轮式装置推手高度设计分析

赵庆江 郭会峰 路遥

摘 要：手推轮式设备在移动时，有时需要配备推手或拉手，根据路况等不同等不因素，需要合理设计推手高度，否则在推拉移动时会非常费力，甚至会把设备推倒，也无法使设备正常移动行走。本文以一种手推式消毒设备为例，从受力效果方面，讨论了推手高度与轮径大小、轮距、路障及重心位置等因素的关系，为改善手推装置的受力情况，方便推拉操作，修改轮径大小，修改推手或拉手的位置提供了参考依据;提出了动力角和障碍角的概念，为判断手推装置是否会倾覆提供了理论基础。本文进行了静力分析，力的加载过程为缓慢进行，不考虑惯性力;忽略了装置刚刚移动或倾倒后的力矩变化;忽略轮轴与轮之间的摩擦力。

关键词： 推手高度，动力角，障碍角

一、背景

手推轮式设备或装置经常出现在生产生活中，如草莓运输手推车[1]，手推学步车[2]，手推式核桃捡拾机[3]，手推式树干涂白刷树机[4]，由于安装了脚轮，大大的方便了设备的移动，针对手推车的受力情况，王友文对手推车上坡路线[5]进行了数学建模，。本文中的手推式消毒设备应用于母猪舍消毒，在变换消毒位置时，需要在漏粪地板上行走，漏粪地板的缝隙宽度为δ=23毫米;推手高度H=900毫米，脚轮跨距L=526毫米;轮半径R=50毫米;重心位置a≈L/2，但具体不确定;解直角三角形OCB，经计算得：h=sqrt（R²-δ²/4）=48.66毫米。

二、受力分析

当脚轮落入缝隙后，在推力F的作用下，会有以下三种情况发生：1、推力不够大，车体既不移动也不倾倒。2、如果车体不移动，由于H>0，只要推力足够大，动力力矩F*H必然大于阻力力矩G*a，所以车体必然发生倾倒。3、如果车体不倾倒，由于h>0，只要推力足够大，动力力矩F*h必然大于阻力力矩Gc*（δ/2）。所以前轮必然发生转动，使得车体从缝隙中行驶出去。

如图所示：设缝隙宽度为δ，弦高为h，轮半径R，重力为G，重力臂为a，前后轮中心距为L，推手高度为H，推力为F，推力方向平行于EO;A点、B点的支持力分别为Na和Nb，他们在竖直方向的分力之和为No;

当推力F不够大，车体既不发生移动也不发生转动时，车体处于平衡状态，以车体为受力分析对象，以轮轴O为回转中心，车体受力合力矩为0，得到式（1）;竖直方向合力为0得到式（2）式（3）;水平方向合力为0，得到式（4）;规定水平向左及竖直向下为力的正方向，逆时针力矩为正，反之为负。

也就是当重力臂a相对于推手高度H越小时，车体越容易发生倾倒。一旦倾倒，车体也就不能移动了，因此要想让车体移动，就要求tanαa/H时，若推力F足够大车体就会倾倒。

三、应用

由式（7）可得：F= G*（L-a）/（L*ctgα- H），当推手高度，轮径，缝宽，轮距都确定的情况下，重力臂a越大，越接近L时，推力越小，越容易将车体从缝隙推出去。

本例参数中：tanα=（δ/2）/h=（23/2）/48.66=0.2363，a/H≈（526/2）/900=0.2922。因而tanα小于a/H;因而车体会发生移动而不会被推倒。如果重心从轮距中线向左偏移53毫米，那么a/H=210/900=0.2333，因而tanα大于a/H，在推动车体时，车体将首先发生倾倒而不会从缝隙中滚动出去。

设备在设计阶段，很难严格的控制重心位置，同时也为了便于设备推拉转移轻便，就有必要根据路障高度，合理選择车轮直径，合理调整推手高，或将推手改为拉手，将着力点降低。本例中由于设备整体高度不高，为了不躬身推车，将推手高度定为900毫米，这时估算重心位置，适当加大轮距，增加重力臂a值，适当加大轮直径就显得尤为重要。

四、结论

当推力F足够大时，所推设备能否从缝隙中推出去，与车体重量无关;与重心位置，缝隙宽度，推手高度，轮径大小密切相关。当α<β时，只要F足够大，一定会将设备从缝隙中推出去。当α>β时，无论推力F有多大，都不会将设备从缝隙中推出去;过大的推力只会导致设备发生倾覆。可将α角定义为障碍角[6]，将β角定义为动力角[7]，只有当动力角大于障碍角时，才有可能将设备推过障碍物，否则过大的推力会导致设备倾覆。动力角β大小由动力臂H和重力臂a来决定，障碍角α大小由障碍高度（或缝宽）和车轮直径决定。

参考文献：

[1]一种草莓采摘运输手推车.[J]张灯彩.安徽省，阜阳市殿兴农业科技有限公司，2019-07-23.

[2]“RUN”多功能婴儿手推学步车产品设计[J].饶洁，刘宗明.湖南包装. 2021，36（05）

[3]手推式核桃捡拾机设计与试验[J].买合木江·巴吐尔，杨莉玲，刘奎，刘佳，沈晓贺，朱占江，祝兆帅，马文强.

农业工程，2021，11（01）：98-100.

[4]一种手推式树干涂白刷树机设计[J].李凡，朱红波，康子辉.河南科技，2020，39（34）：64-66.

[5]手推车上坡的数学模型[J].王有文.忻州师范学院学报，2014，30（02）： 1-3+13.

[6]挤压模障碍角作用质疑[J].周亮.塑性工程学报.2006（02）

[7]擦窗机的轨道设计[J].曹恩钦，吴安，刘风军.建筑机械化.2006（01）

作者简介：

赵庆江、1976年5月、男、汉族、黑龙江省哈尔滨市、工程硕士、高级职称;研究方向：机器人及其在工业和农牧业方面的应用与设计;单位：哈尔滨天河自动化设备有限公司。单位地址：哈尔滨松北区