一種新型多功能組合梯的設(shè)計(jì)與分析

林少揚(yáng)，張森鑫，陳 亮

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著時(shí)代的變遷，人們?cè)絹碓阶⒅禺a(chǎn)品的多功能化以滿足其多元化的需求。然而現(xiàn)今梯具市場上的現(xiàn)狀仍停留在一梯一用這一局面，因此便攜式多功能組合梯顯得尤為重要。本文所介紹的是一款具有多種功能于一身的梯子，其作用主要是踏板梯、一字長梯、背靠椅、行李拖車，運(yùn)用十分廣泛，根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)成家用以及工程用梯子，例如農(nóng)場、機(jī)場等用戶。

1 多功能組合梯設(shè)計(jì)

本文所介紹的多功能組合梯在不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)主要為： 踏板梯形態(tài)下的高度為1000mm，一字長梯形態(tài)下高度為2800mm，以及梯子在收起形態(tài)下的占用空間為（1100×450×150）mm3。動(dòng)作要求是將梯子為收起形態(tài)下能夠通過梯子下面的輪子輕松推動(dòng)，以及梯子展開形態(tài)下位于兩邊梯子的大關(guān)節(jié)處能夠在梯子張開角度為45°、90°、180°的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能。踏板能夠有60°的翻轉(zhuǎn)空間，能夠在踏板梯形態(tài)和一字梯的形態(tài)下能夠被鎖緊。四個(gè)踏板中較小3 塊踏板能夠?qū)崿F(xiàn)3板聯(lián)動(dòng)，通過固定3 塊板的中間從而固定上下兩踏板。第四塊踏板則能夠單獨(dú)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)空間也為60°。扶手轉(zhuǎn)到適合人扶的角度下能夠自鎖。

（1）踏板梯設(shè)計(jì)。踏板梯特點(diǎn)在于踏板寬度大，能夠使梯子更舒適且更安全。踏板梯由四個(gè)踏板構(gòu)成，上三個(gè)踏板規(guī)格一致，大小適中，下面一個(gè)踏板較大，這將方便其他功能的實(shí)現(xiàn)。上三個(gè)踏板有聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)時(shí)只需打開限位機(jī)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)三個(gè)踏板同時(shí)翻轉(zhuǎn)。踏板的限位機(jī)構(gòu)安裝在中間踏板上，并且也起著承載踏板受力的作用。

圖1 多功能組合梯三維結(jié)構(gòu)模形Fig.1 Multifunctional combined ladder shaped threedimensional structure

（2）扶手梯設(shè)計(jì)。扶手梯與踏板梯最大區(qū)別在于有無扶手。扶手梯用于需長時(shí)間在梯上作業(yè)的工況，可提高梯子的使用安全性以及舒適性。扶手上端有一工具槽，使得工人師傅無需上下爬動(dòng)拿放工具。扶手在不用時(shí)可旋轉(zhuǎn)至其他位置，其功能實(shí)現(xiàn)在于圓墊片的使用，具體結(jié)構(gòu)我們將在接下來做詳細(xì)介紹。

（3）一字梯設(shè)計(jì)。一字梯是梯子最常用的功能之一。在本設(shè)計(jì)中，打開大關(guān)節(jié)的限位開關(guān)，將梯子旋轉(zhuǎn)至180°狀態(tài)后鎖定，打開長梯鎖定開關(guān)后將長梯內(nèi)外梯分離即可得到長為2.8 米的一字梯。長梯伸長部分由內(nèi)梯和外梯及長梯鎖構(gòu)成。在使用時(shí)可將外梯向外拉到一定位置后通過長梯鎖鎖定。長梯可依據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)長度是4 級(jí)調(diào)節(jié)。

（4）靠背椅設(shè)計(jì)。靠背椅的設(shè)計(jì)是考慮到梯子的使用場合較為臟亂，使用者在勞累時(shí)無地休息。靠背椅是在踏板梯的結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換而來的。使用時(shí)只需打開踏板中間的限位機(jī)構(gòu)，將上三個(gè)踏板同時(shí)翻轉(zhuǎn)到踏板與梯桿平行即可。

（5）物品拖車。物品拖車使用范圍廣，可極大便利工作時(shí)材料工具的搬運(yùn)。在梯桿上裝有4 個(gè)車輪，其中有兩個(gè)為萬向輪，兩個(gè)為定向輪。使用時(shí)將裝有輪子的一面置于地面上，將四個(gè)踏板翻轉(zhuǎn)至水平，同時(shí)打開扶手限位開關(guān)將扶手固定在合適的位置即可得到物品拖車。拖車結(jié)構(gòu)簡單，承載力大，可一次托運(yùn)大量物品。

圖2 五種功能狀態(tài)圖Fig.2 Five function state diagram

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及其功能實(shí)現(xiàn)辦法

（1）扶手限位開關(guān)。當(dāng)圓墊片與大關(guān)節(jié)固連一體后，按下桿套套頭，則插銷與圓墊片的銷孔分離，這時(shí)，拉桿可以自由旋轉(zhuǎn)，當(dāng)整梯收起時(shí)，拉桿可與組合梯的長梯部分連一起，這時(shí)在按下拉桿套使其插銷再次插入圓墊片的銷孔當(dāng)中實(shí)現(xiàn)拉桿角度固定。

（2）踏板限位開關(guān)。踏板固定有兩個(gè)方位，一個(gè)方位為踏板梯時(shí)當(dāng)做踏板使用，另一個(gè)方位則為行李拖車時(shí)盛放行李，兩個(gè)方位的固定通過一個(gè)特殊機(jī)構(gòu)U 形銷來實(shí)現(xiàn)，通過U 形銷的拔插，實(shí)現(xiàn)第二踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)。第一踏板和第二、第三踏板通過一連桿連接之能夠隨著踏板2 的固定和轉(zhuǎn)動(dòng)而隨之發(fā)生同步運(yùn)動(dòng)，踏板4 則通過另一U 形銷來控制其轉(zhuǎn)動(dòng)和固定。U 形銷在拔插過程中有一彈簧，該彈簧用于撥動(dòng)U 形銷時(shí)，松動(dòng)U 形銷則在彈簧作用下自動(dòng)復(fù)位。U 形銷的右墊片與踏板梯固連同時(shí)作為彈簧的支撐。

（3） 長梯機(jī)械鎖。一字長梯伸長時(shí)候通過銷機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過中間的連桿機(jī)構(gòu)使得在拔單邊銷時(shí)，另一邊的銷可以通過中間的連桿機(jī)構(gòu)使得另一邊的銷也能夠同時(shí)拔出，松開銷時(shí)，中間連桿機(jī)構(gòu)在彈簧力的作用下使得兩邊的銷同時(shí)復(fù)位實(shí)現(xiàn)長梯固定。其中彈簧與兩個(gè)連桿固連。

圖3 長梯機(jī)械鎖Fig.3 Long ladder mechanical lock

3 強(qiáng)度和剛度的驗(yàn)算

在梯子的設(shè)計(jì)中我們關(guān)心其強(qiáng)度以及應(yīng)變情況是否可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以及是否可以進(jìn)行截面的縮小以減小整體的質(zhì)量。在solidworks 中有一自帶插件SolidWorks Simulation 可幫助我們實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法。SolidWorks Simulation是一個(gè)與SolidWorks 完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)它提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。

本文所介紹的多功能組合梯在使用時(shí)最需要考慮強(qiáng)度的為梯子在長梯狀態(tài)時(shí)的受力情況，因此我們?cè)诮酉聛韺⒅粚?duì)梯子變化為長梯狀態(tài)時(shí)進(jìn)行受力分析。在進(jìn)行分析前，我們需要在點(diǎn)擊工具——插件進(jìn)行SolidWorks Simulation 插件的插入。接著，我們建立一個(gè)新算例后選擇為靜態(tài)受力狀態(tài)并進(jìn)行參數(shù)輸入。

3.1 梯子斜靠墻面時(shí)的受力分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)： GB 12142—2007 中關(guān)于便攜式梯具的規(guī)定，我們確定受力檢驗(yàn)方案為： 梯子斜跨在墻上且與地面呈75°的夾角，在梯子中間偏上的梯桿上加載3520N 的力分析是否超過材料的極限強(qiáng)度并分析梯桿應(yīng)變是否過大。

（1）根據(jù)操作界面的提示，我們將對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。零件材料選用鐵素體不銹鋼，并將其應(yīng)用到全部。當(dāng)然，也可對(duì)不同零件進(jìn)行不同的材料設(shè)定，但本文所述的零件為同種材料便不做細(xì)述。在Solid-Works2014 版本中，連結(jié)處的零部件接觸系統(tǒng)默認(rèn)為接合，其意思為任意兩相接觸的平面都視為一體即整個(gè)裝配體視為同一物體。此外還有其他兩個(gè)選項(xiàng)可供選擇分別為無穿透和允許貫通。無穿透為模擬實(shí)際零件間的接觸情況，允許貫通則為零件受力下可插入其他零件內(nèi)部。在本文中我們主要分析在力的作用下梯桿的強(qiáng)度因此接合和無穿透都可行，但由于進(jìn)行網(wǎng)格劃分和結(jié)果運(yùn)算時(shí)無穿透需要費(fèi)時(shí)且對(duì)電腦資源占用大，因此我們選用接合來作為零部件接觸選項(xiàng)。在夾具選擇中，我們根據(jù)實(shí)際情況將長梯的底部與頂部靠近墻的面設(shè)定為固定如下圖綠色標(biāo)識(shí)即為固定點(diǎn)。在外部載荷的加載中，將垂直于地面的力分解為垂直長梯和平行長梯的力，并分別加載。根據(jù)國標(biāo)所規(guī)定的檢測方法，我們分別施加平行于長梯方向的力3400N 與垂直長梯方向的力911N。

（2）進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分需要注意的是在Solid-Works Simulation 中不支持曲面與殼體的網(wǎng)格劃分，因此我們?cè)趧澐智耙葘⑶婧蜌んw轉(zhuǎn)化為實(shí)體即定義曲面或殼體的厚度。其做法是選定有曲面后轉(zhuǎn)到該零件的建模界面進(jìn)行厚度拉伸，其值在0.0001～10000000 范圍內(nèi)皆可，對(duì)于殼體則為在SolidWorks Simulation 界面中選定該零件后單擊，選定按所選面定義殼體后進(jìn)行殼體面的厚度定義。網(wǎng)格的劃分具體為在網(wǎng)格按鈕處右擊，選則生成網(wǎng)格進(jìn)入下圖所示界面。網(wǎng)格大小需要自設(shè)參數(shù)，一般來說網(wǎng)格越小其精度越高但運(yùn)算量也就越大，因此我們需要根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在本文中我們?cè)O(shè)定網(wǎng)格大小為10，公差為2。在網(wǎng)格劃分中，我們可以對(duì)有應(yīng)力集中處進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化以提高分析的精度并且對(duì)整體運(yùn)算速度影響較小。具體做法為右鍵網(wǎng)格選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制，選擇需要細(xì)化處的平面、線或者點(diǎn)，并定義該處的網(wǎng)格大小即可。

（3）單擊運(yùn)算進(jìn)行整梯的受力計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果分為：應(yīng)力、位移和應(yīng)變。下圖為應(yīng)力分布圖和位移分布圖。根據(jù)應(yīng)力和位移分布圖我們可得出整梯的應(yīng)力分布及位移情況并得出最大的應(yīng)力出現(xiàn)在梯子頂部與墻角的接觸處，且應(yīng)力值為8.78×107，最大位移出現(xiàn)施加載荷的梯桿處且最大位移為2.9mm。

（4）材料的極限屈服應(yīng)力值為5.43×108N，因此我們得到關(guān)于極限應(yīng)力值的安全系數(shù)為6.18。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一字梯在受力后發(fā)生的最大位移為2.9mm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于梯子全長的1/100，故梯子處于安全狀態(tài)。

圖4 長梯斜跨應(yīng)力分布圖Fig.4 Long ladder diagonal stress distribution

圖5 長梯斜跨位移分布Fig.5 Long ladder Diagonal displacement distribution

3.2 長梯橫跨時(shí)的受力分析

當(dāng)長梯橫跨時(shí)，我們知道當(dāng)梯子中間受力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變是最大的。因此我們對(duì)該狀態(tài)下的梯子進(jìn)行加約束和載荷。在梯子的兩端加固定約束，并在中間梯桿上加900N 的垂直向下的力后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的密集度仍與上一分析一樣。運(yùn)算后我們得到梯子的應(yīng)力分布圖與應(yīng)變分布圖。

根據(jù)仿真后的結(jié)果，我們得到梯子的最大應(yīng)變?yōu)?.34mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于梯子的長度2800mm，且梯子最大的應(yīng)力為1.143×108N 小于極限強(qiáng)度5.43×108N。

針對(duì)極限強(qiáng)度，我們得出梯子的最小安全系數(shù)為4.5，符合規(guī)定，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梯子最大的位移為1.34mm，小于梯子原長的1/100，故一字梯在該狀態(tài)下處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)束語

SolidWorks 模擬設(shè)計(jì)及仿真分析能力的應(yīng)用，使得多功能組合梯的設(shè)計(jì)擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)存在的弊端，使得設(shè)備樣機(jī)的加工制造可以在設(shè)計(jì)更加成熟和完善的前提下進(jìn)行。對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行性能仿真分析可以避免反復(fù)制造物理樣機(jī)進(jìn)行測試所帶來的種種困難。同時(shí)，在進(jìn)行三維虛擬建模的同時(shí)還可以生成所有設(shè)計(jì)尺寸的系統(tǒng)化參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，這對(duì)于同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有重大的參考價(jià)值，可以大大減少同類型設(shè)備設(shè)計(jì)的工作量.實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)問題還能反過來改善虛擬樣機(jī)的一些參數(shù)，不斷的優(yōu)化虛擬樣機(jī)的性能，使得產(chǎn)品能夠更好的服務(wù)于大眾。

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