阿基米德螺线轮楼梯搬运机的设计①

王玉烁， 陈光军， 徐 锐， 赵海燕， 白哲豪

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

轮.如图1所示.

图1 家用阿基米德螺线轮楼梯搬运机结构图

市场上出现的楼梯搬运设备大体可分为两大类:履带式和三脚架式[1]，三脚架式搬运设备重心跳跃较大，对搬运的物体会产生撞击力，不适用搬运精密设备;而履带式搬运设备可实现负载重心的平稳移动，但对楼梯有伤害.英国SANO公司生产的Liftkar系列楼梯搬运机与加拿大萨瓦瑞亚公司生产的履带式爬楼车Roby是目前国外市场上较为成熟的楼梯搬运设备.但对于家庭用户来说，价格过于昂贵[2].

设计了一种适合家庭用的阿基米德螺线轮楼梯搬运机，可替代人力，实现家庭用户的楼梯重物搬运工作自动化.该机存放方便，结构简单，造价低廉.

1 总体结构

家庭用阿基米德螺线轮楼梯搬运机由直流电机、减速器、电池、主动齿轮、被动齿轮、轮轴、阿基米德螺线轮、脚轮、底盘、机架组成.可折叠的底盘与可伸缩的机架相连，直流电机和电池相连并固定在机架的下端，直流电机的动力输出轴上连接减速器，减速器动力输出轴与主动齿轮相连，主动齿轮与被动齿轮相啮合，被动齿轮被固定在轮轴上，轮轴被固定在机架上，轮轴两端连有阿基米德螺线轮，阿基米德螺线轮的三个叶片顶端各有一个脚

载物爬楼梯时，启动直流电机，通过减速器、主动齿轮、被动齿轮和轮轴驱动阿基米德螺线轮旋转，实现载物爬楼梯的功能;在平地运行时，关闭直流电机并实现自锁，通过脚轮的旋转实现平地运行.

2 阿基米德螺线轮结构设计

2.1 阿基米德螺线轮结构设计

主轮工作轮廓采用阿基米德螺线，可以利用其等速螺线性质使楼梯搬运机在上升或下降过程中重心平稳移动，解决搬运机在上下楼梯时与楼梯产生撞击力的问题.图2为设计的三叶片式阿基米德螺线轮.

阿基米德螺线轮的尺寸设计以踏步高h=170mm，踏步宽l=260mm为计算值.线段A的长度等于踏步高，而曲面AC的长度等于踏步宽.

图2 阿基米德螺线轮

如图2所示，自A点开始，沿着曲线AC方向，与楼梯面接触，当C点与楼梯接触时，正好该台阶楼梯面的终了点接触(如果当C点与楼梯接触时，还不是该楼梯面的终了位置，则人为用力推拉装置，通过螺线轮叶片尖端的脚轮转动，使C点达到该楼梯面的终了位置)，同时A点开始下一阶楼梯面的开始点接触，转一周可以爬行3阶台阶.

图3 阿基米德螺线极径

2.2 阿基米德螺线轮尺寸计算

阿基米德螺线极径如图3，可表示为:

式中:c为阿基米德螺旋线系数，mm/rad，表示每旋转rad时极径的增加(或减小)量;t为极角，单位为弧度，表示阿基米德螺旋线转过的总弧度数;为ρ0当t=0°时的极径，单位mm.

因为阿基米德螺旋线系数为:

所以，阿基米德螺线轮最小极径为

阿基米德螺线轮最大极径为

式中:n为转一周上的台阶数n=3;ρ为转过θ处角度时的半径;θ为转过圆周，即

由计算值可得，所设计的阿基米德螺线轮外轮廓最小半径为39.2mm;最大半径为210mm.

3 电器部分设计

3.1 电动机的选择

搬运机在爬楼梯的时候受力分析如图4所示.查机械设计手册，车轮和水泥地面之间的摩擦系数为 0.015，则:

搬运机在爬楼梯的时候重力作用线与驱动轴之间最大的距离为68mm.

将爬楼机的最大转速设定为16r/min.螺线轮的最大角速度为1.67rad/s.

选择额定转速为1500r/min的电机，则电机的最大的转矩[4]:

故选择6IK200RGN 6GN 75K型带刹车的减速交流电机.额定电压:220V;额定功率:200W;额定转速:1500r/min;减速器为速比为75的圆柱齿轮减速器，刹车装置可以做到断电机抱闸刹车.

3.2 逆变器的选择

产品型号:12V1000W;功率:1000W;输入电压:直流电(DC)12V范围:DC9V～15.5V;输出电压:交流电(AC)220V±8V;输出频率:50Hz±3Hz;输出波形:修正正弦波;能量转换率:90%以上;低压保护:DC9V ±0.2V;过压保护:DC15.5V ±0.2V;过温保护:60℃ ±5℃;尺寸:166×95×55mm.

4 样机试验

对样机进行相关参数的试验测量.图5为样机内部结构图.该搬运机可装入家庭用轿车中运输和储存，如图6所示.用直尺测量家用阿基米德螺线轮楼梯搬运机的折叠体积与展开尺寸，用磅秤称重搬运机重量，如表1.

表1 家用阿基米德螺线轮楼梯搬运机尺寸及重量

用秒表计时测量搬运机空车和负重状态时上下楼梯速度(24级台阶，中间有一个转弯)，记录时间;测试搬运机从一楼将重物搬运至六楼，记录时间，如表2.

表2 楼梯搬运机工作用时测量

5 结论

设计的家用阿基米德螺线轮楼梯搬运机可以实现重物的楼梯搬运自动化，整机构造简单，体积和重量适中，可放在轿车后备箱中，方便携带.负载重心移动平稳，上下楼运行速度可调节，并可平地运行的.可减轻居民上下楼搬运重物的劳动强度，也可被用于各类服务公司的楼梯搬运工作.

[1]周琪.一种平地、爬楼两用助行装置的设计与工程实现[D].南京:南京理工大学，2013.

[2]陆丰勤.多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计[D].南京:南京理工大学2008.

[3]王启平.机械制造工艺学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005.

[4]孙忠献.电机技术与应用[M].福建:福建科学技术出版社，2004.