黃 魯，郭家偉，韓飛坡，朱 全，劉 強(qiáng)

(馬鞍山學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

據(jù)國家數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2021年全國住宅商品房平均銷售價(jià)格為10139元/平方米，相較于上年又增長了8.58%[1]。近五年來，隨著房價(jià)的不斷上漲，人們開始熱衷于購買小戶型、低樓層，但住房空間的狹小又造成了室內(nèi)通風(fēng)、采光不良等問題困擾，也間接導(dǎo)致了陽臺內(nèi)部晾曬的衣物很難在短時(shí)間內(nèi)吹干曬透，同時(shí)大量半濕衣物懸掛在陽臺內(nèi)也會(huì)遮擋室內(nèi)采光。衣物晾曬問題也普遍出現(xiàn)在我國高校宿舍內(nèi)，高校宿舍因?yàn)殛柵_占地面積小，采光性差，晾曬衣物數(shù)量多，因此在陽臺內(nèi)晾曬的衣物很難干透，特別是一些低樓層宿舍，更是無法利用陽光和自然風(fēng)將衣物吹曬干。

目前主要通過兩種方式來解決衣物晾曬問題，一是政府引導(dǎo)開設(shè)集中晾曬區(qū)或者進(jìn)行室內(nèi)空間改造[2]。通過改動(dòng)、隔斷、擴(kuò)充等裝修手段，將原有房型進(jìn)行改造。雖然房屋改造的方式在一定程度上增大了房屋采光面，利于形成室內(nèi)空氣對流，但并沒有從根本上解決在陽臺內(nèi)晾曬衣物的問題。二是開發(fā)、設(shè)計(jì)衣物晾曬裝置。李欽生等[3]在對晾曬裝置研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)打開或收起的防雨晾曬裝置，雖然解決了衣物晾曬受天氣因素影響的問題，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且可靠性有待提高。韋小奇等[4]設(shè)計(jì)了一種衣物可自動(dòng)晾曬與折疊存放裝置，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)收晾模塊和折疊模塊及轉(zhuǎn)送模塊完成衣物晾曬與折疊，雖然該裝置功能多樣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大，且控制模塊復(fù)雜。Zhou B等[5-10]針對晾衣方式空間利用率等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種掛鉤鎖裝置的衣物通風(fēng)裝置，采用鉤自鎖機(jī)理，運(yùn)動(dòng)靜態(tài)平衡方程對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，該裝置防風(fēng)機(jī)制增強(qiáng)，衣物數(shù)量可任意增加，空間利用率得到提高，但結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜。

本文在結(jié)合現(xiàn)有衣物晾曬裝置研究的基礎(chǔ)上提出了一種電動(dòng)伸縮式衣物晾曬裝置，該裝置可以安裝在陽臺下沿，并且可以將衣物伸出和收入陽臺內(nèi)部晾曬，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，可以大大節(jié)省空間，充分利用陽光和自然風(fēng)，增大了衣物的采光面積，實(shí)現(xiàn)衣物的更好更快晾干。

1 電動(dòng)伸縮式晾曬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 晾曬作業(yè)模型建立

開發(fā)衣物晾曬裝置必須先研究晾曬作業(yè)特性，晾曬作業(yè)特性包括晾曬體位特征和晾曬空間參數(shù)[11]。

圖1 晾曬作業(yè)模型

圖1所示為晾曬作業(yè)模型，查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知[12]，人體立姿垂直作業(yè)時(shí)，最舒適的作業(yè)范圍是以肩關(guān)節(jié)為中心，半徑為300mm左右的圓弧，由此可計(jì)算出衣架最低點(diǎn)距離地面高度H如式(1)所示。

H=h+300mm

(1)

公式(1)中h為立姿肩高。

根據(jù)《用于技術(shù)設(shè)計(jì)的人體測量基礎(chǔ)項(xiàng)目》的有關(guān)規(guī)定[13]，采用直接測量法測量立姿作業(yè)相關(guān)參數(shù)，測量對象為200名年齡20～24歲、平均年齡22.8±1.9歲在校大學(xué)生，男女性各100名，運(yùn)用人體測高儀對其立姿肩高、立姿髖高(立姿時(shí)，髖關(guān)節(jié)距離地面高度)及所住宿舍陽臺距離地面高度進(jìn)行測量記錄，測量結(jié)果如表1所示。

表1 人體立姿作業(yè)測量結(jié)果

根據(jù)測量記錄結(jié)果，男生宿舍衣架最小離地高度可以設(shè)計(jì)為1700mm，女生宿舍衣架最小離地高度可以設(shè)計(jì)為1600mm。本文以女生測量結(jié)果作為電動(dòng)伸縮晾曬裝置參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2 晾曬裝置工作原理

圖2所示為電動(dòng)伸縮晾曬裝置運(yùn)動(dòng)功能尺寸圖，缸體、活塞、連桿及滑塊組成雙滑塊機(jī)構(gòu)。其中缸體上表面固定安裝在陽臺下沿，缸體下表面固定安裝有支撐桿，支撐桿制有滑槽。推桿一端通過鉸鏈F與滑槽內(nèi)滑塊相連，另一端通過鉸鏈O與活塞相連。支撐桿、承載桿、連桿及曲柄構(gòu)成平行四邊機(jī)構(gòu)。其中承載桿一端通過鉸鏈E與支撐桿相連，另一端安裝有衣架。連桿分別通過鉸鏈C、鉸鏈B與承載桿和曲柄相連。導(dǎo)桿一端通過鉸鏈F和滑塊相連，另一端通過鉸鏈B與曲柄相連。

當(dāng)活塞由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至G點(diǎn)時(shí)，推桿推動(dòng)滑塊在滑槽內(nèi)由F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至E點(diǎn)，導(dǎo)桿驅(qū)動(dòng)曲柄由DB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°至DB1，承載桿由EA逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°至EA1，晾曬裝置由狀態(tài)Ⅰ運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅱ。此時(shí)平行四邊機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，衣架處于離地最低點(diǎn)，完成衣物取放；當(dāng)向內(nèi)推動(dòng)衣架，同時(shí)活塞繼續(xù)由G點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至O點(diǎn)時(shí)，平行四邊形機(jī)構(gòu)克服死點(diǎn)位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，晾曬裝置由狀態(tài)Ⅱ運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅲ，晾曬裝置收入陽臺內(nèi)部；同理當(dāng)向外推動(dòng)衣架，同時(shí)活塞由G點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至O點(diǎn)時(shí)，平行四邊形機(jī)構(gòu)克服死點(diǎn)位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，晾曬裝置由狀態(tài)Ⅱ運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅰ，整個(gè)裝置伸出陽臺外部，完成衣物晾曬。

圖2 運(yùn)動(dòng)功能尺寸圖

1.3 晾曬裝置運(yùn)動(dòng)功能尺寸計(jì)算

由運(yùn)動(dòng)功能尺寸圖圖2分析可知，當(dāng)滑塊由F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至E點(diǎn)時(shí)，曲柄由DB運(yùn)動(dòng)至DB1，承載桿由EA運(yùn)動(dòng)至EA1，此時(shí)衣架處于離地最低點(diǎn)，由前文立姿作業(yè)測量結(jié)果可知，H=1600mm。由運(yùn)動(dòng)過程分析可以推導(dǎo)出：

L=H+l+b=3000mm

(2)

l=a+500mm

(3)

式中：L為陽臺距離地面高度，l為承載桿長度，b為鉸鏈E與陽臺上端間距離，亦即預(yù)留的安裝位置，a為支撐桿中心軸線陽臺最外端水平距離。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，衣架要伸出陽臺500mm，且a=300mm，計(jì)算可得：l=800mm，b=600mm。

由運(yùn)動(dòng)過程分析可知：

l=k+LDA

(4)

式中：k為晾曬衣物的長度，為使晾曬的衣物處于承載桿EA與曲柄DB內(nèi)部，這里k值取為前文測量的平均髖高，即k=620mm，則計(jì)算可得曲柄長度：LDA=180mm。

由運(yùn)動(dòng)關(guān)系可知：LFB=LEA1=l=800mm，由此可以計(jì)算出滑塊行程：

(4)

代入LEB=l=800mm，LDB=LDA1=180mm，LED=k=620mm，計(jì)算可得滑塊行程：s1=159.5mm。

同理，由運(yùn)動(dòng)關(guān)系可知：LOF=LGE=b=600mm，由此可以計(jì)算出活塞行程s2：

(5)

代入LOF=600mm，LGE=600mm，LFE=159.5mm，計(jì)算可得活塞行程：s2=407.4mm。

1.4 晾曬裝置三維建模

依據(jù)前文計(jì)算所得各構(gòu)件尺寸，運(yùn)用SoildWorks三維建模軟件建立了如圖3所示的衣物晾曬裝置三維模型。

圖3 晾曬裝置三維模型

為驗(yàn)證衣物晾曬裝置運(yùn)動(dòng)特性能否滿足設(shè)計(jì)要求，在不影響運(yùn)動(dòng)精度的前提下，對晾曬裝置運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了簡化，并將運(yùn)動(dòng)模型導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件[14-15]，衣物晾曬裝置動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。根據(jù)各個(gè)構(gòu)件之間的約束關(guān)系，在Adams View軟件環(huán)境內(nèi)添加各個(gè)構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副，編輯質(zhì)量屬性、添加接觸及驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行晾曬裝置運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)結(jié)果繪制衣架桿隨活塞行程的位移變化曲線，滑塊隨活塞行程的位移變化曲線以及晾曬裝置在運(yùn)動(dòng)過程衣架桿角加速度變化曲線。

圖4 衣物晾曬裝置動(dòng)力學(xué)模型

2 晾曬裝置運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5所示為晾曬裝置由狀態(tài)Ⅰ(伸出曬衣狀態(tài))運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅱ(取放衣物狀態(tài))過程中，衣架桿隨活塞行程的位移變化曲線。由變化曲線分析可知，當(dāng)活塞與坐標(biāo)原點(diǎn)水平距離為407.4mm時(shí)，衣架桿與坐標(biāo)原點(diǎn)垂直距離為2400mm，而當(dāng)活塞與坐標(biāo)原點(diǎn)水平距離為0mm時(shí)，衣架桿與坐標(biāo)原點(diǎn)垂直距離為1600mm，由此可計(jì)算出活塞行程為407.4mm，與前文理論計(jì)算一致。同時(shí)可知，當(dāng)衣架桿運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅱ時(shí)，衣架桿距離地面最小距離為1600mm，人體處于最舒適取放衣物作業(yè)范圍，表明衣物晾曬裝置符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 衣架桿位移變化曲線

圖6所示為晾曬裝置由狀態(tài)Ⅰ(伸出曬衣狀態(tài))運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅱ(取放衣物狀態(tài))過程中，滑塊隨活塞移動(dòng)的位移變化曲線。由變化曲線分析可知，當(dāng)活塞與坐標(biāo)原點(diǎn)水平距離為407.4mm時(shí)，滑塊與坐標(biāo)原點(diǎn)垂直距離為2559.5mm，而當(dāng)活塞與坐標(biāo)原點(diǎn)水平距離為0mm時(shí)，滑塊與坐標(biāo)原點(diǎn)垂直距離為2400mm，由此可計(jì)算出滑塊行程為159.5mm，與前文理論計(jì)算一致。

圖6 滑塊位移變化曲線

圖7所示為晾曬裝置由狀態(tài)Ⅰ(伸出曬衣狀態(tài))運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅱ(取放衣物狀態(tài))過程中，衣架桿隨活塞移動(dòng)的角加速度變化曲線。由變化曲線分析可知，衣架桿在運(yùn)動(dòng)過程中最大角加速度值為4.942E-10，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中角加速度趨近于0，表明衣物在伸出晾曬過程中基本穩(wěn)定，不會(huì)隨著衣架桿的運(yùn)動(dòng)而振蕩，表明運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好。

圖7 衣架桿角加速度變化曲線

3 結(jié)論

通過衣物晾曬裝置運(yùn)動(dòng)過程仿真試驗(yàn)分析可以得到以下結(jié)論。

(1)通過雙滑塊機(jī)構(gòu)與平行四邊形機(jī)構(gòu)的組合，可以實(shí)現(xiàn)衣物的伸出與收入陽臺內(nèi)部的晾曬，所設(shè)計(jì)的衣物晾曬裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以在社區(qū)住宅及校園宿舍推廣使用。

(2)在取放衣物時(shí)，衣架與地面的距離為1600mm，此時(shí)人體處于最舒適作業(yè)區(qū)域，且晾曬裝置在運(yùn)動(dòng)過程中，衣物基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生明顯振蕩，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好。

該裝置雖然能在一定程度上解決了衣物晾曬問題，但并未實(shí)現(xiàn)智能化，后期將在晾衣架上安裝雨滴和濕度傳感器以判斷天氣情況，實(shí)現(xiàn)衣物的自動(dòng)晾曬及回收。