秦 鍇 劉 揚(yáng) 陳小文 楊志維 董 雷 陶 珊 解全志

湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412000

一種非浸泡式洗鞋機(jī)的設(shè)計

秦 鍇 劉 揚(yáng) 陳小文 楊志維 董 雷 陶 珊 解全志

湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412000

該非浸泡式洗鞋機(jī)集多種功能于一體，主要用于鞋面清潔以及鞋內(nèi)的殺菌、除臭、烘干。設(shè)計內(nèi)容包括外部清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計、刷輥結(jié)構(gòu)形式設(shè)計、鞋子固定裝置設(shè)計、內(nèi)部空心軸通氣設(shè)計、轉(zhuǎn)位設(shè)計等內(nèi)容。

非浸泡式；行星輪；螺紋型刷輥；殺菌；除臭；烘干；多功能一體化

non-immersion；planet gear；thread brusher；sterilization；deodorization；stoving；multi-function引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的極大提高，鞋子作為生活必需品在給我們帶來舒適、美觀的穿著體驗的同時，我們對鞋子的清潔也提出了更高的要求，人們在對鞋子的清洗方面變得越來越苦惱。通過調(diào)查我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下主流的清洗方式分為人工清洗和機(jī)器清洗。人工清洗效率低，而機(jī)器清洗也多數(shù)采用浸泡的洗滌方式，易對鞋子造成開膠、變形等各種損傷，這些清洗方式都給人們帶來了不少的困擾。

為此我們設(shè)計了一款新型的洗鞋機(jī)，主要采用了行星輪機(jī)構(gòu)和螺紋式毛刷，從避免洗鞋過程中對鞋子造成各種損傷，實現(xiàn)了高效洗鞋功能。

1 設(shè)計方案及構(gòu)思

理想的機(jī)械設(shè)備可模仿人工動作，而又超越人工動作。前者是依處理效果而言，后者是據(jù)處理效率而言。人工刷洗鞋時，是用一只手將鞋固定，另一只手拿毛刷，從多個方向進(jìn)行刷鞋。洗鞋的全過程是：鞋子潤濕、噴洗滌液、刷鞋、沖洗干凈、晾曬。

由人工刷鞋動作分析，對應(yīng)機(jī)械部分設(shè)計，可確定以下四個設(shè)計要求：

1）洗鞋前應(yīng)將鞋子可靠固定；

2）鞋子的潤濕、噴洗滌液、刷鞋、沖洗等過程要按一定的次序并且全自動化；

3）為實現(xiàn)高效地清洗干凈，應(yīng)使設(shè)計的機(jī)構(gòu)能對鞋全方位的刷洗，并且增加每次洗鞋數(shù)量；

4）同時要洗后能在較短時間內(nèi)就能穿和鞋內(nèi)衛(wèi)生，應(yīng)有烘干和殺菌功能。

5）由此，可以確定洗鞋的全過程：鞋子的安裝固定、噴水潤濕、噴洗滌液、刷鞋、噴水清洗、烘干。

2 主要結(jié)構(gòu)及原理

2.1 總體方案設(shè)計

由上述設(shè)計要求可知，為實現(xiàn)高效地清洗，應(yīng)使設(shè)計的機(jī)構(gòu)能對鞋全方位的刷洗。但是鞋子的大小不等，外形規(guī)則不一，要達(dá)到上述目的，并且還要求機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不宜過多和太復(fù)雜，因此不能簡單地模仿人工洗鞋的動作。經(jīng)過方案構(gòu)思，擬定多方案進(jìn)行比較，形成了本機(jī)型的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1中鞋子通過鞋撐8的卡口固定在行星輪支座6上，減速電機(jī)16轉(zhuǎn)動，通過皮帶（13、14、15）帶動中心軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動行星輪5做公轉(zhuǎn)和行星輪作自轉(zhuǎn)運動，通過行星輪5的旋轉(zhuǎn)，使刷輥12與鞋子形成相對運動來實現(xiàn)鞋面清潔。

電機(jī)啟動的同時，臭氧發(fā)生器和內(nèi)部烘干器工作，通過空心軸氣流通路導(dǎo)入鞋撐內(nèi)部。噴水器9在設(shè)定的時間內(nèi)向鞋面依次噴清水和洗滌劑，刷鞋過程中電機(jī)正反轉(zhuǎn)交替變化，使洗滌劑與鞋面各部位充分接觸。清洗結(jié)束后電機(jī)仍然工作，同時外部烘干器11運行，向圓桶內(nèi)鼓入暖氣流，利用離心力和暖氣流達(dá)到鞋體烘干效果，整個過程由單片機(jī)控制。

圖1 工作原理圖

2.2 鞋面的清潔的工作原理:

本設(shè)計選用行星輪系來實現(xiàn)鞋面的清潔運動，原理簡圖如圖2所示：

圖2 行星輪系示意圖

為了獲得良好的清潔效果，就要使鞋子與毛刷有較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運動。為此，我們采用了行星輪機(jī)構(gòu)，巧妙地利用了行星輪系中行星輪繞中心軸的公轉(zhuǎn)和繞行星輪中心軸的自轉(zhuǎn)來完成主運動。行星輪運動軌跡的多變性，能使鞋面得到全方位的清潔。

此外，在總結(jié)、分析我們平時洗鞋經(jīng)驗時還發(fā)現(xiàn)，刷鞋過程中如果只有刷毛與鞋面的單一的相對旋轉(zhuǎn)運動，則鞋面上的一些污漬不能完全清除，而且還會留下刷痕以及存在死角，洗鞋效果不是很好。為了解決這一問題，達(dá)到更好的清潔效果，我們采用了刷毛呈螺紋狀分布的刷輥，即刷輥旋轉(zhuǎn)時，在垂直旋轉(zhuǎn)軸線的方向上，增加了一個軸向的相對運動，這樣一來，鞋與刷毛就產(chǎn)生了一個復(fù)合的相對運動，并且對刷毛的螺旋角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，高度模仿了人工洗鞋動作，實現(xiàn)了全方面、高強(qiáng)度、高效率的清潔效果。刷輥簡圖如下：

圖3 刷輥示意圖

2.3 鞋子固定裝置的工作原理

鞋子取放的方便、快捷，也是設(shè)計的重點。因為鞋子的安裝和取放是人工實現(xiàn)的，如果取鞋過程不方便，勢必會使得該產(chǎn)品的自動化程度和實際使用價值降低。受鉆頭快換裝置的啟發(fā)，我們設(shè)計了一款可快裝可調(diào)鞋撐?？煅b可調(diào)鞋撐整體裝配示意圖如圖4所示。

圖4 快裝可調(diào)鞋撐

圖4中通過可調(diào)螺栓1可以調(diào)節(jié)鞋撐的長度，從而適應(yīng)不同尺碼鞋子的固定。鞋撐調(diào)節(jié)好后，通過快裝裝置3即可快速安裝在鞋撐固定支座上?？煅b裝置原理如圖5所示，通過彈簧4擠壓套筒1，帶動鋼珠7壓緊鞋撐卡口2達(dá)到夾緊的效果；拆卸時，只需按下套筒1便可輕松的取出鞋撐卡口2，整個過程方便快捷。

圖5 鞋撐快裝部分原理圖

2.4 內(nèi)部空心軸通氣設(shè)計

傳統(tǒng)的洗鞋只包含清洗工作，沒有殺菌功能。有時鞋子不一定要頻繁清洗，我們只要消除鞋子的異味，對鞋內(nèi)殺菌即可。為此，我們設(shè)計了臭氧殺菌功能，能有很好地滿足人們這一需求。同時為了能在較短的時間內(nèi)就能穿上剛洗過的鞋子（特別是在冬天），我們還增加了烘干功能。為了便于實現(xiàn)上述功能，我們在行星架、行星軸、鞋撐內(nèi)部均采用了空心結(jié)構(gòu)，通過氣泵將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧送入鞋子內(nèi)部以實現(xiàn)鞋內(nèi)的殺菌、除臭，這樣不僅簡化了通氣線路，而且還能將氣體準(zhǔn)確送入鞋內(nèi);同時利用內(nèi)設(shè)烘干機(jī)產(chǎn)生的暖氣流，實現(xiàn)鞋子的烘干功能。通氣示意圖如圖6所示。

圖6 內(nèi)部通氣路線圖

2.5 轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計

由于外箱采用斜開門，為便于鞋子的取放，提高自動化程度，我們采用了紅外對射轉(zhuǎn)位裝置來實現(xiàn)四個裝鞋位置的轉(zhuǎn)換，具體原理如下：

定位板固定于中心軸上，定位板上開有四個定位孔，定位板兩端固定了紅外對射開關(guān)的發(fā)射端和接收端。當(dāng)定位孔轉(zhuǎn)到開關(guān)位置時，紅外對射開關(guān)將發(fā)出一個高電平信號給控制端，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)位控制。

圖7 轉(zhuǎn)位裝置圖

3 結(jié)語

該洗鞋機(jī)采用了非浸泡的洗滌方式進(jìn)行鞋面清洗，集鞋面清洗，鞋內(nèi)殺菌、除臭，整體烘干于一體。綜合運用了機(jī)電一體化設(shè)計思路，巧妙的利用了行星輪機(jī)構(gòu)的運動特點從而很好地完成了上述設(shè)計要求。該洗鞋機(jī)具有以下優(yōu)點：

1）適應(yīng)性好，可以針對不同尺碼的鞋子進(jìn)行清洗；

2）采用水霧洗滌的方式，節(jié)能減排，符合社會發(fā)展的趨勢；

3）利用機(jī)電一體化技術(shù)實現(xiàn)自動化洗滌，自動化程度高，減輕人的負(fù)擔(dān)；

4）本裝置體積小巧，可實現(xiàn)分檔清洗,清洗效率高，能耗少，能夠廣泛地用于家庭的鞋類清洗，具有較高的推廣價值，是現(xiàn)代家庭生活必備的基本電器。

由于篇幅所限，文中僅對設(shè)計的原理進(jìn)行了簡略的敘述，希望能夠為社會提供一種新型洗鞋機(jī)。本設(shè)計已經(jīng)申報了專利 (申請?zhí)?201220116376.5)，同時做出了實物模型，并于2012年5月代表湖南工業(yè)大學(xué)參加了湖南省大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計大賽榮獲了湖南省大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎。

[1]朱理.機(jī)械原理(第二版)[M].北京:高等教育出版社，2010.226-232.

[2]濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(第八版)[M].北京:高等教育出版社，2006.186-212.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊(單行本卷減(變速箱-電機(jī)與電氣))[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.102-118.

Non-immersion washing machine for shoes

Qin Kai，Liu Yang，Chen Xiaowen，Yang Zhiwei，Dong Lei，Tao Shan，Xie Quanzhi School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Hunan zhuzhou 412000

In this project, an inovative washing machine is introduced, which is mainly applied to clean the vamp of various type of shoes.Meanwhile, it can disinfect, deodorize, and stove the inside of shoes.The design of this multi-functioned machinefocuses on mechanism of external cleaning, roller brush, shoe-fastening, and ventilation.

TS976.8

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.23.053

湖南省教改項目“基于創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的機(jī)械基礎(chǔ)類課程的教學(xué)改革研究”，項目編號：湘教通[2011]333號

秦鍇（1991-），男，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。