自主手控式垂直升降平台设计

张玉芝 杨腾越 杨云涛 赵立蕊

（1.河北工业职业技术大学 汽车工程系，石家庄 050091；2.中国人民解放军陆军工程大学，南京 210007；3.中国人民解放军陆军航空兵学院，北京 101123）

空间升降平台作为高、低空作业垂直升降的重要工具，广泛应用于工业、农业及人们的日常生活中，极大提高了操作者的工作效率[1-2]。欧美国家升降平台的发展和应用，可以追溯到20 世纪60 年代。其种类和功能呈多样化趋势发展。按照作业平台升降机构类型的不同，升降平台可以分为套缸式、剪叉式、曲臂式和链式。国内升降平台从20 世纪90 年代逐渐兴起，目前市场上的升降平台以履带式和轮式为主，升降方式普遍为垂直升降。2019 年，潍坊森海机械制造有限公司生产的4PZ-120 型自走式果园采摘平台采用履带行走装置，平台展开宽度可达2.6 m。综上所述，升降平台在国内外均有较快的发展，并向大型化、智能化方向发展，市场需求量很大。但是，针对价格低廉、使用灵活的小型升降平台，还缺乏足够的资金投入和产品研发力度。针对现有升降平台造价偏高的问题，研究设计一套人工自行手动控制升降的小型升降平台。平台结构简单，使用灵活，不需要动力资源，有效降低了生产成本，更有利于在价格竞争激烈的市场中推广和使用。

1 总体方案设计

设计一种自控式垂直升降平台，能够满足一般电气设备维修、室内外墙体粉刷、果园园艺作业等任务，设计原则主要是小型化、便捷性、灵活性、低成本。

1.1 主要参数设计

鉴于升降平台的工作需要一定的垂直升降功能，但是不需要尺度较大的高空作业，兼顾便捷灵活及稳定性要求，平台总高度设计为1 800 mm，有效升程为1 000 mm。考虑到平台的便捷性，台架机构采用轻便的铝合金材质。

1.2 操作功能实现

为了降低人工劳动成本，提高工作效率，作业者可以独立手动完成升降平台的升降控制，且不影响正常工作，将操控工作台升降的摇柄设计在作业者附近，便于在工作时根据需要随时控制平台的垂直升降。

1.3 动力传动功能实现

控制平台升降的传统机械方式有套缸式、剪叉式、曲臂式及链式，提供动力方式有电动式、液压式和人工式等。考虑到平台的造价成本，选用人工手摇式的轮系传动机构，节约生产成本，提升性价比和普及率。

2 主要结构设计

平台主要由台架机构、传动机构、升降机构和辅助机构4 个部分组成，总装配图如图1 所示。

图1 自主手控式垂直升降平台总装配图

2.1 台架机构设计

自控式垂直升降平台的台架机构是固定连接各个组成部件的重要机构，对整个垂直升降平台的稳定性与安全性起着至关重要的作用[3-4]。为了保证自控式垂直升降平台的便捷性和灵活性，机架底座设计有移动滚轮。机架两侧的2 个立柱采用铝合金材质，并设计可供轴承滚轮垂直升降的导轨U 形槽，保证工作台在垂直升降时，依靠滚轮沿U 形槽实现导向和稳定作用。机架顶部有固定吊绳使用的吊绳轮，与吊绳、绕绳滚筒配合使用，实现工作台的垂直升降。工作台承载量不小于150 kg，总高为1 800 mm，最大宽度为833 mm，最大升程为1 000 mm。

2.2 传动机构设计

传动机构是实现平台垂直升降、传动力矩的关键机构。在常见的机械传动机构中，根据传递动力方式分为摩擦传动、啮合传动，摩擦传动又分为摩擦轮传动和带传动等，啮合传动可分为齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和链传动等。根据传动比，传动机构可分为定传动比传动和变传动比传动。结合升降平台稳定可靠、操作便捷灵活的实际需要，由于啮合传动中的齿轮为可变传动比的方式，具有省力可靠、操作方便、无振动等优点[5-6]，选用科学合理的变传动比传动方式作为一级传动方式。蜗轮蜗杆传动方式不但稳固可靠，而且在传动过程中具有自锁功能，便于在垂直升降中悬停在任何需要的工作高度，因此同时采用蜗轮蜗杆传动机构作为二级传动方式。

查阅相关设计手册，一级传动齿轮组采用45 号钢材质。按照人工手摇手柄速度为150 r·min-1，主动轮齿数为47，传动比为2.06，计算可得从动轮齿数为97。对于蜗轮蜗杆二级传动机构的设计，为了避免传动失效、齿面磨损、蜗杆断裂等情况发生，蜗杆采用调制处理后的45 号钢材料，蜗轮采用铸造加工。传动比取为20.5，则蜗轮蜗杆传动效率为0.8。查阅设计手册可知，蜗杆模数为3，直径系数为13，蜗轮蜗杆机构中心距为110 mm，可知蜗轮、蜗杆的分度圆直径分别为39 mm、118 mm。蜗杆和蜗轮设计结构分别如图2、图3 所示。

图2 蜗杆结构示意图

图3 蜗轮结构示意图

传动机构是垂直升降平台的重要动力传动部分，为了节约空间、高效传动，设计可安装传动机构的箱体，主要由一级传动齿轮轴承座、二级齿轮及蜗杆轴承座、蜗轮轴承座及箱体支撑部件构成。轴承座孔与相应的标准轴承件配合使用，构成功能完善的传动机构，如图4 所示。

图4 传动箱体结构示意图

2.3 升降机构设计

升降机构是实现平台主要功能、满足作业者需求的主要部分。为了满足作业过程中的易操作性，采用人工手摇滚轮的方法转动摇柄。通过传动齿轮组、蜗轮蜗杆组传输动力，带动2 个绕绳滚筒旋转，将拉绳缠绕在滚筒上，实现升降工作平台的垂直往复运动。

3 主要功能实现

通过不同机构部分的设计可知，每个机构承担了不同的功能任务，从而实现平台的垂直升降，总体工作过程如下。第一，整体平台移动。根据不同工作地点，可通过底座的4 个滚轮转动，实现平行移动，满足不同点位的工作需求。第二，提供动力源。工作时，作业者站在工作台上，用手摇动摇柄顺时针或逆时针旋转，带动一级齿轮转动。摇柄旋转在不同位置时，可以通过卡销固定位置，停止动力源，使工作台悬停在固定高度位置。第三，齿轮传动。一级齿轮与二级齿轮啮合，通过固定传动比带动二级齿轮转动，二级齿轮与蜗杆安装在同一个支撑轴上，同步转动。第四，蜗轮蜗杆传动。蜗轮与蜗杆啮合，蜗杆通过固定传动比带动蜗轮转动，蜗轮与绕绳滚筒安装在同一个支撑轴上同步转动。由于蜗轮蜗杆具有自锁功能，可以辅助作业者使工作台悬停在任意高度位置，防止工作台因自重下滑。第五，绕绳滚筒转动。吊绳一端固定在台架顶部的吊绳轮上，滚筒转动时会使吊绳的另一端缠绕在滚筒上，从而实现传动机构部分的箱体垂直上升。传动箱体与工作台通过螺栓连接，进而实现工作台的上升。第六，滑轨运动。工作台在升降运动时，为了防止出现摆动问题，在工作台两侧台架立柱的沟槽内，安装有与工作台固连的2 个轴承滚轮，工作台垂直升降时，轴承滚轮沿沟槽轨道运动，具有导向功能，保证工作台升降的稳定性。

4 结语

垂直升降平台在工业生产、农林园艺、物业维修、建筑安装和日常生活中具有广泛的应用，在激烈的经济市场竞争下，研究设计性价比高、操作便捷的垂直升降平台具有重要的现实意义。结合当前的市场需求，针对现有升降平台造价较高的问题，研究设计一种结构简捷、操作灵活、不需要能源消耗的垂直升降平台，并明确相关设计参数。该升降平台可以由作业者自行操作完成，通过手动摇柄带动齿轮组、蜗轮蜗杆组传递动力，实现升降功能，使用方便灵活，生产成本低廉，具有广阔的应用前景。