學(xué)生雙層床兩用梯的設(shè)計(jì)

張西珠，耿振香（. 太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原，030008；. 太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008）

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學(xué)生雙層床兩用梯的設(shè)計(jì)

張西珠1，耿振香2
（1. 太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原，030008；
2. 太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008）

通過對(duì)目前宿舍學(xué)生雙層床梯子功能的分析，設(shè)計(jì)出一種新型的學(xué)生雙層床兩用梯。本文不僅介紹了梯子通過滑動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，使兩用梯在完成正常梯子功能后，又可折疊當(dāng)作書桌使用功能；在保證安全性的同時(shí)，完成了結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新特性，讓雙層床的梯子功能實(shí)現(xiàn)了多樣化。

雙層床；梯子；折疊桌；滑動(dòng)；翻轉(zhuǎn)

引言

從某種意義上來講，學(xué)生宿舍上下床扶梯的設(shè)計(jì)是符合人機(jī)工程學(xué)的，但這種符合僅僅體現(xiàn)在表象方面，即只是從最基本的方面滿足了學(xué)生上下床的需求。一般地，大多數(shù)學(xué)生宿舍上下床扶梯的重要性也正是體現(xiàn)在這一點(diǎn)上；目前還可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，學(xué)生宿舍上下床扶梯的設(shè)計(jì)應(yīng)該更符合人機(jī)工程學(xué)，不僅影響到學(xué)生生活質(zhì)量的問題，同時(shí)也成為了學(xué)生對(duì)于整體宿舍環(huán)境感官、布局方面認(rèn)同的重要影響因素［1］。

1　學(xué)生宿舍上下床扶梯的現(xiàn)狀

目前，我國大多數(shù)寄宿制學(xué)校的宿舍用床采取統(tǒng)一采購的方式，宿舍用床的設(shè)計(jì)尺寸是完全使用相同標(biāo)準(zhǔn)的；考慮成本，在宿舍用床采購過程中而只考慮基本需求。

一是上下床扶梯大多數(shù)為直立扶梯，空間上占據(jù)稍微的優(yōu)勢(shì)，但安全性差，材料不防滑，容易造成安全事故；

二是上下床扶梯不具有收放功能，無論扶梯在用或者閑置，都要占據(jù)同樣的空間，空間無法得到充分利用；

三是上下床扶梯的人機(jī)尺寸不協(xié)調(diào)，直立扶梯的直徑約為20-25mm，而符合人機(jī)需求的尺寸卻在30mm，從受力情況分析，受力面太窄，舒適性差。

2　上下床兩用梯桌的設(shè)計(jì)構(gòu)思與原則

2.1構(gòu)思目標(biāo)

設(shè)計(jì)一種既可以作為上下床扶梯，同時(shí)又能轉(zhuǎn)換為學(xué)生書桌的梯桌，滿足學(xué)生生活與學(xué)習(xí)兩方面的需求。一是通過對(duì)上下床扶梯及學(xué)生書桌的占有區(qū)域的合理測(cè)量與確認(rèn)，達(dá)到方便學(xué)生宿舍活動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，節(jié)省宿舍活動(dòng)空間的基本目標(biāo)；二是在傳統(tǒng)上下床扶梯基礎(chǔ)上升級(jí)改進(jìn)，使扶梯更加契合人機(jī)工程學(xué)目標(biāo)。

2.2設(shè)計(jì)原則

堅(jiān)持增加宿舍空間利用率、降低學(xué)生活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)性的原則，具體有：

一是安全性原則。學(xué)生的活潑好動(dòng)與狹小的空間很容易產(chǎn)生沖突，發(fā)生安全事故；增強(qiáng)兩用梯桌的安全性；

二是舒適性原則。為了滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，本次設(shè)計(jì)的兩用梯桌的可轉(zhuǎn)換桌面部分，將遵循舒適性原則，同時(shí)考慮轉(zhuǎn)換后桌面和地面的距離，以及桌面的長度和寬度等，使其更符合人機(jī)的舒適性；

三是實(shí)用性原則。上下床兩用梯桌，其主要作用是可輔助學(xué)生完成蹬床休息和學(xué)習(xí)兩類不同活動(dòng)。因此在其設(shè)計(jì)過程中，必須要符合學(xué)生最基本的使用需求，設(shè)計(jì)時(shí)要注重將梯桌設(shè)置為可伸縮的兩部分，在不需要蹬床時(shí)可通過拉動(dòng)、支撐等簡單操作完成書桌的轉(zhuǎn)換。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1方案制定

采用主副扶梯滑動(dòng)翻轉(zhuǎn)變書桌式方案。首先在扶梯的支撐柱上與床框上安裝滑軌，在柱子后面與床框平齊處安裝滑輪；接著做一個(gè)輔助扶梯，分為上下兩部分，中間處采用合頁鏈接，合頁背面設(shè)置兩個(gè)九十度的方塊（扶梯翻轉(zhuǎn)后直接成九十度，無需支架），腳踏處用細(xì)線與扶梯的支撐柱連接，并將所有的線條接在同一根線上面，方便同時(shí)收放腳踏。

上床使用時(shí)只需拉著主繩，便可將輔助梯的腳踏收起并將其提升，在達(dá)到一定位置后將輔助扶梯固定，上部下放即為書桌。

扶梯材料選用鋁合金材質(zhì)。鋁合金折疊梯是采用高強(qiáng)度鋁合金材料制作而成，其特點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度高、利用率高［2］。設(shè)計(jì)方案簡單、易操作、且使用方便，桌子長度可隨學(xué)生身高特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，桌梯功能轉(zhuǎn)換便捷。

3.2床的整個(gè)框架模型設(shè)計(jì)

我國目前涉及雙層床安全欄板高度和長度的標(biāo)準(zhǔn)是《家具床類主要尺寸》（GB/T3328－1997）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：雙層床的安全欄高度應(yīng)大于等于20厘米，放置床墊的雙層床安全欄板高度要大于等于38厘米；安全欄板缺口長度應(yīng)在50厘米至60厘米之間。床的整個(gè)框架模型，按照國家對(duì)雙層床的要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

3.2.1床框連接部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在床框上安裝滑軌是為了可以將整個(gè)扶梯延框的平行方向隨意移動(dòng)來調(diào)整扶梯和桌子的擺放位置，扶梯的支撐柱與床框上安裝滑軌，在柱子背面同床框平齊處安裝滑輪；這樣設(shè)計(jì)就大大增加了扶梯的活動(dòng)空間。

3.2.2輔助扶梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)輔助扶梯，分為上下兩部分，中間處用合頁鏈接，合頁背面設(shè)置兩個(gè)九十度的方塊；合頁是折疊梯的核心部分，雖然市場上常見的合頁其承重軸適用于縱向力作用，在橫向力1500N作用下，合頁承重軸易發(fā)生變形，無法滿足GBT17889-2-1999安全使用的要求［3］。因此采用合頁鏈接，只是為了實(shí)現(xiàn)扶梯轉(zhuǎn)換為桌子的功能，合頁的作用僅僅是為扶梯提供旋轉(zhuǎn)條件；另外，輔助扶梯側(cè)面安裝滑輪能更流暢更省力的升降輔助梯，合頁背面設(shè)置兩個(gè)九十度的方塊是為了輔助扶梯在被拉升后自由放置時(shí)，能使上半部分與下半部分成九十度，無需支架來支撐桌子。

3.2.3提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

雙層床分有拉繩結(jié)構(gòu)和無拉繩結(jié)構(gòu)兩大類型產(chǎn)品［4］，所設(shè)計(jì)的多功能扶梯是屬于前者。我們?cè)谀_踏處用細(xì)線與扶梯的支撐柱連接，并將所有的線條接在同一根主線上面（方便同時(shí)收放腳踏）。利用繩子收放與折疊可以使得腳踏在轉(zhuǎn)換為平面時(shí)具有一致性。腳踏尺寸我們按照人體參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，由上到下腳踏寬度不等，這樣扶梯便有了一定的坡度。樓梯踏步寬度不應(yīng)小于0.20m，踏步高度不應(yīng)大于0.175m［5］，便可以保證人上下扶梯的安全。學(xué)生上床只需拉著主繩便可將輔助梯的腳踏收起并將其上升，在達(dá)到一定位置后將輔助扶梯固定，上半部分下放即為書桌。

4　上下床兩用梯桌的人機(jī)工程學(xué)分析與設(shè)計(jì)

4.1基本數(shù)據(jù)測(cè)量

經(jīng)過對(duì)傳統(tǒng)組合床鋪的測(cè)量，獲取到以下一組數(shù)據(jù)：整體床高183cm，床的長度為19.2cm，床寬度為90cm；直立扶梯長度192cm，扶梯寬度為30cm，扶梯踏板間隔為25cm；組合床下部空間的桌子高度為72cm，寬度為60cm，長度為96cm，厚度為4cm；人體與坐姿相關(guān)的基本尺寸按照國家標(biāo)準(zhǔn)的百分位數(shù)表。

4.2材料選擇

在鋁合金框架之內(nèi)，采用木質(zhì)材料作為踏板，除了增強(qiáng)穩(wěn)定性和安全性之外，方便了扶梯轉(zhuǎn)變?yōu)樽雷訒r(shí)的操作。為了解決鋁合金框架生硬及手感較差的問題，本設(shè)計(jì)在梯桌框架外層包裹一層橡膠材料，不但防滑而且能夠增加觸摸手感。

4.3兩用梯桌的扶梯部分設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)的兩用梯桌中，扶梯部分是重要的一個(gè)組成。對(duì)此部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)扶梯踏板之間的距離、踏板的寬度以及扶梯的整體長度，使其更加符合人機(jī)學(xué)工程。

從梯桌的整體結(jié)構(gòu)來看，分為可伸縮和不可伸縮兩部分，其中可伸縮部分約占60%的長度比例，方便轉(zhuǎn)換為書桌。扶梯的設(shè)計(jì)平面草圖如圖1所示。

圖1　兩用梯桌設(shè)計(jì)平面圖

由上圖可以看出，按照可收放部分和不可收放部分的比例，不同部分的長度是不同的，對(duì)于可收放部分，為了滿足作為書桌的功能，將梯桌下部的可收放部分扶梯設(shè)定寬度為520mm，而上部分不可收放部分的扶梯設(shè)定寬度為300mm。對(duì)于梯桌的踏板間距，則是均勻的，按照人機(jī)學(xué)需求，平均的踏板間距設(shè)計(jì)應(yīng)該按照學(xué)生中身材相對(duì)矮小的女性的小腿與足高的總體尺寸來設(shè)定，也就是說踏板間距應(yīng)該小于342mm這個(gè)數(shù)值，只有在這個(gè)范圍內(nèi)的尺寸在符合人機(jī)學(xué)工程；此外，考慮了本設(shè)計(jì)后續(xù)所需要的轉(zhuǎn)換為桌子的部分，且本著最大限度節(jié)約材料成本的目的，本文設(shè)計(jì)扶梯踏板的間距為320mm。

此外，對(duì)于扶梯兩側(cè)的扶手，設(shè)計(jì)形狀為鋁合金方管，其橫截面積的重要性就顯得非常突出了，也就是說對(duì)于學(xué)生手掌的大小要具有適應(yīng)性；同時(shí)踏板的截面面積也要符合學(xué)生腳掌的寬度。根據(jù)人機(jī)學(xué)的有關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮了可收放部分在轉(zhuǎn)換為書桌是的可用性，踏板設(shè)置為可轉(zhuǎn)動(dòng)板面，當(dāng)梯桌的下半部分旋轉(zhuǎn)為水平位置時(shí)，通過每個(gè)踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)，可構(gòu)成平滑的桌面，因此，每個(gè)踏板的板面長度均和踏板間距相同，為320mm。

4.4兩用梯桌的書桌部分設(shè)計(jì)

兩用梯桌可收放的部分經(jīng)過旋轉(zhuǎn)之后，可轉(zhuǎn)變?yōu)闀?，轉(zhuǎn)變之后的書桌應(yīng)該滿足學(xué)生日常的學(xué)習(xí)需求。在設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮了書桌的最終長度、寬度與高度，其中長度為整個(gè)梯桌的3/5長度，約為1080mm，寬度從上文的分析可知為520mm。從人機(jī)工程角度分析，學(xué)生的手眼協(xié)調(diào)區(qū)域如圖2所示。

圖2　學(xué)生手眼協(xié)調(diào)區(qū)域圖

從圖2看出，學(xué)生的視覺舒適區(qū)區(qū)域半徑在53.5cm，而手眼協(xié)調(diào)區(qū)域范圍在40.7cm左右，因此對(duì)于書桌的寬度52cm，屬于視覺舒適區(qū)半徑范圍內(nèi)，而長度120cm，其中80%的區(qū)域都在視覺舒適區(qū)內(nèi)，這使得學(xué)生的手眼協(xié)調(diào)區(qū)域在可控制的范圍內(nèi)，符合人機(jī)工程學(xué)的原理，從而使得學(xué)生使用該書桌時(shí)不需要頻繁出現(xiàn)眼睛和手的不協(xié)調(diào)工作，可降低操作疲勞，從而提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

此外，對(duì)于書桌的高度，同樣需要考慮人機(jī)工程學(xué)原理，從使用的舒適性角度來看，轉(zhuǎn)換之后書桌的高度，適宜采用人機(jī)工程的大尺寸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，也就是說，轉(zhuǎn)換之后的書桌高度尺寸計(jì)算公式如下：

書桌高度尺寸（D）=人體基本尺寸百分位數(shù)（S）+適宜修正量（A）

根據(jù)前文的人體基本尺寸的坐姿膝高百分位數(shù)的值可以看出，其最大的百分位數(shù)值是549mm，同時(shí)根據(jù)人機(jī)的有關(guān)坐姿膝高的修正量數(shù)值，由上述計(jì)算公式可以得出書桌高度尺寸應(yīng)該最小為587mm，這個(gè)高度可以滿足99%的人使用，如果再加上一定的心理修正量，此次設(shè)計(jì)的書桌適宜高度為650mm左右。考慮到這一高度需求，在兩用梯桌的旋轉(zhuǎn)部分，需要設(shè)計(jì)可伸縮的支桿，用來將旋轉(zhuǎn)之后的梯桌下半部分向下進(jìn)行拉伸到適宜的高度并固定，從而滿足學(xué)生對(duì)書桌高度的需求。

4.5梯桌傾斜度設(shè)計(jì)

為解決直立扶梯的不安全隱患，增加扶梯的安全性，同時(shí)也為了強(qiáng)化學(xué)生蹬梯的舒適程度，本次設(shè)計(jì)的兩用梯桌在作為扶梯使用時(shí)，采取了有傾斜度的設(shè)計(jì)方式。此外為了方便扶梯轉(zhuǎn)變?yōu)闀?，設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮了作為書桌使用時(shí)，不可收放的扶梯上部分可改變傾斜度，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷⒋怪狈绞?。此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過一個(gè)簡單的滑塊連桿裝置來實(shí)現(xiàn)，滑塊在控制滑動(dòng)之后，可將傾斜度達(dá)到既定的角度或者直立狀態(tài)，之后可借助固定裝置來完成固定，從而讓梯桌的傾斜度可以進(jìn)行改變。

4.6梯桌的收放及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梯桌的收放是指梯桌下半部分的收放以及在轉(zhuǎn)變?yōu)闀肋^程中的旋轉(zhuǎn)操作。對(duì)于這一功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要使用了棘輪結(jié)構(gòu)的基本原理。通過在梯桌的上下兩部分的連接處設(shè)置棘輪，需要將扶梯轉(zhuǎn)變?yōu)闀罆r(shí)，控制棘輪來完成。

在本次設(shè)計(jì)的兩用梯桌中，使用了齒輪式的棘輪基本結(jié)構(gòu)，其根本特點(diǎn)是操作簡單，設(shè)置方便，穩(wěn)定性較高，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)固定角度的調(diào)節(jié)。其中的棘輪主要是固定在上半部分的扶梯上，下半部分扶梯旋轉(zhuǎn)的過程，實(shí)際上是對(duì)棘爪控制的過程，旋轉(zhuǎn)到水平時(shí)，將棘爪松開控制，從而依靠復(fù)位彈簧的彈力促使止動(dòng)棘爪將扶梯制動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)定下半部分扶梯的目的。

5　結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的學(xué)生宿舍上下床兩用梯桌，實(shí)現(xiàn)的功能主要是扶梯與書桌兩用。設(shè)計(jì)過程中時(shí)刻遵循人機(jī)工程的基本原理，無論是可收放部分還是不可收放部分，都采取了合理的測(cè)量、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證?？梢哉f，本次設(shè)計(jì)的上下床兩用梯桌，在依托人機(jī)工程學(xué)原理基礎(chǔ)上，基本滿足了當(dāng)前學(xué)生宿舍對(duì)于上下床扶梯的安全性需求、功能性需求，使其在使用過程中更加方便、舒適和安全。

［1］楊蕾，雙層床安全隱患亟待解決［N］. 中國質(zhì)量報(bào). 2013-01-17.

［2］陸龍福，毛偉. 基于家用扶梯的多功能設(shè)計(jì)［J］. 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2012-04-07.45.

［3］董艷飛，何保鋒.臺(tái)架式配變便攜折疊梯的研制［J］.內(nèi)江科技. 2011-11-09 .23.

［4］企業(yè)技術(shù)開發(fā)，多用梯［J］. 1996-04-05.44.

［5］王保國，王新泉，柳樹炎等. 安全人機(jī)工程學(xué)［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 2007-05-11 .65.

Design of Bunk Bed with Dual-purpose Ladder

Xizhu Zhang， Zhenxiang Geng
（1. Taiyuan Institute of Technology，Environmental and Safety Engineering， TaiYuan， Shanxi， 030008， China；
2. Taiyuan Institute of Technology， TaiYuan， Shanxi， 030008， China）

Based on an analysis of the bunk bed in a current student's dormitory， a dual-purpose ladder of the bunk bed for students is designed to diversity the function of the ladder. This dual-propose ladder is more than a common one， it can be used as a table after being folded up by sliding and flipping. The ladder's function can be improved as well as a guarantee of security. The designed ladder not only change the understanding of a bunk bed ladder， but also highlight its perfect innovation features.

Bunk bed； Ladder； Gate-leg table； Slide； Flip

E-mail: 646082936@qq.com

TU229

A

2095-8412 （2016） 03-536-05

張西珠（1966-），女，研究員級(jí)高級(jí)工程師，太原工業(yè)學(xué)院。研究方向：安全工程 。

耿振香（1971-），女，副教授，太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系。研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)與廢水處理。