一種助力移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

郭家偉，王小甜，談 波

(馬鞍山學(xué)院 大阪醫(yī)工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

因操作不當(dāng)，從人字梯上墜落而造成的傷亡事故占?jí)嬄鋫鍪鹿士倲?shù)的10%左右[1]。自立式人字梯相較于其他類型的梯子，需要在半高空作業(yè)平臺(tái)上頻繁移動(dòng)，這意味著自立式人字梯更易出現(xiàn)墜落傷亡事故。與自立式人字梯操作平臺(tái)移動(dòng)相關(guān)的問題可以通過兩種方式來解決：一種是政府引入標(biāo)準(zhǔn)，如引入標(biāo)準(zhǔn)功能尺寸，以降低出現(xiàn)墜落傷亡事故的可能性；另一種是設(shè)計(jì)人員為操作人員提供能夠自主移動(dòng)的自立式人字梯設(shè)備。

目前，一些商用的可在半高空作業(yè)平臺(tái)上移動(dòng)的自立式人字梯裝置已經(jīng)出現(xiàn)，但大多操作復(fù)雜、外形笨重、價(jià)格昂貴，或者需要大量的執(zhí)行器和傳感器。本研究設(shè)計(jì)了一種旨在幫助自立式人字梯操作人員提高移動(dòng)效率、簡化操作、提高安全性且降低成本的裝置。本裝置通過引入多桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了操作人員在自立式人字梯作業(yè)平臺(tái)上的橫向移動(dòng)，同時(shí)可保證自立式人字梯不會(huì)因傾翻造成墜落傷亡事故。

1 人字梯傾翻運(yùn)動(dòng)分析

本研究選取GB/T 17889.1—1999《梯子 第1部分：術(shù)語、型式和功能尺寸》[2]中規(guī)定的尺寸來分析自立式人字梯傾翻運(yùn)動(dòng)。由于自立式人字梯在平移過程中速度較慢，所以可將其簡化為平面剛性連桿機(jī)構(gòu)[3]。在不影響計(jì)算結(jié)果精度的前提下，將模型簡化為質(zhì)量均勻分布的線性桿件，這樣就得到了自立式人字梯連桿模型，如圖1所示。圖1中，桿1和桿2通過鉸鏈A連接，B、C兩點(diǎn)為支撐點(diǎn)，m1、m2、m3分別為桿1、桿2和操作人員的質(zhì)量。

由圖1分析可得,操作人員橫向擺動(dòng)產(chǎn)生沖量I，此時(shí)自立式人字梯將受到由沖量I產(chǎn)生的水平力F：

圖1 自立式人字梯連桿模型Fig.1 The link model of self-standing herringbone ladder

(1)

操作人員橫向擺動(dòng)產(chǎn)生力矩M1：

M1=F·l4。

(2)

桿1擺動(dòng)產(chǎn)生力矩M2：

(3)

桿2擺動(dòng)產(chǎn)生力矩M3：

M3=m2·g·l3。

(4)

操作人員擺動(dòng)產(chǎn)生力矩M4：

M4=m3·g·l3。

(5)

力矩差

ΔM=M1-(M2+M3+M4)。

(6)

當(dāng)ΔM>0時(shí)，自立式人字梯將繞B點(diǎn)向右轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，力臂OB逐漸縮短，力矩差ΔM將逐漸增大，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加加速度。同時(shí)，當(dāng)A點(diǎn)與B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)呈垂直位置時(shí)(又稱為極限位置)，轉(zhuǎn)動(dòng)將不可逆轉(zhuǎn)，即使操縱人員向左施加沖量I′,也無法阻擋自立式人字梯傾倒，其結(jié)果必然是操作人員墜落[4]。

2 助力移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

本研究通過引入多桿機(jī)構(gòu)來平衡操作人員在左右橫向移動(dòng)過程中產(chǎn)生的附加加速度，避免了自立式人字梯轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置而造成墜落傷亡事故[5]。

自立式人字梯助力移動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖見圖2。

圖2 助力移動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.2 Mechanism movement diagram of assisted mobile mechanism

如圖2所示，該裝置由左右梯桿、左右連桿、左右鎖緊塊、活動(dòng)底座、驅(qū)動(dòng)桿、驅(qū)動(dòng)連桿、支撐桿、限位滑塊、限位槽及限位彈簧組成，各桿件通過活動(dòng)鉸鏈(A、B、C、D、E、F、H)連接，限位滑塊在限位槽內(nèi)自由移動(dòng)，支撐桿及活動(dòng)底座用來支撐整個(gè)助力移動(dòng)裝置，限位滑塊和限位彈簧共同組成限位裝置，移動(dòng)到左右極限位置時(shí)左右鎖緊塊鎖緊。當(dāng)自立式人字梯處于工作位置時(shí), 左右鎖緊塊都處于鎖緊狀態(tài)，限位彈簧處于極限拉伸狀態(tài)，限位滑塊處于上止點(diǎn)，此時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)處于固定狀態(tài)，如圖2(a)所示。當(dāng)需要移動(dòng)自立式人字梯時(shí)(假設(shè)向左移動(dòng))：

第一步，由操作人員向驅(qū)動(dòng)桿施加驅(qū)動(dòng)力并釋放左右鎖緊塊，運(yùn)動(dòng)將由鉸鏈點(diǎn)B傳遞到驅(qū)動(dòng)連桿，再由驅(qū)動(dòng)連桿傳遞給限位滑塊并壓縮限位彈簧，同時(shí)運(yùn)動(dòng)由限位滑塊傳遞到左右連桿，左右連桿驅(qū)動(dòng)左右梯桿向支撐桿收縮，整個(gè)機(jī)構(gòu)處于如圖2(b)所示的收縮狀態(tài)。

第二步，鎖緊右鎖緊塊并撤去驅(qū)動(dòng)桿上的驅(qū)動(dòng)力，限位滑塊在限位彈簧的作用下，由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)左右連桿將運(yùn)動(dòng)傳遞給左右梯桿，但由于右鎖緊塊處于鎖緊狀態(tài)而左鎖緊塊處于釋放狀態(tài)，即左鎖緊塊所受摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于右鎖緊塊所受摩擦力，此時(shí)左梯桿和支撐桿向左移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到極限位置點(diǎn)(上止點(diǎn))時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)處于如圖2(a)所示的工作位置。

根據(jù)圖2可知，引入多桿機(jī)構(gòu)消除了原有的由操作人員橫向擺動(dòng)而產(chǎn)生的附加加速度，有效避免了因此造成的墜落傷亡事故。

3 助力移動(dòng)裝置三維建模

本研究采用SolidWorks軟件完成助力移動(dòng)裝置的三維實(shí)體建模[6]。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)功能尺寸和圖2所示各構(gòu)件建立實(shí)體模型，然后依據(jù)圖2中各構(gòu)件間的連接關(guān)系完成自立式人字梯整體裝配，最后對(duì)完成的助力移動(dòng)裝置進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)干涉檢查，結(jié)果表明其不存在干涉問題，證實(shí)助力移動(dòng)裝置滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。助力移動(dòng)裝置如圖3所示。

圖3 助力移動(dòng)裝置Fig.3 The auxiliary moving device

4 助力移動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)分析

為研究助力移動(dòng)裝置的可行性，采用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件分析助力移動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特性[7]。當(dāng)自立式人字梯向左移動(dòng)時(shí)，取極限情況，即假設(shè)鎖緊力為極限值，此時(shí)右鎖緊輪與地面摩擦力為無窮大，左鎖緊輪和活動(dòng)底座與地面摩擦力為無窮小[8]。本研究主要探尋自立式人字梯向左移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，向右移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律同理可得。

4.1 助力移動(dòng)裝置仿真模型建模

將助力移動(dòng)裝置導(dǎo)入ADAMS仿真環(huán)境，設(shè)置各構(gòu)件材料屬性及仿真參數(shù)，如圖4所示。設(shè)置鉸鏈點(diǎn)A(坐標(biāo)點(diǎn)1)、活動(dòng)底座與地面接觸點(diǎn)K(坐標(biāo)點(diǎn)2)、鉸鏈點(diǎn)F(坐標(biāo)點(diǎn)3)、鉸鏈點(diǎn)D(坐標(biāo)點(diǎn)4)、鉸鏈點(diǎn)C(坐標(biāo)點(diǎn)5)為測量位置點(diǎn)，其中坐標(biāo)點(diǎn)4、坐標(biāo)點(diǎn)1、坐標(biāo)點(diǎn)5構(gòu)成∠DAC測量左右梯桿張合角度，坐標(biāo)點(diǎn)2、坐標(biāo)點(diǎn)3用于測量左梯桿位移，坐標(biāo)點(diǎn)1用于測量人字梯高度變化。在限位滑塊處創(chuàng)建新的傳感器，當(dāng)檢測到限位滑塊運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí)，仿真結(jié)束，當(dāng)前時(shí)間為助力移動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真模型參數(shù)Fig.4 The parameter settings of motion simulation model

4.2 助力移動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)分析

左右梯桿張合角度變化曲線見圖5。由圖5可知，當(dāng)左右梯桿在起始位置時(shí)，張合角度為55°，運(yùn)動(dòng)到1 s時(shí)左右梯桿閉合，此時(shí)閉合角度為30°，運(yùn)動(dòng)到2 s時(shí)左右梯桿重新張開的張合角度為55°，即左右梯桿張合角度在30°～55°反復(fù)循環(huán)變化，這與GB/T 17889.1—1999 規(guī)定的功能尺寸標(biāo)準(zhǔn)基本符合。同時(shí)由曲線變化規(guī)律可知，左右梯桿張合時(shí)間為2 s，這表明操作人員只需2 s即可完成一次左右梯桿的張合。

圖5 梯桿張合角度變化曲線Fig.5 The angle change curve of ladder rod

自立式人字梯左移時(shí)位移變化曲線見圖6。由圖6可知，在0 s時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)1與坐標(biāo)點(diǎn)3相距750 mm，運(yùn)動(dòng)到1 s時(shí)相距300 mm，運(yùn)動(dòng)到2 s時(shí)相距1 000 mm，當(dāng)人字梯左移時(shí)，左梯桿位置由750 mm變?yōu)? 000 mm，即左梯桿向左移動(dòng)了250 mm，這表明助力移動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)250 mm平動(dòng)。

圖6 梯桿左移時(shí)位移變化曲線Fig.6 The curve of left displacement

左移時(shí)左梯桿位移隨梯桿張合角度變化曲線見圖7。當(dāng)左右梯桿張合角度為規(guī)定的最小值時(shí)，左梯桿距支撐桿300 mm，當(dāng)張合角度達(dá)到最大值時(shí)，左梯桿由原來的750 mm移動(dòng)至1 000 mm，移動(dòng)了250 mm，證實(shí)助力移動(dòng)裝置可滿足功能設(shè)計(jì)要求。

圖7 位移隨張合角度變化曲線Fig.7 The curve of displacement follows angle

自立式人字梯運(yùn)動(dòng)過程中的高度變化曲線見圖8。由圖8可知，0 s時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)1與地面相距2 525 mm，運(yùn)動(dòng)至1 s時(shí)與地面相距2 725 mm，運(yùn)動(dòng)至2 s時(shí)回歸至2 525 mm，這表明移動(dòng)過程中人體高度由原來的2 525 mm升至2 725 mm，上升了200 mm，由此可見該助力移動(dòng)裝置基本符合GB/T 17889.1—1999 規(guī)定的功能設(shè)計(jì)要求。

圖8 梯桿高度變化曲線Fig.8 The curve of ladder height

5 結(jié)語

通過人字梯連桿模型分析了自立式人字梯易傾翻的原因，設(shè)計(jì)了一種助力移動(dòng)裝置并完成了實(shí)體建模。仿真分析表明，該助力移動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足GB/T 17889.1—1999規(guī)定的功能尺寸要求，可以幫助半高空作業(yè)平臺(tái)操作人員實(shí)現(xiàn)橫向平動(dòng)，移動(dòng)距離可達(dá)250 mm，具有一定的助力移動(dòng)功能，且此裝置不需要電驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行器即可實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，具有安全可靠、操作簡單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。