多功能爬樓運(yùn)載機(jī)設(shè)計(jì)＊

焦正軍，何東，楊強(qiáng)，李媛，黎昊喆

多功能爬樓運(yùn)載機(jī)設(shè)計(jì)＊

焦正軍，何東，楊強(qiáng)，李媛，黎昊喆

（武漢華夏理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）

設(shè)計(jì)了一種多功能爬樓運(yùn)載機(jī)，該運(yùn)載機(jī)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)電結(jié)合實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸裝置的功能。通過對現(xiàn)有樓層間運(yùn)輸工具的調(diào)查研究，并結(jié)合人們運(yùn)輸方面的需求，融入了便捷、安全等的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出了適合于樓層間運(yùn)輸貨物的高性能產(chǎn)品——多功能爬樓運(yùn)載機(jī)。

樓層攀爬；貨物運(yùn)載；多功能爬樓運(yùn)載機(jī)；救援

1 前言

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，一些城市在七八層以下無電梯或不能使用電梯，小型貨物的運(yùn)輸需通過人工或樓道內(nèi)的小型貨物搬運(yùn)小車運(yùn)送。然而，即使在有電梯的情況下，受電梯空間限制，一些超重、超寬或超長（比如：冰箱、大板桌或窗簾桿）等特殊貨物依然無法搬運(yùn)，基本靠人力完成。因此，需設(shè)計(jì)一款運(yùn)載機(jī)來實(shí)現(xiàn)特殊貨物的爬樓運(yùn)輸。

中國學(xué)者對于樓層運(yùn)輸方面有一些研究，也涌現(xiàn)出了一些機(jī)械化運(yùn)輸裝置。徐明宇等通過電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)貨上樓的目的，在一定程度上提高了搬運(yùn)效率并節(jié)省了人力成本，但是機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，需要在人力輔助情況下完成貨物運(yùn)載，并且在狹小的樓道，因轉(zhuǎn)彎困難，將無法搬運(yùn)，而且安全系數(shù)較低，由于存在的這些現(xiàn)狀，未能完全解決人力搬運(yùn)、全自動(dòng)化問題[1]；董淑婧等設(shè)計(jì)了一種四桿機(jī)構(gòu)式電動(dòng)載物爬樓機(jī)，利用四桿機(jī)構(gòu)的特性進(jìn)行周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)爬升越障的功能，這種方式雖然可以在樓梯間爬行運(yùn)輸，但是其運(yùn)輸效率相對較低[2]；胡金祥利用兩框架的交替升降達(dá)到爬樓梯的目的，雖然此裝置可以保持無傾角的移動(dòng)和制造成本低，但其不可運(yùn)輸大型貨物[3]；黃先琪利用平行四邊形的變形特點(diǎn)，采用單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的行走、轉(zhuǎn)向等工作，從而研制出樓道、墻面自動(dòng)吸塵器的自動(dòng)運(yùn)輸裝置，但是，該裝置只限于小型作業(yè)，不能實(shí)現(xiàn)大貨物運(yùn)輸[4]。

鑒于樓內(nèi)運(yùn)輸空間不足、樓道轉(zhuǎn)角難、大件貨物搬運(yùn)無法實(shí)現(xiàn)等問題，設(shè)計(jì)一款多功能運(yùn)載機(jī)，以實(shí)現(xiàn)樓層攀爬和貨物運(yùn)載等功能。此款運(yùn)載機(jī)需具有樓層攀爬、貨物運(yùn)載、火災(zāi)救援等功能。設(shè)計(jì)之初，需根據(jù)運(yùn)載條件選擇動(dòng)力源，完成動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)；為完成樓層攀爬，需要設(shè)計(jì)爬升機(jī)構(gòu)及吸附裝置[5]，使運(yùn)載機(jī)能爬升并按需停留在指定樓層；為保證貨物正常運(yùn)輸，防止貨物的晃動(dòng)引起墜落事故，需設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，以保護(hù)機(jī)器及貨物。

2 多功能爬樓運(yùn)載機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能

此款運(yùn)載機(jī)需實(shí)現(xiàn)樓層攀爬、貨物運(yùn)載、火災(zāi)救援等功能。設(shè)計(jì)之初，需根據(jù)運(yùn)載條件選擇動(dòng)力源，完成動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)；為完成樓層攀爬任務(wù)，需要設(shè)計(jì)爬升機(jī)構(gòu)及吸附裝置，使運(yùn)載機(jī)能爬升并按需停留在指定樓層；為保證貨物正常運(yùn)輸，防止貨物的晃動(dòng)引起墜落事故，需設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，以保護(hù)機(jī)器及貨物，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

2.2.1 貨物夾緊

使用時(shí)，由人將該運(yùn)載機(jī)送到樓層底部，待到達(dá)樓層底部時(shí)，將所要運(yùn)送的物品放置貨物艙內(nèi)，拉開彈簧夾緊機(jī)構(gòu)，將貨物放進(jìn)去，使其夾緊，待夾緊完畢時(shí)進(jìn)行伸縮固定，通過兩次固定進(jìn)而將物品牢牢固定在貨物艙內(nèi)。

2.2.2 爬升裝置

打開吸塵器，此時(shí)吸盤牢牢吸住墻體（前提是樓層表面光滑，并且樓層表面有陽臺(tái)，吸塵器吸附時(shí)間為40 s，將墻體牢牢吸住），吸盤通過中空桿和管道與吸塵器的進(jìn)氣口接通，并與墻體接觸，電池為吸塵器供電，吸塵器工作進(jìn)行抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，將墻體吸牢，吸盤主要用于運(yùn)載機(jī)在爬樓過程中保持平衡。待吸附完畢時(shí)，伸縮式液壓缸開始工作，此時(shí)活塞桿上升；待水平橫桿到達(dá)指定位置時(shí)，第二棘爪開始工作；由PLC控制器控制第二棘爪到陽臺(tái)邊緣，待緊抓陽臺(tái)之后，由伸縮式液壓缸控制活塞桿回縮，使爬樓立板向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)支撐板將貨物艙提升到二樓。

2.2.3 懸停裝置

待貨物艙到達(dá)二樓時(shí)，由貨物艙立板上的第一棘爪緊抓陽臺(tái)，目的是與第二棘爪共同拉住貨物并達(dá)到一定的安全性；待穩(wěn)定時(shí)，PLC控制器[6]自動(dòng)斷開吸塵器與電池的電性連接，活塞桿收起完畢。該運(yùn)載機(jī)到達(dá)二樓時(shí)，再次啟動(dòng)吸塵器使吸盤吸附墻體，然后重復(fù)以上操作進(jìn)行爬樓運(yùn)貨（下樓的工作原理與上樓相同）。

棘爪可有效將陽臺(tái)抓住，是主要的受力原件。其中在伸縮式液壓缸的活塞桿頂部通過連接座連接水平橫桿，其前部通過第二連接桿并安裝了四個(gè)第二棘爪，在貨物艙立板的上端兩側(cè)通過第一連接桿安裝了兩個(gè)第一棘爪，使貨物安全到達(dá)目的地，如圖2所示。以上樓層機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，循環(huán)交替，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送貨物上樓的目的。

圖2 運(yùn)貨上樓

3 總體設(shè)計(jì)方案

3.1 樓層承載參數(shù)的確定

在運(yùn)載機(jī)設(shè)計(jì)之初，需確定貨物及所爬樓房的承載參數(shù)，以保證運(yùn)載過程中滿足強(qiáng)度及剛度要求。

目前居民房屋的結(jié)構(gòu)種類主要有鋼結(jié)構(gòu)、鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)五類。在眾多的居民房屋結(jié)構(gòu)中，民用住宅使用最普遍的是鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在普通民用住宅混凝土結(jié)構(gòu)樓房中，樓板、陽臺(tái)邊沿所能承受的最大壓力如表1所示，為保證運(yùn)載過程運(yùn)載機(jī)及樓房結(jié)構(gòu)的安全，取陽臺(tái)額定載荷為400 kg，樓板額定載荷為250 kg。

表1 陽臺(tái)、窗戶等邊沿所能承受的最大壓力（單位：kg）

普通混凝土樓房樓板承重250～300 陽臺(tái)承重400～500 窗戶承重400～500

3.2 貨物參數(shù)的確定

特殊貨物的參數(shù)如表2所示。

表2 特殊貨物的參數(shù)

質(zhì)量特征形狀特征舉例長/m寬/m高/m質(zhì)量/kg 超重—冰箱、洗衣機(jī)等6.2～6.35.5～5.71.6～1.790～100 —超寬大板桌、門窗、書架等1.0～1.33.5～4.51.5～1.840～80 —超長沙發(fā)等1.0～1.26.0～8.03.5～4.060～90

考慮到所要設(shè)計(jì)的運(yùn)載機(jī)的主要功能是樓層攀爬和貨物運(yùn)載，為保證運(yùn)載機(jī)的強(qiáng)度和剛度要求，需確定所運(yùn)載貨物的額定質(zhì)量和尺寸范圍等參數(shù)，尤其是超長、超寬、超重等特殊貨物的參數(shù)，用于后續(xù)的動(dòng)力裝置和爬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。經(jīng)調(diào)研，特殊貨物主要有超重的冰箱（如海爾BCD-206STPA）、洗衣機(jī)，超寬的大板桌、門窗，超長的窗簾桿、沙發(fā)等。

4 多功能爬樓運(yùn)載機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 貨物艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用的是柵欄式，可以有效地限制貨物的移動(dòng)，還可滿足運(yùn)載機(jī)的剛度需求。綜合考慮特殊貨物的尺寸及陽臺(tái)和窗戶的尺寸，確定了貨物艙的形狀尺寸，其長、寬、高分別為1.5 m、1.8 m、2.0 m，為保證貨物艙的強(qiáng)度，選用材料型號為60Ti。普通民用住宅陽臺(tái)及窗戶尺寸如表3所示。

表3 普通民用住宅陽臺(tái)及窗戶尺寸（單位：m）

普通窗戶客廳窗戶中等臥室窗戶大臥室窗戶衛(wèi)生間窗戶 1.5×0.91.5×1.8～1.8×2.11.2×1.5～1.5×1.81.5×1.8～1.8×2.10.6×0.9～0.9×1.4 陽臺(tái)尺寸陽臺(tái)尺寸陽臺(tái)尺寸陽臺(tái)尺寸陽臺(tái)尺寸 1.5×1.51.5×1.81.8×1.81.8×2.11.8×2.4

4.2 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

該機(jī)器自重和貨物的質(zhì)量之和應(yīng)不超過400 kg。采用電池供電，由電池、電機(jī)等構(gòu)成。在工作的時(shí)候啟動(dòng)電源開關(guān)，電池供電，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而輸出動(dòng)能，帶動(dòng)運(yùn)載機(jī)工作。根據(jù)表1和表2的參數(shù)，通過計(jì)算選擇電池與電機(jī)的型號。

已知運(yùn)載質(zhì)量為400 kg，電能利用率為80%，容量為97 200 mAh，一次運(yùn)行爬升高度為3.2 m，則由機(jī)械守恒定理可知：電=gΔ×80%=400×9.8×3.2×80%=10 035.2 W=10.035 kW，電動(dòng)機(jī)功率電==，額定電流，有效工作時(shí)間，電機(jī)扭力常數(shù)，電機(jī)扭力電=，電機(jī)消耗電流值，電機(jī)機(jī)械輸出功率，每分鐘轉(zhuǎn)速，電機(jī)效率，電機(jī)發(fā)揮最高效率的電流值。

4.3 爬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在爬樓運(yùn)輸過程中，需依附于樓房墻體及陽臺(tái)，因此需設(shè)計(jì)吸附裝置。吸附裝置主要由吸盤、吸塵器等組成。啟動(dòng)電源時(shí)，吸塵器工作，將吸盤內(nèi)氣體抽出從而產(chǎn)生負(fù)氣壓，使其牢牢吸住墻體表面，如圖3所示。

圖3 吸附裝置

為能在樓外上下運(yùn)輸，還需設(shè)計(jì)爬升機(jī)構(gòu)。爬升機(jī)構(gòu)主要由液壓缸、電機(jī)、電池、橫桿、棘爪等組成。待吸附完畢之后，電機(jī)工作，通過吸塵器來推動(dòng)液壓活塞桿，使其上升。此時(shí)，活塞桿頂端與橫桿相連接，棘爪（第一棘爪）與橫桿連接，從而實(shí)現(xiàn)爬樓過程，如圖4所示。

待第一棘爪抓緊陽臺(tái)后，此時(shí)，與橫桿相鏈接的鏈傳動(dòng)裝置工作，將貨物艙提升至第一棘爪所抓的樓層。待提升完成后，由貨物艙上的第二棘爪開始抓緊陽臺(tái)，達(dá)到懸停的目的。待懸停穩(wěn)定后，吸塵機(jī)斷開，吸盤脫離墻體，此時(shí)液壓缸收起。待收起完畢之后，吸塵機(jī)工作，吸盤繼續(xù)吸附墻體，液壓缸升起，完成下一樓層的爬升。懸停的目的是便于運(yùn)送員從陽臺(tái)取下貨物。吸塵器、吸盤以及鏈傳動(dòng)裝置為購買件，液壓缸與棘爪為自制件。

圖4 爬升機(jī)構(gòu)

圖5 棘爪

為了達(dá)到絕對的安全，棘爪所能承受的力的理論值為實(shí)際值的兩倍，經(jīng)計(jì)算得到，理=0.5 m2，所以第二棘爪安裝兩個(gè)棘爪，即可達(dá)到第一棘爪的效果（本棘爪設(shè)計(jì)以理論值為主）。

4.4 固定保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

在裝置運(yùn)輸貨物的過程中，考慮到運(yùn)載貨物本身大小、形狀等因素，為防止運(yùn)載機(jī)晃動(dòng)造成貨物的損壞或貨物墜落造成人員傷亡，在設(shè)計(jì)過程中需加入固定保護(hù)裝置。固定保護(hù)裝置由夾緊裝置和二次保護(hù)裝置組成，其中夾緊裝置主要由兩根彈簧和一塊擋板組成。對超重型貨物和超款型貨物，通過夾緊裝置一次固定；而對于超長型貨物則需要在夾緊裝置一次保護(hù)的前提下，用繩索進(jìn)行二次保護(hù)。

在設(shè)計(jì)時(shí)需確定夾緊裝置的規(guī)格，已知選取彈簧勁度系數(shù)為1 000 N/m，原長為0.2 m兩彈簧并聯(lián)，則并聯(lián)后的勁

5 結(jié)論

該裝置將智能化與機(jī)械化器材相結(jié)合，充分地發(fā)揮了智能優(yōu)勢，從開始工作到爬樓過程中實(shí)現(xiàn)無人工操作，由傳感器自動(dòng)控制，將貨物運(yùn)送到指定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了人工智能。并且利用該裝置運(yùn)輸貨物的方案，其相對傳統(tǒng)的運(yùn)輸方法，大大節(jié)省了人力，達(dá)到高效作業(yè)、方便快捷的特點(diǎn)。該運(yùn)載機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)貨物的樓層運(yùn)輸以及電梯失效、樓內(nèi)失火等情況下的緊急救援工作。

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TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.013

2095－6835（2019）13－0031－03

焦正軍，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。何東，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。楊強(qiáng)，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。李媛，女，碩士，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)槠嘋AD/CAE。黎昊喆，武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程2017級學(xué)生。

校級質(zhì)量工程項(xiàng)目“3D設(shè)計(jì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)”（編號：2017103）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕