一種新型多功能組合梯的設計與分析

林少揚，張森鑫，陳 亮

（福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著時代的變遷，人們越來越注重產(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，運用十分廣泛，根據(jù)需要可以設計成家用以及工程用梯子，例如農(nóng)場、機場等用戶。

1 多功能組合梯設計

本文所介紹的多功能組合梯在不同狀態(tài)下結構尺寸參數(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，以及梯子展開形態(tài)下位于兩邊梯子的大關節(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。四個踏板中較小3 塊踏板能夠?qū)崿F(xiàn)3板聯(lián)動，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翻轉運動空間也為60°。扶手轉到適合人扶的角度下能夠自鎖。

（1）踏板梯設計。踏板梯特點在于踏板寬度大，能夠使梯子更舒適且更安全。踏板梯由四個踏板構成，上三個踏板規(guī)格一致，大小適中，下面一個踏板較大，這將方便其他功能的實現(xiàn)。上三個踏板有聯(lián)動機構和限位機構，翻轉時只需打開限位機構就可實現(xiàn)三個踏板同時翻轉。踏板的限位機構安裝在中間踏板上，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構模形Fig.1 Multifunctional combined ladder shaped threedimensional structure

（2）扶手梯設計。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拿放工具。扶手在不用時可旋轉至其他位置，其功能實現(xiàn)在于圓墊片的使用，具體結構我們將在接下來做詳細介紹。

（3）一字梯設計。一字梯是梯子最常用的功能之一。在本設計中，打開大關節(jié)的限位開關，將梯子旋轉至180°狀態(tài)后鎖定，打開長梯鎖定開關后將長梯內(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成。在使用時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)實際情況實現(xiàn)長度是4 級調(diào)節(jié)。

（4）靠背椅設計。靠背椅的設計是考慮到梯子的使用場合較為臟亂，使用者在勞累時無地休息。靠背椅是在踏板梯的結構上轉換而來的。使用時只需打開踏板中間的限位機構，將上三個踏板同時翻轉到踏板與梯桿平行即可。

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

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

2 關鍵結構及其功能實現(xiàn)辦法

（1）扶手限位開關。當圓墊片與大關節(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，拉桿可以自由旋轉，當整梯收起時，拉桿可與組合梯的長梯部分連一起，這時在按下拉桿套使其插銷再次插入圓墊片的銷孔當中實現(xiàn)拉桿角度固定。

（2）踏板限位開關。踏板固定有兩個方位，一個方位為踏板梯時當做踏板使用，另一個方位則為行李拖車時盛放行李，兩個方位的固定通過一個特殊機構U 形銷來實現(xiàn)，通過U 形銷的拔插，實現(xiàn)第二踏板的轉動。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 的固定和轉動而隨之發(fā)生同步運動，踏板4 則通過另一U 形銷來控制其轉動和固定。U 形銷在拔插過程中有一彈簧，該彈簧用于撥動U 形銷時，松動U 形銷則在彈簧作用下自動復位。U 形銷的右墊片與踏板梯固連同時作為彈簧的支撐。

（3） 長梯機械鎖。一字長梯伸長時候通過銷機構來實現(xiàn)，通過中間的連桿機構使得在拔單邊銷時，另一邊的銷可以通過中間的連桿機構使得另一邊的銷也能夠同時拔出，松開銷時，中間連桿機構在彈簧力的作用下使得兩邊的銷同時復位實現(xiàn)長梯固定。其中彈簧與兩個連桿固連。

圖3 長梯機械鎖Fig.3 Long ladder mechanical lock

3 強度和剛度的驗算

在梯子的設計中我們關心其強度以及應變情況是否可以達到標準以及是否可以進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 可幫助我們實現(xiàn)這個想法。SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks 完全集成的設計分析系統(tǒng)它提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、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最需要考慮強度的為梯子在長梯狀態(tài)時的受力情況，因此我們在接下來將只對梯子變化為長梯狀態(tài)時進行受力分析。在進行分析前，我們需要在點擊工具——插件進行SolidWorks Simulation 插件的插入。接著，我們建立一個新算例后選擇為靜態(tài)受力狀態(tài)并進行參數(shù)輸入。

3.1 梯子斜靠墻面時的受力分析

根據(jù)國家標準： GB 12142—2007 中關于便攜式梯具的規(guī)定，我們確定受力檢驗方案為： 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度并分析梯桿應變是否過大。

（1）根據(jù)操作界面的提示，我們將對每個模塊進行參數(shù)設定。零件材料選用鐵素體不銹鋼，并將其應用到全部。當然，也可對不同零件進行不同的材料設定，但本文所述的零件為同種材料便不做細述。在Solid-Works2014 版本中，連結處的零部件接觸系統(tǒng)默認為接合，其意思為任意兩相接觸的平面都視為一體即整個裝配體視為同一物體。此外還有其他兩個選項可供選擇分別為無穿透和允許貫通。無穿透為模擬實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度因此接合和無穿透都可行，但由于進行網(wǎng)格劃分和結果運算時無穿透需要費時且對電腦資源占用大，因此我們選用接合來作為零部件接觸選項。在夾具選擇中，我們根據(jù)實際情況將長梯的底部與頂部靠近墻的面設定為固定如下圖綠色標識即為固定點。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，因此我們在劃分前要先將曲面和殼體轉化為實體即定義曲面或殼體的厚度。其做法是選定有曲面后轉到該零件的建模界面進行厚度拉伸，其值在0.0001～10000000 范圍內(nèi)皆可，對于殼體則為在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)格進入下圖所示界面。網(wǎng)格大小需要自設參數(shù)，一般來說網(wǎng)格越小其精度越高但運算量也就越大，因此我們需要根據(jù)實際情況來進行網(wǎng)格劃分。在本文中我們設定網(wǎng)格大小為10，公差為2。在網(wǎng)格劃分中，我們可以對有應力集中處進行網(wǎng)格的細化以提高分析的精度并且對整體運算速度影響較小。具體做法為右鍵網(wǎng)格選擇應用網(wǎng)格控制，選擇需要細化處的平面、線或者點，并定義該處的網(wǎng)格大小即可。

（3）單擊運算進行整梯的受力計算。其計算結果分為：應力、位移和應變。下圖為應力分布圖和位移分布圖。根據(jù)應力和位移分布圖我們可得出整梯的應力分布及位移情況并得出最大的應力出現(xiàn)在梯子頂部與墻角的接觸處，且應力值為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）材料的極限屈服應力值為5.43×108N，因此我們得到關于極限應力值的安全系數(shù)為6.18。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，一字梯在受力后發(fā)生的最大位移為2.9mm 遠遠小于梯子全長的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 長梯橫跨時的受力分析

當長梯橫跨時，我們知道當梯子中間受力時產(chǎn)生的應變是最大的。因此我們對該狀態(tài)下的梯子進行加約束和載荷。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行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的密集度仍與上一分析一樣。運算后我們得到梯子的應力分布圖與應變分布圖。

根據(jù)仿真后的結果，我們得到梯子的最大應變?yōu)?.34mm，遠遠小于梯子的長度2800mm，且梯子最大的應力為1.143×108N 小于極限強度5.43×108N。

針對極限強度，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)工程實踐經(jīng)驗，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 結束語

SolidWorks 模擬設計及仿真分析能力的應用，使得多功能組合梯的設計擺脫了傳統(tǒng)機械設計存在的弊端，使得設備樣機的加工制造可以在設計更加成熟和完善的前提下進行。對虛擬樣機進行性能仿真分析可以避免反復制造物理樣機進行測試所帶來的種種困難。同時，在進行三維虛擬建模的同時還可以生成所有設計尺寸的系統(tǒng)化參數(shù)統(tǒng)計表，這對于同類型產(chǎn)品的設計具有重大的參考價值，可以大大減少同類型設備設計的工作量.實際生產(chǎn)的時候，發(fā)現(xiàn)問題還能反過來改善虛擬樣機的一些參數(shù)，不斷的優(yōu)化虛擬樣機的性能，使得產(chǎn)品能夠更好的服務于大眾。

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