楊金科，楊金林

(浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018)

近年來，市場上出現(xiàn)了諸多種類的小型清潔裝置，如壁掛式洗衣機。這種清洗裝置體積較小，結(jié)構(gòu)較為簡單，功能也有所增加，在一定程度上方便了用戶對小型衣物的清洗工作。但針對特定用戶依然無法滿足其需求，清潔度也無法得到保證。除此之外，這類清洗裝置還存在其他缺點，如價格高昂、安裝復雜、清洗時間過長、用水量大等，并且安裝后難以進行移動，功能較為單一。于是本研究著眼于利用往復搓洗機構(gòu)和擠壓擰干機構(gòu)來完成毛巾的清洗擰干工作研制了一種新型毛巾自動清洗擰干機，實現(xiàn)了實現(xiàn)毛巾的快速高效清洗、擰干。

1 毛巾自動清洗擰干機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工作原理介紹

毛巾自動清洗擰干機由擠壓擰干機構(gòu)、 往復搓洗機構(gòu)及其控制系統(tǒng)等組成，毛巾自動清洗擰干機整機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，毛巾自動清洗擰干機功能原理展開如圖2 所示，洗毛巾流程如圖3 所示。將毛巾放入機器中，按下復位開關(guān)，通過32 單片機的控制，此時毛巾擠壓機構(gòu)工作，調(diào)整V 型槽角度，即增大搓洗板與毛巾之間的摩擦力；搓洗機構(gòu)工作，直流減速電機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，進而曲柄連桿機構(gòu)帶動搓洗板往復運動，對毛巾進行搓洗；搓洗完成后擠壓擰干機構(gòu)在鏈條傳動的連桿機構(gòu)帶動下進行對毛巾的擠壓擰干，此時電流檢測模塊檢測電機負載電流，從而控制擠壓力度大小，防止電流過載對設(shè)備造成損壞，擠壓完成后，手動取出，完成整個毛巾清洗工作。

圖1 整機結(jié)構(gòu)圖

圖2 功能原理展開圖

圖3 毛巾清洗流程圖

該毛巾自動清洗擰干機主要功能是幫助人們?nèi)粘Ｇ逑疵聿⑶以谇逑唇Y(jié)束之后擰干毛巾。

1.2 設(shè)計要求

毛巾自動清洗擰干機的主要任務(wù)是快捷高效的完成毛巾的清洗工作，且操作便捷，毛巾易于收取。該裝置的設(shè)計指標如下表1 所列。

表1 預期參數(shù)表

2 擠壓擰干機構(gòu)

2.1 鏈輪與鏈條參數(shù)

擠壓擰干機構(gòu)主要實現(xiàn)將清洗結(jié)束之后的毛巾進行擰干。通過設(shè)計前的實驗測得將毛巾擠壓方式擰干需要大約1 600 N 的力，進行計算得兩鏈輪之間傳動比為1 即可。為此選擇兩個2 分17 齒，齒厚為3，節(jié)距為6.35 mm 的鏈輪，鏈輪材料為45#鋼，經(jīng)高頻淬火。具體理論計算如下：

根據(jù)本項目設(shè)計方案，施力板若需達到1 600 N的力，主動輪轉(zhuǎn)速為n1= 10 r/min，從動鏈輪的轉(zhuǎn)速n2= 10 r/min。載荷平穩(wěn)，兩鏈輪中心距a ≈ 300 mm，傳動近于水平布置，小鏈輪孔徑dk= 8 mm。主動輪齒數(shù)Z1參數(shù)選取如表2 所示。

表2 按線速度v 選取小鏈輪齒數(shù)

表2 按線速度v 選取小鏈輪齒數(shù)

v/(m/s) 0.6～3 3～8 ＞8 Z1 15～17 19～21 23～25

由主動輪的轉(zhuǎn)速n1可得線速度為0.18 m/s。因此選用單排04C17 齒的鏈輪較為合適。

其中Z2為主動輪齒數(shù)

鏈節(jié)數(shù)計算［4］：

根據(jù)鏈節(jié)數(shù)計算公式：

可得 LP=51。其中 Z1、Z2=17，為主、從動鏈輪齒數(shù)；a=322.5，為齒輪中心距［5］；P=10.21 mm，為鏈節(jié)距。

鏈條傳動速度：

鏈條的工作功率：

單側(cè)有兩個推桿由鏈條帶動，鏈條傳動功率P =Fcosθν*2 = 1.05 kW，θ 為推桿與鏈條擠壓時的角度，經(jīng)試驗得 θ = 15°；F 為擠壓力［6］。

設(shè)計功率P0= kAP，kA為工況系數(shù)。查鏈輪傳動工作系數(shù)表得kA= 1，則P0= kAP = 1.05 kW

鏈條傳遞功率：

2.2 結(jié)構(gòu)介紹

參照圖4 和圖5，L 型電機帶動鏈條鏈輪運動，固定在鏈條上的兩滑塊沿著光軸做反向直線運動，滑塊一端與連桿想接觸，從而在T 型電機的帶動下使兩連桿間夾角發(fā)生改變，擠壓板與外框架的底面之間采用合頁連接，隨著連桿之間夾角的變化，擠壓板沿著扇葉旋轉(zhuǎn)，從而達到擠壓的效果。

圖4 擠壓擰干機構(gòu)部分示意圖

圖5 為擠壓擰干構(gòu)裝配圖

2.3 有限元分析

毛巾自動清洗裝置適用的毛巾尺寸范圍為：250～ 1 200 mm，毛巾質(zhì)量范圍為 50 ～ 190 g［8］。擠壓板、推桿這兩個零件的是主要的受力部位，因此利用有限元分析法來計算這兩個零件的變形和應(yīng)力分布情況。

施力板有限元分析［9］：通過擠壓來固定毛巾并達到搓洗的效果，桿通過鏈條帶動對施力板施加壓力，據(jù)實驗得施力板將受到1 600 N 的力，可得推桿受最大壓力 F = 1 600/sin(15°)= 6.18 kN［8］。圖 6、圖 7 是Soliworks 有限元分析圖。

由圖6、7 分析可得應(yīng)力最大的部位位于擠壓板四角為20.14 kPa，其屈服強度為195 MPa；最大形變量為2.44 × 10-6，在其彈性形變范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

查表可知鋁板和毛巾的摩擦系數(shù)為0.26［10］，鋁板以及毛巾的正壓力為1 600 N，可計算出摩擦力f =F × u = 1600 × 0.26 = 416 N。

圖6 擠壓板最大應(yīng)力情況分析

圖7 擠壓板最大應(yīng)變情況分析

由圖8、9 分析可得，推桿的最大應(yīng)力為103 MPa，在孔的部位，其余部位大致在69 MPa 以下，推桿的屈服強度為195 MPa，推桿得受力在彈性變化范圍內(nèi)。推桿的最大形變?yōu)?.057 mm，主要在受力面附近，變化范圍較小，均滿足設(shè)計要求。

圖8 推桿最大應(yīng)力情況分析

圖9 推桿最大應(yīng)變情況分析

3 往復搓洗毛巾機構(gòu)設(shè)計

參照圖10 往復搓洗機構(gòu)部分示意圖，直流減速電機帶動連桿機構(gòu)，拖動受力板在水平方向內(nèi)沿著導軌做往復運動受力板與導軌之間通過滑塊連接，可在水平方向靈活運動。使用時，要借助擠壓機構(gòu)的配合，將濕的毛巾放入搓洗板和受力板之間，再通過直流減速電機驅(qū)動，利用兩板對毛巾的摩擦力，實現(xiàn)搓洗功能。

圖10 往復搓洗機構(gòu)部分示意圖

4 毛巾自動清洗擰干機設(shè)計結(jié)果

4.1 毛巾自動清洗擰干機三維模型建立

根據(jù)以上結(jié)論使用Solidworks 建立娛樂機構(gòu)模型并與整體機構(gòu)進行安裝，最后的整體三維模型渲染圖如圖11 所示。

圖11 整體三維模型渲染圖

4.2 毛巾自動清洗擰干機實物樣機

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后加工制作出的健身娛樂康復器械實物樣機圖如圖12 所示。

圖12 毛巾自動清洗擰干機實物樣機

5 實物驗證

為了驗證毛巾自動清洗擰干機實物樣機的綜合性能參數(shù)是否滿足預估條件，對其機械性能與電氣性能進行多次實驗與數(shù)據(jù)測量并與項目初期的功能參數(shù)方案進行對照，發(fā)現(xiàn)毛巾自動清洗擰干機實物樣機在外形尺寸、傳動穩(wěn)定性，單次清洗時間等方面均滿足預期目標值。其中為測試其輸出轉(zhuǎn)速采用串口發(fā)送的方式于PC 端讀取編碼器捕獲信號數(shù)值，并結(jié)合下述公式：

多次計算出鏈輪轉(zhuǎn)動的速度，并與預期方案表進行對照。毛巾自動清洗擰干機實物樣機的預期參數(shù)表于實驗測得的數(shù)據(jù)表分別見表3 與表4。

表3 預期參數(shù)表

表4 實驗測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

設(shè)計了一種毛巾自動清洗擰干機，從設(shè)計方案、理論校驗計算等方面對產(chǎn)品進行了研究設(shè)計。運用了Solidworks 軟件對所設(shè)計的模型進行了有限元分析和運動學仿真，分析所設(shè)計的機構(gòu)的可靠性以及所選用的鏈輪結(jié)構(gòu)進行校驗。最后通過實物測試，在產(chǎn)品的各項指標都滿足技術(shù)和市場需求的情況下，進一步校驗了毛巾清洗擰干機的可靠性和合理性。