輪式裝置推手高度設(shè)計(jì)分析

趙慶江 郭會(huì)峰 路遙

摘 要：手推輪式設(shè)備在移動(dòng)時(shí)，有時(shí)需要配備推手或拉手，根據(jù)路況等不同等不因素，需要合理設(shè)計(jì)推手高度，否則在推拉移動(dòng)時(shí)會(huì)非常費(fèi)力，甚至?xí)言O(shè)備推倒，也無(wú)法使設(shè)備正常移動(dòng)行走。本文以一種手推式消毒設(shè)備為例，從受力效果方面，討論了推手高度與輪徑大小、輪距、路障及重心位置等因素的關(guān)系，為改善手推裝置的受力情況，方便推拉操作，修改輪徑大小，修改推手或拉手的位置提供了參考依據(jù);提出了動(dòng)力角和障礙角的概念，為判斷手推裝置是否會(huì)傾覆提供了理論基礎(chǔ)。本文進(jìn)行了靜力分析，力的加載過程為緩慢進(jìn)行，不考慮慣性力;忽略了裝置剛剛移動(dòng)或傾倒后的力矩變化;忽略輪軸與輪之間的摩擦力。

關(guān)鍵詞： 推手高度，動(dòng)力角，障礙角

一、背景

手推輪式設(shè)備或裝置經(jīng)常出現(xiàn)在生產(chǎn)生活中，如草莓運(yùn)輸手推車[1]，手推學(xué)步車[2]，手推式核桃撿拾機(jī)[3]，手推式樹干涂白刷樹機(jī)[4]，由于安裝了腳輪，大大的方便了設(shè)備的移動(dòng)，針對(duì)手推車的受力情況，王友文對(duì)手推車上坡路線[5]進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，。本文中的手推式消毒設(shè)備應(yīng)用于母豬舍消毒，在變換消毒位置時(shí)，需要在漏糞地板上行走，漏糞地板的縫隙寬度為δ=23毫米;推手高度H=900毫米，腳輪跨距L=526毫米;輪半徑R=50毫米;重心位置a≈L/2，但具體不確定;解直角三角形OCB，經(jīng)計(jì)算得：h=sqrt（R2-δ2/4）=48.66毫米。

二、受力分析

當(dāng)腳輪落入縫隙后，在推力F的作用下，會(huì)有以下三種情況發(fā)生：1、推力不夠大，車體既不移動(dòng)也不傾倒。2、如果車體不移動(dòng)，由于H>0，只要推力足夠大，動(dòng)力力矩F*H必然大于阻力力矩G*a，所以車體必然發(fā)生傾倒。3、如果車體不傾倒，由于h>0，只要推力足夠大，動(dòng)力力矩F*h必然大于阻力力矩Gc*（δ/2）。所以前輪必然發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得車體從縫隙中行駛出去。

如圖所示：設(shè)縫隙寬度為δ，弦高為h，輪半徑R，重力為G，重力臂為a，前后輪中心距為L(zhǎng)，推手高度為H，推力為F，推力方向平行于EO;A點(diǎn)、B點(diǎn)的支持力分別為Na和Nb，他們?cè)谪Q直方向的分力之和為No;

當(dāng)推力F不夠大，車體既不發(fā)生移動(dòng)也不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車體處于平衡狀態(tài)，以車體為受力分析對(duì)象，以輪軸O為回轉(zhuǎn)中心，車體受力合力矩為0，得到式（1）;豎直方向合力為0得到式（2）式（3）;水平方向合力為0，得到式（4）;規(guī)定水平向左及豎直向下為力的正方向，逆時(shí)針力矩為正，反之為負(fù)。

也就是當(dāng)重力臂a相對(duì)于推手高度H越小時(shí)，車體越容易發(fā)生傾倒。一旦傾倒，車體也就不能移動(dòng)了，因此要想讓車體移動(dòng)，就要求tanαa/H時(shí)，若推力F足夠大車體就會(huì)傾倒。

三、應(yīng)用

由式（7）可得：F= G*（L-a）/（L*ctgα- H），當(dāng)推手高度，輪徑，縫寬，輪距都確定的情況下，重力臂a越大，越接近L時(shí)，推力越小，越容易將車體從縫隙推出去。

本例參數(shù)中：tanα=（δ/2）/h=（23/2）/48.66=0.2363，a/H≈（526/2）/900=0.2922。因而tanα小于a/H;因而車體會(huì)發(fā)生移動(dòng)而不會(huì)被推倒。如果重心從輪距中線向左偏移53毫米，那么a/H=210/900=0.2333，因而tanα大于a/H，在推動(dòng)車體時(shí)，車體將首先發(fā)生傾倒而不會(huì)從縫隙中滾動(dòng)出去。

設(shè)備在設(shè)計(jì)階段，很難嚴(yán)格的控制重心位置，同時(shí)也為了便于設(shè)備推拉轉(zhuǎn)移輕便，就有必要根據(jù)路障高度，合理選擇車輪直徑，合理調(diào)整推手高，或?qū)⑼剖指臑槔?，將著力點(diǎn)降低。本例中由于設(shè)備整體高度不高，為了不躬身推車，將推手高度定為900毫米，這時(shí)估算重心位置，適當(dāng)加大輪距，增加重力臂a值，適當(dāng)加大輪直徑就顯得尤為重要。

四、結(jié)論

當(dāng)推力F足夠大時(shí)，所推設(shè)備能否從縫隙中推出去，與車體重量無(wú)關(guān);與重心位置，縫隙寬度，推手高度，輪徑大小密切相關(guān)。當(dāng)α<β時(shí)，只要F足夠大，一定會(huì)將設(shè)備從縫隙中推出去。當(dāng)α>β時(shí)，無(wú)論推力F有多大，都不會(huì)將設(shè)備從縫隙中推出去;過大的推力只會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生傾覆。可將α角定義為障礙角[6]，將β角定義為動(dòng)力角[7]，只有當(dāng)動(dòng)力角大于障礙角時(shí)，才有可能將設(shè)備推過障礙物，否則過大的推力會(huì)導(dǎo)致設(shè)備傾覆。動(dòng)力角β大小由動(dòng)力臂H和重力臂a來(lái)決定，障礙角α大小由障礙高度（或縫寬）和車輪直徑?jīng)Q定。

參考文獻(xiàn)：

[1]一種草莓采摘運(yùn)輸手推車.[J]張燈彩.安徽省，阜陽(yáng)市殿興農(nóng)業(yè)科技有限公司，2019-07-23.

[2]“RUN”多功能嬰兒手推學(xué)步車產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].饒潔，劉宗明.湖南包裝. 2021，36（05）

[3]手推式核桃撿拾機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].買合木江·巴吐爾，楊莉玲，劉奎，劉佳，沈曉賀，朱占江，祝兆帥，馬文強(qiáng).

農(nóng)業(yè)工程，2021，11（01）：98-100.

[4]一種手推式樹干涂白刷樹機(jī)設(shè)計(jì)[J].李凡，朱紅波，康子輝.河南科技，2020，39（34）：64-66.

[5]手推車上坡的數(shù)學(xué)模型[J].王有文.忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（02）： 1-3+13.

[6]擠壓模障礙角作用質(zhì)疑[J].周亮.塑性工程學(xué)報(bào).2006（02）

[7]擦窗機(jī)的軌道設(shè)計(jì)[J].曹恩欽，吳安，劉風(fēng)軍.建筑機(jī)械化.2006（01）

作者簡(jiǎn)介：

趙慶江、1976年5月、男、漢族、黑龍江省哈爾濱市、工程碩士、高級(jí)職稱;研究方向：機(jī)器人及其在工業(yè)和農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用與設(shè)計(jì);單位：哈爾濱天河自動(dòng)化設(shè)備有限公司。單位地址：哈爾濱松北區(qū)