多功能爬樓運載機設(shè)計＊

焦正軍，何東，楊強，李媛，黎昊喆

多功能爬樓運載機設(shè)計＊

焦正軍，何東，楊強，李媛，黎昊喆

（武漢華夏理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）

設(shè)計了一種多功能爬樓運載機，該運載機由動力驅(qū)動，通過機電結(jié)合實現(xiàn)貨物運輸裝置的功能。通過對現(xiàn)有樓層間運輸工具的調(diào)查研究，并結(jié)合人們運輸方面的需求，融入了便捷、安全等的創(chuàng)新設(shè)計理念，設(shè)計出了適合于樓層間運輸貨物的高性能產(chǎn)品——多功能爬樓運載機。

樓層攀爬；貨物運載；多功能爬樓運載機；救援

1 前言

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，一些城市在七八層以下無電梯或不能使用電梯，小型貨物的運輸需通過人工或樓道內(nèi)的小型貨物搬運小車運送。然而，即使在有電梯的情況下，受電梯空間限制，一些超重、超寬或超長（比如：冰箱、大板桌或窗簾桿）等特殊貨物依然無法搬運，基本靠人力完成。因此，需設(shè)計一款運載機來實現(xiàn)特殊貨物的爬樓運輸。

中國學(xué)者對于樓層運輸方面有一些研究，也涌現(xiàn)出了一些機械化運輸裝置。徐明宇等通過電力驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)運貨上樓的目的，在一定程度上提高了搬運效率并節(jié)省了人力成本，但是機器結(jié)構(gòu)簡單，需要在人力輔助情況下完成貨物運載，并且在狹小的樓道，因轉(zhuǎn)彎困難，將無法搬運，而且安全系數(shù)較低，由于存在的這些現(xiàn)狀，未能完全解決人力搬運、全自動化問題[1]；董淑婧等設(shè)計了一種四桿機構(gòu)式電動載物爬樓機，利用四桿機構(gòu)的特性進行周期循環(huán)運動從而實現(xiàn)爬升越障的功能，這種方式雖然可以在樓梯間爬行運輸，但是其運輸效率相對較低[2]；胡金祥利用兩框架的交替升降達到爬樓梯的目的，雖然此裝置可以保持無傾角的移動和制造成本低，但其不可運輸大型貨物[3]；黃先琪利用平行四邊形的變形特點，采用單片機控制整個系統(tǒng)的行走、轉(zhuǎn)向等工作，從而研制出樓道、墻面自動吸塵器的自動運輸裝置，但是，該裝置只限于小型作業(yè)，不能實現(xiàn)大貨物運輸[4]。

鑒于樓內(nèi)運輸空間不足、樓道轉(zhuǎn)角難、大件貨物搬運無法實現(xiàn)等問題，設(shè)計一款多功能運載機，以實現(xiàn)樓層攀爬和貨物運載等功能。此款運載機需具有樓層攀爬、貨物運載、火災(zāi)救援等功能。設(shè)計之初，需根據(jù)運載條件選擇動力源，完成動力裝置的設(shè)計；為完成樓層攀爬，需要設(shè)計爬升機構(gòu)及吸附裝置[5]，使運載機能爬升并按需停留在指定樓層；為保證貨物正常運輸，防止貨物的晃動引起墜落事故，需設(shè)計夾緊機構(gòu)，以保護機器及貨物。

2 多功能爬樓運載機的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體設(shè)計實現(xiàn)功能

此款運載機需實現(xiàn)樓層攀爬、貨物運載、火災(zāi)救援等功能。設(shè)計之初，需根據(jù)運載條件選擇動力源，完成動力裝置的設(shè)計；為完成樓層攀爬任務(wù)，需要設(shè)計爬升機構(gòu)及吸附裝置，使運載機能爬升并按需停留在指定樓層；為保證貨物正常運輸，防止貨物的晃動引起墜落事故，需設(shè)計夾緊機構(gòu)，以保護機器及貨物，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

2.2.1 貨物夾緊

使用時，由人將該運載機送到樓層底部，待到達樓層底部時，將所要運送的物品放置貨物艙內(nèi)，拉開彈簧夾緊機構(gòu)，將貨物放進去，使其夾緊，待夾緊完畢時進行伸縮固定，通過兩次固定進而將物品牢牢固定在貨物艙內(nèi)。

2.2.2 爬升裝置

打開吸塵器，此時吸盤牢牢吸住墻體（前提是樓層表面光滑，并且樓層表面有陽臺，吸塵器吸附時間為40 s，將墻體牢牢吸?。?，吸盤通過中空桿和管道與吸塵器的進氣口接通，并與墻體接觸，電池為吸塵器供電，吸塵器工作進行抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，將墻體吸牢，吸盤主要用于運載機在爬樓過程中保持平衡。待吸附完畢時，伸縮式液壓缸開始工作，此時活塞桿上升；待水平橫桿到達指定位置時，第二棘爪開始工作；由PLC控制器控制第二棘爪到陽臺邊緣，待緊抓陽臺之后，由伸縮式液壓缸控制活塞桿回縮，使爬樓立板向上運動，此時支撐板將貨物艙提升到二樓。

2.2.3 懸停裝置

待貨物艙到達二樓時，由貨物艙立板上的第一棘爪緊抓陽臺，目的是與第二棘爪共同拉住貨物并達到一定的安全性；待穩(wěn)定時，PLC控制器[6]自動斷開吸塵器與電池的電性連接，活塞桿收起完畢。該運載機到達二樓時，再次啟動吸塵器使吸盤吸附墻體，然后重復(fù)以上操作進行爬樓運貨（下樓的工作原理與上樓相同）。

棘爪可有效將陽臺抓住，是主要的受力原件。其中在伸縮式液壓缸的活塞桿頂部通過連接座連接水平橫桿，其前部通過第二連接桿并安裝了四個第二棘爪，在貨物艙立板的上端兩側(cè)通過第一連接桿安裝了兩個第一棘爪，使貨物安全到達目的地，如圖2所示。以上樓層機構(gòu)往復(fù)運動，循環(huán)交替，實現(xiàn)運送貨物上樓的目的。

圖2 運貨上樓

3 總體設(shè)計方案

3.1 樓層承載參數(shù)的確定

在運載機設(shè)計之初，需確定貨物及所爬樓房的承載參數(shù)，以保證運載過程中滿足強度及剛度要求。

目前居民房屋的結(jié)構(gòu)種類主要有鋼結(jié)構(gòu)、鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)五類。在眾多的居民房屋結(jié)構(gòu)中，民用住宅使用最普遍的是鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在普通民用住宅混凝土結(jié)構(gòu)樓房中，樓板、陽臺邊沿所能承受的最大壓力如表1所示，為保證運載過程運載機及樓房結(jié)構(gòu)的安全，取陽臺額定載荷為400 kg，樓板額定載荷為250 kg。

表1 陽臺、窗戶等邊沿所能承受的最大壓力（單位：kg）

普通混凝土樓房樓板承重250～300 陽臺承重400～500 窗戶承重400～500

3.2 貨物參數(shù)的確定

特殊貨物的參數(shù)如表2所示。

表2 特殊貨物的參數(shù)

質(zhì)量特征形狀特征舉例長/m寬/m高/m質(zhì)量/kg 超重—冰箱、洗衣機等6.2～6.35.5～5.71.6～1.790～100 —超寬大板桌、門窗、書架等1.0～1.33.5～4.51.5～1.840～80 —超長沙發(fā)等1.0～1.26.0～8.03.5～4.060～90

考慮到所要設(shè)計的運載機的主要功能是樓層攀爬和貨物運載，為保證運載機的強度和剛度要求，需確定所運載貨物的額定質(zhì)量和尺寸范圍等參數(shù)，尤其是超長、超寬、超重等特殊貨物的參數(shù)，用于后續(xù)的動力裝置和爬升機構(gòu)的設(shè)計。經(jīng)調(diào)研，特殊貨物主要有超重的冰箱（如海爾BCD-206STPA）、洗衣機，超寬的大板桌、門窗，超長的窗簾桿、沙發(fā)等。

4 多功能爬樓運載機的設(shè)計與計算

4.1 貨物艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)計采用的是柵欄式，可以有效地限制貨物的移動，還可滿足運載機的剛度需求。綜合考慮特殊貨物的尺寸及陽臺和窗戶的尺寸，確定了貨物艙的形狀尺寸，其長、寬、高分別為1.5 m、1.8 m、2.0 m，為保證貨物艙的強度，選用材料型號為60Ti。普通民用住宅陽臺及窗戶尺寸如表3所示。

表3 普通民用住宅陽臺及窗戶尺寸（單位：m）

普通窗戶客廳窗戶中等臥室窗戶大臥室窗戶衛(wèi)生間窗戶 1.5×0.91.5×1.8～1.8×2.11.2×1.5～1.5×1.81.5×1.8～1.8×2.10.6×0.9～0.9×1.4 陽臺尺寸陽臺尺寸陽臺尺寸陽臺尺寸陽臺尺寸 1.5×1.51.5×1.81.8×1.81.8×2.11.8×2.4

4.2 動力裝置設(shè)計

該機器自重和貨物的質(zhì)量之和應(yīng)不超過400 kg。采用電池供電，由電池、電機等構(gòu)成。在工作的時候啟動電源開關(guān)，電池供電，電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而輸出動能，帶動運載機工作。根據(jù)表1和表2的參數(shù)，通過計算選擇電池與電機的型號。

已知運載質(zhì)量為400 kg，電能利用率為80%，容量為97 200 mAh，一次運行爬升高度為3.2 m，則由機械守恒定理可知：電=gΔ×80%=400×9.8×3.2×80%=10 035.2 W=10.035 kW，電動機功率電==，額定電流，有效工作時間，電機扭力常數(shù)，電機扭力電=，電機消耗電流值，電機機械輸出功率，每分鐘轉(zhuǎn)速，電機效率，電機發(fā)揮最高效率的電流值。

4.3 爬升機構(gòu)的設(shè)計

在爬樓運輸過程中，需依附于樓房墻體及陽臺，因此需設(shè)計吸附裝置。吸附裝置主要由吸盤、吸塵器等組成。啟動電源時，吸塵器工作，將吸盤內(nèi)氣體抽出從而產(chǎn)生負(fù)氣壓，使其牢牢吸住墻體表面，如圖3所示。

圖3 吸附裝置

為能在樓外上下運輸，還需設(shè)計爬升機構(gòu)。爬升機構(gòu)主要由液壓缸、電機、電池、橫桿、棘爪等組成。待吸附完畢之后，電機工作，通過吸塵器來推動液壓活塞桿，使其上升。此時，活塞桿頂端與橫桿相連接，棘爪（第一棘爪）與橫桿連接，從而實現(xiàn)爬樓過程，如圖4所示。

待第一棘爪抓緊陽臺后，此時，與橫桿相鏈接的鏈傳動裝置工作，將貨物艙提升至第一棘爪所抓的樓層。待提升完成后，由貨物艙上的第二棘爪開始抓緊陽臺，達到懸停的目的。待懸停穩(wěn)定后，吸塵機斷開，吸盤脫離墻體，此時液壓缸收起。待收起完畢之后，吸塵機工作，吸盤繼續(xù)吸附墻體，液壓缸升起，完成下一樓層的爬升。懸停的目的是便于運送員從陽臺取下貨物。吸塵器、吸盤以及鏈傳動裝置為購買件，液壓缸與棘爪為自制件。

圖4 爬升機構(gòu)

圖5 棘爪

為了達到絕對的安全，棘爪所能承受的力的理論值為實際值的兩倍，經(jīng)計算得到，理=0.5 m2，所以第二棘爪安裝兩個棘爪，即可達到第一棘爪的效果（本棘爪設(shè)計以理論值為主）。

4.4 固定保護裝置的設(shè)計

在裝置運輸貨物的過程中，考慮到運載貨物本身大小、形狀等因素，為防止運載機晃動造成貨物的損壞或貨物墜落造成人員傷亡，在設(shè)計過程中需加入固定保護裝置。固定保護裝置由夾緊裝置和二次保護裝置組成，其中夾緊裝置主要由兩根彈簧和一塊擋板組成。對超重型貨物和超款型貨物，通過夾緊裝置一次固定；而對于超長型貨物則需要在夾緊裝置一次保護的前提下，用繩索進行二次保護。

在設(shè)計時需確定夾緊裝置的規(guī)格，已知選取彈簧勁度系數(shù)為1 000 N/m，原長為0.2 m兩彈簧并聯(lián)，則并聯(lián)后的勁

5 結(jié)論

該裝置將智能化與機械化器材相結(jié)合，充分地發(fā)揮了智能優(yōu)勢，從開始工作到爬樓過程中實現(xiàn)無人工操作，由傳感器自動控制，將貨物運送到指定地點，實現(xiàn)了人工智能。并且利用該裝置運輸貨物的方案，其相對傳統(tǒng)的運輸方法，大大節(jié)省了人力，達到高效作業(yè)、方便快捷的特點。該運載機也可以實現(xiàn)貨物的樓層運輸以及電梯失效、樓內(nèi)失火等情況下的緊急救援工作。

［1］徐明宇，趙勇，包士維，等.電動載物爬樓機的開發(fā)設(shè)計［J］.機械工程師，2015（7）：198.

［2］董淑婧，程瑞.一種四桿機構(gòu)式電動載物爬樓機［J］.機械制造與自動化，2017（5）：167-168，173.

［3］胡金祥.自動爬樓梯機：中國，CN201220461345.3［P］.2012-09-11.

［4］黃先琪.一種新型的爬樓梯機器人［J］.機械，2009，36（5）：75-76.

［5］王淑坤，孟曉東，尚鴻鵬.一種輪履組合式爬樓輪椅的設(shè)計［J］.機械傳動，2013（10）：156-159.

［6］趙宸，陳殿生.雙足機器人NAO爬樓步態(tài)規(guī)劃［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2013（4）：31-36.

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.013

2095－6835（2019）13－0031－03

焦正軍，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。何東，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。楊強，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。李媛，女，碩士，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院副教授，主要研究方向為汽車CAD/CAE。黎昊喆，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。

校級質(zhì)量工程項目“3D設(shè)計創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊指導(dǎo)教師團隊”（編號：2017103）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕