薛興虎，王方艷，楊光，潘永菲

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，萬(wàn)物互聯(lián)離人們的生活也越來(lái)越近，人們的日常生活起居也越來(lái)越多地使用智能控制，智能家居成為未來(lái)家居的發(fā)展方向，為人們提供更好的服務(wù)[1]。智能鞋柜作為智能家居的重要組成部分，在日常生活中使用頻率非常高，直接影響用戶生活舒適性及質(zhì)量。隨著智能化、信息化水平的提高，智能鞋柜逐漸融合電子傳感等技術(shù)，功能也日益完善[2-3]。當(dāng)前，智能鞋柜主要有抽屜式智能鞋柜、門式智能鞋柜、翻斗式智能鞋柜，在具備一定的智能功能基礎(chǔ)上，具有良好的擱放、存儲(chǔ)功能，但仍存在使用效率低、臭氧需求高、二次污染等問題。常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院提出一種插掛式智能鞋柜，在秉承儲(chǔ)存功能的基礎(chǔ)上，對(duì)使用空間進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以提高使用效率，該研究為智能鞋柜結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)，但其研究主要停留在理論階段，并沒有設(shè)計(jì)出相應(yīng)的插掛裝置，對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能鞋柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等問題尚存在不足[4]。

因此，本研究針對(duì)目前智能鞋柜使用效率低、臭氧需求高、二次污染等問題，設(shè)計(jì)一種插掛式智能鞋柜，智能鞋柜整體采用旋轉(zhuǎn)式與插掛式相結(jié)合的存儲(chǔ)方式，插掛裝置可安裝臭氧發(fā)生器，存放鞋子時(shí)，插掛裝置可直接伸入鞋內(nèi)部釋放臭氧，改善了臭氧需要充盈整個(gè)鞋柜才能達(dá)到除臭效果的現(xiàn)狀，降低了二次污染的可能性。最后，通過(guò)Workbench優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保鞋柜結(jié)構(gòu)及工作強(qiáng)度符合要求。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

插掛式智能鞋柜主要包括機(jī)械部分、控制部分，機(jī)械部分主要由柜體、氣彈簧、鞋架、套筒等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鞋柜柜身由鞋柜蓋和鞋柜外殼組成，OLED顯示屏安裝在鞋柜外殼表面，鞋柜蓋位于鞋柜外殼的上方，并在頂部設(shè)有把手，底部安裝控制系統(tǒng)。氣彈簧的兩端分別通過(guò)軸承與鞋柜蓋和鞋柜體連接，其上部的外側(cè)設(shè)有套筒，套筒的頂部與氣彈簧頂部固定連接，沿套筒的軸向至少設(shè)有一層鞋架，鞋架與套筒連接，鞋架上安裝有掛鉤。

如圖1c所示，鞋架包括兩個(gè)半圓形支架，兩半圓形支架的一側(cè)端部之間鉸接，另一側(cè)端部之間通過(guò)鎖定裝置固定連接。半圓形支架包括環(huán)形板，環(huán)形板的環(huán)形外側(cè)間隔固定有數(shù)個(gè)掛鉤，環(huán)形板的環(huán)形內(nèi)側(cè)間隔固定有數(shù)根徑向的支撐桿。支撐桿的一端與環(huán)形板固定連接，另一端固定有弧形連接板，弧形連接板包裹在套筒的外側(cè)，其中一弧形連接板的環(huán)形內(nèi)側(cè)設(shè)有固定塊。套筒上設(shè)有固定孔和調(diào)節(jié)軌道，調(diào)節(jié)軌道沿套筒的軸向設(shè)置，沿套筒的軸向間隔設(shè)置數(shù)個(gè)固定孔，固定孔與調(diào)節(jié)軌道連通，固定塊卡在固定孔內(nèi)時(shí)，套筒與鞋架之間固定連接，固定塊沿調(diào)節(jié)軌道上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了鞋架的位置調(diào)節(jié)，同時(shí)可以調(diào)節(jié)各層鞋架之間的距離。

圖1 智能鞋柜結(jié)構(gòu)

鞋柜整體框架可以根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)成若干個(gè)層次，每一層的高度可以通過(guò)套筒進(jìn)行調(diào)節(jié)，快捷方便。為了提高鞋柜的收納容量，內(nèi)部采用插掛式和旋轉(zhuǎn)式相結(jié)合的存儲(chǔ)方式，通過(guò)用戶對(duì)顯示屏的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)鞋柜的自動(dòng)打開與關(guān)閉。

1.2 工作原理

在存儲(chǔ)鞋子時(shí)，用戶通過(guò)OLED顯示屏啟動(dòng)裝置，由控制模塊發(fā)出命令，在氣彈簧的作用下，帶動(dòng)鞋架緩緩上升直至達(dá)到最大高度。開啟鞋架上的鎖定裝置，將鞋架安放到套筒上，使得固定塊沿調(diào)節(jié)軌道上下滑動(dòng)，安裝多層鞋架可調(diào)節(jié)鞋架間距離，最后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使得固定塊卡在固定孔內(nèi)，完成套筒與鞋架的固定連接。

將鞋子插掛在掛鉤上后，需要壓縮固定夾板和移動(dòng)夾板之間的距離，固定夾板和移動(dòng)夾板伸入鞋內(nèi)，完成鞋子放置。控制系統(tǒng)發(fā)出命令關(guān)閉鞋柜，鞋架在氣彈簧的帶動(dòng)下緩緩移動(dòng)至鞋柜體的底部，鞋柜關(guān)閉(圖2)。

圖2 鞋子存儲(chǔ)示意圖

智能鞋柜可以針對(duì)具體情況適當(dāng)局部加熱來(lái)達(dá)到祛濕效果以及通過(guò)釋放臭氧達(dá)到殺菌除臭效果。智能鞋柜裝有溫濕度檢測(cè)元件、殺菌燈、PTC加熱器以及顯示屏等，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)STC89C52單片機(jī)的控制向每個(gè)元件傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)[5-8]。利用臭氧發(fā)生器和紫光燈組成除臭模塊，除臭裝置安裝在掛鉤上，可伸入鞋內(nèi)部，通過(guò)處理器的智能檢測(cè)和控制算法，定點(diǎn)定量釋放臭氧，完成高效除臭。利用PTC加熱器和風(fēng)扇組成干燥模塊，實(shí)現(xiàn)祛濕防霉功能，風(fēng)扇安裝在絲桿導(dǎo)軌上，絲桿導(dǎo)軌分別與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)風(fēng)扇沿絲桿導(dǎo)軌的軸向上下移動(dòng)。利用加濕器和風(fēng)扇組成除塵模塊，風(fēng)扇能夠促進(jìn)水霧的蒸發(fā)過(guò)程，有效提升鞋柜內(nèi)濕度[9]，霧化鞋面灰塵，進(jìn)行除塵功能。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖3 智能鞋柜控制系統(tǒng)原理圖

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1 支撐系統(tǒng)

插掛式智能鞋柜的支撐系統(tǒng)主要由氣彈簧、套筒組成，套筒安裝在氣彈簧外表面，長(zhǎng)度為34 mm，調(diào)節(jié)軌道沿套筒的軸向設(shè)置，寬度為10 mm，沿套筒的軸向間隔設(shè)置數(shù)個(gè)固定孔，固定孔與調(diào)節(jié)軌道連通。用戶可通過(guò)套筒完成調(diào)節(jié)鞋架間距功能。

氣彈簧是鞋柜的主要支撐部件，氣彈簧桿的力主要是鐵管和外界大氣壓作用于活塞桿橫截面上的壓力差[10](圖4)。鞋柜滿載后，對(duì)氣彈簧的型號(hào)進(jìn)行選擇，打開鞋柜所需要的力F開、關(guān)閉鞋柜所需要的力F關(guān)滿足：

圖4 氣彈簧工作原理示意圖

F開=Fm+PΔS-FR(伸展行程)

(1)

F關(guān)=PΔS+FR-Fm(壓縮行程)

(2)

式中：Fm為鞋子的總重力，N；P為密封缸中高壓氣體壓強(qiáng)，Pa；ΔS為有桿腔和無(wú)桿腔活塞截面積差，cm2；FR為氣彈簧內(nèi)部的摩擦力，N。

為完成對(duì)鞋柜的升降動(dòng)作，既要保證升降的平穩(wěn)運(yùn)行，又要保證在鞋柜滿載的情況下，能承受住徑向力，保證提升的同時(shí)不會(huì)因徑向力而造成卡頓等現(xiàn)象?？紤]鞋子質(zhì)量，以運(yùn)動(dòng)休閑鞋為例，一雙鞋0.75～1.00 kg，一般來(lái)說(shuō)戶外鞋質(zhì)量較大，可達(dá)1.00 kg，運(yùn)動(dòng)鞋次之，休閑鞋最輕。目前鞋柜容量8雙鞋為80 N，F(xiàn)關(guān)為20 N,因此選擇氣彈簧壓力值為100 N，考慮鞋柜外殼直徑320 mm、高400 mm，因此安裝總長(zhǎng)選擇680 mm，氣彈簧選擇型號(hào)YQL680-240-22-10-100N，具體數(shù)據(jù)為安裝總長(zhǎng)680 mm，行程240 mm，外管直徑22 mm，內(nèi)管直徑10 mm，壓力值100 N。

2.2 插掛裝置

插掛裝置主要由鞋架和掛鉤組成，為了滿足不同用戶需求，本研究設(shè)計(jì)插掛裝置可隨意拆換，由用戶自己選擇安裝數(shù)量，更加便捷。鞋架安裝在套筒上，主要部分由兩個(gè)半圓形支架鉸接組成環(huán)形板和內(nèi)側(cè)弧形連接板組成，環(huán)形板直徑為200 mm、高為20 mm，弧形連接板外徑30 mm、內(nèi)徑25 mm，其中內(nèi)徑上設(shè)有固定塊，寬度為10 mm、厚度5 mm，可配合套筒完成調(diào)節(jié)功能。掛鉤固定在鞋架上，主要由連接架、固定夾板、移動(dòng)夾板等組成，連接架呈倒T形，長(zhǎng)度為120 mm、直徑為5 mm，移動(dòng)夾板寬度為22 mm、厚度為14 mm、弧長(zhǎng)為60 mm，固定夾板弧長(zhǎng)為85 mm，移動(dòng)夾板的中上端與固定架板之間通過(guò)連接彈簧連接，固定夾板和移動(dòng)夾板之間設(shè)有臭氧發(fā)生器安裝孔(圖5)。因此，臭氧發(fā)生器可伸入鞋內(nèi)部，從而解決鞋內(nèi)部除臭效果差等一系列問題。

圖5 掛鉤

掛鉤需要壓縮固定夾板和移動(dòng)夾板之間的距離，使固定夾板和移動(dòng)夾板伸入鞋內(nèi)(圖6)。因此，連接固定夾板和移動(dòng)夾板之間的彈簧選擇很重要，掛鉤采用圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧，最大工作扭矩時(shí)扭轉(zhuǎn)角φn、剛度T′、有效圈數(shù)n滿足：

圖6 掛鉤彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(3)

式中：Tn為工作扭矩，N·mm；T′為剛度，N·mm/(°)。

(4)

式中：E為彈性模量，MPa；n為有效圈數(shù)；d為材料直徑，mm；D為外徑，mm。

(5)

式中：φ為工作扭轉(zhuǎn)角，(°)；Tn為工作扭矩，N·mm；T1為最小工作扭矩，N·mm。

查表可得彈性模量E為7.8×104MPa，考慮普通鞋碼鞋子的鞋寬結(jié)合實(shí)際前腳掌高度，選擇彈簧支撐高度5～10 cm，外徑D為12 mm，線徑d為1.0 mm，自由狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)角φ1為90°，工作狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)角φn為45°，T′剛度為20 N·mm，有效圈數(shù)n為15，研究得到此時(shí)的固定架板和移動(dòng)夾板可以緊貼鞋內(nèi)壁，保證鞋子懸掛時(shí)穩(wěn)定。

3 插掛裝置的靜力分析

3.1 模型建立

ANSYS Workbench是新一代的產(chǎn)品研發(fā)集成平臺(tái)，作為大型的通用CAE軟件，其計(jì)算精度已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)得到了驗(yàn)證。運(yùn)用傳統(tǒng)家具結(jié)點(diǎn)性能檢測(cè)方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，對(duì)材料消耗較大[11-13]。因此，采用有限元軟件對(duì)模型施加載荷，分析模型產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變。

插掛裝置作為鞋柜整體的重要組成部分，借助Solid Works三維軟件建立插掛裝置的虛擬仿真模型，利用Solid Works與ANSYS Workbench無(wú)縫連接端口完成模型的導(dǎo)入，建立模型大地坐標(biāo)系，并在Model里進(jìn)行零部件材料賦予和網(wǎng)格的劃分[14]。其材料為PVC泡沫塑料，定義材料屬性中密度80 g/mm3，剪切模量3.923 1×107GPa，泊松比0.3。模型中一些不必要的結(jié)構(gòu)特征會(huì)對(duì)劃分網(wǎng)格產(chǎn)生影響，在保證結(jié)構(gòu)不變的情況下對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，避免了格式轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)丟失[15]，通過(guò)對(duì)插掛裝置強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析可預(yù)測(cè)易發(fā)生破壞的位置，為插掛類鞋柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供研究基礎(chǔ)。

3.2 載荷加載及強(qiáng)度分析

在工作中，插掛裝置為靜態(tài)受力，主要受到鞋子給予掛鉤的承載力。為了便于計(jì)算，將作用于插掛裝置上的力進(jìn)行理論計(jì)算及簡(jiǎn)化，并合成為Fx=0.943 4 N，F(xiàn)y=-0.964 37 N，F(xiàn)z=1.024 7 N。結(jié)合插掛裝置工作狀態(tài)及實(shí)際工作條件，將載荷分別施加于插掛裝置和掛鉤，以減少安裝誤差帶來(lái)的影響。對(duì)插掛裝置進(jìn)行分析時(shí)，選擇固定約束命令對(duì)插掛裝置安裝孔6個(gè)自由度進(jìn)行約束；對(duì)掛鉤進(jìn)行單獨(dú)分析時(shí)，選擇固定約束命令對(duì)掛鉤的安裝架6個(gè)自由度進(jìn)行約束[16]。加載如圖7所示。

圖7 加載圖

將插掛裝置三維模型按照實(shí)際空間工作位置導(dǎo)入ANSYS Workbench，采用Tetrahedrons四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，精度定義為100，節(jié)點(diǎn)數(shù)為597 863，單元數(shù)為136 727，并將滿載時(shí)鞋子重力載入，分析插掛裝置的形變和等效應(yīng)力情況。插掛裝置變形云及等效應(yīng)力云如圖8所示。

由圖8a可知，插掛裝置的變形主要分布在放置掛鉤的位置，最大形變?yōu)?.379 1 mm，小于PVC泡沫塑料的延伸率3.825%，不會(huì)影響整體裝置工作性能，也不足以引起機(jī)構(gòu)間的干涉，可忽略不計(jì)。由圖8b可知，插掛裝置的最大應(yīng)力點(diǎn)分布在銜接處，且最大等效應(yīng)力67.788 MPa，小于PVC泡沫塑料材料的屈服強(qiáng)度，可以滿足零件的強(qiáng)度要求。

圖8 插掛裝置變形云及等效應(yīng)力云圖

綜合以上分析可知，智能鞋柜的插掛裝置部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，關(guān)鍵零部件的變形量與應(yīng)力均在材料允許的范圍內(nèi)，滿足工作強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)要求。

4 鞋柜性能分析

為檢驗(yàn)插掛式鞋柜各項(xiàng)性能是否滿足要求，分別選取抽屜式智能鞋柜和門式智能鞋柜進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)主要從除臭效率和空間利用率兩方面進(jìn)行分析，鞋柜通過(guò)檢測(cè)鞋子內(nèi)部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)臭氧濃度(100 mg/L)的時(shí)間進(jìn)行除臭效率分析。3種智能鞋柜臭氧發(fā)生器均采用小功率管式臭氧發(fā)生器，其性能參數(shù)和工作條件為：功率100 W，質(zhì)量濃度≥20 mg/m3,臭氧產(chǎn)量≥10 g/h,電壓峰值3.545 kV，頻率為15 kHz。選定鞋柜的收納容積均為150 L，通過(guò)存儲(chǔ)鞋子數(shù)量與收納容積的比值得到空間利用率，結(jié)果如表1所示。

表1 鞋柜性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知，插掛式智能鞋柜能提高工作效率，縮短了70%工作時(shí)間，在150 L存儲(chǔ)容積下，可存儲(chǔ)20雙鞋子，空間利用率為0.13%。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)一種插掛式智能鞋柜，具有高效除臭、祛濕、除塵功能。該鞋柜采用插掛式結(jié)構(gòu)提高臭氧利用率及安全性，結(jié)合鞋架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提升空間利用率。借助三維虛擬樣機(jī)技術(shù)及ANSYS軟件優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，得到關(guān)鍵零部件的變形量與應(yīng)力云圖，校核其強(qiáng)度及剛度。最后，通過(guò)裝置的試制和試驗(yàn)得出其強(qiáng)度剛度滿足實(shí)際需求，具有良好的可靠性及合理性。該插掛式智能鞋柜是一種值得推廣的實(shí)用型智能鞋柜。