載人爬樓機(jī)爬樓機(jī)構(gòu)研究和穩(wěn)定性分析

摘 要： 樓梯緩解了建筑用地壓力，提高了人均住房面積，改善了人們居住條件，但是，樓梯在滿足人們需求的同時(shí)，也給很多行動(dòng)不便的老年人和殘障人士帶來了諸多不便。本文主要是對(duì)載人爬樓機(jī)爬樓機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定性進(jìn)行研究，針對(duì)不同場所的樓梯，選取行星輪式爬樓機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)輪系結(jié)構(gòu)、爬樓穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并分析了影響爬樓機(jī)側(cè)翻的原因。

關(guān)鍵詞： ?載人爬樓機(jī);行星輪式;穩(wěn)定性

一、載人爬樓機(jī)原理

按照爬樓原理的不同，爬樓機(jī)分為行星輪式爬樓機(jī)、履帶式爬樓機(jī)、腿式爬樓機(jī)。

由上表可以看出，行星輪式爬樓機(jī)具有較好的綜合優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活、受到的運(yùn)動(dòng)阻力小，具有較好的行動(dòng)性能且制造相對(duì)容易，工作過程中，控制簡單，發(fā)出的噪音小，不會(huì)給乘坐者產(chǎn)生不適應(yīng)的感覺，同時(shí)，穩(wěn)定性好，安全性能高。選取行星輪式爬樓機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

不同場所的樓梯，參數(shù)有所差別，如表2所示

根據(jù)表2中樓梯的參數(shù)，對(duì)爬樓機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究

二、行星輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.星輪尺寸確定

采用行星輪系結(jié)構(gòu)，行星輪的個(gè)數(shù)可以是兩個(gè)，也可以是三個(gè)及以上，行星輪的個(gè)數(shù)越多，爬樓時(shí)候重心上下波動(dòng)的幅度越小，但是，增加行星輪個(gè)數(shù)會(huì)增大爬樓機(jī)的尺寸，并降低其行動(dòng)效率。

為了實(shí)現(xiàn)行動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡潔的要求，采用兩個(gè)尺寸大小相同的行星輪，行星輪系自轉(zhuǎn)采用內(nèi)軸的形式，公轉(zhuǎn)采用外軸的形式，通過外軸驅(qū)動(dòng)各個(gè)行星輪繞各自的軸心自轉(zhuǎn)完成行走的功能，通過內(nèi)軸驅(qū)動(dòng)行星輪繞輪架中心公轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)爬樓功能。在輪系中安裝一個(gè)齒輪過渡，保證單側(cè)輪系的前后軸間距。受樓梯跨步寬度尺寸以及輪轂電機(jī)尺寸的限制，選用尺寸直徑為r=190mm的輪轂電機(jī)尺寸，按照結(jié)構(gòu)一致性原則的要求，另外兩個(gè)星輪的直徑尺寸確定為r=190mm。這樣可以使星輪與樓梯之間有足夠的接觸面積，具有一定的調(diào)整空間，盡可能的適應(yīng)各種不同類型的樓梯。

2.支撐輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬樓機(jī)在爬樓梯時(shí)，安全性是非常重要的，支撐輔助結(jié)構(gòu)的作用就是為了消除爬樓機(jī)在爬樓時(shí)輪子出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。支撐輔助結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)桿、支撐輔助架、軸承等組成。電動(dòng)桿一端通過軸承安裝在支撐輔助架上，另一端通過螺栓固定在爬樓機(jī)的底端。支撐輔助架通過臥式軸承安裝在爬樓機(jī)上。爬樓機(jī)爬樓時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用自鎖裝置推動(dòng)電動(dòng)桿工作，放下支撐輔助架，就可以防止爬樓機(jī)爬樓時(shí)的打滑現(xiàn)象。

三、爬樓機(jī)穩(wěn)定性分析

1.速度改變對(duì)穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

爬樓機(jī)在運(yùn)行過程中，運(yùn)行路線突然改變，這樣在運(yùn)行趨勢方向內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的速度變化。 當(dāng)速度發(fā)生變化的時(shí)候，爬樓機(jī)的穩(wěn)定性與爬樓機(jī)重心高度成正比，與兩輪之間的輪距成反比。

2.坡面角度對(duì)穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

爬樓機(jī)在工作的過程當(dāng)中，坡面存在一定的傾斜角度，這樣，就會(huì)導(dǎo)致爬樓機(jī)本身也存在相應(yīng)的傾斜角度，不同的傾斜角度會(huì)帶來不同的傾斜影響，當(dāng)傾斜角度發(fā)生變化以后，爬樓機(jī)的重力在水平方向和垂直方向產(chǎn)生兩個(gè)分力，這兩個(gè)分力會(huì)導(dǎo)致爬樓機(jī)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，翻轉(zhuǎn)力矩的大小會(huì)直接影響到爬樓機(jī)的安全性。

3.側(cè)翻原因探討

爬樓機(jī)在工作過程中，要面對(duì)很多復(fù)雜的情況，除了本體受到的外力作用以外，還有慣性對(duì)其的影響。如果假設(shè)爬樓機(jī)工作時(shí)，速度的改變量為a，那么爬樓機(jī)本體受到的慣性力就為ma，爬樓機(jī)前輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1，角速度為θ1，后輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2，角速度為θ2，那么，爬樓機(jī)重心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩就為：J1θ1+ J2θ2。爬樓機(jī)側(cè)翻的原因?yàn)椋?/p>

從公式（3）和（4）可以得知，爬樓機(jī)在工作的過程中，可以通過調(diào)整左邊軸或者右邊軸到重心的水平距離，來增大或減小相應(yīng)的作用力矩，以防止爬樓機(jī)發(fā)生側(cè)翻。同時(shí)，也可以通過增加爬樓機(jī)質(zhì)量的方式來增加防側(cè)翻的能力，但是，考慮到爬樓機(jī)的靈活性，以及在工作過程中對(duì)樓梯的破壞性，爬樓機(jī)的質(zhì)量可以稍微增加，但是不能增加的太多。

四、結(jié)論

（1）. 行星輪式結(jié)構(gòu)爬樓機(jī)結(jié)構(gòu)簡潔、行動(dòng)靈活、控制簡單，具有很好的綜合優(yōu)勢。同時(shí)，穩(wěn)定性好，安全性能高，容易實(shí)現(xiàn)爬樓的功能。 （2）.爬樓機(jī)的側(cè)翻受到多方面的因素影響，可以通過調(diào)整邊軸到重心的水平距離來防止側(cè)翻，也可以通過增加爬樓機(jī)的質(zhì)量來防止側(cè)翻。

作者簡介：譚錚（1980-），男，民族：土家族，湖南常德人，常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造。

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳2019年科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：19C0252）