學生雙層床兩用梯的設計

張西珠，耿振香（. 太原工業學院環境與安全工程系，山西太原，030008；. 太原工業學院，山西太原，030008）

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學生雙層床兩用梯的設計

張西珠1，耿振香2
（1. 太原工業學院環境與安全工程系，山西太原，030008；
2. 太原工業學院，山西太原，030008）

通過對目前宿舍學生雙層床梯子功能的分析，設計出一種新型的學生雙層床兩用梯。本文不僅介紹了梯子通過滑動和翻轉，使兩用梯在完成正常梯子功能后，又可折疊當作書桌使用功能；在保證安全性的同時，完成了結構性設計。本設計具有創新特性，讓雙層床的梯子功能實現了多樣化。

雙層床；梯子；折疊桌；滑動；翻轉

引言

從某種意義上來講，學生宿舍上下床扶梯的設計是符合人機工程學的，但這種符合僅僅體現在表象方面，即只是從最基本的方面滿足了學生上下床的需求。一般地，大多數學生宿舍上下床扶梯的重要性也正是體現在這一點上；目前還可進行優化設計，學生宿舍上下床扶梯的設計應該更符合人機工程學，不僅影響到學生生活質量的問題，同時也成為了學生對于整體宿舍環境感官、布局方面認同的重要影響因素［1］。

1　學生宿舍上下床扶梯的現狀

目前，我國大多數寄宿制學校的宿舍用床采取統一采購的方式，宿舍用床的設計尺寸是完全使用相同標準的；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為直立扶梯，空間上占據稍微的優勢，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尺寸不協調，直立扶梯的直徑約為20-25mm，而符合人機需求的尺寸卻在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計構思與原則

2.1構思目標

設計一種既可以作為上下床扶梯，同時又能轉換為學生書桌的梯桌，滿足學生生活與學習兩方面的需求。一是通過對上下床扶梯及學生書桌的占有區域的合理測量與確認，達到方便學生宿舍活動，提高學生學習效率，節省宿舍活動空間的基本目標；二是在傳統上下床扶梯基礎上升級改進，使扶梯更加契合人機工程學目標。

2.2設計原則

堅持增加宿舍空間利用率、降低學生活動風險性的原則，具體有：

一是安全性原則。學生的活潑好動與狹小的空間很容易產生沖突，發生安全事故；增強兩用梯桌的安全性；

二是舒適性原則。為了滿足學生學習的需求，本次設計的兩用梯桌的可轉換桌面部分，將遵循舒適性原則，同時考慮轉換后桌面和地面的距離，以及桌面的長度和寬度等，使其更符合人機的舒適性；

三是實用性原則。上下床兩用梯桌，其主要作用是可輔助學生完成蹬床休息和學習兩類不同活動。因此在其設計過程中，必須要符合學生最基本的使用需求，設計時要注重將梯桌設置為可伸縮的兩部分，在不需要蹬床時可通過拉動、支撐等簡單操作完成書桌的轉換。

3　結構設計

3.1方案制定

采用主副扶梯滑動翻轉變書桌式方案。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，合頁背面設置兩個九十度的方塊（扶梯翻轉后直接成九十度，無需支架），腳踏處用細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，方便同時收放腳踏。

上床使用時只需拉著主繩，便可將輔助梯的腳踏收起并將其提升，在達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。鋁合金折疊梯是采用高強度鋁合金材料制作而成，其特點是重量輕、強度高、利用率高［2］。設計方案簡單、易操作、且使用方便，桌子長度可隨學生身高特點進行調節，桌梯功能轉換便捷。

3.2床的整個框架模型設計

我國目前涉及雙層床安全欄板高度和長度的標準是《家具床類主要尺寸》（GB/T3328－1997）。該標準規定：雙層床的安全欄高度應大于等于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在50厘米至60厘米之間。床的整個框架模型，按照國家對雙層床的要求標準進行設計制作。

3.2.1床框連接部位結構設計

在床框上安裝滑軌是為了可以將整個扶梯延框的平行方向隨意移動來調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；這樣設計就大大增加了扶梯的活動空間。

3.2.2輔助扶梯的結構設計

設計一個輔助扶梯，分為上下兩部分，中間處用合頁鏈接，合頁背面設置兩個九十度的方塊；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，只是為了實現扶梯轉換為桌子的功能，合頁的作用僅僅是為扶梯提供旋轉條件；另外，輔助扶梯側面安裝滑輪能更流暢更省力的升降輔助梯，合頁背面設置兩個九十度的方塊是為了輔助扶梯在被拉升后自由放置時，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提升結構設計及材料選擇

雙層床分有拉繩結構和無拉繩結構兩大類型產品［4］，所設計的多功能扶梯是屬于前者。我們在腳踏處用細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（方便同時收放腳踏）。利用繩子收放與折疊可以使得腳踏在轉換為平面時具有一致性。腳踏尺寸我們按照人體參數作為標準，由上到下腳踏寬度不等，這樣扶梯便有了一定的坡度。樓梯踏步寬度不應小于0.20m，踏步高度不應大于0.175m［5］，便可以保證人上下扶梯的安全。學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工程學分析與設計

4.1基本數據測量

經過對傳統組合床鋪的測量，獲取到以下一組數據：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；人體與坐姿相關的基本尺寸按照國家標準的百分位數表。

4.2材料選擇

在鋁合金框架之內，采用木質材料作為踏板，除了增強穩定性和安全性之外，方便了扶梯轉變為桌子時的操作。為了解決鋁合金框架生硬及手感較差的問題，本設計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計

在本次設計的兩用梯桌中，扶梯部分是重要的一個組成。對此部分設計的重點是對扶梯踏板之間的距離、踏板的寬度以及扶梯的整體長度，使其更加符合人機學工程。

從梯桌的整體結構來看，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，方便轉換為書桌。扶梯的設計平面草圖如圖1所示。

圖1　兩用梯桌設計平面圖

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定寬度為520mm，而上部分不可收放部分的扶梯設定寬度為300mm。對于梯桌的踏板間距，則是均勻的，按照人機學需求，平均的踏板間距設計應該按照學生中身材相對矮小的女性的小腿與足高的總體尺寸來設定，也就是說踏板間距應該小于342mm這個數值，只有在這個范圍內的尺寸在符合人機學工程；此外，考慮了本設計后續所需要的轉換為桌子的部分，且本著最大限度節約材料成本的目的，本文設計扶梯踏板的間距為320mm。

此外，對于扶梯兩側的扶手，設計形狀為鋁合金方管，其橫截面積的重要性就顯得非常突出了，也就是說對于學生手掌的大小要具有適應性；同時踏板的截面面積也要符合學生腳掌的寬度。根據人機學的有關數據，同時考慮了可收放部分在轉換為書桌是的可用性，踏板設置為可轉動板面，當梯桌的下半部分旋轉為水平位置時，通過每個踏板的轉動，可構成平滑的桌面，因此，每個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計

兩用梯桌可收放的部分經過旋轉之后，可轉變為書桌，轉變之后的書桌應該滿足學生日常的學習需求。在設計時特別考慮了書桌的最終長度、寬度與高度，其中長度為整個梯桌的3/5長度，約為1080mm，寬度從上文的分析可知為520mm。從人機工程角度分析，學生的手眼協調區域如圖2所示。

圖2　學生手眼協調區域圖

從圖2看出，學生的視覺舒適區區域半徑在53.5cm，而手眼協調區域范圍在40.7cm左右，因此對于書桌的寬度52cm，屬于視覺舒適區半徑范圍內，而長度120cm，其中80%的區域都在視覺舒適區內，這使得學生的手眼協調區域在可控制的范圍內，符合人機工程學的原理，從而使得學生使用該書桌時不需要頻繁出現眼睛和手的不協調工作，可降低操作疲勞，從而提升了學生的學習效率。

此外，對于書桌的高度，同樣需要考慮人機工程學原理，從使用的舒適性角度來看，轉換之后書桌的高度，適宜采用人機工程的大尺寸標準進行，也就是說，轉換之后的書桌高度尺寸計算公式如下：

書桌高度尺寸（D）=人體基本尺寸百分位數（S）+適宜修正量（A）

根據前文的人體基本尺寸的坐姿膝高百分位數的值可以看出，其最大的百分位數值是549mm，同時根據人機的有關坐姿膝高的修正量數值，由上述計算公式可以得出書桌高度尺寸應該最小為587mm，這個高度可以滿足99%的人使用，如果再加上一定的心理修正量，此次設計的書桌適宜高度為650mm左右?？紤]到這一高度需求，在兩用梯桌的旋轉部分，需要設計可伸縮的支桿，用來將旋轉之后的梯桌下半部分向下進行拉伸到適宜的高度并固定，從而滿足學生對書桌高度的需求。

4.5梯桌傾斜度設計

為解決直立扶梯的不安全隱患，增加扶梯的安全性，同時也為了強化學生蹬梯的舒適程度，本次設計的兩用梯桌在作為扶梯使用時，采取了有傾斜度的設計方式。此外為了方便扶梯轉變為書桌，設計時也充分考慮了作為書桌使用時，不可收放的扶梯上部分可改變傾斜度，轉變為直立垂直方式。此種結構的設計通過一個簡單的滑塊連桿裝置來實現，滑塊在控制滑動之后，可將傾斜度達到既定的角度或者直立狀態，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行改變。

4.6梯桌的收放及旋轉結構設計

梯桌的收放是指梯桌下半部分的收放以及在轉變為書桌過程中的旋轉操作。對于這一功能，結構設計主要使用了棘輪結構的基本原理。通過在梯桌的上下兩部分的連接處設置棘輪，需要將扶梯轉變為書桌時，控制棘輪來完成。

在本次設計的兩用梯桌中，使用了齒輪式的棘輪基本結構，其根本特點是操作簡單，設置方便，穩定性較高，同時可以實現固定角度的調節。其中的棘輪主要是固定在上半部分的扶梯上，下半部分扶梯旋轉的過程，實際上是對棘爪控制的過程，旋轉到水平時，將棘爪松開控制，從而依靠復位彈簧的彈力促使止動棘爪將扶梯制動，從而達到穩定下半部分扶梯的目的。

5　結論

本文所設計的學生宿舍上下床兩用梯桌，實現的功能主要是扶梯與書桌兩用。設計過程中時刻遵循人機工程的基本原理，無論是可收放部分還是不可收放部分，都采取了合理的測量、設計及驗證?？梢哉f，本次設計的上下床兩用梯桌，在依托人機工程學原理基礎上，基本滿足了當前學生宿舍對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］. 中國質量報. 2013-01-17.

［2］陸龍福，毛偉. 基于家用扶梯的多功能設計［J］. 黃岡職業技術學院學報. 2012-04-07.45.

［3］董艷飛，何保鋒.臺架式配變便攜折疊梯的研制［J］.內江科技. 2011-11-09 .23.

［4］企業技術開發，多用梯［J］. 1996-04-05.44.

［5］王保國，王新泉，柳樹炎等. 安全人機工程學［M］. 北京: 機械工業出版社. 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，研究員級高級工程師，太原工業學院。研究方向：安全工程 。

耿振香（1971-），女，副教授，太原工業學院環境與安全工程系。研究方向：環境監測與廢水處理。