開題報(bào)告-無障礙樓梯升降平臺設(shè)計(jì)

一、選題背景、意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1選題背景圖1.1廣州地鐵2號線樓道升降機(jī)本次設(shè)計(jì)的無障礙樓梯升降平臺借鑒了樓道升降機(jī)中的輪椅車平臺式的設(shè)計(jì)方法，是一種全新的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，它的設(shè)計(jì)和原理同其它的機(jī)電設(shè)備有類似之處，由于其使用的場所和使用人群不同，對于其設(shè)計(jì)和安裝提供了不一樣的要求，以滿足特殊人群的需要，本設(shè)備在公共場所的投用將體現(xiàn)全社會對特殊人群的關(guān)心，是無障礙建設(shè)中關(guān)鍵的一環(huán)。1.2選題意義古往今來，衣食住行都是人類生活的基本需求。伴隨著物質(zhì)文明和精神文明的不斷發(fā)展，不僅僅是正常人的生活質(zhì)量需要保證，殘障人士的生活質(zhì)量同樣也需要保障。近年來，殘障人士專用廁所、停車位的設(shè)立體現(xiàn)了當(dāng)前社會對特殊人群的重視，而殘障人士的無障礙出行也成為目前研究的熱點(diǎn)。樓道升降機(jī)的出現(xiàn)提供了一種新的縱向交通方式，經(jīng)過國內(nèi)外研究人員多年的努力，這項(xiàng)技術(shù)正慢慢變得成熟可靠，無論是在地鐵、車站、商場等公共場合，還是在家庭住宅建筑中，樓道升降機(jī)都為殘障人士的出行提供了很大的方便[6]。下圖1.2是樓道電梯中國及全球?qū)＠暾埩磕甓确植冀y(tǒng)計(jì)圖，其中，第一件關(guān)于樓道電梯的申請專利為美國在1972年提出。隨后，在1972-1980年，全球整體范圍內(nèi)的專利年申請量穩(wěn)定保持在年均10件以下，屬于該領(lǐng)域的萌芽期，主要申請國家為美國、德國和英國。而1981年，日本開始進(jìn)入樓道電梯領(lǐng)域，在1981-1993年期間，該領(lǐng)域全球?qū)＠晟暾埩糠€(wěn)定保持在年均20件以內(nèi)，屬于該領(lǐng)域緩慢發(fā)展期。在1994-2013年期間，該領(lǐng)域全球?qū)＠晟暾埩窟M(jìn)入到20-50的區(qū)間，屬于該領(lǐng)域的穩(wěn)步發(fā)展期，在該階段日本起到了中流砥柱的作用，申請量占比40%；美國和德國在此階段穩(wěn)步發(fā)展，英國年申請量處于低迷狀態(tài)，中國也開始進(jìn)入樓道電梯領(lǐng)域。2014年，由于中國專利事業(yè)的蓬勃發(fā)展，樓道電梯領(lǐng)域的全球年專利量開始迅速增長，從2015年開始全球年專利量均超過100件，2015年達(dá)到頂峰，其中中國成為該領(lǐng)域的主要申請國家[7]。時(shí)至今日，中國仍是樓道電梯領(lǐng)域?qū)＠暾堊疃嗟脑瓌?chuàng)國。圖1.2樓道電梯中國及全球?qū)＠暾埩磕甓确植冀y(tǒng)計(jì)圖樓道電梯技術(shù)領(lǐng)域在我國的專利保護(hù)雖然起步落后于全球其他國家，但是在國家大力發(fā)展知識產(chǎn)權(quán)事業(yè)的背景下，我國該領(lǐng)域?qū)＠跀?shù)量上已經(jīng)領(lǐng)先全球，成為該領(lǐng)域?qū)＠暾埩康谝淮髧?。中國近年來在該領(lǐng)域的本國專利申請突飛猛進(jìn)地發(fā)展，主要有以下幾方面因素：一是國人的專利意識有所提高；二是中國老齡化問題日益嚴(yán)重，而未安裝電梯的老舊住宅樓較多；三是國家科技研發(fā)能力的提升。在其他工業(yè)化程度較高的國家，如日本、美國、德國和英國，近幾年在該領(lǐng)域的研究熱度均處于較低水平，而中國在該領(lǐng)域的研究熱度高，則有機(jī)會突破一些常年不能突破的技術(shù)壁壘，搶先布局該領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的專利市場。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀《行動不便人員使用的樓道升降機(jī)：GB24806—2009》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在公共場所，座椅式樓道升降機(jī)僅適用于沒有足夠空間來容納輪椅車平臺的情況。由此，輪椅式升降平臺更具有廣泛使用的市場潛力。圖1.3圖1.4圖1.51.3.1國外發(fā)展現(xiàn)狀國外方面，DouglasWilliamGlover[8]提出了一種當(dāng)樓梯間的車廂沿傾斜角度不同的軌道移動時(shí)，保持升降機(jī)座位水平的裝置。通過樓道升降機(jī)的控制裝置響應(yīng)于車廂沿其軌道的位置以及表示座椅與車廂沿軌道在不同位置之間的期望角度的存儲數(shù)據(jù)來控制驅(qū)動裝置，以便在車廂沿軌道移動時(shí)保持座椅基本水平。JanH.Bor[9]提出樓道升降機(jī)的車廂由平行四邊形的橫桿和垂直桿組成，并且將它們通過一根垂直軸和水平軸連接，這樣一來平行四邊形就為樓道升降機(jī)的運(yùn)載臺提供了堅(jiān)固穩(wěn)定的支撐，無論是水平面還是垂直面上的彎板都可以順利通過，采用這種結(jié)構(gòu)可以改善以往設(shè)計(jì)的樓道升降機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)車廂不穩(wěn)定、運(yùn)行不平穩(wěn)的狀況。威爾科·范艾金[10]提出在座椅電梯的扶手處安裝用于激活緊急下降裝置的使用者輸入裝置，這樣一來在不脫離位置的前提下，幾乎每個(gè)人都可以夠到按鈕，從而可以改善座椅電梯緊急下降的人體工程學(xué)，維持高質(zhì)量的安全標(biāo)準(zhǔn)。GordonMolnar[11]提出樓梯升降機(jī)使用輕質(zhì)電池驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動輕質(zhì)螺旋齒輪的驅(qū)動系統(tǒng)組合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重型電機(jī)和齒輪，使用輕質(zhì)的樓梯升降機(jī)組件進(jìn)行改進(jìn)，節(jié)省能源的同時(shí)可以方便樓道升降機(jī)的組裝，這也是目前投入市場使用的樓道升降平臺中最常用的形式。在國外方面，主要有加拿大公司薩瓦瑞亞和日本大同工業(yè)株式會社生產(chǎn)制造無障礙樓梯升降平臺。薩瓦瑞亞(SAVARIA)集團(tuán)公司成立于1979年，總部位于加拿大圣勞倫斯，薩瓦瑞亞(SAVARIA)一家專業(yè)的無障礙電梯設(shè)備制造商。2006年，加拿大薩瓦瑞亞工業(yè)公司在中國成立了薩瓦瑞亞制造工廠，以生產(chǎn)各式無障礙升降設(shè)備、以及無障礙別墅電梯、無障礙座椅電梯、無障礙樓梯電梯等含括無障礙通行的各式設(shè)備。薩瓦瑞亞Delta升降平臺有著完美的設(shè)計(jì)和良好的座椅舒適度，可以輕松地上下樓梯，流線型的外觀和靜音運(yùn)行效果是產(chǎn)品的獨(dú)有特征。薩瓦瑞亞Omega斜掛式升降平臺，無論室內(nèi)室外，此斜掛式升降平臺都能自然和諧地融入周圍環(huán)境；無論家居或公共場所，直梯或旋梯，Omega斜掛式升降平臺都能為使用者提供無與倫比的便捷與舒適。與Delta升降平臺相比，兩者最大區(qū)別在于Omega升降平臺適用于直梯、彎梯等各式樓梯。表1.1薩瓦瑞亞升降平臺產(chǎn)品部分參數(shù)表主機(jī)功率0.37kw-1kw,外接電源充電額定載重量225kg-300kg標(biāo)準(zhǔn)載人平臺尺寸800mm×1000mm，不使用時(shí)能折疊放置導(dǎo)軌用外徑50mm、內(nèi)徑38.5mm、厚度為3mm的碳鋼制造電源AC220V,單相50HZ,10A平臺安全擋板平臺三面設(shè)有安全擋板，當(dāng)擋板不升起時(shí)，系統(tǒng)通過機(jī)械和電氣連鎖阻止平臺運(yùn)行圖1.6Delta升降平臺圖1.7Omega升降平臺日本大同工業(yè)株式會社與與JR東共同開發(fā)的輪椅樓梯升降機(jī)系列為埃斯卡爾系列，主要包括ESCALⅠ，Ⅱ，Ⅲ和L四種型號。表1.2ESCALⅠ，Ⅱ兩種型號的部分技術(shù)參數(shù)型號ESCALⅠESCALⅡ驅(qū)動系統(tǒng)鏈條齒條小齒輪系統(tǒng)供電系統(tǒng)交流三相200V750W交流單相200V750W額定速度15m/min12m/min容量1人（最大重量180公斤）轎廂尺寸W850×D1200操作方法按住按鈕運(yùn)行方式傾斜角度30度或更少行駛行程45米以下表1.3ESCALL型號的部分參數(shù)型號ESCALL驅(qū)動系統(tǒng)鏈條鏈輪系統(tǒng)供電系統(tǒng)交流三相100V400W額定速度6.2m/min（50Hz）7.4m/min（60Hz）容量1人（最大重量180公斤）轎廂尺寸W900×D1200操作方法按住按鈕運(yùn)行方式傾斜角度標(biāo)準(zhǔn)角度26.5度（其他角度需單獨(dú)考慮）行駛行程4米或更少圖1.8ESCAL產(chǎn)品圖1.3.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀圖1.5兆宇機(jī)電生產(chǎn)的直軌式升降平臺圖1.6兆宇機(jī)電生產(chǎn)的彎軌式升降平臺表1.4兆宇機(jī)電升降平臺的部分技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)平臺尺寸1100x800mm載重量225公斤電機(jī)功率0.75KW-2.2KW驅(qū)動系統(tǒng)齒輪齒條驅(qū)動導(dǎo)向系統(tǒng)模塊式軌道系統(tǒng)升降速度70mm/s樓梯寬度1000mm電源220V/50HZ/15A升降底板高度20mm（離地面）二、主要內(nèi)容、研究方法及擬要解決的問題2.1設(shè)計(jì)參數(shù)①載重量：250kg-300kg②運(yùn)行方向的速度：不大于0.15m/s。③踏板平臺尺寸：《行動不便人員使用的樓道升降機(jī)：GB24806—2009》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定平臺尺寸不應(yīng)大于900mm（寬）×1250mm（長），用于公共場所時(shí)，平臺尺寸不應(yīng)小于750mm（寬）×900mm（長）。本次設(shè)計(jì)的升降平臺適用于公共場所，尺寸為800mm（寬）×1100mm（長）。④傳動方式：齒輪齒條傳動驅(qū)動式-傳遞動力大、壽命長、工作平穩(wěn)、可靠性高、耐沖擊等特點(diǎn)，在機(jī)械傳動中應(yīng)用廣泛。⑤對升降平臺的動作實(shí)現(xiàn)各種自動控制，包括三類基本命令：踏板平臺的自動收放；防護(hù)臂和側(cè)擋板（坡臺）的自動收放；平臺的召喚和返回。⑦導(dǎo)軌：直線型導(dǎo)軌，傾斜角度不大于30度，導(dǎo)軌長度擬定為5m。2.2研究內(nèi)容及方法本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一類無障礙樓道升降平臺，類似于斜掛輪椅式樓道升降機(jī)。其研究內(nèi)容主要分為機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)兩方面。機(jī)械部分主要由升降平臺外殼、內(nèi)部驅(qū)動單元（包括電動機(jī)、制動系統(tǒng)和傳動裝置的一個(gè)完整組合，以提供牽引和剎車作用，控制平臺機(jī)架的運(yùn)動）、踏板平臺、防護(hù)臂和側(cè)擋板（坡臺）收放動力裝置單元、導(dǎo)軌等。首先是進(jìn)行升降平臺外殼的設(shè)計(jì)，如圖2.1所示，其主要包括：1主機(jī)架，2踏板平臺，3側(cè)擋板（坡臺），4防護(hù)臂，5固定支撐擋板。圖2.1升降平臺結(jié)構(gòu)示意圖主機(jī)架可以沿樓梯導(dǎo)軌升降,并且內(nèi)部包含驅(qū)動單元、踏板平臺，防護(hù)臂和側(cè)擋板（坡臺）收放動力裝置單元等機(jī)構(gòu)。整個(gè)裝置還包括設(shè)在主機(jī)架上部可自動旋轉(zhuǎn)的防護(hù)臂及設(shè)在主機(jī)架下端與主機(jī)架鉸接并通過動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的踏板平臺。所述踏板平臺左右兩端鉸接有可自動旋轉(zhuǎn)的側(cè)擋板（坡臺），增加了整個(gè)裝置使用的安全性，方便輪椅上下。最后踏板平臺上還設(shè)有與踏板平臺垂直的固定支撐擋板，在踏板平臺四角上還設(shè)有吊環(huán)，都用于防止輪椅滾離踏板平臺。之后進(jìn)行驅(qū)動單元的設(shè)計(jì)，如圖2.2，圖2.3所示。其主要包括：1驅(qū)動電機(jī)，2驅(qū)動鏈輪，3第一傳動輪，4電磁制動器，5第二傳動輪，6第三傳動輪，7從動鏈輪，8上驅(qū)動輪，9下驅(qū)動輪等。圖2.2驅(qū)動單元示意圖1圖2.3驅(qū)動單元示意圖2驅(qū)動電機(jī)的主軸經(jīng)過蝸輪蝸桿一級減速器后，將動力傳遞給驅(qū)動鏈輪，然后通過鏈條連接到從動鏈輪進(jìn)行二級減速，從動鏈輪與第一傳動輪同軸，因此可以帶動第一傳動輪旋轉(zhuǎn)，第一，第二，第三傳動輪通過齒輪嚙合，因此第一，第三傳動輪可以實(shí)現(xiàn)同方向旋轉(zhuǎn)，借此可以帶動與其同軸的上驅(qū)動輪，下驅(qū)動輪同方向旋轉(zhuǎn)，即可以在齒條導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，帶動平臺在導(dǎo)軌上進(jìn)行升降。此外當(dāng)檢測齒輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到超過額定速度的閾值時(shí)，電磁制動器吸合，使得制動齒輪停止轉(zhuǎn)動，從而使得第一傳動輪停止轉(zhuǎn)動，起到超速保護(hù)的作用；反之，電磁制動器釋放制動齒輪，轉(zhuǎn)動齒輪隨著第一傳動輪一起旋轉(zhuǎn)，不妨礙升降輪椅平臺正常運(yùn)行。之后進(jìn)行踏板平臺的動力單元設(shè)計(jì)，擬采用電動推桿來實(shí)現(xiàn)踏板平臺相對于主機(jī)架的折疊和展開。如圖2.4所示。電動推桿擬鉸接在3鉸接塊上段，然后踏板平臺使用螺栓連接在3鉸接塊下端，2為主機(jī)架下端的旋轉(zhuǎn)支架，當(dāng)電動推桿伸縮時(shí)，將帶動3鉸接塊繞1導(dǎo)向輥旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動踏板平臺折疊和展開。圖2.4踏板平臺折疊展開示意圖此外，電動推桿的伸縮桿上設(shè)置有限位撥桿，在電動推桿一側(cè)的主機(jī)殼體上設(shè)置有上限位行程開關(guān)和下限位行程開關(guān)，所述限位撥桿與所述上限位行程開關(guān)和下限位行程開關(guān)相配合使用。電動推桿在伸縮時(shí)，限位撥桿能夠與上限位行程開關(guān)和下限位行程開關(guān)的滾輪接觸，從而觸發(fā)上限位行程開關(guān)和下限位行程開關(guān)，進(jìn)而向控制器發(fā)出信號，從而停止電動推桿的伸縮?？梢钥紤]在主機(jī)架左右都安裝電動推桿以保證折疊展開的協(xié)動性。然后設(shè)計(jì)側(cè)擋板（坡臺）和防護(hù)臂的動力單元。當(dāng)防護(hù)臂向上翻轉(zhuǎn)時(shí)，側(cè)擋板落下；當(dāng)防護(hù)臂到達(dá)水平位置時(shí)，側(cè)擋板升起，具有一定的聯(lián)動性。因此擬采用一種電機(jī)傳動絲杠結(jié)構(gòu)來作為動力單元。如圖2.5所示，其主要包括：1電機(jī)，2減速器，3絲杠，4防護(hù)臂轉(zhuǎn)軸，5行程開關(guān)，6行程開關(guān)。由電機(jī)輸出動力，通過減速器后傳遞給絲杠，使絲杠進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，絲杠上端連接有防護(hù)臂轉(zhuǎn)軸，從而帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有觸發(fā)塊，使防護(hù)臂在轉(zhuǎn)至預(yù)定水平或豎直位置時(shí)能夠觸發(fā)行程開關(guān)傳遞信號來停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷動力；在絲杠下端通過鋼絲繩，導(dǎo)向輪等裝置連接到側(cè)擋板吊環(huán)上，從而帶動側(cè)擋板落下或升起。圖2.5絲杠結(jié)構(gòu)示意圖最后進(jìn)行導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌材料和直徑等，保證平臺在導(dǎo)軌上的安全運(yùn)行。同時(shí)擬在導(dǎo)軌末端設(shè)置行程開關(guān)，當(dāng)升降平臺到達(dá)導(dǎo)軌的末端時(shí)進(jìn)行制動停止。電氣系統(tǒng)方面，本課題擬采用單片機(jī)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，通過對行程開關(guān)的信號處理，實(shí)現(xiàn)功能：踏板平臺的自動收放；防護(hù)臂和側(cè)擋板（坡臺）的自動收放；平臺的召喚和返回。圖2.6設(shè)計(jì)流程圖通過creo或其他完成三維建模，并繪制系統(tǒng)總裝圖、裝配圖、關(guān)鍵部件零件圖。其中，先繪制主機(jī)架、踏板平臺、防護(hù)臂、側(cè)擋板等的三維圖，再將他們裝配繪制總裝圖。然后對關(guān)鍵零部件繪制二維零件圖。圖紙初步分配如下：表2.1圖紙安排表序號內(nèi)容大小備注1總裝圖A0升降平臺總裝圖2部件圖A1驅(qū)動機(jī)構(gòu)3部件圖A1踏板平臺動力機(jī)構(gòu)4部件圖A2防護(hù)臂和側(cè)擋板動力機(jī)構(gòu)5部件圖A2各類減速器、絲杠6零件圖A3驅(qū)動機(jī)構(gòu)齒輪，鏈輪等7零件圖A3導(dǎo)向輪等8電路圖A3控制圖2.3擬要解決的問題主機(jī)架尺寸和內(nèi)部空間分配問題：驅(qū)動單元和其他動力機(jī)構(gòu)將安裝在主機(jī)架內(nèi)部，因此需要合理的確定主機(jī)架尺寸，分配好內(nèi)部空間，做到既節(jié)省空間，內(nèi)部又能結(jié)構(gòu)緊湊。驅(qū)動電機(jī)的供電問題：驅(qū)動電機(jī)安裝在升降平臺內(nèi)部，隨著升降平臺沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動。電機(jī)供電可以選擇采用內(nèi)部蓄電池或者通過外部接線來解決，但兩種方法各有利弊。進(jìn)度安排序號主要工作第一周緒論完成、整體方案設(shè)計(jì)第二周機(jī)械部分設(shè)計(jì)，主機(jī)架尺寸確定第三周驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)第四周齒輪傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，繪制A1部件圖第五周踏板平臺、防護(hù)臂和坡臺設(shè)計(jì)，確定尺寸等第六周踏板平臺折疊展開動力機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)，繪制A1部件圖第七周防護(hù)臂和坡臺動力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制A2部件圖第八周A0總裝圖的繪制第九周A3零件圖紙繪制第十周電氣控制部分的設(shè)計(jì)第十一周繪制控制電路圖第十二周編寫說明書第十三周說明書完成第十四周復(fù)查圖紙，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯四、參考文獻(xiàn)范秀宗.基于舊樓改造工程中創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的探討[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2018（30）：39.徐明宇,趙勇,包士維.電動載物爬樓機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2015(7)：198.行動不便人員使用的樓道升降機(jī)：GB24806—2009[S].饒美婉.樓梯升降機(jī)在地鐵的選用設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005（1）：21-24.張文森.舊樓改造亟待破題[J].綠色環(huán)保建材,2015(3)：52-53.張峰久,陳海聰,閆俊霞.樓道升降機(jī)研究綜述[J].機(jī)電信息,2020.李梅,羅珊.樓道電梯專利技術(shù)綜述[J].河南科技，2019（18）：59