秦 锴 刘 扬 陈小文 杨志维 董 雷 陶 珊 解全志

湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412000

一种非浸泡式洗鞋机的设计

秦 锴 刘 扬 陈小文 杨志维 董 雷 陶 珊 解全志

湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412000

该非浸泡式洗鞋机集多种功能于一体，主要用于鞋面清洁以及鞋内的杀菌、除臭、烘干。设计内容包括外部清洗机构设计、刷辊结构形式设计、鞋子固定装置设计、内部空心轴通气设计、转位设计等内容。

非浸泡式；行星轮；螺纹型刷辊；杀菌；除臭；烘干；多功能一体化

non-immersion；planet gear；thread brusher；sterilization；deodorization；stoving；multi-function引言

随着经济的快速发展和人们物质生活水平的极大提高，鞋子作为生活必需品在给我们带来舒适、美观的穿着体验的同时，我们对鞋子的清洁也提出了更高的要求，人们在对鞋子的清洗方面变得越来越苦恼。通过调查我们发现，当下主流的清洗方式分为人工清洗和机器清洗。人工清洗效率低，而机器清洗也多数采用浸泡的洗涤方式，易对鞋子造成开胶、变形等各种损伤，这些清洗方式都给人们带来了不少的困扰。

为此我们设计了一款新型的洗鞋机，主要采用了行星轮机构和螺纹式毛刷，从避免洗鞋过程中对鞋子造成各种损伤，实现了高效洗鞋功能。

1 设计方案及构思

理想的机械设备可模仿人工动作，而又超越人工动作。前者是依处理效果而言，后者是据处理效率而言。人工刷洗鞋时，是用一只手将鞋固定，另一只手拿毛刷，从多个方向进行刷鞋。洗鞋的全过程是：鞋子润湿、喷洗涤液、刷鞋、冲洗干净、晾晒。

由人工刷鞋动作分析，对应机械部分设计，可确定以下四个设计要求：

1）洗鞋前应将鞋子可靠固定；

2）鞋子的润湿、喷洗涤液、刷鞋、冲洗等过程要按一定的次序并且全自动化；

3）为实现高效地清洗干净，应使设计的机构能对鞋全方位的刷洗，并且增加每次洗鞋数量；

4）同时要洗后能在较短时间内就能穿和鞋内卫生，应有烘干和杀菌功能。

5）由此，可以确定洗鞋的全过程：鞋子的安装固定、喷水润湿、喷洗涤液、刷鞋、喷水清洗、烘干。

2 主要结构及原理

2.1 总体方案设计

由上述设计要求可知，为实现高效地清洗，应使设计的机构能对鞋全方位的刷洗。但是鞋子的大小不等，外形规则不一，要达到上述目的，并且还要求机构的结构不宜过多和太复杂，因此不能简单地模仿人工洗鞋的动作。经过方案构思，拟定多方案进行比较，形成了本机型的总体结构，如图1所示。

图1中鞋子通过鞋撑8的卡口固定在行星轮支座6上，减速电机16转动，通过皮带（13、14、15）带动中心轴转动，进而带动行星轮5做公转和行星轮作自转运动，通过行星轮5的旋转，使刷辊12与鞋子形成相对运动来实现鞋面清洁。

电机启动的同时，臭氧发生器和内部烘干器工作，通过空心轴气流通路导入鞋撑内部。喷水器9在设定的时间内向鞋面依次喷清水和洗涤剂，刷鞋过程中电机正反转交替变化，使洗涤剂与鞋面各部位充分接触。清洗结束后电机仍然工作，同时外部烘干器11运行，向圆桶内鼓入暖气流，利用离心力和暖气流达到鞋体烘干效果，整个过程由单片机控制。

图1 工作原理图

2.2 鞋面的清洁的工作原理:

本设计选用行星轮系来实现鞋面的清洁运动，原理简图如图2所示：

图2 行星轮系示意图

为了获得良好的清洁效果，就要使鞋子与毛刷有较复杂的旋转运动。为此，我们采用了行星轮机构，巧妙地利用了行星轮系中行星轮绕中心轴的公转和绕行星轮中心轴的自转来完成主运动。行星轮运动轨迹的多变性，能使鞋面得到全方位的清洁。

此外，在总结、分析我们平时洗鞋经验时还发现，刷鞋过程中如果只有刷毛与鞋面的单一的相对旋转运动，则鞋面上的一些污渍不能完全清除，而且还会留下刷痕以及存在死角，洗鞋效果不是很好。为了解决这一问题，达到更好的清洁效果，我们采用了刷毛呈螺纹状分布的刷辊，即刷辊旋转时，在垂直旋转轴线的方向上，增加了一个轴向的相对运动，这样一来，鞋与刷毛就产生了一个复合的相对运动，并且对刷毛的螺旋角进行了优化设计，高度模仿了人工洗鞋动作，实现了全方面、高强度、高效率的清洁效果。刷辊简图如下：

图3 刷辊示意图

2.3 鞋子固定装置的工作原理

鞋子取放的方便、快捷，也是设计的重点。因为鞋子的安装和取放是人工实现的，如果取鞋过程不方便，势必会使得该产品的自动化程度和实际使用价值降低。受钻头快换装置的启发，我们设计了一款可快装可调鞋撑。快装可调鞋撑整体装配示意图如图4所示。

图4 快装可调鞋撑

图4中通过可调螺栓1可以调节鞋撑的长度，从而适应不同尺码鞋子的固定。鞋撑调节好后，通过快装装置3即可快速安装在鞋撑固定支座上。快装装置原理如图5所示，通过弹簧4挤压套筒1，带动钢珠7压紧鞋撑卡口2达到夹紧的效果；拆卸时，只需按下套筒1便可轻松的取出鞋撑卡口2，整个过程方便快捷。

图5 鞋撑快装部分原理图

2.4 内部空心轴通气设计

传统的洗鞋只包含清洗工作，没有杀菌功能。有时鞋子不一定要频繁清洗，我们只要消除鞋子的异味，对鞋内杀菌即可。为此，我们设计了臭氧杀菌功能，能有很好地满足人们这一需求。同时为了能在较短的时间内就能穿上刚洗过的鞋子（特别是在冬天），我们还增加了烘干功能。为了便于实现上述功能，我们在行星架、行星轴、鞋撑内部均采用了空心结构，通过气泵将臭氧发生器产生的臭氧送入鞋子内部以实现鞋内的杀菌、除臭，这样不仅简化了通气线路，而且还能将气体准确送入鞋内;同时利用内设烘干机产生的暖气流，实现鞋子的烘干功能。通气示意图如图6所示。

图6 内部通气路线图

2.5 转位装置的设计

由于外箱采用斜开门，为便于鞋子的取放，提高自动化程度，我们采用了红外对射转位装置来实现四个装鞋位置的转换，具体原理如下：

定位板固定于中心轴上，定位板上开有四个定位孔，定位板两端固定了红外对射开关的发射端和接收端。当定位孔转到开关位置时，红外对射开关将发出一个高电平信号给控制端，从而实现转位控制。

图7 转位装置图

3 结语

该洗鞋机采用了非浸泡的洗涤方式进行鞋面清洗，集鞋面清洗，鞋内杀菌、除臭，整体烘干于一体。综合运用了机电一体化设计思路，巧妙的利用了行星轮机构的运动特点从而很好地完成了上述设计要求。该洗鞋机具有以下优点：

1）适应性好，可以针对不同尺码的鞋子进行清洗；

2）采用水雾洗涤的方式，节能减排，符合社会发展的趋势；

3）利用机电一体化技术实现自动化洗涤，自动化程度高，减轻人的负担；

4）本装置体积小巧，可实现分档清洗,清洗效率高，能耗少，能够广泛地用于家庭的鞋类清洗，具有较高的推广价值，是现代家庭生活必备的基本电器。

由于篇幅所限，文中仅对设计的原理进行了简略的叙述，希望能够为社会提供一种新型洗鞋机。本设计已经申报了专利 (申请号:201220116376.5)，同时做出了实物模型，并于2012年5月代表湖南工业大学参加了湖南省大学生创新设计大赛荣获了湖南省大学生创新设计大赛一等奖。

[1]朱理.机械原理(第二版)[M].北京:高等教育出版社，2010.226-232.

[2]濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第八版)[M].北京:高等教育出版社，2006.186-212.

[3]成大先.机械设计手册(单行本卷减(变速箱-电机与电气))[M].北京:化学工业出版社，2004.102-118.

Non-immersion washing machine for shoes

Qin Kai，Liu Yang，Chen Xiaowen，Yang Zhiwei，Dong Lei，Tao Shan，Xie Quanzhi School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Hunan zhuzhou 412000

In this project, an inovative washing machine is introduced, which is mainly applied to clean the vamp of various type of shoes.Meanwhile, it can disinfect, deodorize, and stove the inside of shoes.The design of this multi-functioned machinefocuses on mechanism of external cleaning, roller brush, shoe-fastening, and ventilation.

TS976.8

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.23.053

湖南省教改项目“基于创新素质培养的机械基础类课程的教学改革研究”，项目编号：湘教通[2011]333号

秦锴（1991-），男，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化。