衣物晾晒装置机械机构研究与设计

黄 鲁，郭家伟，韩飞坡，朱 全，刘 强

(马鞍山学院，安徽 马鞍山 243100)

据国家数据统计局统计数据表明，2021年全国住宅商品房平均销售价格为10139元/平方米，相较于上年又增长了8.58%[1]。近五年来，随着房价的不断上涨，人们开始热衷于购买小户型、低楼层，但住房空间的狭小又造成了室内通风、采光不良等问题困扰，也间接导致了阳台内部晾晒的衣物很难在短时间内吹干晒透，同时大量半湿衣物悬挂在阳台内也会遮挡室内采光。衣物晾晒问题也普遍出现在我国高校宿舍内，高校宿舍因为阳台占地面积小，采光性差，晾晒衣物数量多，因此在阳台内晾晒的衣物很难干透，特别是一些低楼层宿舍，更是无法利用阳光和自然风将衣物吹晒干。

目前主要通过两种方式来解决衣物晾晒问题，一是政府引导开设集中晾晒区或者进行室内空间改造[2]。通过改动、隔断、扩充等装修手段，将原有房型进行改造。虽然房屋改造的方式在一定程度上增大了房屋采光面，利于形成室内空气对流，但并没有从根本上解决在阳台内晾晒衣物的问题。二是开发、设计衣物晾晒装置。李钦生等[3]在对晾晒装置研究的基础上，设计了一种可自动打开或收起的防雨晾晒装置，虽然解决了衣物晾晒受天气因素影响的问题，但结构相对复杂，且可靠性有待提高。韦小奇等[4]设计了一种衣物可自动晾晒与折叠存放装置，通过电机的驱动收晾模块和折叠模块及转送模块完成衣物晾晒与折叠，虽然该装置功能多样，但结构复杂、占地面积大，且控制模块复杂。Zhou B等[5-10]针对晾衣方式空间利用率等缺点，设计了一种挂钩锁装置的衣物通风装置，采用钩自锁机理，运动静态平衡方程对系统稳定性进行了分析，该装置防风机制增强，衣物数量可任意增加，空间利用率得到提高，但结构系统复杂。

本文在结合现有衣物晾晒装置研究的基础上提出了一种电动伸缩式衣物晾晒装置，该装置可以安装在阳台下沿，并且可以将衣物伸出和收入阳台内部晾晒，结构简单、安装方便，可以大大节省空间，充分利用阳光和自然风，增大了衣物的采光面积，实现衣物的更好更快晾干。

1 电动伸缩式晾晒装置结构设计

1.1 晾晒作业模型建立

开发衣物晾晒装置必须先研究晾晒作业特性，晾晒作业特性包括晾晒体位特征和晾晒空间参数[11]。

图1 晾晒作业模型

图1所示为晾晒作业模型，查阅相关文献可知[12]，人体立姿垂直作业时，最舒适的作业范围是以肩关节为中心，半径为300mm左右的圆弧，由此可计算出衣架最低点距离地面高度H如式(1)所示。

H=h+300mm

(1)

公式(1)中h为立姿肩高。

根据《用于技术设计的人体测量基础项目》的有关规定[13]，采用直接测量法测量立姿作业相关参数，测量对象为200名年龄20～24岁、平均年龄22.8±1.9岁在校大学生，男女性各100名，运用人体测高仪对其立姿肩高、立姿髋高(立姿时，髋关节距离地面高度)及所住宿舍阳台距离地面高度进行测量记录，测量结果如表1所示。

表1 人体立姿作业测量结果

根据测量记录结果，男生宿舍衣架最小离地高度可以设计为1700mm，女生宿舍衣架最小离地高度可以设计为1600mm。本文以女生测量结果作为电动伸缩晾晒装置参数设计依据。

1.2 晾晒装置工作原理

图2所示为电动伸缩晾晒装置运动功能尺寸图，缸体、活塞、连杆及滑块组成双滑块机构。其中缸体上表面固定安装在阳台下沿，缸体下表面固定安装有支撑杆，支撑杆制有滑槽。推杆一端通过铰链F与滑槽内滑块相连，另一端通过铰链O与活塞相连。支撑杆、承载杆、连杆及曲柄构成平行四边机构。其中承载杆一端通过铰链E与支撑杆相连，另一端安装有衣架。连杆分别通过铰链C、铰链B与承载杆和曲柄相连。导杆一端通过铰链F和滑块相连，另一端通过铰链B与曲柄相连。

当活塞由O点运动至G点时，推杆推动滑块在滑槽内由F点运动至E点，导杆驱动曲柄由DB逆时针旋转90°至DB1，承载杆由EA逆时针旋转90°至EA1，晾晒装置由状态Ⅰ运动至状态Ⅱ。此时平行四边机构处于死点位置，衣架处于离地最低点，完成衣物取放；当向内推动衣架，同时活塞继续由G点运动至O点时，平行四边形机构克服死点位置逆时针旋转90°，晾晒装置由状态Ⅱ运动至状态Ⅲ，晾晒装置收入阳台内部；同理当向外推动衣架，同时活塞由G点运动至O点时，平行四边形机构克服死点位置顺时针旋转90°，晾晒装置由状态Ⅱ运动至状态Ⅰ，整个装置伸出阳台外部，完成衣物晾晒。

图2 运动功能尺寸图

1.3 晾晒装置运动功能尺寸计算

由运动功能尺寸图图2分析可知，当滑块由F点运动至E点时，曲柄由DB运动至DB1，承载杆由EA运动至EA1，此时衣架处于离地最低点，由前文立姿作业测量结果可知，H=1600mm。由运动过程分析可以推导出：

L=H+l+b=3000mm

(2)

l=a+500mm

(3)

式中：L为阳台距离地面高度，l为承载杆长度，b为铰链E与阳台上端间距离，亦即预留的安装位置，a为支撑杆中心轴线阳台最外端水平距离。根据设计要求，衣架要伸出阳台500mm，且a=300mm，计算可得：l=800mm，b=600mm。

由运动过程分析可知：

l=k+LDA

(4)

式中：k为晾晒衣物的长度，为使晾晒的衣物处于承载杆EA与曲柄DB内部，这里k值取为前文测量的平均髋高，即k=620mm，则计算可得曲柄长度：LDA=180mm。

由运动关系可知：LFB=LEA1=l=800mm，由此可以计算出滑块行程：

(4)

代入LEB=l=800mm，LDB=LDA1=180mm，LED=k=620mm，计算可得滑块行程：s1=159.5mm。

同理，由运动关系可知：LOF=LGE=b=600mm，由此可以计算出活塞行程s2：

(5)

代入LOF=600mm，LGE=600mm，LFE=159.5mm，计算可得活塞行程：s2=407.4mm。

1.4 晾晒装置三维建模

依据前文计算所得各构件尺寸，运用SoildWorks三维建模软件建立了如图3所示的衣物晾晒装置三维模型。

图3 晾晒装置三维模型

为验证衣物晾晒装置运动特性能否满足设计要求，在不影响运动精度的前提下，对晾晒装置运动模型进行了简化，并将运动模型导入ADAMS动力学仿真软件[14-15]，衣物晾晒装置动力学模型如图4所示。根据各个构件之间的约束关系，在Adams View软件环境内添加各个构件间运动副，编辑质量属性、添加接触及驱动，进行晾晒装置运动仿真试验。根据运动仿真试验结果绘制衣架杆随活塞行程的位移变化曲线，滑块随活塞行程的位移变化曲线以及晾晒装置在运动过程衣架杆角加速度变化曲线。

图4 衣物晾晒装置动力学模型

2 晾晒装置运动仿真试验结果分析

图5所示为晾晒装置由状态Ⅰ(伸出晒衣状态)运动至状态Ⅱ(取放衣物状态)过程中，衣架杆随活塞行程的位移变化曲线。由变化曲线分析可知，当活塞与坐标原点水平距离为407.4mm时，衣架杆与坐标原点垂直距离为2400mm，而当活塞与坐标原点水平距离为0mm时，衣架杆与坐标原点垂直距离为1600mm，由此可计算出活塞行程为407.4mm，与前文理论计算一致。同时可知，当衣架杆运动至状态Ⅱ时，衣架杆距离地面最小距离为1600mm，人体处于最舒适取放衣物作业范围，表明衣物晾晒装置符合设计要求。

图5 衣架杆位移变化曲线

图6所示为晾晒装置由状态Ⅰ(伸出晒衣状态)运动至状态Ⅱ(取放衣物状态)过程中，滑块随活塞移动的位移变化曲线。由变化曲线分析可知，当活塞与坐标原点水平距离为407.4mm时，滑块与坐标原点垂直距离为2559.5mm，而当活塞与坐标原点水平距离为0mm时，滑块与坐标原点垂直距离为2400mm，由此可计算出滑块行程为159.5mm，与前文理论计算一致。

图6 滑块位移变化曲线

图7所示为晾晒装置由状态Ⅰ(伸出晒衣状态)运动至状态Ⅱ(取放衣物状态)过程中，衣架杆随活塞移动的角加速度变化曲线。由变化曲线分析可知，衣架杆在运动过程中最大角加速度值为4.942E-10，整个运动过程中角加速度趋近于0，表明衣物在伸出晾晒过程中基本稳定，不会随着衣架杆的运动而振荡，表明运动稳定性较好。

图7 衣架杆角加速度变化曲线

3 结论

通过衣物晾晒装置运动过程仿真试验分析可以得到以下结论。

(1)通过双滑块机构与平行四边形机构的组合，可以实现衣物的伸出与收入阳台内部的晾晒，所设计的衣物晾晒装置结构简单，安装方便，可以在社区住宅及校园宿舍推广使用。

(2)在取放衣物时，衣架与地面的距离为1600mm，此时人体处于最舒适作业区域，且晾晒装置在运动过程中，衣物基本处于稳定状态，不会发生明显振荡，运动稳定性较好。

该装置虽然能在一定程度上解决了衣物晾晒问题，但并未实现智能化，后期将在晾衣架上安装雨滴和湿度传感器以判断天气情况，实现衣物的自动晾晒及回收。