一种湿雨伞收纳干燥设备的设计

1 引言

目前国内外雨伞干燥相关研究多存在能耗大、结构复杂、未实际应用等问题 [1-2]，且缺乏集收纳与干燥于一体的设备。因此，本文拟设计集脱水、干燥功能于一体的雨伞收纳干燥设备，研究目标包括结合离心力、热风干燥等技术实现集成化、绿色化，设计人性化操作界面；研究内容涵盖分析重难点、确定方案、结构建模及控制程序设计等，以解决安全与环保问题，助力社会建设。

2 技术原理

2.1 总体方案设计

本文设计的雨伞干燥设备如图 1 所示，该设备长 700mm 、宽 600mm 、高1325mm。具体技术原理和干燥步骤如图 2 所示。当传感器检测到有雨伞时，PLC 先后控制脱水机构和干燥机构进行脱水、干燥；当液位传感器检测到集水装置水位达到阈值时，系统提示操作员排水。关键功能为：1）脱水：夹紧伞柄并进行旋转产生离心力，甩离伞面水珠。2）干燥：干燥模块包含加热器、风机和百叶窗等机构，风机将加热后的空气吹向伞面进行干燥。3）集水：集水装置收集废水，且当水位达到最大高度阈值时警示排水。4）检测：以多种传感器为检测元件，分别检测上盖启闭、雨伞到位及内部温度和湿度等信息。5）控制：以可编程控制器为主控系统，结合 HMI 输入和反馈，实现设备控制与干燥过程管理。

2.2 关键模块设计

1）脱水模块：脱水模块对干燥时间和效果影响最大，本文先通过旋转产生离心力甩出伞面水珠，以去除大部分水分，缩短干燥时间、提升效率、节省能耗，主要由伞柄夹紧机构和旋转机构组成，如图 3 所示。夹紧机构经采用操作便捷、维护简单的气动夹紧机构，采用三爪气缸夹持伞柄实现空间内的 360 度旋转；旋转机构采用电动机驱动，通过同步带传动，最大转速为 400r/min ，并采用气动滑环传输高压气体，避免了气管缠绕。

2）干燥模块：基于提高效率、节约能源、降低能耗等多方面考虑，本文采用干燥原理如图 4 所示，当热空气接触伞面后，部分流入加热器重新加热循环使用。干燥模块由加热器、风机、百叶窗组成。风机持续将加热后的热风吹向湿雨伞，使雨伞中残余的水分加速蒸发，达到干燥的目的。进、出风口采用错位叠片的百叶窗结构，由多个平行排列的片状构件组成，达到防止水滴逆流的作用，且百叶窗由通过二位三通电磁换向阀控制的气缸驱动，断电时则通过预紧弹簧力复位。

3）集水模块：为避免水滴渗入设备引发电气安全问题，集水模块内胆采用直径为 30mm 、厚 1mm 的 304 不锈钢排水管，并用防水绝缘胶进行密封，确保雨水排入集水模块。集水模块尺寸为长 400mm 、宽 200mm 、高 300mm ，并安装有高、低水位阈值传感器，当达到高水位阈值时控制系统会通过显示屏提醒排水。集水模块选材考虑了耐用性、耐腐蚀性等因素，因此，该集水模块选用不锈钢材料，而外部选用 ABS 塑料，成本较低、加工性能好且绝缘性优越，能防漏电。

2.3 电器元件计算选型

为了设计出更加符合实际应用的设备，就本方案中的驱动电机、加热器、风机以及传感器等关键元器件进行了详细的选型计算。

1）驱动电机：三相异步电动机因结构简单、价格低廉、便于维护且可直接连接三相交流电网，在工业领域应用广泛。本设备所需功率 kW），总效率，功率（kW），其中，为阻力，为线速度，为阻力矩，为转速，为效率，···为各级传动机构的传动效率。则根据实际工作中传动同步带拉力为 3000N，线速度v=2m/s 等工况要求，最终计算确定型号为 YE4-160M-6 的驱动电机，该电机功率为 7.5kW。

2）加热器：为实现快速升温与精确控制，选用通电石英管作为加热器。该加热器具备耐高温、加热迅速、抗腐蚀、受热均匀及节能高效等优点，且最高发热温度可达 300^qC 。

3）风机：为使热空气在干燥过程中快速流动并维持温度稳定，选用功率

70W 的风机。该风机风量达 255m³/h ，具有能耗低、重量轻、易更换、风量大、安装简便等特点，可以直接采用220V 电源。

4）传感器：选用多种传感器对设备运行状态、上盖启闭、高低水位等进行检测。上盖启闭检测：采用磁性传感器检测。雨伞夹持检测：采用压电传感器检测，通过检测夹持端的压力值判断是否有雨伞装入。水位传感器：采用电容式传感器检测水位高度，防止溢出。温度检测：采用温度传感器实时监测温度值，控制系统根据该值进行温度的实时控制。湿度监测：采用湿度传感器实时监测内筒中的湿度值，控制系统根据该值判断湿雨伞是否达到干燥目标。

3 控制系统设计

如图 5 所示为控制系统架构图，主要由脱水装置控制模块、干燥装置控制模块以及人机安全控制模块等三部分组成。脱水控制模块包含夹紧机构控制模块、旋转机构控制模块及变频器控制模块组成，该模块的主要流程为：编码器初始化→夹紧机构检测到雨伞→夹爪夹紧伞柄→启动脱水程序→旋转速度 400r/ min →脱水 10 秒→旋转速度 12r/min →完成脱水。此时系统自动启动干燥装置控制模块。