电动爬楼机的设计

农文配，齐秀彪，白云松，林永辉，李颖璐

(辽宁科技学院 机械工程学院，辽宁 本溪 117004)

随着现代科技日新月异的发展，人们对生活质量的要求不断提高，虽然人们的居住环境不断改善，但在一些老旧小区里的高层楼房还不具备电梯，这给货物上下楼的运输造成了很大的困难，单纯地依靠人力爬楼搬运一些物品，不但耗时耗力，而且稍有不慎重物脱落可能会造成意外事故的发生和经济的损失。我国作为世界第一人口大国和货物贸易发展迅猛的国家，同时还存在着日趋严重的人口老龄化问题，根据第七次人口普查显示，与2010年相比，我国60岁及以上人口的比重上升5.44个百分点，人口老龄化程度越发严重。因此，如何提高体力劳动者的劳动生产率，已然成为我国社会服务业亟待解决的难题。对于电动爬楼装置，国外已有近百年的研究历史，技术也相对成熟，例如美国Bray、奥地利SANO、德国ATT电动载物爬楼机等[1]，但价格昂贵，国内普通用户基本消费不起。我国对于电动爬楼装置的研究起步较晚，虽然已经有小规模的生产投入使用，但还存在着诸多不足，很难规范化生产和全面推广。为此设计了一种电动爬楼机，通过对传动机构、控制系统等设计来解决老旧小区无电梯高层楼房运送小型重物的问题。

1 整体方案的设计

充分考虑机械的构造性、可靠性，所设计的电动爬楼机秉承着体积小、重量轻、价格低的宗旨，满足楼道狭窄使用要求；改进材料以及爬楼装置结构，使电动爬楼机的质量更轻、运行平稳、更容易操作。在综合上述要求和具体实际情况设计的基础上，基于参考文献[2]优化设计电动爬楼机。

经过实地的走访调研并根据《建筑楼梯模数协调标准》，测得楼梯梯面高在13 cm～16 cm范围内，楼梯梯面宽在26.5 cm～31 cm范围内，楼梯过道宽在110 cm～200 cm范围内，据此确定爬楼机的车身长150 cm，宽60 cm，总重量20 kg，称重载荷100 kg，爬楼速度0阶/min～15阶/min。

通过查阅文献，确定总体设计思路如图1所示。

图1 电动爬楼机总体设计思路

分析国内外关于载物爬楼机构的资料，研究发现，所设计电动爬楼机的难点在于机械的传动机构以及控制系统。爬楼机构的优劣直接决定了这款设计产品是否能符合预期要求。

基于上述问题，采取建立三维模型进行仿真、优化，达到预期要求后再定制加工，最后完成样机的制作。

2 传动机构和控制系统设计

基于对市面上已有爬楼机构的分析对比发现，由于星轮轮距和深度固定，因此该传动机构不适用于不同高度楼梯台阶的高度和宽度，履带在爬楼的过程中，会出现错位、打滑等现象，存在一定的安全隐患[2]。而且在履带爬楼的过程中，履带与楼梯接触面间所产生的摩擦力较大，会对楼梯造成一定程度的损坏，得不偿失。综上分析，本设计采用步进式爬楼机构，又称为“S”型轮，这种运行方式精准稳定，传动可靠。当爬楼机在平地时，依靠两后轮在人的拉力或推力作用下，可使其运动；当其爬楼时，主要是依靠S型轮步进式结构使其运动，使用者在前方牵引，“S”型轮通过带传动使其绕轴转动，模仿人爬楼的姿势进行爬楼运动。

2.1 传动系统动力源的选取

动力源选用信达的XD-4D40-24的直流减速电机，具体参数如表1所示：

表1 直流减速电机主要参数

2.2 电动爬楼机传动机构的设计

通过对齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、链传动等多种形式进行分析比较，考虑到经济性和轻量化的原则，在满足基本传动功能的前提下，传动部分主要通过带传动来实现。带传动具有结构简单、过载保护等优点[3]，在设计中选取同步带来进行运动和动力的传递。传动机构原理如图2所示。

1-小同步轮 2-直流电动机 3-同步带 4-大同步轮 5-S型轮

2.3 控制系统的设计

电动爬楼机控制系统要具备电动爬楼机运行过程中的速度调控、运动调节、故障检测等各项功能[4]。电动爬楼机设计的难点在于如何更好地控制电动爬楼机的关键部位S型轮与楼梯间距，使得S型轮在与楼梯接触时进行翻转，以至于能够实现电动爬楼机的爬楼功能。在电动爬楼机的运行过程中，控制直流减速电动机的CTV系统能够实现无级调整电动爬楼机的整体爬楼运行速度。

要确保电动爬楼机运行过程中具有良好的运动状态，硬件系统主要有以下几个模块：主控模块、驱动模块、电源模块。电动爬楼机控制系统如图3所示。

图3 控制系统图

3 主要零部件设计及三维建模

为了使设计的电动爬楼机具有承载性能好、经济实惠、重量轻、运行平稳等性能，本设备主要由直流减速电动机、同步带、同步轮、S型轮连接轴、S型轮、电动爬楼机主体框架、支撑轮等组成。其中至关重要的部件就是S型轮，S型轮的两端圆弧在接触楼梯面时可以把电动爬楼机撑在上楼梯面，其运行一周即能让整个电动爬楼机上两个台阶，大大提高了运行效率。根据设计要求，绘制了S型轮的机构简图并利用Solidworks建立了S型轮的三维模型，同时对该模型进行了优化设计，所绘制的简图及建立的三维模型如图4、5所示。

图4 S型轮机构简图

图5 S型轮三维模型

由于S型轮为设计产品，无法在市场上购买。为了避免S型轮在正常的使用过程中直接接触地面，提高S型轮的使用寿命，从而采用双层设计，与楼梯台阶面接触采用便于更换的橡胶轮。不仅提高了S型轮的使用寿命，还减少了电动爬楼机在工作时产生的噪声。双层S型轮如图6所示。

图6 双层S型轮

根据上述要求，在不影响S型轮的正常运行的情况下，设计其余机械部件，让设计的电动爬楼机更具人性化，利用SolidWorks建立了电动爬楼机的整体模型如图7所示。

图7 电动爬楼机整体三维模型

4 运动仿真及性能分析

借助动力学仿真软件ADAMS检测电动爬楼机传动系统结构是否合理，以及对电动爬楼机的性能进行分析。利用已经建立好的电动爬楼机传动系统的三维实体模型，给定输入参数后模拟整个传动系统的运动过程，得出相应的曲线图，分析整套传动系统的动力输出结果是否符合设计的要求。

由于S型轮与电动爬楼机为一个整体，两者之间不存在相对运动，故S型轮轴的运动轨迹即代表电动爬楼机的运动轨迹。因此，验证电动爬楼机的稳定性，只需分析S型轮轴的运动轨迹即可。在完成S型轮方案中各构件之间的约束力和接触力后，对电动爬楼机施加负载50 kg的负荷，S型轮以每转3.75 s的速度旋转，设定仿真时间为15 s，对电动爬楼机进行仿真，如图8所示。

图8 S型轮轴运动轨迹

由图8中电动爬楼机S型轮轴的爬升轨迹可以看出，电动爬楼机在整个爬楼运行过程中具有非常好的稳定性，有一定曲率的圆弧证明电动爬楼机在运行过程中具有微量的波动，安全系数较高，便于操作人员的控制。

5 实物样机制作与调试

根据上述设计方案，制定原材料的购买与实物模型的制作计划，完成样机制作并且不断调试样机。在台阶：高×宽=147 mm×306 mm；电动爬楼机自重：20 kg实验条件下，观察并调整S型轮的位置，使S型轮轴处于一个不与楼梯发生干涉的角度，电动爬楼机进行空载上下楼梯试验，调试如图9所示。

图9 调试样机

试验结果表明：电动爬楼机运行速度在0阶/min～15阶/min，运行状态平稳、工作时噪声较小，符合预期方案的设计要求。最终制作完成的样机如图10所示。

图10 实物样机

6 结语

针对当前市场电动爬楼机的不足之处，设计了一种新型的电动爬楼机，对该电动爬楼机在运行参数合理情况下进行轻量化设计，以提高电动爬楼机的可靠性以及实用性。利用Solidworks软件建立了三维模型，并对其优化设计及运动仿真分析，经过对虚拟样机分析和实物模型的调试，证实了S型轮方案可行且运行平稳。