農(nóng)文配，齊秀彪，白云松，林永輝，李穎璐

(遼寧科技學(xué)院 機(jī)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(duì)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(yùn)輸造成了很大的困難，單純地依靠人力爬樓搬運(yùn)一些物品，不但耗時(shí)耗力，而且稍有不慎重物脫落可能會(huì)造成意外事故的發(fā)生和經(jīng)濟(jì)的損失。我國(guó)作為世界第一人口大國(guó)和貨物貿(mào)易發(fā)展迅猛的國(guó)家，同時(shí)還存在著日趨嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題，根據(jù)第七次人口普查顯示，與2010年相比，我國(guó)60歲及以上人口的比重上升5.44個(gè)百分點(diǎn)，人口老齡化程度越發(fā)嚴(yán)重。因此，如何提高體力勞動(dòng)者的勞動(dòng)生產(chǎn)率，已然成為我國(guó)社會(huì)服務(wù)業(yè)亟待解決的難題。對(duì)于電動(dòng)爬樓裝置，國(guó)外已有近百年的研究歷史，技術(shù)也相對(duì)成熟，例如美國(guó)Bray、奧地利SANO、德國(guó)ATT電動(dòng)載物爬樓機(jī)等[1]，但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)普通用戶(hù)基本消費(fèi)不起。我國(guó)對(duì)于電動(dòng)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(jì)了一種電動(dòng)爬樓機(jī)，通過(guò)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)來(lái)解決老舊小區(qū)無(wú)電梯高層樓房運(yùn)送小型重物的問(wèn)題。

1 整體方案的設(shè)計(jì)

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

經(jīng)過(guò)實(shí)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(cè)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(guò)道寬在110 cm～200 cm范圍內(nèi)，據(jù)此確定爬樓機(jī)的車(chē)身長(zhǎng)150 cm，寬60 cm，總重量20 kg，稱(chēng)重載荷100 kg，爬樓速度0階/min～15階/min。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，確定總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 電動(dòng)爬樓機(jī)總體設(shè)計(jì)思路

分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于載物爬樓機(jī)構(gòu)的資料，研究發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)電動(dòng)爬樓機(jī)的難點(diǎn)在于機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。爬樓機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了這款設(shè)計(jì)產(chǎn)品是否能符合預(yù)期要求。

基于上述問(wèn)題，采取建立三維模型進(jìn)行仿真、優(yōu)化，達(dá)到預(yù)期要求后再定制加工，最后完成樣機(jī)的制作。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于對(duì)市面上已有爬樓機(jī)構(gòu)的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于星輪輪距和深度固定，因此該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不適用于不同高度樓梯臺(tái)階的高度和寬度，履帶在爬樓的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(guò)程中，履帶與樓梯接觸面間所產(chǎn)生的摩擦力較大，會(huì)對(duì)樓梯造成一定程度的損壞，得不償失。綜上分析，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)式爬樓機(jī)構(gòu)，又稱(chēng)為“S”型輪，這種運(yùn)行方式精準(zhǔn)穩(wěn)定，傳動(dòng)可靠。當(dāng)爬樓機(jī)在平地時(shí)，依靠?jī)珊筝喸谌说睦蛲屏ψ饔孟?，可使其運(yùn)動(dòng)；當(dāng)其爬樓時(shí)，主要是依靠S型輪步進(jìn)式結(jié)構(gòu)使其運(yùn)動(dòng)，使用者在前方牽引，“S”型輪通過(guò)帶傳動(dòng)使其繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，模仿人爬樓的姿勢(shì)進(jìn)行爬樓運(yùn)動(dòng)。

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源的選取

動(dòng)力源選用信達(dá)的XD-4D40-24的直流減速電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示：

表1 直流減速電機(jī)主要參數(shù)

2.2 電動(dòng)爬樓機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等多種形式進(jìn)行分析比較，考慮到經(jīng)濟(jì)性和輕量化的原則，在滿足基本傳動(dòng)功能的前提下，傳動(dòng)部分主要通過(guò)帶傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[3]，在設(shè)計(jì)中選取同步帶來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。

1-小同步輪 2-直流電動(dòng)機(jī) 3-同步帶 4-大同步輪 5-S型輪

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)爬樓機(jī)控制系統(tǒng)要具備電動(dòng)爬樓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的速度調(diào)控、運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)、故障檢測(cè)等各項(xiàng)功能[4]。電動(dòng)爬樓機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何更好地控制電動(dòng)爬樓機(jī)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(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以至于能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)爬樓機(jī)的爬樓功能。在電動(dòng)爬樓機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，控制直流減速電動(dòng)機(jī)的CTV系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整電動(dòng)爬樓機(jī)的整體爬樓運(yùn)行速度。

要確保電動(dòng)爬樓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中具有良好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，硬件系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)模塊：主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊。電動(dòng)爬樓機(jī)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(jì)及三維建模

為了使設(shè)計(jì)的電動(dòng)爬樓機(jī)具有承載性能好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、重量輕、運(yùn)行平穩(wěn)等性能，本設(shè)備主要由直流減速電動(dòng)機(jī)、同步帶、同步輪、S型輪連接軸、S型輪、電動(dòng)爬樓機(jī)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(shí)可以把電動(dòng)爬樓機(jī)撐在上樓梯面，其運(yùn)行一周即能讓整個(gè)電動(dòng)爬樓機(jī)上兩個(gè)臺(tái)階，大大提高了運(yùn)行效率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，繪制了S型輪的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并利用Solidworks建立了S型輪的三維模型，同時(shí)對(duì)該模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，所繪制的簡(jiǎn)圖及建立的三維模型如圖4、5所示。

圖4 S型輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 S型輪三維模型

由于S型輪為設(shè)計(jì)產(chǎn)品，無(wú)法在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)。為了避免S型輪在正常的使用過(guò)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(jì)，與樓梯臺(tái)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(dòng)爬樓機(jī)在工作時(shí)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(yùn)行的情況下，設(shè)計(jì)其余機(jī)械部件，讓設(shè)計(jì)的電動(dòng)爬樓機(jī)更具人性化，利用SolidWorks建立了電動(dòng)爬樓機(jī)的整體模型如圖7所示。

圖7 電動(dòng)爬樓機(jī)整體三維模型

4 運(yùn)動(dòng)仿真及性能分析

借助動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS檢測(cè)電動(dòng)爬樓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否合理，以及對(duì)電動(dòng)爬樓機(jī)的性能進(jìn)行分析。利用已經(jīng)建立好的電動(dòng)爬樓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，給定輸入?yún)?shù)后模擬整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，得出相應(yīng)的曲線圖，分析整套傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)的要求。

由于S型輪與電動(dòng)爬樓機(jī)為一個(gè)整體，兩者之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故S型輪軸的運(yùn)動(dòng)軌跡即代表電動(dòng)爬樓機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，驗(yàn)證電動(dòng)爬樓機(jī)的穩(wěn)定性，只需分析S型輪軸的運(yùn)動(dòng)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(duì)電動(dòng)爬樓機(jī)施加負(fù)載50 kg的負(fù)荷，S型輪以每轉(zhuǎn)3.75 s的速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)定仿真時(shí)間為15 s，對(duì)電動(dòng)爬樓機(jī)進(jìn)行仿真，如圖8所示。

圖8 S型輪軸運(yùn)動(dòng)軌跡

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

5 實(shí)物樣機(jī)制作與調(diào)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，制定原材料的購(gòu)買(mǎi)與實(shí)物模型的制作計(jì)劃，完成樣機(jī)制作并且不斷調(diào)試樣機(jī)。在臺(tái)階：高×寬=147 mm×306 mm；電動(dòng)爬樓機(jī)自重：20 kg實(shí)驗(yàn)條件下，觀察并調(diào)整S型輪的位置，使S型輪軸處于一個(gè)不與樓梯發(fā)生干涉的角度，電動(dòng)爬樓機(jī)進(jìn)行空載上下樓梯試驗(yàn)，調(diào)試如圖9所示。

圖9 調(diào)試樣機(jī)

試驗(yàn)結(jié)果表明：電動(dòng)爬樓機(jī)運(yùn)行速度在0階/min～15階/min，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)、工作時(shí)噪聲較小，符合預(yù)期方案的設(shè)計(jì)要求。最終制作完成的樣機(jī)如圖10所示。

圖10 實(shí)物樣機(jī)

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)電動(dòng)爬樓機(jī)的不足之處，設(shè)計(jì)了一種新型的電動(dòng)爬樓機(jī)，對(duì)該電動(dòng)爬樓機(jī)在運(yùn)行參數(shù)合理情況下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以提高電動(dòng)爬樓機(jī)的可靠性以及實(shí)用性。利用Solidworks軟件建立了三維模型，并對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析，經(jīng)過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)分析和實(shí)物模型的調(diào)試，證實(shí)了S型輪方案可行且運(yùn)行平穩(wěn)。