自主手控式垂直升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

張玉芝 楊騰越 楊云濤 趙立蕊

（1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 汽車(chē)工程系，石家莊 050091；2.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)，南京 210007；3.中國(guó)人民解放軍陸軍航空兵學(xué)院，北京 101123）

空間升降平臺(tái)作為高、低空作業(yè)垂直升降的重要工具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中，極大提高了操作者的工作效率[1-2]。歐美國(guó)家升降平臺(tái)的發(fā)展和應(yīng)用，可以追溯到20 世紀(jì)60 年代。其種類(lèi)和功能呈多樣化趨勢(shì)發(fā)展。按照作業(yè)平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)類(lèi)型的不同，升降平臺(tái)可以分為套缸式、剪叉式、曲臂式和鏈?zhǔn)?。?guó)內(nèi)升降平臺(tái)從20 世紀(jì)90 年代逐漸興起，目前市場(chǎng)上的升降平臺(tái)以履帶式和輪式為主，升降方式普遍為垂直升降。2019 年，濰坊森海機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的4PZ-120 型自走式果園采摘平臺(tái)采用履帶行走裝置，平臺(tái)展開(kāi)寬度可達(dá)2.6 m。綜上所述，升降平臺(tái)在國(guó)內(nèi)外均有較快的發(fā)展，并向大型化、智能化方向發(fā)展，市場(chǎng)需求量很大。但是，針對(duì)價(jià)格低廉、使用靈活的小型升降平臺(tái)，還缺乏足夠的資金投入和產(chǎn)品研發(fā)力度。針對(duì)現(xiàn)有升降平臺(tái)造價(jià)偏高的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)一套人工自行手動(dòng)控制升降的小型升降平臺(tái)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活，不需要?jiǎng)恿Y源，有效降低了生產(chǎn)成本，更有利于在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中推廣和使用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種自控式垂直升降平臺(tái)，能夠滿足一般電氣設(shè)備維修、室內(nèi)外墻體粉刷、果園園藝作業(yè)等任務(wù)，設(shè)計(jì)原則主要是小型化、便捷性、靈活性、低成本。

1.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

鑒于升降平臺(tái)的工作需要一定的垂直升降功能，但是不需要尺度較大的高空作業(yè)，兼顧便捷靈活及穩(wěn)定性要求，平臺(tái)總高度設(shè)計(jì)為1 800 mm，有效升程為1 000 mm?？紤]到平臺(tái)的便捷性，臺(tái)架機(jī)構(gòu)采用輕便的鋁合金材質(zhì)。

1.2 操作功能實(shí)現(xiàn)

為了降低人工勞動(dòng)成本，提高工作效率，作業(yè)者可以獨(dú)立手動(dòng)完成升降平臺(tái)的升降控制，且不影響正常工作，將操控工作臺(tái)升降的搖柄設(shè)計(jì)在作業(yè)者附近，便于在工作時(shí)根據(jù)需要隨時(shí)控制平臺(tái)的垂直升降。

1.3 動(dòng)力傳動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)

控制平臺(tái)升降的傳統(tǒng)機(jī)械方式有套缸式、剪叉式、曲臂式及鏈?zhǔn)?，提供?dòng)力方式有電動(dòng)式、液壓式和人工式等。考慮到平臺(tái)的造價(jià)成本，選用人工手搖式的輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，節(jié)約生產(chǎn)成本，提升性?xún)r(jià)比和普及率。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要由臺(tái)架機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)4 個(gè)部分組成，總裝配圖如圖1 所示。

圖1 自主手控式垂直升降平臺(tái)總裝配圖

2.1 臺(tái)架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自控式垂直升降平臺(tái)的臺(tái)架機(jī)構(gòu)是固定連接各個(gè)組成部件的重要機(jī)構(gòu)，對(duì)整個(gè)垂直升降平臺(tái)的穩(wěn)定性與安全性起著至關(guān)重要的作用[3-4]。為了保證自控式垂直升降平臺(tái)的便捷性和靈活性，機(jī)架底座設(shè)計(jì)有移動(dòng)滾輪。機(jī)架兩側(cè)的2 個(gè)立柱采用鋁合金材質(zhì)，并設(shè)計(jì)可供軸承滾輪垂直升降的導(dǎo)軌U 形槽，保證工作臺(tái)在垂直升降時(shí)，依靠滾輪沿U 形槽實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和穩(wěn)定作用。機(jī)架頂部有固定吊繩使用的吊繩輪，與吊繩、繞繩滾筒配合使用，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的垂直升降。工作臺(tái)承載量不小于150 kg，總高為1 800 mm，最大寬度為833 mm，最大升程為1 000 mm。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)垂直升降、傳動(dòng)力矩的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。在常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，根據(jù)傳遞動(dòng)力方式分為摩擦傳動(dòng)、嚙合傳動(dòng)，摩擦傳動(dòng)又分為摩擦輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)等，嚙合傳動(dòng)可分為齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)等。根據(jù)傳動(dòng)比，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為定傳動(dòng)比傳動(dòng)和變傳動(dòng)比傳動(dòng)。結(jié)合升降平臺(tái)穩(wěn)定可靠、操作便捷靈活的實(shí)際需要，由于嚙合傳動(dòng)中的齒輪為可變傳動(dòng)比的方式，具有省力可靠、操作方便、無(wú)振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，選用科學(xué)合理的變傳動(dòng)比傳動(dòng)方式作為一級(jí)傳動(dòng)方式。蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式不但穩(wěn)固可靠，而且在傳動(dòng)過(guò)程中具有自鎖功能，便于在垂直升降中懸停在任何需要的工作高度，因此同時(shí)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為二級(jí)傳動(dòng)方式。

查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，一級(jí)傳動(dòng)齒輪組采用45 號(hào)鋼材質(zhì)。按照人工手搖手柄速度為150 r·min-1，主動(dòng)輪齒數(shù)為47，傳動(dòng)比為2.06，計(jì)算可得從動(dòng)輪齒數(shù)為97。對(duì)于蝸輪蝸桿二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了避免傳動(dòng)失效、齒面磨損、蝸桿斷裂等情況發(fā)生，蝸桿采用調(diào)制處理后的45 號(hào)鋼材料，蝸輪采用鑄造加工。傳動(dòng)比取為20.5，則蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率為0.8。查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，蝸桿模數(shù)為3，直徑系數(shù)為13，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)中心距為110 mm，可知蝸輪、蝸桿的分度圓直徑分別為39 mm、118 mm。蝸桿和蝸輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3 所示。

圖2 蝸桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 蝸輪結(jié)構(gòu)示意圖

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是垂直升降平臺(tái)的重要?jiǎng)恿鲃?dòng)部分，為了節(jié)約空間、高效傳動(dòng)，設(shè)計(jì)可安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的箱體，主要由一級(jí)傳動(dòng)齒輪軸承座、二級(jí)齒輪及蝸桿軸承座、蝸輪軸承座及箱體支撐部件構(gòu)成。軸承座孔與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軸承件配合使用，構(gòu)成功能完善的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 傳動(dòng)箱體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主要功能、滿足作業(yè)者需求的主要部分。為了滿足作業(yè)過(guò)程中的易操作性，采用人工手搖滾輪的方法轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄。通過(guò)傳動(dòng)齒輪組、蝸輪蝸桿組傳輸動(dòng)力，帶動(dòng)2 個(gè)繞繩滾筒旋轉(zhuǎn)，將拉繩纏繞在滾筒上，實(shí)現(xiàn)升降工作平臺(tái)的垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 主要功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)不同機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)可知，每個(gè)機(jī)構(gòu)承擔(dān)了不同的功能任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的垂直升降，總體工作過(guò)程如下。第一，整體平臺(tái)移動(dòng)。根據(jù)不同工作地點(diǎn)，可通過(guò)底座的4 個(gè)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平行移動(dòng)，滿足不同點(diǎn)位的工作需求。第二，提供動(dòng)力源。工作時(shí)，作業(yè)者站在工作臺(tái)上，用手搖動(dòng)搖柄順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)一級(jí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。搖柄旋轉(zhuǎn)在不同位置時(shí)，可以通過(guò)卡銷(xiāo)固定位置，停止動(dòng)力源，使工作臺(tái)懸停在固定高度位置。第三，齒輪傳動(dòng)。一級(jí)齒輪與二級(jí)齒輪嚙合，通過(guò)固定傳動(dòng)比帶動(dòng)二級(jí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)齒輪與蝸桿安裝在同一個(gè)支撐軸上，同步轉(zhuǎn)動(dòng)。第四，蝸輪蝸桿傳動(dòng)。蝸輪與蝸桿嚙合，蝸桿通過(guò)固定傳動(dòng)比帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與繞繩滾筒安裝在同一個(gè)支撐軸上同步轉(zhuǎn)動(dòng)。由于蝸輪蝸桿具有自鎖功能，可以輔助作業(yè)者使工作臺(tái)懸停在任意高度位置，防止工作臺(tái)因自重下滑。第五，繞繩滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。吊繩一端固定在臺(tái)架頂部的吊繩輪上，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使吊繩的另一端纏繞在滾筒上，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分的箱體垂直上升。傳動(dòng)箱體與工作臺(tái)通過(guò)螺栓連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的上升。第六，滑軌運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)在升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止出現(xiàn)擺動(dòng)問(wèn)題，在工作臺(tái)兩側(cè)臺(tái)架立柱的溝槽內(nèi)，安裝有與工作臺(tái)固連的2 個(gè)軸承滾輪，工作臺(tái)垂直升降時(shí)，軸承滾輪沿溝槽軌道運(yùn)動(dòng)，具有導(dǎo)向功能，保證工作臺(tái)升降的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

垂直升降平臺(tái)在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)林園藝、物業(yè)維修、建筑安裝和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，在激烈的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，研究設(shè)計(jì)性?xún)r(jià)比高、操作便捷的垂直升降平臺(tái)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合當(dāng)前的市場(chǎng)需求，針對(duì)現(xiàn)有升降平臺(tái)造價(jià)較高的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷、操作靈活、不需要能源消耗的垂直升降平臺(tái)，并明確相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。該升降平臺(tái)可以由作業(yè)者自行操作完成，通過(guò)手動(dòng)搖柄帶動(dòng)齒輪組、蝸輪蝸桿組傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)升降功能，使用方便靈活，生產(chǎn)成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。