阿基米德螺線輪樓梯搬運機的設(shè)計①

王玉爍， 陳光軍， 徐 銳， 趙海燕， 白哲豪

(佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

0 引言

輪.如圖1所示.

圖1 家用阿基米德螺線輪樓梯搬運機結(jié)構(gòu)圖

市場上出現(xiàn)的樓梯搬運設(shè)備大體可分為兩大類:履帶式和三腳架式[1]，三腳架式搬運設(shè)備重心跳躍較大，對搬運的物體會產(chǎn)生撞擊力，不適用搬運精密設(shè)備;而履帶式搬運設(shè)備可實現(xiàn)負載重心的平穩(wěn)移動，但對樓梯有傷害.英國SANO公司生產(chǎn)的Liftkar系列樓梯搬運機與加拿大薩瓦瑞亞公司生產(chǎn)的履帶式爬樓車Roby是目前國外市場上較為成熟的樓梯搬運設(shè)備.但對于家庭用戶來說，價格過于昂貴[2].

設(shè)計了一種適合家庭用的阿基米德螺線輪樓梯搬運機，可替代人力，實現(xiàn)家庭用戶的樓梯重物搬運工作自動化.該機存放方便，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉.

1 總體結(jié)構(gòu)

家庭用阿基米德螺線輪樓梯搬運機由直流電機、減速器、電池、主動齒輪、被動齒輪、輪軸、阿基米德螺線輪、腳輪、底盤、機架組成.可折疊的底盤與可伸縮的機架相連，直流電機和電池相連并固定在機架的下端，直流電機的動力輸出軸上連接減速器，減速器動力輸出軸與主動齒輪相連，主動齒輪與被動齒輪相嚙合，被動齒輪被固定在輪軸上，輪軸被固定在機架上，輪軸兩端連有阿基米德螺線輪，阿基米德螺線輪的三個葉片頂端各有一個腳

載物爬樓梯時，啟動直流電機，通過減速器、主動齒輪、被動齒輪和輪軸驅(qū)動阿基米德螺線輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)載物爬樓梯的功能;在平地運行時，關(guān)閉直流電機并實現(xiàn)自鎖，通過腳輪的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)平地運行.

2 阿基米德螺線輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 阿基米德螺線輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

主輪工作輪廓采用阿基米德螺線，可以利用其等速螺線性質(zhì)使樓梯搬運機在上升或下降過程中重心平穩(wěn)移動，解決搬運機在上下樓梯時與樓梯產(chǎn)生撞擊力的問題.圖2為設(shè)計的三葉片式阿基米德螺線輪.

阿基米德螺線輪的尺寸設(shè)計以踏步高h=170mm，踏步寬l=260mm為計算值.線段A的長度等于踏步高，而曲面AC的長度等于踏步寬.

圖2 阿基米德螺線輪

如圖2所示，自A點開始，沿著曲線AC方向，與樓梯面接觸，當(dāng)C點與樓梯接觸時，正好該臺階樓梯面的終了點接觸(如果當(dāng)C點與樓梯接觸時，還不是該樓梯面的終了位置，則人為用力推拉裝置，通過螺線輪葉片尖端的腳輪轉(zhuǎn)動，使C點達到該樓梯面的終了位置)，同時A點開始下一階樓梯面的開始點接觸，轉(zhuǎn)一周可以爬行3階臺階.

圖3 阿基米德螺線極徑

2.2 阿基米德螺線輪尺寸計算

阿基米德螺線極徑如圖3，可表示為:

式中:c為阿基米德螺旋線系數(shù)，mm/rad，表示每旋轉(zhuǎn)rad時極徑的增加(或減小)量;t為極角，單位為弧度，表示阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過的總弧度數(shù);為ρ0當(dāng)t=0°時的極徑，單位mm.

因為阿基米德螺旋線系數(shù)為:

所以，阿基米德螺線輪最小極徑為

阿基米德螺線輪最大極徑為

式中:n為轉(zhuǎn)一周上的臺階數(shù)n=3;ρ為轉(zhuǎn)過θ處角度時的半徑;θ為轉(zhuǎn)過圓周，即

由計算值可得，所設(shè)計的阿基米德螺線輪外輪廓最小半徑為39.2mm;最大半徑為210mm.

3 電器部分設(shè)計

3.1 電動機的選擇

搬運機在爬樓梯的時候受力分析如圖4所示.查機械設(shè)計手冊，車輪和水泥地面之間的摩擦系數(shù)為 0.015，則:

搬運機在爬樓梯的時候重力作用線與驅(qū)動軸之間最大的距離為68mm.

將爬樓機的最大轉(zhuǎn)速設(shè)定為16r/min.螺線輪的最大角速度為1.67rad/s.

選擇額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機，則電機的最大的轉(zhuǎn)矩[4]:

故選擇6IK200RGN 6GN 75K型帶剎車的減速交流電機.額定電壓:220V;額定功率:200W;額定轉(zhuǎn)速:1500r/min;減速器為速比為75的圓柱齒輪減速器，剎車裝置可以做到斷電機抱閘剎車.

3.2 逆變器的選擇

產(chǎn)品型號:12V1000W;功率:1000W;輸入電壓:直流電(DC)12V范圍:DC9V～15.5V;輸出電壓:交流電(AC)220V±8V;輸出頻率:50Hz±3Hz;輸出波形:修正正弦波;能量轉(zhuǎn)換率:90%以上;低壓保護:DC9V ±0.2V;過壓保護:DC15.5V ±0.2V;過溫保護:60℃ ±5℃;尺寸:166×95×55mm.

4 樣機試驗

對樣機進行相關(guān)參數(shù)的試驗測量.圖5為樣機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.該搬運機可裝入家庭用轎車中運輸和儲存，如圖6所示.用直尺測量家用阿基米德螺線輪樓梯搬運機的折疊體積與展開尺寸，用磅秤稱重搬運機重量，如表1.

表1 家用阿基米德螺線輪樓梯搬運機尺寸及重量

用秒表計時測量搬運機空車和負重狀態(tài)時上下樓梯速度(24級臺階，中間有一個轉(zhuǎn)彎)，記錄時間;測試搬運機從一樓將重物搬運至六樓，記錄時間，如表2.

表2 樓梯搬運機工作用時測量

5 結(jié)論

設(shè)計的家用阿基米德螺線輪樓梯搬運機可以實現(xiàn)重物的樓梯搬運自動化，整機構(gòu)造簡單，體積和重量適中，可放在轎車后備箱中，方便攜帶.負載重心移動平穩(wěn)，上下樓運行速度可調(diào)節(jié)，并可平地運行的.可減輕居民上下樓搬運重物的勞動強度，也可被用于各類服務(wù)公司的樓梯搬運工作.

[1]周琪.一種平地、爬樓兩用助行裝置的設(shè)計與工程實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué)，2013.

[2]陸豐勤.多功能爬樓梯裝置的研究及控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].南京:南京理工大學(xué)2008.

[3]王啟平.機械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[4]孫忠獻.電機技術(shù)與應(yīng)用[M].福建:福建科學(xué)技術(shù)出版社，2004.