張 丹 常 宏 婁 高 常 鵬

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710061)

基于TRIZ理論的螺紋口食品瓶清洗機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張 丹 常 宏 婁 高 常 鵬

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710061)

目前市場(chǎng)上的洗瓶機(jī)忽略了瓶子螺紋口清洗，而螺紋瓶口恰是瓶子最臟的部位。研究運(yùn)用TRIZ理論，創(chuàng)新原理，結(jié)合實(shí)際需求，分析總結(jié)設(shè)計(jì)過程中顯現(xiàn)出來(lái)的問題，建立產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了一種針對(duì)螺紋口食品瓶的清洗機(jī)模型，解決了傳統(tǒng)洗瓶機(jī)不能有效地清理螺紋口的缺陷。

螺紋口；食品瓶；TRIZ理論；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；清洗機(jī)

目前，為了緩解資源浪費(fèi)，提高企業(yè)利潤(rùn)，一些食品行業(yè)使用的瓶子大多屬于回收瓶，例如啤酒瓶、罐頭瓶、飲料瓶，材質(zhì)有塑料與玻璃等。回收的瓶子二次利用之前要對(duì)瓶身進(jìn)行檢查、清洗，將無(wú)法重復(fù)利用的瓶子剔除，剩下的回收瓶存在液體殘留，或在回收過程中沾染污垢等一系列衛(wèi)生問題，對(duì)瓶身清洗的目的即將這些有害于消費(fèi)者安全健康的隱患去除[1]。市場(chǎng)上大多數(shù)清洗機(jī)僅針對(duì)瓶身粗略清洗，螺紋口是最容易藏污納垢的部位，如果清潔不到位易于滋生細(xì)菌。通過分析現(xiàn)有洗瓶機(jī)設(shè)計(jì)的不足之處，運(yùn)用TRIZ設(shè)計(jì)方法，融合多種設(shè)計(jì)理念，建立一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模型針對(duì)瓶口螺紋部重點(diǎn)清洗，可實(shí)際解決存在的問題[2]。

1 TRIZ理論

TRIZ理論的萌芽源于1946年，前蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altshuller結(jié)束了他的一項(xiàng)發(fā)明，在沒有穿潛水服的前提下被困在潛水艇并且能夠順利逃生。之后G.S.Altshuller對(duì)這一萌芽的理論展開研究，經(jīng)過不斷的修正、改進(jìn)、總結(jié)分析，TRIZ理論即“發(fā)明問題解決理論”逐漸成型。與傳統(tǒng)方法比較，例如，試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等，TRIZ理論具有更多優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，它能充分揭露創(chuàng)造發(fā)明內(nèi)部原理與規(guī)律，不規(guī)避矛盾，而正視系統(tǒng)中含有的矛盾，志在徹底消除矛盾，得到最終的解，而并非妥協(xié)，它在技術(shù)的發(fā)展規(guī)律之上來(lái)完成設(shè)計(jì)和開發(fā)，并不帶有隨機(jī)性[3]。

TRIZ理論引導(dǎo)創(chuàng)造者對(duì)問題進(jìn)行系統(tǒng)性分析，迅速找到問題的矛盾與根本所在，制定探索方向，找到任何一種可能，并在探索過程中幫助創(chuàng)造者打破思維枷鎖，用創(chuàng)新的視覺看待問題，并進(jìn)行邏輯與非邏輯性思考。幫助創(chuàng)造者創(chuàng)造出新產(chǎn)品[4-6]。TRIZ解決矛盾產(chǎn)品創(chuàng)新流程見圖1。

1.1 問題提出

現(xiàn)有洗瓶機(jī)多為箱式、翻轉(zhuǎn)式、超聲波等[7-8]。經(jīng)某地啤酒廠實(shí)地調(diào)研，該廠采用翻轉(zhuǎn)式洗瓶機(jī)，洗瓶機(jī)可連續(xù)工作，初始時(shí)瓶子正立被鉗住，在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的過程中翻轉(zhuǎn)180°，在此過程中有進(jìn)水管向瓶口內(nèi)注入清水，當(dāng)瓶口轉(zhuǎn)至朝下時(shí)瓶中水流盡，后再旋轉(zhuǎn)180°直到瓶身正向直立，完成清洗。該洗瓶方式較為傳統(tǒng)，工藝比較落后。圖2為目前技術(shù)較為先進(jìn)的立體超聲波洗瓶機(jī)。

1. 網(wǎng)帶 2. 超聲水箱 3. 螺桿 4. 清洗區(qū) 5. 循環(huán)水外沖洗 6. 外吹干部 7. 交替沖洗 8. 網(wǎng)帶 9. 箱體 10. 底座

圖2 立體超聲瓶子清洗機(jī)

Figure 2 Stereo ultrasonic wave Bottle Washing Machine

它的生產(chǎn)力可達(dá)到24 000瓶/h，比翻轉(zhuǎn)式洗瓶機(jī)的效率提高50%。其給水系統(tǒng)也從根本上避免了介質(zhì)污染，破瓶率也較之下降[9-10]。但縱觀上述多種洗瓶機(jī)，均只對(duì)瓶身進(jìn)行清洗，并沒有對(duì)瓶口進(jìn)行特殊處理，而瓶口是最臟最易被忽略的部位。圖3為4種被不同物質(zhì)污染的螺紋口瓶。回收瓶存在大腸桿菌、霉菌等，大腸桿菌為主要污染菌。由于螺紋瓶口處結(jié)構(gòu)特殊不像瓶?jī)?nèi)壁光滑平整，傳統(tǒng)洗瓶機(jī)無(wú)法針對(duì)螺紋瓶口進(jìn)行清洗。研究針對(duì)此方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

第一排左為不可視化學(xué)物污染，第一排右為泥土污染，第二排左為茶垢污染，第二排右為膠狀物污染

圖3 4種回收瓶螺紋瓶口

igure 3 Four kinds of thread port of recovery bottles

1.2 問題分析

由于螺紋瓶口直接接觸消費(fèi)者，所以對(duì)其衛(wèi)生安全要嚴(yán)格把控，要求洗瓶機(jī)既要滿足消費(fèi)者的安全衛(wèi)生要求，也要滿足生產(chǎn)車間的生產(chǎn)要求。針對(duì)創(chuàng)新與需要，從以下3個(gè)問題進(jìn)行研究[11]。

(1) 進(jìn)瓶裝置將篩選過的無(wú)破損瓶子平穩(wěn)輸送至清洗裝置，進(jìn)瓶效率不易過快，否則影響清洗質(zhì)量，進(jìn)瓶效率過慢則會(huì)影響企業(yè)整體效益，所以應(yīng)結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求，確定合適的進(jìn)瓶率。同時(shí)應(yīng)設(shè)置夾緊結(jié)構(gòu)，使瓶子完整地到達(dá)下一步驟。

(2) 清洗裝置部分設(shè)計(jì)為上下兩部分，上部分可將瓶身倒置夾緊，并設(shè)置烘干裝置，將瓶身殘留液體烘干，以免對(duì)灌裝過程產(chǎn)生污染，影響產(chǎn)品品質(zhì)。下部分裝置配備水槽，可持續(xù)更換水槽中的清洗液，水槽中裝有可旋轉(zhuǎn)毛刷，與上部分配合，完成整個(gè)清洗過程。

(3) 清洗后的瓶子需要運(yùn)送至下一裝置，過程保證完整銜接，結(jié)合緊密，提高運(yùn)輸效率。輸出裝置與輸入裝置設(shè)計(jì)相同，是輸入過程的逆過程[12]。

2 螺紋口食品瓶清洗機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 螺紋口食品瓶清洗機(jī)工作原理

設(shè)備整體圖見圖4，其工作原理：開始時(shí)，瓶子2正向直立于水平傳送帶1上，水平帶向右運(yùn)送瓶子，當(dāng)瓶子運(yùn)行至弧形傳送帶3下方，瓶夾4的U型卡槽卡住瓶口，帶動(dòng)瓶子向上運(yùn)動(dòng)，直到瓶子被運(yùn)送至弧形傳送段頂端，瓶身垂直瓶口朝下，導(dǎo)軌8上的機(jī)械爪7逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)夾住瓶子底部，當(dāng)可移動(dòng)導(dǎo)軌10上的瓶子達(dá)到一定數(shù)量之后左側(cè)水平傳送帶停止運(yùn)輸瓶子，可移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)瓶子一起向下運(yùn)動(dòng)，與水槽12中的圓柱毛刷13和螺旋口毛刷14貼合之后，毛刷整體開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，可移動(dòng)導(dǎo)軌同時(shí)做上下運(yùn)動(dòng)，這樣圓柱毛刷可將瓶身內(nèi)部清洗的同時(shí)，瓶口被旋轉(zhuǎn)的螺紋口毛刷充分清洗。當(dāng)達(dá)到清洗時(shí)間后，可移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)瓶子向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)初始位置之后，重復(fù)左側(cè)運(yùn)動(dòng)的逆運(yùn)動(dòng)，一個(gè)清洗過程完成。

1. 水平傳送帶 2. 螺紋口瓶 3. 弧形傳送帶 4. 瓶夾 5. 可運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 6. 機(jī)械爪 7. 機(jī)械爪 8. 導(dǎo)軌 9. 支架 10. 可移動(dòng)導(dǎo)軌 11. 出風(fēng)口 12. 水槽 13. 圓柱毛刷 14. 螺紋口毛刷 15. 毛刷支架

圖4 洗瓶機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 4 Bottle Washer Machine overall structure diagram

2.2 機(jī)械爪設(shè)計(jì)

為了避免瓶子在運(yùn)送的過程中掉落，需設(shè)置夾緊結(jié)構(gòu)，圖5為機(jī)械爪結(jié)構(gòu)圖，圖6為機(jī)械爪受力分析圖。

(1)

由此可知，當(dāng)角a較大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較大的增力比。瓶子被牢牢抓緊，避免了掉瓶的問題。圖7為機(jī)械爪示意圖。圖8為弧形傳送帶上的瓶夾示意圖，弧形運(yùn)送帶上的瓶夾口設(shè)計(jì)成U型，可將螺紋口瓶瓶口卡住，并執(zhí)行后續(xù)運(yùn)動(dòng)。

2.3 傳送帶設(shè)計(jì)

圖9為清洗機(jī)弧形傳送帶示意圖，上設(shè)置瓶夾。如圖9(b)所示，瓶子最初被運(yùn)送至弧形傳送帶底端，正立瓶口朝上，后經(jīng)弧形傳送帶180°運(yùn)送后到達(dá)弧形傳送帶頂端，倒立瓶口朝下。圖10為設(shè)備兩側(cè)水平傳送帶，可實(shí)現(xiàn)瓶子平穩(wěn)運(yùn)輸。傳送帶速度擬定為5 m/s，實(shí)際速度可根據(jù)具體情況設(shè)定[13]。

2.4 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌上安裝有機(jī)械爪與出風(fēng)口，導(dǎo)軌下方中間部分可上下移動(dòng)，當(dāng)完成一個(gè)階段的瓶子夾持后，導(dǎo)軌中間部分帶動(dòng)機(jī)械爪及瓶子一起沿制定路線向下運(yùn)動(dòng)，出風(fēng)口安裝在下方中間可上下移動(dòng)軌道上，見圖11[14]。

2.5 出風(fēng)口設(shè)計(jì)

出風(fēng)口要求可以出風(fēng)，將瓶身殘余清洗液烘干，保證無(wú)清洗液殘留。圖12(c)中，瓶身左側(cè)所示為出風(fēng)口，出風(fēng)口均勻安裝在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，研究擬定4個(gè)，其具體數(shù)量可依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)安裝。

2.6 毛刷設(shè)計(jì)

圓柱毛刷的長(zhǎng)度應(yīng)略短于瓶身，但不包括瓶口螺紋部分的距離，研究擬定15 cm。螺紋毛刷的長(zhǎng)度應(yīng)略長(zhǎng)于螺紋口，研究擬定為3 cm，確保上下運(yùn)動(dòng)中毛刷始終與瓶口配合。螺紋口毛刷直徑應(yīng)符合同一規(guī)格螺紋口瓶瓶口直徑，使毛刷與螺紋口緊密貼合，徹底清洗每一個(gè)角落。圖12為毛刷。

2.7 支架設(shè)計(jì)

圖13所示毛刷支撐架的作用是支撐毛刷，支架上分布毛刷，間隔距離按實(shí)際情況設(shè)置。兩層支架板封閉，內(nèi)部可裝電機(jī)與泵，電機(jī)驅(qū)動(dòng)毛刷運(yùn)動(dòng)，泵可將清洗液通過毛刷中間的孔壓入瓶?jī)?nèi)。圓柱毛刷上端與毛刷支架對(duì)應(yīng)部位下端開孔，中間連通，當(dāng)泵開啟時(shí)，清洗液被壓入瓶?jī)?nèi)完成清洗。

2.8 水槽設(shè)計(jì)

水槽盛裝用于清洗使用的液體。水槽右下角設(shè)有排水口，可實(shí)現(xiàn)清洗液體的進(jìn)水與排水功能。

2.9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用雙H橋驅(qū)動(dòng)，芯片采用L298N，可以控制兩路直流電機(jī)的正向與反向轉(zhuǎn)動(dòng)。可驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪與軌道的轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)等任務(wù)，從而完成瓶子的清洗任務(wù)[15-16]。

2.10 清洗機(jī)仿真

利用SolidWorks軟件對(duì)清洗機(jī)進(jìn)行仿真，其整體三維圖見圖14。

3 結(jié)論

研究基于TRIZ理論與繪圖軟件平臺(tái)，探討一種新的設(shè)計(jì)模型，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足了瓶子清洗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，針對(duì)螺紋口清洗進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，能很好地滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求與廣大消費(fèi)者的安全需求。設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)洗瓶機(jī)僅對(duì)瓶子整體清洗，而無(wú)法針對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行清潔的問題。與傳統(tǒng)洗瓶機(jī)相比，螺紋口洗瓶機(jī)在設(shè)定合理的清洗時(shí)間與清洗力度基礎(chǔ)上，對(duì)回收螺紋瓶瓶口處污垢的清潔度可達(dá)100%。設(shè)計(jì)不足之處在于無(wú)法一次性進(jìn)行數(shù)量較大的清洗工作，如果將毛刷與導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為聯(lián)排或多排，可解決清洗數(shù)量的問題。

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A innovative design of washer machine for thread port food bottle based on TRIZ theory

ZHANG DanCHANGHongLOUGao-XiangCHANGPeng

(CollegeofEngineeringandMechanicalEngineering,Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710061,China)

The bottle cleaning as a basis for the subsequent steps necessary at present, the bottle washer machine on the market ignored the bottle mouth and bottle cleaning thread, while the thread is the most dirty part of the bottle. Using TRIZ theory, analysis revealed summed up the problems in the design process, using innovative principle, field research, combined with the actual needs, set up product innovation design, rendering the physical map, get the user experience results. A Washer Machine model is established for the thread bottle, which solves the defect that the traditional bottle washer machine cannot effectively clean the screw thread, and improves the user's health experience degree.

thread port; food bottle; TRIZ theory; innovative design; washer machine

國(guó)家自然科學(xué)基資助項(xiàng)目(編號(hào)：51305042)

張丹(1988—)，女，長(zhǎng)安大學(xué)在讀博士研究生。 E-mail:2015025008@chd.edu.cn

2016—10—25

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.018