塑料瓶瓶盖分离机设计

李书环，黄敏

塑料瓶瓶盖分离机设计

李书环，黄敏

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

废弃塑料瓶回收及再加工是环境保护工程中的一个重要技术问题。瓶盖、瓶身材质不同，如不进行分离将相互污染。因此，塑料瓶瓶盖瓶标分离成为塑料瓶加工回收不可缺少的环节。设计一款塑料瓶瓶盖分离机，瓶身夹持系统无需转位，喂料、夹紧、旋拧、切割、回收在同一位置依次完成；夹持机构自动定心，适用于不同尺寸瓶身的加持，且能增加瓶盖旋拧成功率与切割位置精准度；托盘扇面设计，协助完成瓶身轴向支承、切割与回收。

瓶盖分离机；自动定心；夹紧机构；瓶盖旋拧分离

随着社会的迅速发展，生活中会不断产生各种各样的垃圾，尤其是废弃的塑料瓶。塑料瓶材料很难被大自然中的微生物分解，如果将其丢弃，将导致生态环境的不必要破坏。为了维护社会公共环境卫生、减少环境污染，需对废弃塑料瓶进行加工回收。塑料瓶包括瓶身、瓶盖及瓶标，它们由不同材料构成，不将其分开处理，又将会是一大新的污染。目前，现有瓶身瓶盖分离设备主要有滚筒式分离机和粉碎式分离机。这两种分离机都存在着功耗较大、分离过程复杂繁琐、成本高、分离效果不佳、效率低等一系列问题。因此，研究一类新型分离机，其在不同工位分别完成塑料瓶的夹紧、分离与回收。这类分离机因具有功耗小、分离效果好等特点而受到人们关注[1-2]。

1 分离机各工序分析与实现

分离机采用人工或机械自动喂料，应具备瓶身夹紧、瓶盖旋拧、瓶盖及瓶标切割、塑料瓶瓶盖及瓶标回收等功能[3-4]。

1.1 瓶身夹紧

如图1所示，塑料瓶夹紧部分由移动凸轮机构与盘状凸轮机构组成。盘状凸轮1转动，带动移动凸轮3移动，进而带动夹持爪4摆动，夹紧塑料瓶5。

通过合理设计移动凸轮3的轮廓曲线，在夹紧塑料瓶5的过程中，移动凸轮、夹持爪构成的三边A、B、C内切圆中心恒为点O，这意味着塑料瓶直径或大点或小点，被夹紧后塑料瓶位置不变，这有利于后续瓶盖的旋拧与切割[5]。

瓶身夹紧部分下方有托盘6，塑料瓶瓶盖向下投放，触及托盘6后被逐渐夹紧。

图1 瓶身夹紧机构

注：1. 盘状凸轮；2. 支架；3. 移动凸轮；4. 夹持爪；5. 塑料瓶；6. 托盘

1.2 瓶盖旋拧

如图2所示，本例设计为塑料瓶位置不动，托盘1连同盘状凸轮5转动。在托盘1上，塑料瓶中心点形成的圆形轨迹4之外，设置有旋拧壁3，壁内侧有橡胶防滑装置，其与圆形轨迹4有瓶盖2半径大小的距离。当托盘1转动，旋拧壁3经过塑料瓶盖2，通过摩擦达到拧下瓶盖的目的。根据瓶身瓶盖为螺旋副连接的特点，托盘表面设计为随转动角度变大平面高度逐渐降低，以便瓶盖脱落。

图2 瓶盖旋拧装置

注：1. 托盘；2. 瓶盖；3. 旋拧壁；4. 塑料瓶中心轨迹；5. 盘状凸轮

1.3 功能区划分及瓶盖的切割与回收

如图3所示，托盘3用于在放置、夹紧塑料瓶过程中对塑料瓶进行轴向支承，当旋拧结束，进行切割、回收时，塑料瓶不再需要托盘3的支承，因此托盘3设计为扇面。

托盘3与盘状凸轮2固连为一体。其中，盘状凸轮2用于完成塑料瓶的径向夹紧与放松，托盘3用于其轴向的支承。托盘顺时针转动，盘状凸轮转过第Ⅰ分区，夹持爪处于放松状态，便于投喂塑料瓶；塑料瓶瓶盖向下触及托盘3轴向静止。盘状凸轮转过第Ⅱ分区，夹持爪逐渐将塑料瓶径向夹紧。盘状凸轮转过第Ⅲ分区，塑料瓶被夹紧，旋拧壁摩擦经过瓶盖，将瓶盖拧下。盘状凸轮转过第Ⅳ分区，瓶身依旧被夹紧；托盘扇面部分结束，换之以割刀，割刀刀尖向上延伸至瓶身夹持爪下方，刀刃迎向塑料瓶；当割刀随同托盘转动至塑料瓶位置，可对瓶标及未拧落的瓶盖进行切割，从而完成瓶身、瓶标及瓶盖的分离。盘状凸轮转过第Ⅴ分区，夹持爪逐渐张开，塑料瓶脱落回收。

图3 托盘功能区划分

注：1. 割刀；2. 盘状凸轮；3. 托盘

2 自动定心夹紧机构设计

如图4所示，移动凸轮1移动，将带动夹持爪2绕固定点A摆动。为实现塑料瓶自动定心，移动凸轮1及夹持爪2三边内切圆中心恒定为O以此为目标设计移动凸轮廓线如下：

图4 自动定心夹紧机构

注：1. 移动凸轮；2. 夹持爪；3. 内切圆（塑料瓶）

夹持爪1摆动中心A与内切圆中心O位置固定，且两点横向距离为，O点相对A点偏斜角度为，夹持爪2的摆动边与夹持边夹角为定值＝1＋2，摆动边长度为，是内切圆半径，是移动凸轮1的位移。其中，1、2、随摆动边摆角变化而变化，则因而变化。由图4可知：

cos＝－＋s （2）

2＝＋－90°－（3）

综合上述三式，推导出：

式（4）即为夹持爪2的摆角与移动凸轮位移的关系式，依据此式可设计移动凸轮廓线。

3 分离机结构设计

该设计意图使夹持爪无需转位，喂料、夹紧、旋拧、切割、回收在同一位置依次完成。因此，结构设计中，夹持爪相对固定，而完成各功能的盘状凸轮、割刀以及协助完成各功能的托盘固联成一体做转动。由此，设计结构如下：

如图5所示。分离机中间是立轴9，其与底座1连为一体，固定不动。立轴9的外面套有转动轴3，转动轴3通过圆锥滚子轴承2与圆柱轴承10支承，可相对立轴9转动。

夹持爪的支撑支架8固定安装在立轴9上，其位置不动。

用于动力输入的齿轮4、割刀18及其刀架19、托盘16以及盘状凸轮11分别通过键15、键14、键13及键12依次从下向上固定在转动轴3上[6]。

图5 分离机结构图

注：1. 底座；2. 圆锥滚子轴承；3. 转动轴；4. 齿轮；5. 套筒Ⅰ；6. 套筒Ⅱ；7. 套筒Ⅲ；8. 支架；9. 立轴； 10. 圆柱轴承；11. 盘状凸轮；12. 键Ⅰ；13. 键Ⅱ； 14. 键Ⅲ；15. 键Ⅳ；16. 托盘；17. 旋拧壁；18. 割刀；19. 刀架

按功能不同，分离机结构可分为以下四部分：

（1）固定机架

如图5所示。固定机架由底座1、立轴9和支架8组成。

（2）夹持系统

如图1所示。塑料瓶夹持系统由盘状凸轮1、移动凸轮3、夹持爪4以及支架2组成。夹持系统完成塑料瓶的夹持、夹紧与松脱。

（3）工序转换系统

如图5所示。工序转换系统由转动轴3、盘状凸轮11、托盘16、割刀18、切割刀架19、旋拧壁17等组成。转动轴3转动，盘状凸轮11、托盘16、割刀18随之转动。依次完成塑料瓶的夹持、夹紧、旋拧、切割与松脱。

（4）传动系统

如图5所示。传动系统由转动轴3和齿轮4组成。动力通过齿轮4传递给转动轴3，进而带动整个装置工作运转。

4 总结

本例设计的分离机涉及废旧塑料回收加工技术领域，用于塑料瓶瓶盖及瓶标的分离。分离机通过凸轮机构等夹持系统实现对瓶身的夹紧，通过托盘旋转，旋拧壁摩擦实现瓶盖和瓶体的分离，并通过割刀实现瓶标脱落。装置结构简单，体积小，外加壳体可用于社区塑料瓶回收处理。

[1] 申潜. 基于凸轮的塑料瓶自动分离机械设计与研究[D]. 郑州：郑州大学，2014.

[2] 高涛，章煜君，潘立. 我国废旧塑料回收领域的现状与发展综述[J]. 机电工程，2009，26（6）：5-8.

[3] 翟萍，刘冰，张魏华，等. 一种塑料瓶标签分离回收装置：CN103029232A [P]. 2013-04-10.

[4] 梁广源，李书环. 瓶盖分离机机构设计[J]. 山东工业技术，2017（17）：15-16.

[5] Sclater N，Chironis N P. 机械设计实用机构与装置图 册[M]. 邹平，译. 北京：机械工业出版社，2003.

[6] 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理[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

李书环（1967-），女，副教授，硕士，主要从事机械设计方面的研究与教学工作。E-mail：hblshh@163.com。

责任编辑：杨霞