自动烘洗一体衣橱结构设计与有限元分析

周志雄;胡清明;宋雪健;许银萍;代金池;万田田

【摘 要】为解决衣物清洗和存储分离所带来的不便,提出了一种新型自动烘洗一体衣橱,该衣橱可通过一键式操作实现衣物的清洗、干燥、回收全自动化.建立了该一体化衣橱的三维结构模型,采用有限元分析软件对相关重要部件进行强度分析,得到其应力云图,验证该部件强度设计合理,满足设计要求. 【期刊名称】《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2019(035)003 【总页数】4页(P28-30,38)

【关键词】自动烘洗;有限元分析;应力;强度

【作 者】周志雄;胡清明;宋雪健;许银萍;代金池;万田田

【作者单位】齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006 【正文语种】中 文 【中图分类】TM925.33

社会快速发展和人们生活水平的提高使得人们对于衣物的清洗和整理的便利度提出

了越来越高的要求，传统洗衣机单纯的洗烘功能和衣柜存放分离难以满足居民快节奏的需求。另外，大城市房价问题也给卫生间的整体尺寸和空间设计带来了挑战。为此，本文基于TRIZ理论的组合合并原理，提出了将衣物清洗、干燥和回收存放三者组合，将其合理布置在一个狭小空间内，通过一键式操作实现衣物清洗、干燥和回收存储操作全自动化。 1 结构设计和工作原理

TRIZ理论是苏联发明家基于对高水平专利研究、归纳和整理的基础上创新的一套具有完事体系的发明问题解决理论，近年来得到国内外学者的广泛关注。现有的烘洗一体机仅能实现衣物的烘洗，而衣柜只能用于存储衣物，二者结构分析且功能相对单一，导致占地空间大，操作不便。运用TRIZ理论中的组合、合并原理，即从空间上将同类的物体或预定要相邻操作的物体进行合并或在时间上将同类或相邻的操作进行合并，整合系统的整体性和便利性的原理，本文提出了一种集烘洗存为一体的自动烘洗一体衣橱思想，如图1所示。该衣橱由转动衣架、洗衣区、传送装置、烘衣区和衣物存储区组成。衣物首先被悬挂在转动衣架上，衣物通过传送装置输送到洗衣区进行衣物清洗，衣物清洗完后进入烘衣区进行烘衣操作，最后被运送至衣物存放区实现存储功能。整个流程用户只需一键式操作即可完成衣物的清洗、烘干和存储功能。

对于衣物的清洗，为了满足每个功能模块的自动化进行，若采用传统滚筒洗衣机或波轮洗衣机的洗衣原理，在衣物的整理存放方面的机构设计将会十分复杂。因此，设备的清洗部分采用超声波的洗衣原理，利用超声波对水的空化作用完成清洗。基于此原理，与传统堆放成团的清洗方式相比，本结构采用衣物直接悬挂于衣架上进行清洗的“立体洗衣”方式更有利于衣物的全方位清洗。

图1 自动烘洗一体衣橱三维模型结构图1—转动衣架；2—导轨传送带；3—洗衣区；4—烘衣区；5—储衣区

导轨传送装置是连接各个功能区的关键，该装置由导轨、传送带、支持架、储衣杆组成。待洗衣物挂于转动衣架上，转动衣架上打挂钩挂于传送带上凹槽上，传送带将转动衣架上的衣物送入到洗烘主体箱，支持架将整个导轨传送装置固定在设备箱体上，衣物依次经过洗烘主体箱的清洗与烘干后将会被传送到储衣杆上，自动完成衣物的清洗、烘干和存放。 2 对重要零件的有限元分析 2.1 导轨有限元分析

导轨为3mm均匀厚度的铝合金板弯曲而成的U形槽，长度为1650mm。铝合金的密度为2770 kg/m3，抗拉屈服极限为280MPa，泊松比为0.33。采用ANSYS Workbench的static structural模块进行该结构静力分析。在三维实体设计软件UG中建立该导轨模型后导入采用六面体Solid185进行网格划分，单元数为12833个，网格划分如图2所示。添加约束和载荷边界条件如图3所示，其中上表面F,G,H三个区域分别受来自传送带支架施加的压力，即集中载荷50 N受，包含传送带自重及衣物的重量；在导轨滑槽内区域I和J设计额定载荷为分别为250N；其他标记区域为支撑位置，为固定约束。所选导轨材料为铝合金材质，其质量轻对分析结果影响不大，故自重可忽略不计。导轨侧由螺栓固定于洗洪主体箱上，在相应位置添加固定约束。 图2 导轨网格划分 图3 边界条件的设定

经有限元分析计算后可得求解结果如图4所示。由图可知，最大应力发生在靠近侧端的1/4处。采用Von-Misses屈服准则提取分析结果，则最大应力为σmax=57.414MPa，根据需求取安全系数n=2，则

由此可知满足设计要求。

图4 导轨求解结果应力云图 2.2 转动衣架有限元分析及其优化

转动衣架是与衣物直接接触的机构，在衣物清洗区、烘干区和存储区之间的运输载体，其结构如图5所示。同时，为实现衣物全面的彻底的清洗，转动衣架底部的转动板和衣挂将绕定轴做旋转运动，其结构如图6所示。在对衣物进行烘干时，通过转动衣架带动衣物高速旋转离心的方式进行衣物脱水甩干动作，此时部件将受到较大的载荷。因此，有必要对其进行瞬态动力分析以校核其强度。

在ANSYS Workbench 19.0中选择Transient Structural模块，将模型导入到geometry，衣架材料采用铝合金，划分网格如图7所示。设置边界条件如图8所示，其中带水衣物重量为75 N分别由4个衣框承受，假设载荷均匀，则衣框每边所受载荷为75/8 N；整个部件有绕中心轴的转速，设置最大转速为90 rad/s。 图5 转动衣架示意图 图6 转动板和衣挂 图7 转动衣架网格划分 图8 转动衣架边界条件

当转速为90rad/s时，其应力分布云图如图9所示，由图可知，最大应力为172.53MPa，超过了零件的许用极限应力[σ]=140MPa，因而，需要对此部件进行优化设计，由应力分布云图可知，衣挂的根部的应力分布较大，超过许用应力，采用将根部加固的方式以减小应力的方法将会使得部件的制造成本增加。衣挂载荷分布如图10所示，对其受力分析可得：

式中：F--最外层衣挂的总载荷；G--衣挂与衣物所受为重力；Fn--离心载荷；m--最外层衣挂与衣物的质量；ω--旋转角速度；r--旋转半径。 图9 转速为90rad/s时衣挂应力分布云图

图10 衣挂载荷分析

此处，部件的所受载荷Fn>>G，所以，通过减小旋转半径r，使得离心外力Fn降低、外载荷减小的方式来减小应力的是比较有效的。在相同的边界条件下，调整模型最外层衣挂的旋转半径r后进行有限元分析，得到半径-应力关系曲线如图11所示。由曲线可知，旋转半径在100～160mm区间时，最大应力随转速的增加而增大，与理论估算相吻合。当模型最外层衣挂的旋转半径为120mm的最大应力为125.64MPa，小于许用应用[σ]=140 MPa，满足设计要求。 图11 旋转半径与应力关系曲线 3 结束语

针对现有的家电无法将清洗、干燥、回收存放集为一体给城市上班族带来的不便，本文设计了一种可通过一键式操作实现衣物清洗、烘干、存放功能的一体化衣橱。通过建立该自动烘洗一体衣橱的三维实体模型，进行运动仿真和主要部件的有限元分析，证实所设计结构合理，满足强度要求。 参考文献：

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