的结构进行了设计和计算，并对洗瓶台的中心驱动齿轮做了有限元分析，表明设计的齿轮能满足工作要求。

2）通过试验获得了洗瓶机的洗瓶效率和清洁度，并通过设立人工洗瓶作为对照组进行试验对比，结果表明，机器洗瓶效率是人工洗瓶的12.8倍，且洗瓶效果良好，滿足了食用菌工厂化生产洗瓶的要求。

3）洗瓶机的发明进一步完善了食用菌工厂化生产的自动化程度，促进了食用菌周年化、工厂化、集约化生产，为中国食用菌产业的发展提供可靠的生产装备。

参考文献：

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（责任编辑 屠 晶）