平行四边形式快速搬运装置的设计与研发

杨相煜 徐洪 王挺 徐焕磊

摘 要：为解决在日常生活中载运重物困难以及起重不便等搬运问题，以实现快速安全搬运为设计思路，基于杠杆动平衡条件，研制了本装置，主要由小车主体、电动推杆、平行四边形机构和前叉组成。通过电机驱动推杆伸缩，达到货物稳定装卸、搬运的目的，该装置可折叠，使用便捷，既能保障物品安全，又能降低搬运人员的劳动强度，实际使用效果良好。

关键词：载运 机动 助力装置

中图分类号：TG 335.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（a）-0107-05

Abstract：In order to reduce the difficulties and inconvenience of carrying and lifting heavy loads in daily life， a device which is based on the ideas of safely handling and the lever dynamic balance theory is designed. The device mainly includes trolley body， electric push rod， parallelogram truss mechanism and the front fork. And it achieves the stable cargo handling by making the motor push-rod telescopic. The device is also collapsible， convenient and efficient， which ensures the safety of goods and reduces the couriers labor intensity. Furthermore， it can achieve a good effect in practice.

Key Words：Transport；Maneuvering；Power - assist device

货物的搬运需较多的人力，各种搬运工具、车辆应运而生，如叉车、吊车、航吊车等，这类设备在搬运体积和质量较大的物品时显示出了实用、高效等特点，是现代物流中重要工具。在实际工件中，常有重量不是太大（如50kg左右），但物品数量较多的场合，如快递集散地的快递、企业的小件包装箱等，这些物品的搬运、装卸大多依靠人力搬运，为此我们设计开发了一款搬运设备，适用于搬运一个70kg以下物品，装置具有体积小、操作简单、快速、便捷等优点。

1 总体设计

该装置如图1所示，主要由1小车主体、2电动推杆、3平行四边形桁架机构和4前叉以及5蓄电池组成。

以电动推杆为动力源，同时内置电源，随着推杆的伸缩，平行四杆机构产生相对转动，前叉平稳抬起和落下，实现物品的稳定装卸。设备展开时外形尺寸1500mm×40mm×700mm，折叠后外形尺寸1360mm× 40mm×250mm，总重量仅为35kg。实物图如图2（a）、（b）所示。

展开时的尺寸不仅能够保证装置在狭窄环境中作业，还能使水平运输和垂直升降搬运有效结合，达到工作要求；而折叠之后能够减小装置的存放空间。

1.1 平行四边形机构

在重物起重的过程中，需保持水平状态，以确保重物不会因倾斜而在上升或下降的过程中滑落而导致损坏，为此在对各类机构分析过后，选择了一个以平行四杆为主体的机构，平行四杆机构中的一段杆件固定在小车主体上，且与地面垂直，由四杆机构的特性可知，其连杆也必垂直于地面，前叉则始终与地面保持平行。此结构简图如图3所示，此结构可使重物上下移动的过程中始终保持水平狀态，保障重物的安全。

2.2 小车结构

小车主体部分如图4所示的1机架、2前轮、3后轮和4后轮架，能够达到对装置进行平稳支撑的目的。

工作时，将后轮架向后打开，使前轮和后轮与地面接触，呈稳固的三角形结构，如图5所示，此时使用者可推行小车来完成重物的前后移动。

不使用时则将后轮架向前旋转120°，将前叉向后旋转150°，变为折叠状态，如图6所示。

1.3 使用操作方法

以将重物搬运上车为例，操作步骤如下：

开始工作前，先将设备展开为工作状态。

载运工作时，操作人员通过扶手把设备后端轻轻抬起，机体前倾，向前推进就可以插入货物底部。将后端放下，货物被前叉拾取。此时通过水平施力，实现货物的短距离运输。与此同时，若想实现原地转向，只需后轮离地，令装置前轮为支点旋转即可。

装卸工作时，操作人员按住手柄下安装的按钮，通过控制电路，使电机正转推杆推出，从而致使平行四边形机构发生平稳转动。当平行四边形机构转动时，带动前叉拾取来的货物上升。当前叉高度达到要搬运的高度之后，操作人员将设备向前推进，把货物送入车厢深处。轻抬后端使机体前倾，货物安全落在车厢内。抽出前叉，退离车厢，按下另一按钮，使电机反转推杆收回，平行四边形机构转动下降。

2 设计计算

2.1 尺寸设计

在搬运过程中，除了在要求实现对重物的搬运之外，还期望能够将重物搬运至货车车厢上，根据标准货运车辆基本参数可知，货车车厢底离地高度最高为1m，考虑到四杆机构受重后可能发生少量弯曲所以设计设备的安全抬升高度为?h=1200mm，在考虑人体舒适度以及设备美观的基础上，设计装置在展开时布局如下，扶手距离地面h=700mm，平行四边形机构安装在扶手下方100mm处，支撑架与地面的夹角为30°，如图6所示。

2.2 起重部分受力分析

起重机构主要由电动推杆、平行四边形桁架机构和前叉组成。电动推杆一端铰接于小车主体机架上，另外一端铰接于桁架上。桁架组成的平行四边形机构通过铰链链接。前叉与地面平行，货物放在前叉上。桁架机构固接于小车主体机架上，且与地面垂直。

以起重70kg的物体为例，构建模型对其进行受力分析，如图8所示。

重物G的力臂中l1段长度始终不变，而l2段在装置的抬升过程中，随着电机推杆的角度γ变化先增大后减小，故而重物G的力臂（l1+l2）先增大后减小；设电机推杆的推力为F，而推力F的力臂l3随着设备的抬升而减小。因此设备在起始位置时所需要的推力最大。又因为支撑桁架与地面的夹角为30°得：

2.3 电动推杆选型

在电机推杆的上升过程中，电机推杆与机架的角度γ逐渐增加，但由于安装是有初始距离的，所以单机推杆最

则可推出7000≥F推≥210。

23.1 推杆安装角度与推力关系

不同的最小安装行程会使得安装角度不同，现任取一安装位置，距杆件最高点420mm，在此处受力为所有受力的较平均值，电机推杆的最小安装距离从225mm开始逐渐增加，但当γ趋近于60°时，电机推杆底座安装距离约定于电机推杆最大安装距，所以舍去225mm，275mm这两个值进行推断。当电机推杆的最小安装距离675mm时，推杆行程可达到400mm，由装置可知，无需过大尺寸以节约成本，则电机推杆最小安装距离可确定数值为325mm，375mm，475mm，575mm，下面分别对这4种电机推杆与F推进行函数研究。上固定端与旋转中心的距离a=420mm； 杆长x=1200mm。

根据上述条件可画出如图8所示的结构简图。

联立公式，推杆上升速度取一中间值v=9mm/s

则推杆行程表达式为：

c=L初+9t（t视距离而定）

最小安装距离为325mm，即安装角度γ1=15.45°时，0≤t≤40.59s， 下固定端与旋转中心的距离b=683.25mm，

故2137.916≤F推≤2158.177；

最小安装距离为375mm，即安装角度γ1=13.35°时，0≤t≤39.47s， 下固定端与旋转中心的距离b=734.86mm，

故2059.36≤F推≤2079.163；

最小安装距离为475mm，即安装角度γ1=10.5°时，0≤t≤37.57s， 下固定端与旋转中心的距离b=837.04mm，

故1948.344≤F推≤1966.791；

最小安装距离为575mm，即安装角度γ1=8.66°时，0≤t≤36.03s， 下固定端与旋转中心的距离b=938.44mm，

故1874.093≤F推≤1891.074；

由此可得安装角度与推力F的关系如图10所示。

由图10可知，随着安装角度的减小，所需要的推力也逐渐减小，应当尽量选择安装角度的推杆。即可舍去前两种最小安装尺寸。

以475mm的电机推杆为例，探究上固定端到旋转中心的距离对F的影响，根据公式：

可得关系图如图10所示

由图可见上固定端与旋转中心的位置越远，推力的力臂就越大，所需要的力就越小，因此，在条件符合的基础上，应当尽量离旋转中心越远的地方为上固定端。

3.3.2搬运高度与推杆行程关系

速度与负载力存在一一对应关系如表1所示。

因需要物体稳定抬升，所以18mm/s可舍去，而5mm/s速度过慢，抬升需要较长时间，所以选定速度为9mm/s，负载力为3000N。以此来选定电机推杆的安装距离。

当升角θ=60°时，抬升高度达到预定值，即?h=1200mm，此时可根据公式b推出推杆最大距离。

去除各种约束之后可得出符合条件的数据如图12、13所示。

考虑经济效应，随着推杆最小安装距离的增加，费用也随之升高，所以尽可能选择小的最小安装距离，所以选择最小安装距离为475mm的电机推杆。

如图7可知，上固定端到旋转端的距离越大，F推越小，因此选择在电机推杆的行程范围内，并且尽量保证时间较合理的情况下，确定电机推杆参数。

2.3.3 电动推杆的确定

根据上两者状态得出最优方案，进而得出数据，选择最小安装距离为475的电机推杆，上安装端距旋转中心为450mm，下安装端距旋转中心为867.04mm，安装角度γ_初=10.5°，以此参数可确定电机推杆的型号及初始安装位置。

2.4 搬运时工人的受力情况

在搬运的过程中，若预起重一个重为80kg的重物时，即超越预期设定值时，工人可在扶手处向下施加一个F的力，以此来保持装置平衡，受力分析图如图14所示。

如图14中所示，在重物抬升过程中，杆件水平时重物的力臂最大，所以在此情况下计算可得出工人需要向下施加的最大力，此时以前轮为支点，后轮不受力时，存在等式

由此可见，该装置属于省力装置。

3 结语

本装置不仅能实现对于重物的快速安全装载，同时也能大大降低劳动强度，可适用于狭窄工作环境内，运动灵活的装卸重物。当更换大功率电机推杆时即可装卸更重的货物。该装置适用性强，具有良好的经济效应。

利用平行四边形的结构特点保证物件与初始状态平行，从而平稳搬运物件，保障物件安全，使货物不易出现倾倒的现象。达到小装置可上下搬运与卸载大件重物的目的。并且根据三力汇交和几何知识把搬运时间和搬运物体重量控制在最佳值。该装置结构精简、操作简单、方便维修、无需专业技能训练，具有良好的市场前景。本装置需要的改进之处在于希望达到电机推杆最省力的状态，但要达到一定的效率，电机推杆需向上安装，在后期阶段将探索电机推杆反装对该装置的影响。

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