利用Solidworks的平步楼梯装置设计与分析_刘金磊.pdf

随着科学技术的迅速发展，电梯遍布于商场、酒店及办公楼等高层建筑物，给人们的生活带来极大的便利1.然而，目前很多老旧小区仍然是以步梯为主，这在一定程度上限制人们对高质量生活的追求，给老年人的出行造成极大的不便.虽然，近年来国家、政府加大对老旧小区加装电梯等改造，但是大多数老旧小区并未预留梯井，造成无法安装或需要开辟新的梯井2-3.然而，开辟新的梯井需较高的费用，甚至有些小区没有空间来开辟电梯井.因此，研究一种可安装在现有步梯上的上下楼梯辅助装置，具有广泛的应用前景.邢刚等4设计了一种座椅式的上下楼梯辅助装置，无需安装于梯井，能较好地载人上下楼，但此装置无法满足多人同时使用，实时性较差.李谦等5设计一款可爬楼梯的轮椅，可载人上下楼，但是其具有翻滚等风险.朱攀6设计一款辅助上楼装置，其具有训练残存运动机能，在上楼的同时可进行康复训练，但针对性较强.因此，本文提出一款新型的辅助老人上下楼梯的机械装置，可安装于现有的步梯上，能同时供多人使用，具有较高的实时性，且安装后不会影响楼梯的正常通畅性，适用于老旧小区的改造.此外，该设计已获国家授权专利“一种平步楼梯装置（ZL202010574747.3）”7，表明其具有一定的创新性.本文主要介绍该装置的工作原理和主要机构设计，并对其关键零部件进行受力分析和优化设计，有效地减少装置的质量和制作成本.1平步楼梯装置的机械结构设计为提高辅助上下楼梯装置的通用性，本文设计一款可以直接安装于普通步梯旁的平步楼梯装置，利用Solidworks8建立其三维模型，如图 1利用Solidworks的平步楼梯装置设计与分析刘金磊，夏尔冬*，王春荣，熊昌炯（三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004）摘要：为方便居住于老旧小区的中老年人上下楼梯，设计一款新型的平步楼梯装置.首先利用Solidworks建立平步楼梯装置的三维模型，其包括升降踏板、凸轮机构和凸轮支撑板等；然后利用Solidworks的Simulation对其关键零部件进行静力学分析与优化设计分析.结果表明，该装置设计合理，且优化后的踏板和凸轮质量分别减少了30.99%和16.09%，有效地降低制作成本.最后根据优化结果制作实物样机模型，为老旧小区的电梯改造提供借鉴参考.关键词：平步楼梯装置；Solidworks；静力学分析；优化设计中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：2095-2481（2023）02-0132-06收稿日期：2021-01-28*通信作者：夏尔冬（1986-），女，讲师.E-mail:基金项目：福建省中青年教师教育科研项目(JAT200641)；福建省引导性项目(2020H0048)；国家科技项目-中央引导地方科技发展专项(2021L3029)；福建省自然科学基金项目(2022J011181);三明市引导性科技项目(2021-G-7).扶手踏板保护板凸轮机构减速装置图1平步楼梯装置三维模型第 35 卷第 2 期2023 年 6 月宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University（Natural Science)Vol.35 No.2Jun.2023DOI:10.15911/ki.35-1311/n.2023.02.001第2期刘金磊，等：利用Solidworks的平步楼梯装置设计与分析所示.其主要包括扶手、踏板、带动踏板升降运动的凸轮机构、驱动凸轮机构转动的驱动装置、保护板，以及减速装置等.该装置的工作原理为利用凸轮机构的转动，带动踏板相对往复升降运动，使得两相邻的踏板运动至同一水平高度，乘坐人员只需从当前踏板平步至相邻的下一个踏板即可实现上下楼梯，上下楼梯示意图如图2所示.此外，本装置不需要开辟新的安装空间，可安装于原有楼梯上，且能够满足多人同时使用，安装示意图如图3所示.a）上楼梯示意图b）下楼梯示意图图2平步楼梯装置上下楼梯示意图图3平步楼梯装置安装示意图1.1升降踏板设计图4所示为本文设计的升降踏板，其顶部的滑轮与装置中的凸轮配合，通过凸轮机构驱动踏板的上升和下降，使踏板与凸轮间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，有效地降低工作中的阻力.同时在踏板的底部设计有2个滑轮，降低踏板下降时对装置底部的接触力，提高其稳定性.为确保踏板的两个支撑杆与凸轮运转不会发生干涉，将踏板2个支撑杆的上半部分设计为中空形状.此外，踏板的长度可根据不同小区楼梯的整体宽度来进行调整，以避免安装后对其他空间的影响.1.2凸轮传动机构设计为实现踏板的升降运动，本文设计如图5所示的凸轮传动机构.凸轮的最大径与踏板顶轮相接触时当前踏板恰好与上一个相邻踏板持平，凸轮的最小径与踏板顶轮接触时，当前踏板恰好运动与下一个相邻踏板持平.为保证每相邻两个踏板在某一个时刻相互持平，相邻两个凸轮与顶轮的配合方式相反，即一个凸轮大径与踏板顶轮配合时另一个凸轮的小径须与踏板顶轮配合.此外，所有的凸轮都分别安装于支撑轴的一端，且所有支撑轴的另一端都安装有皮带轮，通过皮带图4升降踏板-133宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月传动实现所有凸轮的同步运转.图5凸轮及传动机构2关键零部件的有限元分析Simulation是Solidworks中的有限元分析插件，其分析过程主要包括前处理阶段、分析计算阶段和后处理阶段.此外，其具有功能强大、操作简单等优点，在机械制造、优化设计及可靠性分析等领域得到广泛的应用.因此，本文利用Simulation对所设计的平步楼梯装置的关键零部件进行静力学分析.2.1有限元模型的建立建立有限元模型是有限元分析至关重要的步骤，模型的精度对分析结果有着直接的关系.通常可借助网格划分来建立有限元模型，对零件的关键受力部位还需进行更为细致的网格划分，以提高计算精度.由于本文选用雅克比4点网格对装置中的升降踏板装配体及凸轮进行网格划分，建立其有限元模型，如图6所示，其中升降踏板局有21 130个网格单元，凸轮具有18 600个网格单元.a)升降踏板b)凸轮图6升降踏板及凸轮的有限元模型2.2施加载荷和约束为提高静力学分析结果的准确性，对零部件施加载荷和约束应与装置的实际服役情况保持一致.根据调查，一个正常成年人的体质量大约为6080kg，且装置实际工作时踏板不仅受到人自身的重力，而且还应考虑人负载重物、踏板上升、下降瞬间和人踏上瞬间对踏板产生的突变载荷等情况.因此，本文在分析时对踏板施加2 kN的力.此外，由于凸轮受到踏板所承受的力和踏板自身重力，根据初步设计的计算，踏板的质量大约为30.06kg，因此对凸轮施加的载荷为2.3kN.2.3有限元分析结果本文选取普通碳钢为踏板、轮子及连接件的材料，其弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为221 MPa；凸轮的材料定义为1023碳钢板，其弹性模量为205 GPa，泊松比为0.29，屈服强度为283 MPa.根据以上设置，对升降踏板和凸轮进行静力学分析，其应力云图、变形云图及安全系数云图如图78所示.-134第2期刘金磊，等：利用Solidworks的平步楼梯装置设计与分析a)应力云图b)变形云图c)安全系数云图图7踏板的应力云图、变形云图及安全系数云图a)应力云图b)变形云图c)安全系数云图图8凸轮的应力云图、变形云图及安全系数云图由图 78可知，踏板的最大应力为 139.2 MPa，发生在踏板与竖直杆的连接处，最大变形为 1.048mm，其发生在踏板的边缘处，最小安全系数为1.5；凸轮的最大应力为153.8 MPa，其发生在与踏板顶轮的连接处，最大变形为6.08210-3mm，最小安全系数为1.8.因此，通过分析仿真结果可知，当装置工作时踏板与凸轮所受到的最大应力均小于材料的屈服强度，且最大变形量较小，表明其强度满足设计要求.3踏板及凸轮的优化分析为进一步节约制作成本和装置运行时消耗的能源，本节以关键零部件的质量最小为优化目标，以踏板厚度、支架厚度及凸轮的厚度为设计变量，以材料的性能参数为约束条件，对其进行轻量化设计.优化后的踏板及凸轮的应力云图、变形云图及安全系数云图如图9、图10所示，同时表1给出优化前后的参数对比结果.a)应力云图b)变形云图c)安全系数云图图9优化后踏板的应力云图、变形云图及安全系数云图-135宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月a)应力云图b)变形云图c)安全系数云图图10优化后凸轮的应力云图、变形云图及安全系数云图表1优化前后各参数对比关键零部件升降踏板凸轮参数最大应力/MPa最大变形量/mm安全系数质量/kg最大应力/MPa最大变形量/mm安全系数质量/kg优化前139.21.0481.530.064153.86.08210-31.81.193优化后193.03.9821.120.745185.01.00910-21.51.001通过对比优化前后结果可知，踏板与凸轮优化前后的等效应力分布情况基本一致，虽然其最大等效应力与最小位移量均有所增加，但是踏板的质量从原来的30.064 kg降低至20.745 kg，减少了30.99%，凸轮的质量从原来的1.193kg降低至1.001 kg，减少了16.09%，且仍符合材料性能要求.因此，优化后的关键零部件不仅满足装置服役时的各力学性能，而且减轻了其整体质量、节约了制作成本及运行时所消耗的能源.4模型样机制作根据以上的设计与分析，可知本装置的结构设计合理，应能满足工作要求，且根据轻量化设计得到关键零部件的主要参数，制作如图11所示的实物模型样机.通过控制电机驱动装置运动，可知其运动规律有序、正常，因此本装置能应用于老旧小区的改造.图11实物模型图-136第2期刘金磊，等：利用Solidworks的平步楼梯装置设计与分析5结束语为解决居住于无安装电梯小区的中老年人上下楼梯困难的问题，设计一款新型的上下楼梯辅助装置，且已获国家授权专利，表明具有一定的创新性.为进一步节约装置的制作成本，首先借助SolidWorks建立三维模型，然后为验证装置服役时关键零部件受力的合理性，利用Simulation插件对其关键零部件进行静力学分析及轻量化设计，在保证其符合工作需求的同时有效地减轻装置的质量，最终根据分析结果制作实物样机模型.通过本文的研究为老旧小区的电梯改造提供了借鉴参考.参考文献：1 李赵.高质量电梯创造高品质生活 J.中国电梯,2019,30(6):42-43.2 董乐明.老旧小区加装电梯存在的主要问题及对策分析 J.经济研究导刊,2020(32):46-47.3 顾爱华,王曾.老旧小区加装电梯问题研究 J.辽宁行政学院学报,2020(6):54-58.4 邢钢，许楷，程彪，等.辅助老人上下楼梯装置：202010189170.4 P.2020-03-18.5 李谦,张乐,罗忠文,等.一种椭圆轮式轮椅爬楼梯辅助装置的设计 J.机械工程师,2014(10):49-50.6 朱攀.基于训练残存运动机能的辅助上楼装置的研究 D.北京：中国地质大学,2012.7 王春荣，刘金磊，夏尔冬，等.一种平步楼梯装置：202010574747.3 P.2020-08-18.8 王春荣，夏尔冬，高 浩，等.基于SolidWorks与ANSYS的仿人机械臂设计与分析 J.三明学院学报,2020,37(2):52-57.Design and analysis of flat stair device using SolidworksLIU Jin-lei,XIA Er-dong*,WANG Chun-rong,XIONG Chang-jiong(School of Mechanical&Electronic Engineering,Sanming University,Sanming,Fujian 365004,China)Abstract:In order to facilitate the elderly living in the old community to go up and down stairs,a new type offlat step stair device