李書環(huán)，黃敏

塑料瓶瓶蓋分離機設(shè)計

李書環(huán)，黃敏

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

廢棄塑料瓶回收及再加工是環(huán)境保護工程中的一個重要技術(shù)問題。瓶蓋、瓶身材質(zhì)不同，如不進行分離將相互污染。因此，塑料瓶瓶蓋瓶標(biāo)分離成為塑料瓶加工回收不可缺少的環(huán)節(jié)。設(shè)計一款塑料瓶瓶蓋分離機，瓶身夾持系統(tǒng)無需轉(zhuǎn)位，喂料、夾緊、旋擰、切割、回收在同一位置依次完成；夾持機構(gòu)自動定心，適用于不同尺寸瓶身的加持，且能增加瓶蓋旋擰成功率與切割位置精準(zhǔn)度；托盤扇面設(shè)計，協(xié)助完成瓶身軸向支承、切割與回收。

瓶蓋分離機；自動定心；夾緊機構(gòu)；瓶蓋旋擰分離

隨著社會的迅速發(fā)展，生活中會不斷產(chǎn)生各種各樣的垃圾，尤其是廢棄的塑料瓶。塑料瓶材料很難被大自然中的微生物分解，如果將其丟棄，將導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的不必要破壞。為了維護社會公共環(huán)境衛(wèi)生、減少環(huán)境污染，需對廢棄塑料瓶進行加工回收。塑料瓶包括瓶身、瓶蓋及瓶標(biāo)，它們由不同材料構(gòu)成，不將其分開處理，又將會是一大新的污染。目前，現(xiàn)有瓶身瓶蓋分離設(shè)備主要有滾筒式分離機和粉碎式分離機。這兩種分離機都存在著功耗較大、分離過程復(fù)雜繁瑣、成本高、分離效果不佳、效率低等一系列問題。因此，研究一類新型分離機，其在不同工位分別完成塑料瓶的夾緊、分離與回收。這類分離機因具有功耗小、分離效果好等特點而受到人們關(guān)注[1-2]。

1 分離機各工序分析與實現(xiàn)

分離機采用人工或機械自動喂料，應(yīng)具備瓶身夾緊、瓶蓋旋擰、瓶蓋及瓶標(biāo)切割、塑料瓶瓶蓋及瓶標(biāo)回收等功能[3-4]。

1.1 瓶身夾緊

如圖1所示，塑料瓶夾緊部分由移動凸輪機構(gòu)與盤狀凸輪機構(gòu)組成。盤狀凸輪1轉(zhuǎn)動，帶動移動凸輪3移動，進而帶動夾持爪4擺動，夾緊塑料瓶5。

通過合理設(shè)計移動凸輪3的輪廓曲線，在夾緊塑料瓶5的過程中，移動凸輪、夾持爪構(gòu)成的三邊A、B、C內(nèi)切圓中心恒為點O，這意味著塑料瓶直徑或大點或小點，被夾緊后塑料瓶位置不變，這有利于后續(xù)瓶蓋的旋擰與切割[5]。

瓶身夾緊部分下方有托盤6，塑料瓶瓶蓋向下投放，觸及托盤6后被逐漸夾緊。

圖1 瓶身夾緊機構(gòu)

注：1. 盤狀凸輪；2. 支架；3. 移動凸輪；4. 夾持爪；5. 塑料瓶；6. 托盤

1.2 瓶蓋旋擰

如圖2所示，本例設(shè)計為塑料瓶位置不動，托盤1連同盤狀凸輪5轉(zhuǎn)動。在托盤1上，塑料瓶中心點形成的圓形軌跡4之外，設(shè)置有旋擰壁3，壁內(nèi)側(cè)有橡膠防滑裝置，其與圓形軌跡4有瓶蓋2半徑大小的距離。當(dāng)托盤1轉(zhuǎn)動，旋擰壁3經(jīng)過塑料瓶蓋2，通過摩擦達(dá)到擰下瓶蓋的目的。根據(jù)瓶身瓶蓋為螺旋副連接的特點，托盤表面設(shè)計為隨轉(zhuǎn)動角度變大平面高度逐漸降低，以便瓶蓋脫落。

圖2 瓶蓋旋擰裝置

注：1. 托盤；2. 瓶蓋；3. 旋擰壁；4. 塑料瓶中心軌跡；5. 盤狀凸輪

1.3 功能區(qū)劃分及瓶蓋的切割與回收

如圖3所示，托盤3用于在放置、夾緊塑料瓶過程中對塑料瓶進行軸向支承，當(dāng)旋擰結(jié)束，進行切割、回收時，塑料瓶不再需要托盤3的支承，因此托盤3設(shè)計為扇面。

托盤3與盤狀凸輪2固連為一體。其中，盤狀凸輪2用于完成塑料瓶的徑向夾緊與放松，托盤3用于其軸向的支承。托盤順時針轉(zhuǎn)動，盤狀凸輪轉(zhuǎn)過第Ⅰ分區(qū)，夾持爪處于放松狀態(tài)，便于投喂塑料瓶；塑料瓶瓶蓋向下觸及托盤3軸向靜止。盤狀凸輪轉(zhuǎn)過第Ⅱ分區(qū)，夾持爪逐漸將塑料瓶徑向夾緊。盤狀凸輪轉(zhuǎn)過第Ⅲ分區(qū)，塑料瓶被夾緊，旋擰壁摩擦經(jīng)過瓶蓋，將瓶蓋擰下。盤狀凸輪轉(zhuǎn)過第Ⅳ分區(qū)，瓶身依舊被夾緊；托盤扇面部分結(jié)束，換之以割刀，割刀刀尖向上延伸至瓶身夾持爪下方，刀刃迎向塑料瓶；當(dāng)割刀隨同托盤轉(zhuǎn)動至塑料瓶位置，可對瓶標(biāo)及未擰落的瓶蓋進行切割，從而完成瓶身、瓶標(biāo)及瓶蓋的分離。盤狀凸輪轉(zhuǎn)過第Ⅴ分區(qū)，夾持爪逐漸張開，塑料瓶脫落回收。

圖3 托盤功能區(qū)劃分

注：1. 割刀；2. 盤狀凸輪；3. 托盤

2 自動定心夾緊機構(gòu)設(shè)計

如圖4所示，移動凸輪1移動，將帶動夾持爪2繞固定點A擺動。為實現(xiàn)塑料瓶自動定心，移動凸輪1及夾持爪2三邊內(nèi)切圓中心恒定為O以此為目標(biāo)設(shè)計移動凸輪廓線如下：

圖4 自動定心夾緊機構(gòu)

注：1. 移動凸輪；2. 夾持爪；3. 內(nèi)切圓（塑料瓶）

夾持爪1擺動中心A與內(nèi)切圓中心O位置固定，且兩點橫向距離為，O點相對A點偏斜角度為，夾持爪2的擺動邊與夾持邊夾角為定值＝1＋2，擺動邊長度為，是內(nèi)切圓半徑，是移動凸輪1的位移。其中，1、2、隨擺動邊擺角變化而變化，則因而變化。由圖4可知：

cos＝－＋s （2）

2＝＋－90°－（3）

綜合上述三式，推導(dǎo)出：

式（4）即為夾持爪2的擺角與移動凸輪位移的關(guān)系式，依據(jù)此式可設(shè)計移動凸輪廓線。

3 分離機結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)計意圖使夾持爪無需轉(zhuǎn)位，喂料、夾緊、旋擰、切割、回收在同一位置依次完成。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計中，夾持爪相對固定，而完成各功能的盤狀凸輪、割刀以及協(xié)助完成各功能的托盤固聯(lián)成一體做轉(zhuǎn)動。由此，設(shè)計結(jié)構(gòu)如下：

如圖5所示。分離機中間是立軸9，其與底座1連為一體，固定不動。立軸9的外面套有轉(zhuǎn)動軸3，轉(zhuǎn)動軸3通過圓錐滾子軸承2與圓柱軸承10支承，可相對立軸9轉(zhuǎn)動。

夾持爪的支撐支架8固定安裝在立軸9上，其位置不動。

用于動力輸入的齒輪4、割刀18及其刀架19、托盤16以及盤狀凸輪11分別通過鍵15、鍵14、鍵13及鍵12依次從下向上固定在轉(zhuǎn)動軸3上[6]。

圖5 分離機結(jié)構(gòu)圖

注：1. 底座；2. 圓錐滾子軸承；3. 轉(zhuǎn)動軸；4. 齒輪；5. 套筒Ⅰ；6. 套筒Ⅱ；7. 套筒Ⅲ；8. 支架；9. 立軸； 10. 圓柱軸承；11. 盤狀凸輪；12. 鍵Ⅰ；13. 鍵Ⅱ； 14. 鍵Ⅲ；15. 鍵Ⅳ；16. 托盤；17. 旋擰壁；18. 割刀；19. 刀架

按功能不同，分離機結(jié)構(gòu)可分為以下四部分：

（1）固定機架

如圖5所示。固定機架由底座1、立軸9和支架8組成。

（2）夾持系統(tǒng)

如圖1所示。塑料瓶夾持系統(tǒng)由盤狀凸輪1、移動凸輪3、夾持爪4以及支架2組成。夾持系統(tǒng)完成塑料瓶的夾持、夾緊與松脫。

（3）工序轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

如圖5所示。工序轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動軸3、盤狀凸輪11、托盤16、割刀18、切割刀架19、旋擰壁17等組成。轉(zhuǎn)動軸3轉(zhuǎn)動，盤狀凸輪11、托盤16、割刀18隨之轉(zhuǎn)動。依次完成塑料瓶的夾持、夾緊、旋擰、切割與松脫。

（4）傳動系統(tǒng)

如圖5所示。傳動系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動軸3和齒輪4組成。動力通過齒輪4傳遞給轉(zhuǎn)動軸3，進而帶動整個裝置工作運轉(zhuǎn)。

4 總結(jié)

本例設(shè)計的分離機涉及廢舊塑料回收加工技術(shù)領(lǐng)域，用于塑料瓶瓶蓋及瓶標(biāo)的分離。分離機通過凸輪機構(gòu)等夾持系統(tǒng)實現(xiàn)對瓶身的夾緊，通過托盤旋轉(zhuǎn)，旋擰壁摩擦實現(xiàn)瓶蓋和瓶體的分離，并通過割刀實現(xiàn)瓶標(biāo)脫落。裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，外加殼體可用于社區(qū)塑料瓶回收處理。

[1] 申潛. 基于凸輪的塑料瓶自動分離機械設(shè)計與研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[2] 高濤，章煜君，潘立. 我國廢舊塑料回收領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J]. 機電工程，2009，26（6）：5-8.

[3] 翟萍，劉冰，張魏華，等. 一種塑料瓶標(biāo)簽分離回收裝置：CN103029232A [P]. 2013-04-10.

[4] 梁廣源，李書環(huán). 瓶蓋分離機機構(gòu)設(shè)計[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2017（17）：15-16.

[5] Sclater N，Chironis N P. 機械設(shè)計實用機構(gòu)與裝置圖 冊[M]. 鄒平，譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[6] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機械原理[M]. 8版. 北京：高等教育出版社，2007.

Design of plastic bottle cap separator

LI Shu-huan, HUANG Min

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Recycling and reprocessing of waste plastic bottles is an important technical problem in environmental protection engineering. The cap and body are made of different materials. If they were not separated, they would pollute each other. Therefore, the separation of plastic bottle cap and label becomes an indispensable part of plastic bottle processing and recycling.A plastic bottle cap separator was designed, in which the bottle body clamping system did not need to be rotated, and feeding, clamping, screwing, cutting and recycling were completed in the same position in turn; the clamping mechanism was automatically centered, which was suitable for different sizes of bottle body, and could increase the success rate of screwing and the accuracy of cutting position; the tray was designed in the shape of a fan to complete the axial support, cutting and recycling of bottle body.

cap separator; automatic centering; clamping mechanism; separation by screwing the cap

1008-5394（2020）03-0083-03

10.19640/j.cnki.jtau.2020.03.019

TH112.1

A

2020-03-10

李書環(huán)（1967-），女，副教授，碩士，主要從事機械設(shè)計方面的研究與教學(xué)工作。E-mail：hblshh@163.com。

責(zé)任編輯：楊霞