基于TRIZ理论的办公、会议自动升降两用桌设计与试验

史志成，沈建成，董维通，梁从斌，何岩明

(兰州工业学院机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

办公环境设计是室内的重要组成部分，以满足人们便捷、舒适的审美需求。办公空间是人们聚集较频繁的公共环境，表达意见、项目讨论、事件决策、信息交流等方面起到重要的作用，而如何节约时间、减少占地面积，同时通过智能化切换主空间与子空间的装置，且构造出一个多人共享的工作空间[1]，一直是人们分析研究的主要方向。目前为了节省空间，有折叠椅及折叠床、折叠沙发等折叠机构不断更新产生[2]，其中创意折叠桌使用时折叠支立在地面，不用时展开为一个矩形平板[3]，适用于1～2人办公，若桌面过大需要多人共同折叠，且费时费力；寝室储物折叠桌适用于安装在床的支柱上，针对单人储物、学习[4]，但不适用于多人集体讨论模式。另外，马赛等人运用发明问题解决理论（TRIZ）对打结器应用矛盾分析法得到问题的最终解决方案[5]；曹卫彬等人利用TRIZ理论的冲突矩阵对应的发明原理，对凸轮机构的结构进行改进并研制了红花丝盲采装置，实现红花丝采摘的最佳效果[6]。

因此，本文针对以上问题，根据起重机械和升降机构等工作原理[7]，采用TRIZ理论对升降过程中速度—力的参数进行分析，设计了适用于不同室内场地的两种类型办公、会议自动升降两用桌。

1 办公、会议自动升降两用桌理论分析

1.1 系统的基本参数

假设变量为顶升机垂直方向上的外力F，范围1～735N，其中 75kg×9.8N/kg=735N。设计要求在时间t=60s完成垂直距离y为0.42m升降工作，经过计算得知速度为0.007m/s时可满足。那么，线性运动时的功率可表示为

式中：功率P=0.4kW。由以上可知在正常情况下，F=5.8kg≈57N。

加速度可写为

可知加速度为1.11×10-4m/s2。

由图1(a)可知，在顶升机上升的过程中，随着垂直方向上外力的增加，速度值按一定的规律下降，最终趋近于0，其对应(b)图的加速度值也表现出相同的规律。

若F=200N时，由式（1）可知速度为 0.002m/s，同时可知升起或下降单行程需要的时间为3.5min。因此为了节约办公时间，速度的范围为0.4～0.002m/s，合理的承重范围为0～200N，选型的顶升机在两用桌自动升降设计中可以达到良好的效果。

图1 顶升机随外界力的参数变化曲线图

1.2 基于TRIZ理论的理想解

1.2.1 定义矛盾

由图1可以看出，外界力的变化范围较大，且当外界载荷最大时，运行速度几乎趋近于0；外界载荷最小时，运行速度达到最大值。因此在达到设计要求的前提下，计算出合理地标准值，很有必要。基于TRIZ理论，将这一原始问题表述为两个标准技术参数：第1个参数为“升降时运动物体的质量”，第2个参数是“运动物体的速度”，假定要改善的参数是“升降时运动物体的质量”，恶化的参数是“运动物体的速度”，并且根据TRIZ理论39个通用工程参数，将“升降时运动物体的质量”和“运动物体的速度”分别用“运动物体的质量”和“运动物体速度”来表示[8]，建立技术矛盾矩阵，见表1。

表1 办公、会议自动升降两用桌的矛盾矩阵

1.2.2 确定问题的解决原理

从TRIZ理论的矛盾矩阵表提炼出与本文技术矛盾相关的矛盾矩阵[9]，见表1，并找到相对应的解决原理8,15,24和34。运用原理8的重量补偿原则，将桌面电脑放置区的实心改为空心多面体，可以充分减少顶升机的外载荷对于运行速度的影响；原理15为动态特性的变化，即将整体桌面分割为办公模式、会议模式及两者之间相互转换时的运动过程，把桌子分成了垂直于地面方向彼此相对移动的两部分；原理5为组合原则，八工位桌子由两个易分开的四工位桌子拼装起来，可以适应不同空间的摆放；原理40为复合材料，桌面环保级别E1的高密度板，桌边采用铝制材料，提升美观性。

2 办公、会议自动升降两用桌的结构设计,如图2所示

图2 工位尺寸俯视图

表2 办公、会议自动升降两用桌尺寸

针对不同占地面积的设计要求，对个人办公的空间形状作出了设计，即如图2的方案(a)和(b)，见表2。方案(a)加入了六边形的设计元素，中间空心六边形完成主要的升降、储物功能；方案(b)主要以八工位为设计理念，左右两边的圆弧过渡区，可以增加会议模式时工作位置。

为了进一步确定顶升机在承受外载荷时的承载能力，因此对顶升机的关键零件—旋牙作了受力分析，铜芯旋牙的质量为0.6006kg，体积为76803mm3，密度为 7820kg/m3，弹性模量为 2.06×1011Pa，划分网格后节点数为5224个，单元数为1136个，表面积为39066mm2，最小边界长度为62.8320mm，加载力为57N，加载位置如图3(a)所示。

由图3(b)、(c)和(d)可知，在加载了1.1节计算的力后，顶升机的旋牙零件等效弹性应变、等效应力都较小，其总的变形量为0.5853×10-3mm，表明顶升机在完成上升或下降的单行程过程中，可运动的框架结构不会在水平方向上存在较大的偏移而出现卡顿现象。

图3 顶升机的旋牙

3 试验

3.1 选材

升降区域运用变压技术遥控器控制，其控制面板为国标86型，通过点控开关控制升降，也可以通过手机APP控制，见表3。环保级别E1高密度板的密度为 900kg/m3，弹性模量为4×103N/mm2。选用此材料的主要原因是：

1)密度板易进行涂饰加工，各种涂料、油漆类均可均匀的涂在密度板上；

2)各种木皮、印刷纸、PVC、胶纸薄膜、三聚氰胺浸渍纸和轻金属薄板等材料均可在密度板表面上进行饰面；

3)物理性能好，材质均匀，吸水厚度膨胀率≤12%；

4)游离甲醛含量不超过70mg/100g；

5)板件静曲强度≥17.2MPa；

6)握螺钉力:垂直板面≥1150N，平行板面≥660N；

7)板件静曲强度≥17.2MPa；

8)板件厚度偏差一般控制在±0.3mm。

表3 所用材料

3.2 办公、会议空间转换过程

如图4中（a）(b)所示，其办公区域除了放置阅读、书写的资料外，还设计了放置电脑等其他设备空间（如图5中的4和9）的两种方案，办公、会议自动升降两用桌的主要功能是实现桌子的办公状态与会议状态之间的灵活转。在每一个分割开摆放电脑的办公区域，若需要集体讨论时，无需为了搬动电脑等其他设备再预留空间，而是将摆放设备的区域，整体垂直降下到另一个空间，其下降过程由顶升机完成。图5（b）中的11可以在个人办公时降至垂直状态，集体会议模式时可以升起至如图4（b）中的水平状态，可以拓展会议空间。

图4 会议讨论模式

图5 放置设备空间的方案设计

4 结论

本文运用TRIZ创新方法对办公、会议自动升降两用桌的外载荷与升降速度，进行理性决策，克服了基于经验进行决策的主观性，真正实现先定义矛盾问题后决策的求解模式；最后，计算出合理的参数值对办公、会议桌进行创新设计，并通过试验，验证了方法的可行性和正确性。因此，灵活转换办公、会议升降桌的空间，可以实现高效—智能化工作环境。