基于TRIZ理論的螺紋口食品瓶清洗機創新設計

張 丹 常 宏 婁 高 常 鵬

(長安大學工程機械學院，陜西 西安 710061)

基于TRIZ理論的螺紋口食品瓶清洗機創新設計

張 丹 常 宏 婁 高 常 鵬

(長安大學工程機械學院，陜西 西安 710061)

目前市場上的洗瓶機忽略了瓶子螺紋口清洗，而螺紋瓶口恰是瓶子最臟的部位。研究運用TRIZ理論，創新原理，結合實際需求，分析總結設計過程中顯現出來的問題，建立產品的創新設計，創建了一種針對螺紋口食品瓶的清洗機模型，解決了傳統洗瓶機不能有效地清理螺紋口的缺陷。

螺紋口；食品瓶；TRIZ理論；創新設計；清洗機

目前，為了緩解資源浪費，提高企業利潤，一些食品行業使用的瓶子大多屬于回收瓶，例如啤酒瓶、罐頭瓶、飲料瓶，材質有塑料與玻璃等。回收的瓶子二次利用之前要對瓶身進行檢查、清洗，將無法重復利用的瓶子剔除，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生問題，對瓶身清洗的目的即將這些有害于消費者安全健康的隱患去除[1]。市場上大多數清洗機僅針對瓶身粗略清洗，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菌。通過分析現有洗瓶機設計的不足之處，運用TRIZ設計方法，融合多種設計理念，建立一種創新設計模型并進行仿真試驗。模型針對瓶口螺紋部重點清洗，可實際解決存在的問題[2]。

1 TRIZ理論

TRIZ理論的萌芽源于1946年，前蘇聯發明家G.S.Altshuller結束了他的一項發明，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對這一萌芽的理論展開研究，經過不斷的修正、改進、總結分析，TRIZ理論即“發明問題解決理論”逐漸成型。與傳統方法比較，例如，試錯法、頭腦風暴法等，TRIZ理論具有更多優勢與特點，它能充分揭露創造發明內部原理與規律，不規避矛盾，而正視系統中含有的矛盾，志在徹底消除矛盾，得到最終的解，而并非妥協，它在技術的發展規律之上來完成設計和開發，并不帶有隨機性[3]。

TRIZ理論引導創造者對問題進行系統性分析，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造者打破思維枷鎖，用創新的視覺看待問題，并進行邏輯與非邏輯性思考。幫助創造者創造出新產品[4-6]。TRIZ解決矛盾產品創新流程見圖1。

1.1 問題提出

現有洗瓶機多為箱式、翻轉式、超聲波等[7-8]。經某地啤酒廠實地調研，該廠采用翻轉式洗瓶機，洗瓶機可連續工作，初始時瓶子正立被鉗住，在旋轉前進的過程中翻轉180°，在此過程中有進水管向瓶口內注入清水，當瓶口轉至朝下時瓶中水流盡，后再旋轉180°直到瓶身正向直立，完成清洗。該洗瓶方式較為傳統，工藝比較落后。圖2為目前技術較為先進的立體超聲波洗瓶機。

1. 網帶 2. 超聲水箱 3. 螺桿 4. 清洗區 5. 循環水外沖洗 6. 外吹干部 7. 交替沖洗 8. 網帶 9. 箱體 10. 底座

圖2 立體超聲瓶子清洗機

Figure 2 Stereo ultrasonic wave Bottle Washing Machine

它的生產力可達到24 000瓶/h，比翻轉式洗瓶機的效率提高50%。其給水系統也從根本上避免了介質污染，破瓶率也較之下降[9-10]。但縱觀上述多種洗瓶機，均只對瓶身進行清洗，并沒有對瓶口進行特殊處理，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。由于螺紋瓶口處結構特殊不像瓶內壁光滑平整，傳統洗瓶機無法針對螺紋瓶口進行清洗。研究針對此方面進行創新設計。

第一排左為不可視化學物污染，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者，所以對其衛生安全要嚴格把控，要求洗瓶機既要滿足消費者的安全衛生要求，也要滿足生產車間的生產要求。針對創新與需要，從以下3個問題進行研究[11]。

(1) 進瓶裝置將篩選過的無破損瓶子平穩輸送至清洗裝置，進瓶效率不易過快，否則影響清洗質量，進瓶效率過慢則會影響企業整體效益，所以應結合企業實際需求，確定合適的進瓶率。同時應設置夾緊結構，使瓶子完整地到達下一步驟。

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

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

2 螺紋口食品瓶清洗機創新設計

2.1 螺紋口食品瓶清洗機工作原理

設備整體圖見圖4，其工作原理：開始時，瓶子2正向直立于水平傳送帶1上，水平帶向右運送瓶子，當瓶子運行至弧形傳送帶3下方，瓶夾4的U型卡槽卡住瓶口，帶動瓶子向上運動，直到瓶子被運送至弧形傳送段頂端，瓶身垂直瓶口朝下，導軌8上的機械爪7逆時針運動夾住瓶子底部，當可移動導軌10上的瓶子達到一定數量之后左側水平傳送帶停止運輸瓶子，可移動導軌帶動瓶子一起向下運動，與水槽12中的圓柱毛刷13和螺旋口毛刷14貼合之后，毛刷整體開始轉動，在轉動的同時，可移動導軌同時做上下運動，這樣圓柱毛刷可將瓶身內部清洗的同時，瓶口被旋轉的螺紋口毛刷充分清洗。當達到清洗時間后，可移動導軌帶動瓶子向上運動，到達初始位置之后，重復左側運動的逆運動，一個清洗過程完成。

1. 水平傳送帶 2. 螺紋口瓶 3. 弧形傳送帶 4. 瓶夾 5. 可運動導軌 6. 機械爪 7. 機械爪 8. 導軌 9. 支架 10. 可移動導軌 11. 出風口 12. 水槽 13. 圓柱毛刷 14. 螺紋口毛刷 15. 毛刷支架

圖4 洗瓶機結構圖

Figure 4 Bottle Washer Machine overall structure diagram

2.2 機械爪設計

為了避免瓶子在運送的過程中掉落，需設置夾緊結構，圖5為機械爪結構圖，圖6為機械爪受力分析圖。

(1)

由此可知，當角a較大時，可實現較大的增力比。瓶子被牢牢抓緊，避免了掉瓶的問題。圖7為機械爪示意圖。圖8為弧形傳送帶上的瓶夾示意圖，弧形運送帶上的瓶夾口設計成U型，可將螺紋口瓶瓶口卡住，并執行后續運動。

2.3 傳送帶設計

圖9為清洗機弧形傳送帶示意圖，上設置瓶夾。如圖9(b)所示，瓶子最初被運送至弧形傳送帶底端，正立瓶口朝上，后經弧形傳送帶180°運送后到達弧形傳送帶頂端，倒立瓶口朝下。圖10為設備兩側水平傳送帶，可實現瓶子平穩運輸。傳送帶速度擬定為5 m/s，實際速度可根據具體情況設定[13]。

2.4 導軌設計

導軌上安裝有機械爪與出風口，導軌下方中間部分可上下移動，當完成一個階段的瓶子夾持后，導軌中間部分帶動機械爪及瓶子一起沿制定路線向下運動，出風口安裝在下方中間可上下移動軌道上，見圖11[14]。

2.5 出風口設計

出風口要求可以出風，將瓶身殘余清洗液烘干，保證無清洗液殘留。圖12(c)中，瓶身左側所示為出風口，出風口均勻安裝在運動導軌上，研究擬定4個，其具體數量可依據實際情況設計安裝。

2.6 毛刷設計

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

2.7 支架設計

圖13所示毛刷支撐架的作用是支撐毛刷，支架上分布毛刷，間隔距離按實際情況設置。兩層支架板封閉，內部可裝電機與泵，電機驅動毛刷運動，泵可將清洗液通過毛刷中間的孔壓入瓶內。圓柱毛刷上端與毛刷支架對應部位下端開孔，中間連通，當泵開啟時，清洗液被壓入瓶內完成清洗。

2.8 水槽設計

水槽盛裝用于清洗使用的液體。水槽右下角設有排水口，可實現清洗液體的進水與排水功能。

2.9 電機驅動設計

研究電機驅動采用雙H橋驅動，芯片采用L298N，可以控制兩路直流電機的正向與反向轉動。可驅動機械爪與軌道的轉動、移動等任務，從而完成瓶子的清洗任務[15-16]。

2.10 清洗機仿真

利用SolidWorks軟件對清洗機進行仿真，其整體三維圖見圖14。

3 結論

研究基于TRIZ理論與繪圖軟件平臺，探討一種新的設計模型，產品的結構設計在滿足了瓶子清洗的基礎上進行了創新，針對螺紋口清洗進行創新性設計，設備結構緊湊，能很好地滿足企業的生產需求與廣大消費者的安全需求。設計解決了傳統洗瓶機僅對瓶子整體清洗，而無法針對重點部位進行清潔的問題。與傳統洗瓶機相比，螺紋口洗瓶機在設定合理的清洗時間與清洗力度基礎上，對回收螺紋瓶瓶口處污垢的清潔度可達100%。設計不足之處在于無法一次性進行數量較大的清洗工作，如果將毛刷與導軌設計為聯排或多排，可解決清洗數量的問題。

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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

國家自然科學基資助項目(編號：51305042)

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

2016—10—25

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.018