雨伞脱水机的设计＊

金荣通，马佳彬，李丰伸，钱 懿

（湖州师范学院求真学院，浙江 湖州 313000）

雨伞是人们生活的必需品，而湿雨伞一直以来都是人们烦恼的问题。每到下雨天，湿漉漉的雨伞被带进图书馆、商场、学校等一些公共场所，伞布上积累的水珠落在地板上，会造成地面积水，容易打滑，这样便会严重威胁到老人、小孩的安全。而这个问题不可避免地增加了清洁工人的工作强度，而且影响了环境整洁度。出于多方面考虑，一种能使雨伞在短时间内脱水的设备就有待研究设计。

1 雨伞脱水设备的研究现状

在现有技术中，也出现了利用离心力来实现雨伞脱水的装置，比如CN 103196283 A所公开的一种雨伞脱水机，是通过把湿的雨伞倒在辐条型的内桶里，再使用电机带动内桶做高速旋转运动，使雨伞产生离心力，从而实现雨伞的脱水。这种脱水机的缺点在于，由于雨伞处于收拢状态，伞布有折叠夹层，如果完全依靠电机带动内桶旋转所产生的离心力，雨伞上的水珠不易被甩开，这样就会导致脱水的效果差，效率低；收拢时的雨伞骨架松散，而内筒的转速需要达到800～1000 r/min，这般高速的转动难免造成雨伞的使用寿命下降，得不偿失。

2 雨伞脱水机总体设计

市面上雨伞的种类很多，每种类型的伞折拢后有水伞面的位置不尽相同，直伞和折叠伞的收拢形状也不同。这些多样化的雨伞给雨伞快速脱水装置的研究造成一定的困难。但是不管是什么类型的雨伞，都有一个共同的形状。当雨伞撑开时，雨伞伞面弧形铺开，且伞骨都被伞布稳稳地固定，这种形状的雨伞更容易去除水滴。本文由此入手开始设计雨伞脱水装置。伞柄定心夹持机构夹持雨伞伞柄并定位雨伞，之后伞柄摩擦驱动旋转机构的3个摩擦轮接触伞柄，通过摩擦力带动雨伞旋转。在旋转的过程中，通过吸水腔内的吸水海绵吸走伞面绝大多数水分。

2.1 伞柄定心夹持机构设计

在查阅大量现有的夹持机构资料后，本文利用双向丝杆的对称特性，当丝杠旋转时，2个运动机件随着丝杆螺母快速靠近或远离，优点在于能满足定心的要求。

丝杆分为滚珠丝杆和梯形丝杆2种，在本机构中，夹持机构扮演着使伞柄中心归中水平的角色，不需要多次定位，且滚珠丝杆不能自锁，所以最后选择价格低廉、能够自锁的梯形丝杆。将丝杆两端固定并配合直线导轨约束丝杆螺母的圆周运动，将直线导轨安装在丝杆侧面，且与伞柄中心两侧对称。直线导轨与梯形丝杆法兰螺母之间用一个钣金件连接，该钣金件也起着接触伞柄的作用。为了让伞柄能正好进入该机构可以夹持的区域，特意在安装板上挖出一个导引槽，只需将雨伞伞柄放入导引槽，伞柄就会进入夹持区。

伞柄定心夹持机构具体结构如图1所示。

2.2 主动摩擦轮的机构设计与计算

主动摩擦轮内孔为六角孔，其轴为六角棒并在两端车圆放置轴承。在轴端一侧有同步带轮，连接放置在主动摩擦轮安装板上的直流电机。如果直流电机被固定在安装板上，当摩擦轮移动时，将会改变摩擦轮轴与电机轴之间的距离，使同步带传动不可靠。为了解决这个问题，提出2个方案：①将电机安装在摩擦轮支架上，让电机跟随摩擦轮移动。该方案的缺点在于所用电机尺寸相对于摩擦轮过大，这种安装结构所需空间较大。②在电机安装支架和摩擦轮支架上，以两轴中心线之间的直线为边，设计平行四边形结构。这一方案一方面解决了机构体积问题，使空间得到充分利用；另一方面减轻了丝杆螺母升降机构的质量负担。因此在电机安装支架和摩擦轮支架上设置了球头连杆。随着运行时间越来越长，同步带轮会产生磨损，因此需在球头连杆上设置螺纹，可改变球头连杆的长度，张紧同步带。

主动摩擦轮机构具体结构如图2、图3所示。

经测量，使伞柄启动旋转，其截面圆周上的切向力Fτ大约为15 N，摩擦轮的半径r＝23 mm。由转矩计算公式得T＝345 N/mm，需选用小型但功率足够的减速直流电机。

2.3 伞面吸水擦拭腔概述

如图4所示，伞面吸水擦拭腔主要由挡水圈、弧形海绵支座组成。低速旋转的雨伞转速为100 r/min，在极短的时间内即可转完一周，与伞面接触的海绵将会在旋转的过程中擦走水分，挡水圈可以防止水滴向外溅射，并搜集海绵中滴下的水分，使其经过导水槽被引入下水道。

2.4 控制方案设计及说明

控制方面，使用性能优良的STC12C5A60S2单片机，其高速、低功耗、超强抗干扰的优点有助于提高设备运行的稳定性。系统控制流程如下：①庸光电开关检测装置中轴线是否有雨伞，如果有雨伞，进行下一步，没有雨伞，则一直等待，等待过程中亮绿灯，表示装置处于空闲状态；②雨伞放入机器中，光电开关检测到雨伞，此时绿灯灭，红灯亮，夹持步进电机4号和5号同时正转，夹紧机构向中轴线运动；③接近开关接近到伞柄，步进电机电机停止转动；④随后，驱动旋转步进电机1号、2号、3号同时正转，摩擦轮向伞柄运动，等待光电开关响应；⑤待光电开关现响应后，驱动旋转步进电机1号、2号、3号全部停止；⑥全速启动直流电机，延时1 s后半速转动直流电机；⑦等待20 s，待雨伞干净；⑧直流电机停止工作；⑨5个步进电机同时反转，等待机构碰到固定的限位开关，5个步进电机独立停止。⑩红灯灭，绿灯亮，等待进入下一次循环。

3 总结

本设计主要包括伞柄自动定心机构的设计、主动摩擦轮的设计、从动摩擦轮的设计、擦拭腔的设计、电气电路设计和程序编写。雨伞的质量很轻，装置的实际工作载荷较小，按理论经验，这些部件是拥有足够寿命的，在此不再赘述。

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