毛巾自動清洗擰干機的機械結構設計與有限元分析

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，結構較為簡單，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和擠壓擰干機構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，實現了實現毛巾的快速高效清洗、擰干。

1 毛巾自動清洗擰干機的結構設計

1.1 工作原理介紹

毛巾自動清洗擰干機由擠壓擰干機構、 往復搓洗機構及其控制系統等組成，毛巾自動清洗擰干機整機結構如圖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，通過32 單片機的控制，此時毛巾擠壓機構工作，調整V 型槽角度，即增大搓洗板與毛巾之間的摩擦力；搓洗機構工作，直流減速電機帶動偏心輪轉動，進而曲柄連桿機構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在鏈條傳動的連桿機構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 整機結構圖

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日常清洗毛巾并且在清洗結束之后擰干毛巾。

1.2 設計要求

毛巾自動清洗擰干機的主要任務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。該裝置的設計指標如下表1 所列。

表1 預期參數表

2 擠壓擰干機構

2.1 鏈輪與鏈條參數

擠壓擰干機構主要實現將清洗結束之后的毛巾進行擰干。通過設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，節距為6.35 mm 的鏈輪，鏈輪材料為45#鋼，經高頻淬火。具體理論計算如下：

根據本項目設計方案，施力板若需達到1 600 N的力，主動輪轉速為n1= 10 r/min，從動鏈輪的轉速n2= 10 r/min。載荷平穩，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Z1參數選取如表2 所示。

表2 按線速度v 選取小鏈輪齒數

表2 按線速度v 選取小鏈輪齒數

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

由主動輪的轉速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

鏈節數計算［4］：

根據鏈節數計算公式：

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

鏈條傳動速度：

鏈條的工作功率：

單側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，經試驗得 θ = 15°；F 為擠壓力［6］。

設計功率P0= kAP，kA為工況系數。查鏈輪傳動工作系數表得kA= 1，則P0= kAP = 1.05 kW

鏈條傳遞功率：

2.2 結構介紹

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，從而達到擠壓的效果。

圖4 擠壓擰干機構部分示意圖

圖5 為擠壓擰干構裝配圖

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，滿足設計要求。

查表可知鋁板和毛巾的摩擦系數為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 擠壓板最大應力情況分析

圖7 擠壓板最大應變情況分析

由圖8、9 分析可得，推桿的最大應力為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。推桿的最大形變為0.057 mm，主要在受力面附近，變化范圍較小，均滿足設計要求。

圖8 推桿最大應力情況分析

圖9 推桿最大應變情況分析

3 往復搓洗毛巾機構設計

參照圖10 往復搓洗機構部分示意圖，直流減速電機帶動連桿機構，拖動受力板在水平方向內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動，利用兩板對毛巾的摩擦力，實現搓洗功能。

圖10 往復搓洗機構部分示意圖

4 毛巾自動清洗擰干機設計結果

4.1 毛巾自動清洗擰干機三維模型建立

根據以上結論使用Solidworks 建立娛樂機構模型并與整體機構進行安裝，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

對結構優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據測量并與項目初期的功能參數方案進行對照，發現毛巾自動清洗擰干機實物樣機在外形尺寸、傳動穩定性，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速采用串口發送的方式于PC 端讀取編碼器捕獲信號數值，并結合下述公式：

多次計算出鏈輪轉動的速度，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表于實驗測得的數據表分別見表3 與表4。

表3 預期參數表

表4 實驗測試數據

6 結語

設計了一種毛巾自動清洗擰干機，從設計方案、理論校驗計算等方面對產品進行了研究設計。運用了Solidworks 軟件對所設計的模型進行了有限元分析和運動學仿真，分析所設計的機構的可靠性以及所選用的鏈輪結構進行校驗。最后通過實物測試，在產品的各項指標都滿足技術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。