平行四邊形式快速搬運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)

楊相煜 徐洪 王挺 徐煥磊

摘 要：為解決在日常生活中載運(yùn)重物困難以及起重不便等搬運(yùn)問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)快速安全搬運(yùn)為設(shè)計(jì)思路，基于杠桿動(dòng)平衡條件，研制了本裝置，主要由小車(chē)主體、電動(dòng)推桿、平行四邊形機(jī)構(gòu)和前叉組成。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿伸縮，達(dá)到貨物穩(wěn)定裝卸、搬運(yùn)的目的，該裝置可折疊，使用便捷，既能保障物品安全，又能降低搬運(yùn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)際使用效果良好。

關(guān)鍵詞：載運(yùn) 機(jī)動(dòng) 助力裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 335.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（a）-0107-05

Abstract：In order to reduce the difficulties and inconvenience of carrying and lifting heavy loads in daily life， a device which is based on the ideas of safely handling and the lever dynamic balance theory is designed. The device mainly includes trolley body， electric push rod， parallelogram truss mechanism and the front fork. And it achieves the stable cargo handling by making the motor push-rod telescopic. The device is also collapsible， convenient and efficient， which ensures the safety of goods and reduces the couriers labor intensity. Furthermore， it can achieve a good effect in practice.

Key Words：Transport；Maneuvering；Power - assist device

貨物的搬運(yùn)需較多的人力，各種搬運(yùn)工具、車(chē)輛應(yīng)運(yùn)而生，如叉車(chē)、吊車(chē)、航吊車(chē)等，這類(lèi)設(shè)備在搬運(yùn)體積和質(zhì)量較大的物品時(shí)顯示出了實(shí)用、高效等特點(diǎn)，是現(xiàn)代物流中重要工具。在實(shí)際工件中，常有重量不是太大（如50kg左右），但物品數(shù)量較多的場(chǎng)合，如快遞集散地的快遞、企業(yè)的小件包裝箱等，這些物品的搬運(yùn)、裝卸大多依靠人力搬運(yùn)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款搬運(yùn)設(shè)備，適用于搬運(yùn)一個(gè)70kg以下物品，裝置具有體積小、操作簡(jiǎn)單、快速、便捷等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

該裝置如圖1所示，主要由1小車(chē)主體、2電動(dòng)推桿、3平行四邊形桁架機(jī)構(gòu)和4前叉以及5蓄電池組成。

以電動(dòng)推桿為動(dòng)力源，同時(shí)內(nèi)置電源，隨著推桿的伸縮，平行四桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，前叉平穩(wěn)抬起和落下，實(shí)現(xiàn)物品的穩(wěn)定裝卸。設(shè)備展開(kāi)時(shí)外形尺寸1500mm×40mm×700mm，折疊后外形尺寸1360mm× 40mm×250mm，總重量?jī)H為35kg。實(shí)物圖如圖2（a）、（b）所示。

展開(kāi)時(shí)的尺寸不僅能夠保證裝置在狹窄環(huán)境中作業(yè)，還能使水平運(yùn)輸和垂直升降搬運(yùn)有效結(jié)合，達(dá)到工作要求；而折疊之后能夠減小裝置的存放空間。

1.1 平行四邊形機(jī)構(gòu)

在重物起重的過(guò)程中，需保持水平狀態(tài)，以確保重物不會(huì)因傾斜而在上升或下降的過(guò)程中滑落而導(dǎo)致?lián)p壞，為此在對(duì)各類(lèi)機(jī)構(gòu)分析過(guò)后，選擇了一個(gè)以平行四桿為主體的機(jī)構(gòu)，平行四桿機(jī)構(gòu)中的一段桿件固定在小車(chē)主體上，且與地面垂直，由四桿機(jī)構(gòu)的特性可知，其連桿也必垂直于地面，前叉則始終與地面保持平行。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，此結(jié)構(gòu)可使重物上下移動(dòng)的過(guò)程中始終保持水平狀態(tài)，保障重物的安全。

2.2 小車(chē)結(jié)構(gòu)

小車(chē)主體部分如圖4所示的1機(jī)架、2前輪、3后輪和4后輪架，能夠達(dá)到對(duì)裝置進(jìn)行平穩(wěn)支撐的目的。

工作時(shí)，將后輪架向后打開(kāi)，使前輪和后輪與地面接觸，呈穩(wěn)固的三角形結(jié)構(gòu)，如圖5所示，此時(shí)使用者可推行小車(chē)來(lái)完成重物的前后移動(dòng)。

不使用時(shí)則將后輪架向前旋轉(zhuǎn)120°，將前叉向后旋轉(zhuǎn)150°，變?yōu)檎郫B狀態(tài)，如圖6所示。

1.3 使用操作方法

以將重物搬運(yùn)上車(chē)為例，操作步驟如下：

開(kāi)始工作前，先將設(shè)備展開(kāi)為工作狀態(tài)。

載運(yùn)工作時(shí)，操作人員通過(guò)扶手把設(shè)備后端輕輕抬起，機(jī)體前傾，向前推進(jìn)就可以插入貨物底部。將后端放下，貨物被前叉拾取。此時(shí)通過(guò)水平施力，實(shí)現(xiàn)貨物的短距離運(yùn)輸。與此同時(shí)，若想實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，只需后輪離地，令裝置前輪為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)即可。

裝卸工作時(shí)，操作人員按住手柄下安裝的按鈕，通過(guò)控制電路，使電機(jī)正轉(zhuǎn)推桿推出，從而致使平行四邊形機(jī)構(gòu)發(fā)生平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)前叉拾取來(lái)的貨物上升。當(dāng)前叉高度達(dá)到要搬運(yùn)的高度之后，操作人員將設(shè)備向前推進(jìn)，把貨物送入車(chē)廂深處。輕抬后端使機(jī)體前傾，貨物安全落在車(chē)廂內(nèi)。抽出前叉，退離車(chē)廂，按下另一按鈕，使電機(jī)反轉(zhuǎn)推桿收回，平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)下降。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 尺寸設(shè)計(jì)

在搬運(yùn)過(guò)程中，除了在要求實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的搬運(yùn)之外，還期望能夠?qū)⒅匚锇徇\(yùn)至貨車(chē)車(chē)廂上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)車(chē)輛基本參數(shù)可知，貨車(chē)車(chē)廂底離地高度最高為1m，考慮到四桿機(jī)構(gòu)受重后可能發(fā)生少量彎曲所以設(shè)計(jì)設(shè)備的安全抬升高度為?h=1200mm，在考慮人體舒適度以及設(shè)備美觀(guān)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)裝置在展開(kāi)時(shí)布局如下，扶手距離地面h=700mm，平行四邊形機(jī)構(gòu)安裝在扶手下方100mm處，支撐架與地面的夾角為30°，如圖6所示。

2.2 起重部分受力分析

起重機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)推桿、平行四邊形桁架機(jī)構(gòu)和前叉組成。電動(dòng)推桿一端鉸接于小車(chē)主體機(jī)架上，另外一端鉸接于桁架上。桁架組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)通過(guò)鉸鏈鏈接。前叉與地面平行，貨物放在前叉上。桁架機(jī)構(gòu)固接于小車(chē)主體機(jī)架上，且與地面垂直。

以起重70kg的物體為例，構(gòu)建模型對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

重物G的力臂中l(wèi)1段長(zhǎng)度始終不變，而l2段在裝置的抬升過(guò)程中，隨著電機(jī)推桿的角度γ變化先增大后減小，故而重物G的力臂（l1+l2）先增大后減?。辉O(shè)電機(jī)推桿的推力為F，而推力F的力臂l3隨著設(shè)備的抬升而減小。因此設(shè)備在起始位置時(shí)所需要的推力最大。又因?yàn)橹舞旒芘c地面的夾角為30°得：

2.3 電動(dòng)推桿選型

在電機(jī)推桿的上升過(guò)程中，電機(jī)推桿與機(jī)架的角度γ逐漸增加，但由于安裝是有初始距離的，所以單機(jī)推桿最

則可推出7000≥F推≥210。

23.1 推桿安裝角度與推力關(guān)系

不同的最小安裝行程會(huì)使得安裝角度不同，現(xiàn)任取一安裝位置，距桿件最高點(diǎn)420mm，在此處受力為所有受力的較平均值，電機(jī)推桿的最小安裝距離從225mm開(kāi)始逐漸增加，但當(dāng)γ趨近于60°時(shí)，電機(jī)推桿底座安裝距離約定于電機(jī)推桿最大安裝距，所以舍去225mm，275mm這兩個(gè)值進(jìn)行推斷。當(dāng)電機(jī)推桿的最小安裝距離675mm時(shí)，推桿行程可達(dá)到400mm，由裝置可知，無(wú)需過(guò)大尺寸以節(jié)約成本，則電機(jī)推桿最小安裝距離可確定數(shù)值為325mm，375mm，475mm，575mm，下面分別對(duì)這4種電機(jī)推桿與F推進(jìn)行函數(shù)研究。上固定端與旋轉(zhuǎn)中心的距離a=420mm； 桿長(zhǎng)x=1200mm。

根據(jù)上述條件可畫(huà)出如圖8所示的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

聯(lián)立公式，推桿上升速度取一中間值v=9mm/s

則推桿行程表達(dá)式為：

c=L初+9t（t視距離而定）

最小安裝距離為325mm，即安裝角度γ1=15.45°時(shí)，0≤t≤40.59s， 下固定端與旋轉(zhuǎn)中心的距離b=683.25mm，

故2137.916≤F推≤2158.177；

最小安裝距離為375mm，即安裝角度γ1=13.35°時(shí)，0≤t≤39.47s， 下固定端與旋轉(zhuǎn)中心的距離b=734.86mm，

故2059.36≤F推≤2079.163；

最小安裝距離為475mm，即安裝角度γ1=10.5°時(shí)，0≤t≤37.57s， 下固定端與旋轉(zhuǎn)中心的距離b=837.04mm，

故1948.344≤F推≤1966.791；

最小安裝距離為575mm，即安裝角度γ1=8.66°時(shí)，0≤t≤36.03s， 下固定端與旋轉(zhuǎn)中心的距離b=938.44mm，

故1874.093≤F推≤1891.074；

由此可得安裝角度與推力F的關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知，隨著安裝角度的減小，所需要的推力也逐漸減小，應(yīng)當(dāng)盡量選擇安裝角度的推桿。即可舍去前兩種最小安裝尺寸。

以475mm的電機(jī)推桿為例，探究上固定端到旋轉(zhuǎn)中心的距離對(duì)F的影響，根據(jù)公式：

可得關(guān)系圖如圖10所示

由圖可見(jiàn)上固定端與旋轉(zhuǎn)中心的位置越遠(yuǎn)，推力的力臂就越大，所需要的力就越小，因此，在條件符合的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)的地方為上固定端。

3.3.2搬運(yùn)高度與推桿行程關(guān)系

速度與負(fù)載力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

因需要物體穩(wěn)定抬升，所以18mm/s可舍去，而5mm/s速度過(guò)慢，抬升需要較長(zhǎng)時(shí)間，所以選定速度為9mm/s，負(fù)載力為3000N。以此來(lái)選定電機(jī)推桿的安裝距離。

當(dāng)升角θ=60°時(shí)，抬升高度達(dá)到預(yù)定值，即?h=1200mm，此時(shí)可根據(jù)公式b推出推桿最大距離。

去除各種約束之后可得出符合條件的數(shù)據(jù)如圖12、13所示。

考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，隨著推桿最小安裝距離的增加，費(fèi)用也隨之升高，所以盡可能選擇小的最小安裝距離，所以選擇最小安裝距離為475mm的電機(jī)推桿。

如圖7可知，上固定端到旋轉(zhuǎn)端的距離越大，F(xiàn)推越小，因此選擇在電機(jī)推桿的行程范圍內(nèi)，并且盡量保證時(shí)間較合理的情況下，確定電機(jī)推桿參數(shù)。

2.3.3 電動(dòng)推桿的確定

根據(jù)上兩者狀態(tài)得出最優(yōu)方案，進(jìn)而得出數(shù)據(jù)，選擇最小安裝距離為475的電機(jī)推桿，上安裝端距旋轉(zhuǎn)中心為450mm，下安裝端距旋轉(zhuǎn)中心為867.04mm，安裝角度γ_初=10.5°，以此參數(shù)可確定電機(jī)推桿的型號(hào)及初始安裝位置。

2.4 搬運(yùn)時(shí)工人的受力情況

在搬運(yùn)的過(guò)程中，若預(yù)起重一個(gè)重為80kg的重物時(shí)，即超越預(yù)期設(shè)定值時(shí)，工人可在扶手處向下施加一個(gè)F的力，以此來(lái)保持裝置平衡，受力分析圖如圖14所示。

如圖14中所示，在重物抬升過(guò)程中，桿件水平時(shí)重物的力臂最大，所以在此情況下計(jì)算可得出工人需要向下施加的最大力，此時(shí)以前輪為支點(diǎn)，后輪不受力時(shí)，存在等式

由此可見(jiàn)，該裝置屬于省力裝置。

3 結(jié)語(yǔ)

本裝置不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)于重物的快速安全裝載，同時(shí)也能大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，可適用于狹窄工作環(huán)境內(nèi)，運(yùn)動(dòng)靈活的裝卸重物。當(dāng)更換大功率電機(jī)推桿時(shí)即可裝卸更重的貨物。該裝置適用性強(qiáng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

利用平行四邊形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證物件與初始狀態(tài)平行，從而平穩(wěn)搬運(yùn)物件，保障物件安全，使貨物不易出現(xiàn)傾倒的現(xiàn)象。達(dá)到小裝置可上下搬運(yùn)與卸載大件重物的目的。并且根據(jù)三力匯交和幾何知識(shí)把搬運(yùn)時(shí)間和搬運(yùn)物體重量控制在最佳值。該裝置結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、操作簡(jiǎn)單、方便維修、無(wú)需專(zhuān)業(yè)技能訓(xùn)練，具有良好的市場(chǎng)前景。本裝置需要的改進(jìn)之處在于希望達(dá)到電機(jī)推桿最省力的狀態(tài)，但要達(dá)到一定的效率，電機(jī)推桿需向上安裝，在后期階段將探索電機(jī)推桿反裝對(duì)該裝置的影響。

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