学生双层床两用梯的设计

张西珠，耿振香（. 太原工业学院环境与安全工程系，山西太原，030008；. 太原工业学院，山西太原，030008）



学生双层床两用梯的设计

张西珠1，耿振香2
（1. 太原工业学院环境与安全工程系，山西太原，030008；
2. 太原工业学院，山西太原，030008）

通过对目前宿舍学生双层床梯子功能的分析，设计出一种新型的学生双层床两用梯。本文不仅介绍了梯子通过滑动和翻转，使两用梯在完成正常梯子功能后，又可折叠当作书桌使用功能；在保证安全性的同时，完成了结构性设计。本设计具有创新特性，让双层床的梯子功能实现了多样化。

双层床；梯子；折叠桌；滑动；翻转

引言

从某种意义上来讲，学生宿舍上下床扶梯的设计是符合人机工程学的，但这种符合仅仅体现在表象方面，即只是从最基本的方面满足了学生上下床的需求。一般地，大多数学生宿舍上下床扶梯的重要性也正是体现在这一点上；目前还可进行优化设计，学生宿舍上下床扶梯的设计应该更符合人机工程学，不仅影响到学生生活质量的问题，同时也成为了学生对于整体宿舍环境感官、布局方面认同的重要影响因素［1］。

1　学生宿舍上下床扶梯的现状

目前，我国大多数寄宿制学校的宿舍用床采取统一采购的方式，宿舍用床的设计尺寸是完全使用相同标准的；考虑成本，在宿舍用床采购过程中而只考虑基本需求。

一是上下床扶梯大多数为直立扶梯，空间上占据稍微的优势，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，无论扶梯在用或者闲置，都要占据同样的空间，空间无法得到充分利用；

三是上下床扶梯的人机尺寸不协调，直立扶梯的直径约为20-25mm，而符合人机需求的尺寸却在30mm，从受力情况分析，受力面太窄，舒适性差。

2　上下床两用梯桌的设计构思与原则

2.1构思目标

设计一种既可以作为上下床扶梯，同时又能转换为学生书桌的梯桌，满足学生生活与学习两方面的需求。一是通过对上下床扶梯及学生书桌的占有区域的合理测量与确认，达到方便学生宿舍活动，提高学生学习效率，节省宿舍活动空间的基本目标；二是在传统上下床扶梯基础上升级改进，使扶梯更加契合人机工程学目标。

2.2设计原则

坚持增加宿舍空间利用率、降低学生活动风险性的原则，具体有：

一是安全性原则。学生的活泼好动与狭小的空间很容易产生冲突，发生安全事故；增强两用梯桌的安全性；

二是舒适性原则。为了满足学生学习的需求，本次设计的两用梯桌的可转换桌面部分，将遵循舒适性原则，同时考虑转换后桌面和地面的距离，以及桌面的长度和宽度等，使其更符合人机的舒适性；

三是实用性原则。上下床两用梯桌，其主要作用是可辅助学生完成蹬床休息和学习两类不同活动。因此在其设计过程中，必须要符合学生最基本的使用需求，设计时要注重将梯桌设置为可伸缩的两部分，在不需要蹬床时可通过拉动、支撑等简单操作完成书桌的转换。

3　结构设计

3.1方案制定

采用主副扶梯滑动翻转变书桌式方案。首先在扶梯的支撑柱上与床框上安装滑轨，在柱子后面与床框平齐处安装滑轮；接着做一个辅助扶梯，分为上下两部分，中间处采用合页链接，合页背面设置两个九十度的方块（扶梯翻转后直接成九十度，无需支架），脚踏处用细线与扶梯的支撑柱连接，并将所有的线条接在同一根线上面，方便同时收放脚踏。

上床使用时只需拉着主绳，便可将辅助梯的脚踏收起并将其提升，在达到一定位置后将辅助扶梯固定，上部下放即为书桌。

扶梯材料选用铝合金材质。铝合金折叠梯是采用高强度铝合金材料制作而成，其特点是重量轻、强度高、利用率高［2］。设计方案简单、易操作、且使用方便，桌子长度可随学生身高特点进行调节，桌梯功能转换便捷。

3.2床的整个框架模型设计

我国目前涉及双层床安全栏板高度和长度的标准是《家具床类主要尺寸》（GB/T3328－1997）。该标准规定：双层床的安全栏高度应大于等于20厘米，放置床垫的双层床安全栏板高度要大于等于38厘米；安全栏板缺口长度应在50厘米至60厘米之间。床的整个框架模型，按照国家对双层床的要求标准进行设计制作。

3.2.1床框连接部位结构设计

在床框上安装滑轨是为了可以将整个扶梯延框的平行方向随意移动来调整扶梯和桌子的摆放位置，扶梯的支撑柱与床框上安装滑轨，在柱子背面同床框平齐处安装滑轮；这样设计就大大增加了扶梯的活动空间。

3.2.2辅助扶梯的结构设计

设计一个辅助扶梯，分为上下两部分，中间处用合页链接，合页背面设置两个九十度的方块；合页是折叠梯的核心部分，虽然市场上常见的合页其承重轴适用于纵向力作用，在横向力1500N作用下，合页承重轴易发生变形，无法满足GBT17889-2-1999安全使用的要求［3］。因此采用合页链接，只是为了实现扶梯转换为桌子的功能，合页的作用仅仅是为扶梯提供旋转条件；另外，辅助扶梯侧面安装滑轮能更流畅更省力的升降辅助梯，合页背面设置两个九十度的方块是为了辅助扶梯在被拉升后自由放置时，能使上半部分与下半部分成九十度，无需支架来支撑桌子。

3.2.3提升结构设计及材料选择

双层床分有拉绳结构和无拉绳结构两大类型产品［4］，所设计的多功能扶梯是属于前者。我们在脚踏处用细线与扶梯的支撑柱连接，并将所有的线条接在同一根主线上面（方便同时收放脚踏）。利用绳子收放与折叠可以使得脚踏在转换为平面时具有一致性。脚踏尺寸我们按照人体参数作为标准，由上到下脚踏宽度不等，这样扶梯便有了一定的坡度。楼梯踏步宽度不应小于0.20m，踏步高度不应大于0.175m［5］，便可以保证人上下扶梯的安全。学生上床只需拉着主绳便可将辅助梯的脚踏收起并将其上升，在达到一定位置后将辅助扶梯固定，上半部分下放即为书桌。

4　上下床两用梯桌的人机工程学分析与设计

4.1基本数据测量

经过对传统组合床铺的测量，获取到以下一组数据：整体床高183cm，床的长度为19.2cm，床宽度为90cm；直立扶梯长度192cm，扶梯宽度为30cm，扶梯踏板间隔为25cm；组合床下部空间的桌子高度为72cm，宽度为60cm，长度为96cm，厚度为4cm；人体与坐姿相关的基本尺寸按照国家标准的百分位数表。

4.2材料选择

在铝合金框架之内，采用木质材料作为踏板，除了增强稳定性和安全性之外，方便了扶梯转变为桌子时的操作。为了解决铝合金框架生硬及手感较差的问题，本设计在梯桌框架外层包裹一层橡胶材料，不但防滑而且能够增加触摸手感。

4.3两用梯桌的扶梯部分设计

在本次设计的两用梯桌中，扶梯部分是重要的一个组成。对此部分设计的重点是对扶梯踏板之间的距离、踏板的宽度以及扶梯的整体长度，使其更加符合人机学工程。

从梯桌的整体结构来看，分为可伸缩和不可伸缩两部分，其中可伸缩部分约占60%的长度比例，方便转换为书桌。扶梯的设计平面草图如图1所示。

图1　两用梯桌设计平面图

由上图可以看出，按照可收放部分和不可收放部分的比例，不同部分的长度是不同的，对于可收放部分，为了满足作为书桌的功能，将梯桌下部的可收放部分扶梯设定宽度为520mm，而上部分不可收放部分的扶梯设定宽度为300mm。对于梯桌的踏板间距，则是均匀的，按照人机学需求，平均的踏板间距设计应该按照学生中身材相对矮小的女性的小腿与足高的总体尺寸来设定，也就是说踏板间距应该小于342mm这个数值，只有在这个范围内的尺寸在符合人机学工程；此外，考虑了本设计后续所需要的转换为桌子的部分，且本着最大限度节约材料成本的目的，本文设计扶梯踏板的间距为320mm。

此外，对于扶梯两侧的扶手，设计形状为铝合金方管，其横截面积的重要性就显得非常突出了，也就是说对于学生手掌的大小要具有适应性；同时踏板的截面面积也要符合学生脚掌的宽度。根据人机学的有关数据，同时考虑了可收放部分在转换为书桌是的可用性，踏板设置为可转动板面，当梯桌的下半部分旋转为水平位置时，通过每个踏板的转动，可构成平滑的桌面，因此，每个踏板的板面长度均和踏板间距相同，为320mm。

4.4两用梯桌的书桌部分设计

两用梯桌可收放的部分经过旋转之后，可转变为书桌，转变之后的书桌应该满足学生日常的学习需求。在设计时特别考虑了书桌的最终长度、宽度与高度，其中长度为整个梯桌的3/5长度，约为1080mm，宽度从上文的分析可知为520mm。从人机工程角度分析，学生的手眼协调区域如图2所示。

图2　学生手眼协调区域图

从图2看出，学生的视觉舒适区区域半径在53.5cm，而手眼协调区域范围在40.7cm左右，因此对于书桌的宽度52cm，属于视觉舒适区半径范围内，而长度120cm，其中80%的区域都在视觉舒适区内，这使得学生的手眼协调区域在可控制的范围内，符合人机工程学的原理，从而使得学生使用该书桌时不需要频繁出现眼睛和手的不协调工作，可降低操作疲劳，从而提升了学生的学习效率。

此外，对于书桌的高度，同样需要考虑人机工程学原理，从使用的舒适性角度来看，转换之后书桌的高度，适宜采用人机工程的大尺寸标准进行，也就是说，转换之后的书桌高度尺寸计算公式如下：

书桌高度尺寸（D）=人体基本尺寸百分位数（S）+适宜修正量（A）

根据前文的人体基本尺寸的坐姿膝高百分位数的值可以看出，其最大的百分位数值是549mm，同时根据人机的有关坐姿膝高的修正量数值，由上述计算公式可以得出书桌高度尺寸应该最小为587mm，这个高度可以满足99%的人使用，如果再加上一定的心理修正量，此次设计的书桌适宜高度为650mm左右。考虑到这一高度需求，在两用梯桌的旋转部分，需要设计可伸缩的支杆，用来将旋转之后的梯桌下半部分向下进行拉伸到适宜的高度并固定，从而满足学生对书桌高度的需求。

4.5梯桌倾斜度设计

为解决直立扶梯的不安全隐患，增加扶梯的安全性，同时也为了强化学生蹬梯的舒适程度，本次设计的两用梯桌在作为扶梯使用时，采取了有倾斜度的设计方式。此外为了方便扶梯转变为书桌，设计时也充分考虑了作为书桌使用时，不可收放的扶梯上部分可改变倾斜度，转变为直立垂直方式。此种结构的设计通过一个简单的滑块连杆装置来实现，滑块在控制滑动之后，可将倾斜度达到既定的角度或者直立状态，之后可借助固定装置来完成固定，从而让梯桌的倾斜度可以进行改变。

4.6梯桌的收放及旋转结构设计

梯桌的收放是指梯桌下半部分的收放以及在转变为书桌过程中的旋转操作。对于这一功能，结构设计主要使用了棘轮结构的基本原理。通过在梯桌的上下两部分的连接处设置棘轮，需要将扶梯转变为书桌时，控制棘轮来完成。

在本次设计的两用梯桌中，使用了齿轮式的棘轮基本结构，其根本特点是操作简单，设置方便，稳定性较高，同时可以实现固定角度的调节。其中的棘轮主要是固定在上半部分的扶梯上，下半部分扶梯旋转的过程，实际上是对棘爪控制的过程，旋转到水平时，将棘爪松开控制，从而依靠复位弹簧的弹力促使止动棘爪将扶梯制动，从而达到稳定下半部分扶梯的目的。

5　结论

本文所设计的学生宿舍上下床两用梯桌，实现的功能主要是扶梯与书桌两用。设计过程中时刻遵循人机工程的基本原理，无论是可收放部分还是不可收放部分，都采取了合理的测量、设计及验证。可以说，本次设计的上下床两用梯桌，在依托人机工程学原理基础上，基本满足了当前学生宿舍对于上下床扶梯的安全性需求、功能性需求，使其在使用过程中更加方便、舒适和安全。

［1］杨蕾，双层床安全隐患亟待解决［N］. 中国质量报. 2013-01-17.

［2］陆龙福，毛伟. 基于家用扶梯的多功能设计［J］. 黄冈职业技术学院学报. 2012-04-07.45.

［3］董艳飞，何保锋.台架式配变便携折叠梯的研制［J］.内江科技. 2011-11-09 .23.

［4］企业技术开发，多用梯［J］. 1996-04-05.44.

［5］王保国，王新泉，柳树炎等. 安全人机工程学［M］. 北京: 机械工业出版社. 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

张西珠（1966-），女，研究员级高级工程师，太原工业学院。研究方向：安全工程 。

耿振香（1971-），女，副教授，太原工业学院环境与安全工程系。研究方向：环境监测与废水处理。