自主手控式垂直升降平臺設計

張玉芝 楊騰越 楊云濤 趙立蕊

（1.河北工業職業技術大學 汽車工程系，石家莊 050091；2.中國人民解放軍陸軍工程大學，南京 210007；3.中國人民解放軍陸軍航空兵學院，北京 101123）

空間升降平臺作為高、低空作業垂直升降的重要工具，廣泛應用于工業、農業及人們的日常生活中，極大提高了操作者的工作效率[1-2]。歐美國家升降平臺的發展和應用，可以追溯到20 世紀60 年代。其種類和功能呈多樣化趨勢發展。按照作業平臺升降機構類型的不同，升降平臺可以分為套缸式、剪叉式、曲臂式和鏈式。國內升降平臺從20 世紀90 年代逐漸興起，目前市場上的升降平臺以履帶式和輪式為主，升降方式普遍為垂直升降。2019 年，濰坊森海機械制造有限公司生產的4PZ-120 型自走式果園采摘平臺采用履帶行走裝置，平臺展開寬度可達2.6 m。綜上所述，升降平臺在國內外均有較快的發展，并向大型化、智能化方向發展，市場需求量很大。但是，針對價格低廉、使用靈活的小型升降平臺，還缺乏足夠的資金投入和產品研發力度。針對現有升降平臺造價偏高的問題，研究設計一套人工自行手動控制升降的小型升降平臺。平臺結構簡單，使用靈活，不需要動力資源，有效降低了生產成本，更有利于在價格競爭激烈的市場中推廣和使用。

1 總體方案設計

設計一種自控式垂直升降平臺，能夠滿足一般電氣設備維修、室內外墻體粉刷、果園園藝作業等任務，設計原則主要是小型化、便捷性、靈活性、低成本。

1.1 主要參數設計

鑒于升降平臺的工作需要一定的垂直升降功能，但是不需要尺度較大的高空作業，兼顧便捷靈活及穩定性要求，平臺總高度設計為1 800 mm，有效升程為1 000 mm。考慮到平臺的便捷性，臺架機構采用輕便的鋁合金材質。

1.2 操作功能實現

為了降低人工勞動成本，提高工作效率，作業者可以獨立手動完成升降平臺的升降控制，且不影響正常工作，將操控工作臺升降的搖柄設計在作業者附近，便于在工作時根據需要隨時控制平臺的垂直升降。

1.3 動力傳動功能實現

控制平臺升降的傳統機械方式有套缸式、剪叉式、曲臂式及鏈式，提供動力方式有電動式、液壓式和人工式等。考慮到平臺的造價成本，選用人工手搖式的輪系傳動機構，節約生產成本，提升性價比和普及率。

2 主要結構設計

平臺主要由臺架機構、傳動機構、升降機構和輔助機構4 個部分組成，總裝配圖如圖1 所示。

圖1 自主手控式垂直升降平臺總裝配圖

2.1 臺架機構設計

自控式垂直升降平臺的臺架機構是固定連接各個組成部件的重要機構，對整個垂直升降平臺的穩定性與安全性起著至關重要的作用[3-4]。為了保證自控式垂直升降平臺的便捷性和靈活性，機架底座設計有移動滾輪。機架兩側的2 個立柱采用鋁合金材質，并設計可供軸承滾輪垂直升降的導軌U 形槽，保證工作臺在垂直升降時，依靠滾輪沿U 形槽實現導向和穩定作用。機架頂部有固定吊繩使用的吊繩輪，與吊繩、繞繩滾筒配合使用，實現工作臺的垂直升降。工作臺承載量不小于150 kg，總高為1 800 mm，最大寬度為833 mm，最大升程為1 000 mm。

2.2 傳動機構設計

傳動機構是實現平臺垂直升降、傳動力矩的關鍵機構。在常見的機械傳動機構中，根據傳遞動力方式分為摩擦傳動、嚙合傳動，摩擦傳動又分為摩擦輪傳動和帶傳動等，嚙合傳動可分為齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動和鏈傳動等。根據傳動比，傳動機構可分為定傳動比傳動和變傳動比傳動。結合升降平臺穩定可靠、操作便捷靈活的實際需要，由于嚙合傳動中的齒輪為可變傳動比的方式，具有省力可靠、操作方便、無振動等優點[5-6]，選用科學合理的變傳動比傳動方式作為一級傳動方式。蝸輪蝸桿傳動方式不但穩固可靠，而且在傳動過程中具有自鎖功能，便于在垂直升降中懸停在任何需要的工作高度，因此同時采用蝸輪蝸桿傳動機構作為二級傳動方式。

查閱相關設計手冊，一級傳動齒輪組采用45 號鋼材質。按照人工手搖手柄速度為150 r·min-1，主動輪齒數為47，傳動比為2.06，計算可得從動輪齒數為97。對于蝸輪蝸桿二級傳動機構的設計，為了避免傳動失效、齒面磨損、蝸桿斷裂等情況發生，蝸桿采用調制處理后的45 號鋼材料，蝸輪采用鑄造加工。傳動比取為20.5，則蝸輪蝸桿傳動效率為0.8。查閱設計手冊可知，蝸桿模數為3，直徑系數為13，蝸輪蝸桿機構中心距為110 mm，可知蝸輪、蝸桿的分度圓直徑分別為39 mm、118 mm。蝸桿和蝸輪設計結構分別如圖2、圖3 所示。

圖2 蝸桿結構示意圖

圖3 蝸輪結構示意圖

傳動機構是垂直升降平臺的重要動力傳動部分，為了節約空間、高效傳動，設計可安裝傳動機構的箱體，主要由一級傳動齒輪軸承座、二級齒輪及蝸桿軸承座、蝸輪軸承座及箱體支撐部件構成。軸承座孔與相應的標準軸承件配合使用，構成功能完善的傳動機構，如圖4 所示。

圖4 傳動箱體結構示意圖

2.3 升降機構設計

升降機構是實現平臺主要功能、滿足作業者需求的主要部分。為了滿足作業過程中的易操作性，采用人工手搖滾輪的方法轉動搖柄。通過傳動齒輪組、蝸輪蝸桿組傳輸動力，帶動2 個繞繩滾筒旋轉，將拉繩纏繞在滾筒上，實現升降工作平臺的垂直往復運動。

3 主要功能實現

通過不同機構部分的設計可知，每個機構承擔了不同的功能任務，從而實現平臺的垂直升降，總體工作過程如下。第一，整體平臺移動。根據不同工作地點，可通過底座的4 個滾輪轉動，實現平行移動，滿足不同點位的工作需求。第二，提供動力源。工作時，作業者站在工作臺上，用手搖動搖柄順時針或逆時針旋轉，帶動一級齒輪轉動。搖柄旋轉在不同位置時，可以通過卡銷固定位置，停止動力源，使工作臺懸停在固定高度位置。第三，齒輪傳動。一級齒輪與二級齒輪嚙合，通過固定傳動比帶動二級齒輪轉動，二級齒輪與蝸桿安裝在同一個支撐軸上，同步轉動。第四，蝸輪蝸桿傳動。蝸輪與蝸桿嚙合，蝸桿通過固定傳動比帶動蝸輪轉動，蝸輪與繞繩滾筒安裝在同一個支撐軸上同步轉動。由于蝸輪蝸桿具有自鎖功能，可以輔助作業者使工作臺懸停在任意高度位置，防止工作臺因自重下滑。第五，繞繩滾筒轉動。吊繩一端固定在臺架頂部的吊繩輪上，滾筒轉動時會使吊繩的另一端纏繞在滾筒上，從而實現傳動機構部分的箱體垂直上升。傳動箱體與工作臺通過螺栓連接，進而實現工作臺的上升。第六，滑軌運動。工作臺在升降運動時，為了防止出現擺動問題，在工作臺兩側臺架立柱的溝槽內，安裝有與工作臺固連的2 個軸承滾輪，工作臺垂直升降時，軸承滾輪沿溝槽軌道運動，具有導向功能，保證工作臺升降的穩定性。

4 結語

垂直升降平臺在工業生產、農林園藝、物業維修、建筑安裝和日常生活中具有廣泛的應用，在激烈的經濟市場競爭下，研究設計性價比高、操作便捷的垂直升降平臺具有重要的現實意義。結合當前的市場需求，針對現有升降平臺造價較高的問題，研究設計一種結構簡捷、操作靈活、不需要能源消耗的垂直升降平臺，并明確相關設計參數。該升降平臺可以由作業者自行操作完成，通過手動搖柄帶動齒輪組、蝸輪蝸桿組傳遞動力，實現升降功能，使用方便靈活，生產成本低廉，具有廣闊的應用前景。