符加園，李小帥，趙 航，余江鴻

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲412007)

網(wǎng)購(gòu)貨物日趨多樣化，不僅有體積較小的商品，大型的電器等體積較大較重的物品也越來(lái)越多[1]。體積較大且較重的商品在物流配送過程中使得快遞員在搬運(yùn)和投遞時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度較大。商品上樓時(shí)，在沒有電梯的樓宇，主要靠快遞員肩扛上樓，易對(duì)工作人員造成身體傷害，同時(shí)也容易使商品產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致商品損壞，易產(chǎn)生糾紛。目前，市面上現(xiàn)有的爬樓載物車主要適用于殘疾人上下樓或減輕特殊人群爬樓的負(fù)擔(dān)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，但價(jià)格高昂，不適合快遞行業(yè)的需求。

第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的主題為“服務(wù)社會(huì)——高效、便利、個(gè)性化”，其中一項(xiàng)為設(shè)計(jì)商品載運(yùn)及助力機(jī)械裝置[2]。本文結(jié)合創(chuàng)新大賽主題及社會(huì)需求，設(shè)計(jì)一款履帶式搬運(yùn)助力車，使其能滿足國(guó)家《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的尺寸參數(shù)，用于幫助快遞員、城鎮(zhèn)居民在樓梯上載運(yùn)較大及較重的物品，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)文明安全搬運(yùn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

履帶式搬運(yùn)助力車的總體設(shè)計(jì)包括：動(dòng)力系統(tǒng)選用、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐裝置及控制裝置。考慮技術(shù)要求和國(guó)家樓梯相關(guān)尺寸[3]，履帶式爬樓助力車必須滿足如下要求：

（1）最大載重：100 kg；

（2）爬樓速度：20～30 階/min，可調(diào)速度；

（3）工作時(shí)符合《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的相關(guān)尺寸要求；

（4）可以連續(xù)、穩(wěn)定的進(jìn)行上下樓梯。

1.2 車架設(shè)計(jì)

參照《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)助力車其外形尺寸為：60 mm（長(zhǎng)）×35 mm（寬）×120 mm（高）。繪制整體線框圖模型，如圖1所示。

圖1 車架模型

1.3 履帶選擇與設(shè)計(jì)

履帶式傳動(dòng)利用比較連續(xù)的行走方式，效率較高，在上下樓過程中裝置波動(dòng)比較小，支撐面積大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適用樓梯廣，如圖2所示。履帶主要是用同步帶制作而成，同步帶包括不同的齒型、齒距和配套使用的同步帶輪[4]。結(jié)合履帶式搬運(yùn)助力車的實(shí)際裝配運(yùn)行環(huán)境，選擇爬樓同步帶齒數(shù)z=32，分度圓直徑D=80 mm，雙面擋邊無(wú)凸臺(tái)，內(nèi)徑17 mm的履帶。

圖2 履帶傳動(dòng)

履帶式爬樓裝置爬樓示意圖，如圖3所示。設(shè)樓梯臺(tái)階寬度為c，臺(tái)階高度為b，可以求解同步帶輪之間的距離a.在根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的樓梯相關(guān)尺寸算出兩級(jí)臺(tái)階邊緣的距離在261～382mm之間，在根據(jù)上述設(shè)計(jì)的同步帶輪分度圓直徑為80mm，即可計(jì)算得出爬樓履帶中心距在341～460mm之間。根據(jù)城鎮(zhèn)居民樓數(shù)據(jù)以及履帶式搬運(yùn)助力車的整體車架設(shè)計(jì)工況，將同步帶輪之間的距離a初步定為358mm.

圖3 履帶爬樓過程示意圖

設(shè)計(jì)的履帶式搬運(yùn)助力車重量為G1=40 kg，最大承載量G2=120 kg，根據(jù)式（1）計(jì)算所需克服阻力矩[4]：

式中：M為助力車需克服的阻力矩；R為車輪半徑；Fs為助力車需克服的阻力；G1為助力車自重；G2為助力車最大承載量；sinθ為樓梯臺(tái)階最小寬度和最大高度的比值。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)的履帶式搬運(yùn)助力車能滿足普通樓梯運(yùn)行。

履帶式搬運(yùn)助力車的設(shè)計(jì)速度是20～30階/min，則上下樓梯履帶的速度為：

同步帶輪轉(zhuǎn)速：

履帶式搬運(yùn)助力車在樓梯間運(yùn)行所需要的驅(qū)動(dòng)功率為：

由于在樓梯間的運(yùn)動(dòng)，受環(huán)境的一些影響，需要修正以下驅(qū)動(dòng)功率：

其中f為影響系數(shù)。

結(jié)合實(shí)用性及制作能力，最終選用兩條長(zhǎng)966 mm的同步帶。外齒同步帶T20，內(nèi)齒是同步帶HTD-8M.內(nèi)齒采用的HTD8M聚氨酯同步帶是由熱塑聚氨酯材料制成，保證傳輸性能好，傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，具有傳動(dòng)和傳輸功能[3]，同時(shí)高精度的直線定位有準(zhǔn)確的同步傳動(dòng)功能，無(wú)滑差、無(wú)污染、噪音少。外齒采用T型同步帶在完全相同的傳動(dòng)系統(tǒng)下，能提高電機(jī)的效率，使電機(jī)得到平順安靜的運(yùn)轉(zhuǎn)，利于搬運(yùn)助力車從平地過渡到樓梯臺(tái)階上。

1.4 支撐裝置設(shè)計(jì)

履帶式搬運(yùn)助力車是通過履帶接觸臺(tái)階實(shí)現(xiàn)攀爬。助力車載貨時(shí)，履帶需要承受一定負(fù)荷。然而履帶承重時(shí)，會(huì)造成履帶折彎，亦會(huì)加劇磨損，因此需要設(shè)計(jì)支撐裝置，使其能：

（1）支撐履帶，保證爬樓連續(xù)、穩(wěn)定、可靠；

（2）變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦力，降低能耗，提高爬樓能力；

（3）讓履帶式搬運(yùn)助力車在爬樓時(shí)，像是在一個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)。

支撐裝置的大致線框形狀如圖4所示。

圖4 支撐裝置

使用的軸承型號(hào)為608-2RS，軸承參數(shù)：軸承直徑8 mm；軸承外徑22 mm；軸承厚度7 mm，脂潤(rùn)滑轉(zhuǎn)速：48 000 r/min；油潤(rùn)滑轉(zhuǎn)速：75 000 r/min.根據(jù)支撐架上軸承的厚度7 mm，設(shè)計(jì)履帶的時(shí)候，考慮軸承結(jié)合履帶的部分，必須為軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)提供一個(gè)流道，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須把履帶的背面特制流道，流道的寬度應(yīng)略大于軸承的厚度，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，把流道的寬度設(shè)定為10mm.如圖5所示。

圖5 履帶流道圖

2 電機(jī)、電源及減速機(jī)選擇

助力車主要用于投遞員在樓梯間運(yùn)送商品，減投遞員的勞動(dòng)強(qiáng)度，所需要的驅(qū)動(dòng)功率為P=476.04 W，同步帶輪轉(zhuǎn)速即輸出軸轉(zhuǎn)n=57.68 r/min，驅(qū)動(dòng)力矩M=65.71 N·m，考慮工作能力及經(jīng)濟(jì)因素，能雙向正反運(yùn)動(dòng)，選用500W無(wú)刷直流電機(jī)。

電源必須是可移動(dòng)電源，能夠連續(xù)充電，便于維護(hù)。鋰電池壽命長(zhǎng)，使用安全，綠色環(huán)保。選用型號(hào)GX-M3610-B2的裡電池作為動(dòng)為供給源[4]，具體參數(shù)為：工作電壓24 V；電池容量20 AH；續(xù)航時(shí)間為滿電狀態(tài)下空載3 h，載重1.5 h.

蝸輪蝸桿減速機(jī)具有較大減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，反向自鎖，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，選用WD型渦輪減速機(jī)。

3 三維建模及調(diào)試

履帶式搬運(yùn)助力車的裝配模型圖6所示，實(shí)物如圖7所示。樓能力的測(cè)試。

圖6 助力車模型

圖7 助力車實(shí)物

調(diào)試主要是針對(duì)履帶式助力車的控制系統(tǒng)和爬

（1）控制系統(tǒng)。打開電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)無(wú)極調(diào)速旋鈕，控制電機(jī)運(yùn)行速度；然后測(cè)試電機(jī)正反轉(zhuǎn)，也就是助力車前進(jìn)后退。檢測(cè)所有開關(guān)都控制正常。

（2）運(yùn)行情況。助力車的運(yùn)行狀況，分為平地運(yùn)行、樓梯運(yùn)行、載物運(yùn)行。平地運(yùn)行和平地載物運(yùn)行比較簡(jiǎn)單，沒有出現(xiàn)跳動(dòng)、載物沖擊現(xiàn)象，使用助力車運(yùn)送商品，可以明顯感覺到輕松，勞動(dòng)強(qiáng)度小。調(diào)試結(jié)果如表1所示。

表1 車體運(yùn)行情況

綜合多次調(diào)試結(jié)果，助力車載物上樓在25階/min的速度爬樓時(shí)，速度在設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，車體的振動(dòng)比較小，爬樓平穩(wěn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)上購(gòu)物越來(lái)越普及，快遞員在物流配送過程中投遞體積較大且較重商品的情況越來(lái)越多。本文設(shè)計(jì)了一種履帶式搬運(yùn)助力車，以幫助快遞員在投遞重物時(shí)更加便捷和省力。參考《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的樓梯尺寸，助力車采用履帶傳動(dòng)，選用HTD-8M型同步帶、可移動(dòng)電源、可雙向正反運(yùn)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)及WD型渦輪減速器。通過虛擬樣機(jī)仿真及物理樣機(jī)調(diào)試顯示，助力車于平地及樓梯載物運(yùn)行時(shí)，在設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)，無(wú)跳動(dòng)、載物沖擊現(xiàn)象，車體運(yùn)行平穩(wěn)，能明顯減小快遞員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]智研咨詢集．2016-2022年中國(guó)快遞行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析及投資前景[R]．北京：智研咨詢集團(tuán)，2016．

[2]教育部高等學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)．關(guān)于發(fā)布第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題和內(nèi)容的通知[EB/OL].http：//www.umic.edu.cn/show.asp id=225，2015-3-1．

[3]中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部．GBJ101-87建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)，1987．

[4]梁白冰.電動(dòng)爬樓載物車的設(shè)計(jì)與研究[D]．長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2015．