電動爬樓機的設(shè)計

農(nóng)文配，齊秀彪，白云松，林永輝，李穎璐

(遼寧科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

隨著現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，雖然人們的居住環(huán)境不斷改善，但在一些老舊小區(qū)里的高層樓房還不具備電梯，這給貨物上下樓的運輸造成了很大的困難，單純地依靠人力爬樓搬運一些物品，不但耗時耗力，而且稍有不慎重物脫落可能會造成意外事故的發(fā)生和經(jīng)濟的損失。我國作為世界第一人口大國和貨物貿(mào)易發(fā)展迅猛的國家，同時還存在著日趨嚴(yán)重的人口老齡化問題，根據(jù)第七次人口普查顯示，與2010年相比，我國60歲及以上人口的比重上升5.44個百分點，人口老齡化程度越發(fā)嚴(yán)重。因此，如何提高體力勞動者的勞動生產(chǎn)率，已然成為我國社會服務(wù)業(yè)亟待解決的難題。對于電動爬樓裝置，國外已有近百年的研究歷史，技術(shù)也相對成熟，例如美國Bray、奧地利SANO、德國ATT電動載物爬樓機等[1]，但價格昂貴，國內(nèi)普通用戶基本消費不起。我國對于電動爬樓裝置的研究起步較晚，雖然已經(jīng)有小規(guī)模的生產(chǎn)投入使用，但還存在著諸多不足，很難規(guī)范化生產(chǎn)和全面推廣。為此設(shè)計了一種電動爬樓機，通過對傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)等設(shè)計來解決老舊小區(qū)無電梯高層樓房運送小型重物的問題。

1 整體方案的設(shè)計

充分考慮機械的構(gòu)造性、可靠性，所設(shè)計的電動爬樓機秉承著體積小、重量輕、價格低的宗旨，滿足樓道狹窄使用要求；改進材料以及爬樓裝置結(jié)構(gòu)，使電動爬樓機的質(zhì)量更輕、運行平穩(wěn)、更容易操作。在綜合上述要求和具體實際情況設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于參考文獻[2]優(yōu)化設(shè)計電動爬樓機。

經(jīng)過實地的走訪調(diào)研并根據(jù)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》，測得樓梯梯面高在13 cm～16 cm范圍內(nèi)，樓梯梯面寬在26.5 cm～31 cm范圍內(nèi)，樓梯過道寬在110 cm～200 cm范圍內(nèi)，據(jù)此確定爬樓機的車身長150 cm，寬60 cm，總重量20 kg，稱重載荷100 kg，爬樓速度0階/min～15階/min。

通過查閱文獻，確定總體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 電動爬樓機總體設(shè)計思路

分析國內(nèi)外關(guān)于載物爬樓機構(gòu)的資料，研究發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計電動爬樓機的難點在于機械的傳動機構(gòu)以及控制系統(tǒng)。爬樓機構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了這款設(shè)計產(chǎn)品是否能符合預(yù)期要求。

基于上述問題，采取建立三維模型進行仿真、優(yōu)化，達到預(yù)期要求后再定制加工，最后完成樣機的制作。

2 傳動機構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計

基于對市面上已有爬樓機構(gòu)的分析對比發(fā)現(xiàn)，由于星輪輪距和深度固定，因此該傳動機構(gòu)不適用于不同高度樓梯臺階的高度和寬度，履帶在爬樓的過程中，會出現(xiàn)錯位、打滑等現(xiàn)象，存在一定的安全隱患[2]。而且在履帶爬樓的過程中，履帶與樓梯接觸面間所產(chǎn)生的摩擦力較大，會對樓梯造成一定程度的損壞，得不償失。綜上分析，本設(shè)計采用步進式爬樓機構(gòu)，又稱為“S”型輪，這種運行方式精準(zhǔn)穩(wěn)定，傳動可靠。當(dāng)爬樓機在平地時，依靠兩后輪在人的拉力或推力作用下，可使其運動；當(dāng)其爬樓時，主要是依靠S型輪步進式結(jié)構(gòu)使其運動，使用者在前方牽引，“S”型輪通過帶傳動使其繞軸轉(zhuǎn)動，模仿人爬樓的姿勢進行爬樓運動。

2.1 傳動系統(tǒng)動力源的選取

動力源選用信達的XD-4D40-24的直流減速電機，具體參數(shù)如表1所示：

表1 直流減速電機主要參數(shù)

2.2 電動爬樓機傳動機構(gòu)的設(shè)計

通過對齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、鏈傳動等多種形式進行分析比較，考慮到經(jīng)濟性和輕量化的原則，在滿足基本傳動功能的前提下，傳動部分主要通過帶傳動來實現(xiàn)。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、過載保護等優(yōu)點[3]，在設(shè)計中選取同步帶來進行運動和動力的傳遞。傳動機構(gòu)原理如圖2所示。

1-小同步輪 2-直流電動機 3-同步帶 4-大同步輪 5-S型輪

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

電動爬樓機控制系統(tǒng)要具備電動爬樓機運行過程中的速度調(diào)控、運動調(diào)節(jié)、故障檢測等各項功能[4]。電動爬樓機設(shè)計的難點在于如何更好地控制電動爬樓機的關(guān)鍵部位S型輪與樓梯間距，使得S型輪在與樓梯接觸時進行翻轉(zhuǎn)，以至于能夠?qū)崿F(xiàn)電動爬樓機的爬樓功能。在電動爬樓機的運行過程中，控制直流減速電動機的CTV系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)整電動爬樓機的整體爬樓運行速度。

要確保電動爬樓機運行過程中具有良好的運動狀態(tài)，硬件系統(tǒng)主要有以下幾個模塊：主控模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊。電動爬樓機控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)圖

3 主要零部件設(shè)計及三維建模

為了使設(shè)計的電動爬樓機具有承載性能好、經(jīng)濟實惠、重量輕、運行平穩(wěn)等性能，本設(shè)備主要由直流減速電動機、同步帶、同步輪、S型輪連接軸、S型輪、電動爬樓機主體框架、支撐輪等組成。其中至關(guān)重要的部件就是S型輪，S型輪的兩端圓弧在接觸樓梯面時可以把電動爬樓機撐在上樓梯面，其運行一周即能讓整個電動爬樓機上兩個臺階，大大提高了運行效率。根據(jù)設(shè)計要求，繪制了S型輪的機構(gòu)簡圖并利用Solidworks建立了S型輪的三維模型，同時對該模型進行了優(yōu)化設(shè)計，所繪制的簡圖及建立的三維模型如圖4、5所示。

圖4 S型輪機構(gòu)簡圖

圖5 S型輪三維模型

由于S型輪為設(shè)計產(chǎn)品，無法在市場上購買。為了避免S型輪在正常的使用過程中直接接觸地面，提高S型輪的使用壽命，從而采用雙層設(shè)計，與樓梯臺階面接觸采用便于更換的橡膠輪。不僅提高了S型輪的使用壽命，還減少了電動爬樓機在工作時產(chǎn)生的噪聲。雙層S型輪如圖6所示。

圖6 雙層S型輪

根據(jù)上述要求，在不影響S型輪的正常運行的情況下，設(shè)計其余機械部件，讓設(shè)計的電動爬樓機更具人性化，利用SolidWorks建立了電動爬樓機的整體模型如圖7所示。

圖7 電動爬樓機整體三維模型

4 運動仿真及性能分析

借助動力學(xué)仿真軟件ADAMS檢測電動爬樓機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否合理，以及對電動爬樓機的性能進行分析。利用已經(jīng)建立好的電動爬樓機傳動系統(tǒng)的三維實體模型，給定輸入?yún)?shù)后模擬整個傳動系統(tǒng)的運動過程，得出相應(yīng)的曲線圖，分析整套傳動系統(tǒng)的動力輸出結(jié)果是否符合設(shè)計的要求。

由于S型輪與電動爬樓機為一個整體，兩者之間不存在相對運動，故S型輪軸的運動軌跡即代表電動爬樓機的運動軌跡。因此，驗證電動爬樓機的穩(wěn)定性，只需分析S型輪軸的運動軌跡即可。在完成S型輪方案中各構(gòu)件之間的約束力和接觸力后，對電動爬樓機施加負載50 kg的負荷，S型輪以每轉(zhuǎn)3.75 s的速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)定仿真時間為15 s，對電動爬樓機進行仿真，如圖8所示。

圖8 S型輪軸運動軌跡

由圖8中電動爬樓機S型輪軸的爬升軌跡可以看出，電動爬樓機在整個爬樓運行過程中具有非常好的穩(wěn)定性，有一定曲率的圓弧證明電動爬樓機在運行過程中具有微量的波動，安全系數(shù)較高，便于操作人員的控制。

5 實物樣機制作與調(diào)試

根據(jù)上述設(shè)計方案，制定原材料的購買與實物模型的制作計劃，完成樣機制作并且不斷調(diào)試樣機。在臺階：高×寬=147 mm×306 mm；電動爬樓機自重：20 kg實驗條件下，觀察并調(diào)整S型輪的位置，使S型輪軸處于一個不與樓梯發(fā)生干涉的角度，電動爬樓機進行空載上下樓梯試驗，調(diào)試如圖9所示。

圖9 調(diào)試樣機

試驗結(jié)果表明：電動爬樓機運行速度在0階/min～15階/min，運行狀態(tài)平穩(wěn)、工作時噪聲較小，符合預(yù)期方案的設(shè)計要求。最終制作完成的樣機如圖10所示。

圖10 實物樣機

6 結(jié)語

針對當(dāng)前市場電動爬樓機的不足之處，設(shè)計了一種新型的電動爬樓機，對該電動爬樓機在運行參數(shù)合理情況下進行輕量化設(shè)計，以提高電動爬樓機的可靠性以及實用性。利用Solidworks軟件建立了三維模型，并對其優(yōu)化設(shè)計及運動仿真分析，經(jīng)過對虛擬樣機分析和實物模型的調(diào)試，證實了S型輪方案可行且運行平穩(wěn)。