基于多功能移動梯的研究與設(shè)計

唐光超 張德虎 王浩丞 祝振賞

【摘? 要】一種多功能移動梯由主副梯、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及可收縮工作平臺等部件組成;使用者通過控制方向盤來控制傳動桿及其所連接的齒輪組來達(dá)到梯子自由移動的效果。這樣的設(shè)計可以保證梯子快速、平穩(wěn)的移動，且功能多樣、操作簡單，安全可靠。進(jìn)一步利用Solidworks對多功能移動梯的設(shè)計以及功能實現(xiàn)。詳細(xì)說明了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計和工作原理。

【關(guān)鍵詞】移動梯;齒輪傳動;梯子設(shè)計

1.背景與意義

常見的梯子在完成一項作業(yè)之后，需要人從梯子上下來搬運(yùn)梯子到下一項作業(yè)地點(diǎn)，然后再爬上梯子才能進(jìn)行下一項作業(yè)，搬運(yùn)不便，費(fèi)時費(fèi)力。同時，常見的梯子多是操作人員站在梯桿上進(jìn)行操作，工具只能自己背一個工具包收納，不安全而且容易產(chǎn)生疲勞。

現(xiàn)有技術(shù)也有采用電動機(jī)做驅(qū)動裝置驅(qū)動梯子移動的技術(shù)，但是加上電機(jī)和蓄電池之后，梯子的體積更大，完成作業(yè)之后不便收納，同時電機(jī)和蓄電池的重量再加上梯子的重量使梯子搬運(yùn)以及運(yùn)輸更加困難，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障或者蓄電池沒有電時，原有的方便變得更加不便。故本設(shè)計提供一種可自行移動的多功能梯子的設(shè)計方案，能夠使使用人員不必下梯便可移動梯子，機(jī)構(gòu)工作可靠同時不會過多地增加梯子的重量，方便折疊，搬運(yùn)。同時，本設(shè)計是一種純機(jī)械的移動梯機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作效率高、安全可靠、為該方面的設(shè)計提供了新思路。

本設(shè)計梯子的核心機(jī)構(gòu)為行走機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由傳動機(jī)構(gòu)、行走輪，傳動機(jī)構(gòu)分別與驅(qū)動機(jī)構(gòu)活動連接、行走輪活動連接。使用者通過轉(zhuǎn)動傳動機(jī)構(gòu)上的方向盤來控制梯子的自由移動。在移動的過程中，主副梯架之間的支撐桿保持梯子穩(wěn)定，保證了使用者的安全。

2.多功能移動梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究

驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本設(shè)計的核心部分，它起到一個使梯子自由移動的功能。它由傳動桿、方向盤組成，方向盤與傳動桿固定連接;傳動桿設(shè)置在梯子上，與傳動機(jī)構(gòu)活動連接。傳動機(jī)構(gòu)包括齒輪組，齒輪組包括主動齒輪、從動齒輪，主動齒輪與傳動桿同軸心固定連接，從動齒輪與轉(zhuǎn)動軸同軸心固定連接。通過轉(zhuǎn)動方向盤來控制齒輪的轉(zhuǎn)動，最后達(dá)到移動梯子的目的。

移速問題。因為該齒輪組是一對錐齒輪，所以能改變力的方向，而梯子的移動速度是通過改變轉(zhuǎn)動方向盤的快慢來實現(xiàn)。

2.2可收縮工作平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

相比于傳統(tǒng)的人字梯，增加了一個與梯子頂部鉸接的可收縮工作平臺。包括左踏板、右踏板、踏板架、彈性復(fù)位件、固定部件，左踏板、右踏板與踏板架橫邊活動連接，左踏板、右踏板通過彈性復(fù)位件連接梯子，固定部件與梯子活動連接。而固定部件包括彈性復(fù)位件、卡扣，卡扣通過轉(zhuǎn)軸固定在梯子上，彈性復(fù)位件一端與卡扣連接一端與梯子連接。在梯子展開時，轉(zhuǎn)動卡扣使其卡住踏板側(cè)邊防止其因為彈力回轉(zhuǎn)。

2.3梯子部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材

主副梯子的設(shè)計主要是從使用者的安全角度出發(fā)。保證使用者在使用該梯子時，確保使用者的安全，鑒于研制機(jī)器和工具的各種技術(shù)措施都不完善，除非能適應(yīng)人的因素，包括人體尺寸，常規(guī)的人體姿勢、動作和行為。因此符合人機(jī)工程的要求時安全工作場所的首要條件。

（1）梯子傾斜角度的選擇。梯子的傾斜角度會影響上下梯子的時間以及使用者的安全。而通過多次實驗研究的分析，在梯子傾斜角度為60°時，生物力學(xué)條件最佳，容易保持身體平衡。在梯子傾斜角度為70°時，消耗的能量最少。假設(shè)使用者的能力和工作效率保持不變，梯子傾斜角度為70°時，使用者所受到的干擾以及不良因素較少，完成某一工作所用的時間也越短。

最后，可以得出結(jié)論，梯子的傾斜角度為60°——70°時，人機(jī)工程條件良好，可以保證使用者安全、舒適的上下梯子。

（2）梯子收縮方式的設(shè)計。當(dāng)前，梯子的發(fā)展方向向這占地面積小，安全可靠，操作簡便的方向發(fā)展，而對于占地面積小就需要梯子在不用時可以收縮。對此，設(shè)計出符合要求的支撐桿來達(dá)到梯子展開時能穩(wěn)定整個梯子的平衡。

共有兩個支撐桿，左右一個，分別與主副梯活動連接。支撐桿一端端頭設(shè)置成環(huán)形，一端設(shè)置成半圓形，主梯側(cè)邊中下部設(shè)置連接結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)由兩塊具有螺孔的擋片和螺栓構(gòu)成并且連接結(jié)構(gòu)對稱設(shè)置。螺柱穿過擋片以及支撐桿的環(huán)形端頭，隨后擰上螺母。副梯側(cè)邊同樣高度的位置設(shè)置吊環(huán)螺釘，當(dāng)梯子處于張開狀態(tài)時，轉(zhuǎn)動支撐桿，使支撐桿半圓的端口扣入吊環(huán)螺釘中。主梯側(cè)邊中上部設(shè)置吊環(huán)螺釘，當(dāng)梯子處于折疊狀態(tài)時，轉(zhuǎn)動支撐桿，使支撐桿半圓的端口扣入吊環(huán)螺釘中。

（3）梯子頂部平臺的設(shè)計。多數(shù)梯子都無法給使用者提供一個坐在梯子上工作的環(huán)境，所以，為了解決此問題，設(shè)計了一個平臺。平臺包括主板與承載部件，主板與承載部件固定連接，承載部件與梯子固定連接。而承載部件是由三根金屬桿組成的凹字形框架，豎直的金屬桿與主板通過螺栓連接，橫向的金屬桿與主梯的橫向短邊螺栓連接，從而形成可坐下的平臺。

（4）梯子的所用材料選擇。通常梯子的材料有木制、鋁合金、玻璃纖維等等材質(zhì)。而木質(zhì)梯子結(jié)實耐用，紋理美觀，給人一種自然舒適的感覺，在一定程度上也是一種家居裝飾品。但它與其他材質(zhì)的梯子相比則顯得重量過重，而且比較占據(jù)空間。同時木質(zhì)梯子由于潮濕或暴曬等因素容易腐蝕老化，易發(fā)生安全事故。鋁合金梯子采用高強(qiáng)度的鋁合金型材制成，密度低，所以具有重量輕、攜帶方便的優(yōu)勢。而且它強(qiáng)度較高并采用先進(jìn)的方管擠鉚技術(shù)，配有強(qiáng)固的防滑梯腳，不易變形，穩(wěn)固耐用，安全高效。但由于鋁合金具有良好的導(dǎo)電性，所以不適合用于家庭電力作業(yè)。同時鋁合金材質(zhì)也應(yīng)注意保養(yǎng)，進(jìn)內(nèi)行定期清理與維護(hù)。玻璃纖維梯子在大多數(shù)工作場所中還是比較少見，玻璃纖維梯子極大程度上是考慮到了它的絕緣性。玻璃纖維梯是采用玻璃纖維和不飽和樹容脂等幾大復(fù)合材料加工成型的，強(qiáng)度高，具有良好的絕緣性，主要用于電力作業(yè)。

所以，綜上所述選擇鋁合金材質(zhì)滿足該功能梯的使用。

3.多功能移動梯的三維建模及功能實現(xiàn)

多功能移動梯的展開與折疊狀態(tài)，在展開狀態(tài)時，可適用于安裝廣告橫幅，粉刷墻壁等場景，使用梯子時，首先將梯子張開，隨后支撐桿卡入副梯的吊環(huán)螺栓中，張開折疊踏板;隨后操作人員爬上梯子，開始作業(yè)，當(dāng)一處工作完成時，可轉(zhuǎn)動方向盤進(jìn)行移動，直至完成作業(yè)。

在折疊狀態(tài)時，因采用鋁合金材質(zhì)，重量較輕，操作人員只需用手提或肩扛來進(jìn)行搬運(yùn)。同時折疊后占地空間小，方便放置。

4.結(jié)語

隨著時代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，梯子作為人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬榈湫偷囊环N實用工具，梯子的安全性和穩(wěn)定性在某種程度上是對人們的生命極大的保障。而本文介紹的多功能移動梯，不僅僅有著一定的安全保障和穩(wěn)定性，同時也具備移動和折疊的功能，為人們在日常生活中帶來極大的便利也保障了使用者的安全。

在Solidworks環(huán)境下進(jìn)行多功能移動梯的設(shè)計，通過一些巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，賦予梯子可以折疊、可以移動，使用者可以站立與坐在梯子的功能，避免了功能單一，極大的提高了梯子的使用頻率。可以運(yùn)用于普通家庭、超市、學(xué)校、醫(yī)院、工廠等適用場合。生產(chǎn)成本低、便于制造且操作簡便，值得技術(shù)推廣。

參考文獻(xiàn)

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項目名稱：西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項目精準(zhǔn)資助專項，項目編號：jz19-116。