可折叠隐形步梯斜坡滑道机构设计

2022-09-22周淑文

机械设计与制造 2022年9期

杨松，周淑文，艾莹

（1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819；2.东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110819）

1 前言

步梯在建筑中广泛存在，火车站、地铁站、居民楼、码头、过街天桥等场所随处可见。随着时代的进步，部分场所安装有电梯或电动扶梯，但难免会碰到设备故障或维修不能使用的情况；还有很大一部分建筑由于受到环境或其他因素影响，没有安装电梯或扶梯，所以步梯将会长期应用于建筑设施中。但目前固定设置的步梯也暴露出一些问题：对于自行车或电动车推行、行李拖拽及家用购物车等带来诸多不便[1]，如图1所示。

图1 火车站电梯屡“罢工”旅客无奈当“搬运工”Fig.1 The Elevator of the Railway Station Repeatedly "Strikes" and the Passengers Have no Choice But to Become "Porters"

目前常见的步梯无障碍实际应用解决办法：直接在步梯上浇筑水泥，做成永久斜坡滑道，如图2所示。

图2 斜坡滑道装置Fig.2 Slope Slide Device

这样既影响了原有步梯的美观，且步梯变窄影响部分功用。通过专利检索，多从理论上解决了问题，但大多机构和操作方式过于复杂，且占用面积大影响了部分原步梯的使用功能。文献[2]给出了一种楼梯行李搬运滑道设计方案，通过在楼梯上安装可翻转的滑道装置实现坡道与步梯的转换，装置体量大，占用楼道空间，操作笨重复杂。

文献[3]提出一种楼梯与滑道模式互换装置及控制方法，通过电机驱动曲柄摇杆机构运动，实现台阶与滑道的转换。此设计需要增设电路和控制系统，稳定性和安全性欠缺。一种通过设置固定坡道形式楼梯坡道实现行李箱的拖拽，占用步梯，没有实现步梯与坡道的使用转换[4]。

可见固定、本体笨重、占地面积达，结构复杂需专人操作利用率低，对步梯结构改动较大并破坏楼梯和影响墙体美观等问题制约了步梯坡道装置的应用普及。

2 机构与结构设计

2.1 设计原则

可折叠隐形斜坡滑道装置应具备以下特性：模块化设计，标准化、规格化，便于装置重组与安装，力求以少数模块组成尽可能多的产品[5]；小型化设计，占用面积小且对原步梯功能影响较小；机械机构设计，不受供电情况影响；无障碍设计，实现步道和坡道的转换，满足不同人群的使用需求。

除了满足以上特性外，还应该满足以下要求：

安全性原则：隐形坡道应用于人们的日常生活，与人紧密接触，设计的过程中必须要考虑整个装置的结构安全、运动方式与参数的合理性、零部件的强度和应力、工艺的安全性等[6]。

通用性原则：零部件的通用性可有效降低产品的库存成本、开发制造成本和使用回收成本[7]。居民楼、过街天桥等建筑，因为功能性不同，步梯的尺寸会有所差别，加上建筑单位的设计标准上的差别，相同类别的建筑，步梯尺寸也会有所不同，所以在设计的过程中要充分考虑不同类别步梯，做到装置的通用性，能满足绝大多数步梯使用要求。

情感化设计原则：以人为本，产品设计除了要满足物理功能之外，要关注产品的情感表达，强调用户的情感需求[8]。外观需求，功能是产品设计的前提，但功能是决定外观的必要条件而不是充分条件[9]，符合造型的美学原则[10]；语义需求[11]，当使用者看到装置就能理解其功能和使用方法。

2.2 设计方案

所谓可折叠隐形斜坡滑道装置，即在步行时折叠成步梯形附着在步梯上，用于坡道时使其沿步梯展成一个平面。使用时通过机械机构运动将隐藏在步梯上的支撑板支起形成斜坡滑道，如图3所示。

图3 可折叠隐形步梯斜坡滑道Fig.3 Foldable Hidden Step Ramp

由图3可知，坡道、步梯平面和步梯垂直面组成一个三角形。由于三角形两边之和大于第三边，作为步梯的两块隐形支撑板支起后会出现重叠或相互干涉现象，使整个斜坡滑道不能形成一个斜面。为了解决不在一个平面问题，设计将两块支撑板相交部位使用交错梳齿型交叉，且主动板加横拖，能拖住从动板运动，即可将从动板抬起，形成平面，这样就可以让行李箱或婴儿车等拖行通过。

隐形坡道，作为一种辅助设施安装在步梯上，最大限度不破坏步梯结构功能，结构紧凑，节能环保，拆卸方便，同时作为步梯使用时还具有防滑功能。

3 隐形坡道机构设计与建模

3.1 坡道机构设计

初始设计的坡道机构的支撑板是三角形的两个直角边，变成斜坡滑道是斜边，如图4所示。并且主动板与轴固定在一起，在梳齿型顶端加横托，当轴旋转带动主动支撑板，横托拖住从动板运动，形成了斜坡滑道。从理论上可行，但是当行李箱等物品拖行通过斜坡滑道时重力全落在轴上，造成扭矩非常大，由于轴是可旋转的，同时要支起两块支撑板，又要控制轴的运动，为了保证机构的稳定，需增加其他辅助装置，这样不仅增加机构复杂程度，占用大空间，还破坏楼梯本体。

图4 梳齿型结构示意图Fig.4 Diagram of Comb Structure

3.2 改进的坡道机构设计与建模

为解决初始设计方案扭矩大、无法均匀受力、机构复杂等问题，改进的坡道机构将主从动支撑板组成的斜坡滑道进行上下移动，使悬臂受力的梳齿交叉中心部位搭接在步梯棱沿上，实现由步梯棱沿支撑，而支撑板的转轴由侧板支撑，从而在坡道使用过程中无需驱动扭矩提供支撑，而且达到受力均衡。

步梯踏步宽度最佳为（275～289）mm。梯级的高度一般为（127～200）mm，最佳为（165～178）mm[12]。向下运动距离大于向上运动距离，从力学上分析，拉力与支撑板重力夹角小，本身受重力影响，因而省力。相反如果起始向上运动，拉力与支撑板重力夹角大，从而费力，如图5所示。从支撑板结构上分析，最下与最上两块支持板不能与其他支撑板形成一个组合，需要附加装置控制，增加了复杂程度，因此起始运动向下运动形成斜坡滑道为最佳方案。

图5 受力分析Fig.5 Force Analysis

垂直主动支撑板与上一步梯上的另一片平行从动支撑板用180°铰链连接形成一个组合，展开后就形成一个平面。当行李箱、自行车等通过时，所有与楼梯接触部位、铰链轴和两块支撑接触部位都均匀受力，这样就解决了扭矩大，受力不均匀问题。

为了达到上述的运动过程，按照流程，如图6所示。人工手动操纵带滑槽的操纵手柄，如何巧妙通过几个组合位置机构转换，操纵手柄带动所有铰链轴运动，将安放在步梯上的支撑板打开抬起，同时向下移动，使梳齿交叉为了达到上述的运动过程，按照流程图6，人工手动操纵带滑槽的操纵手柄，如何巧妙通过几个组合位置机构转换，操纵手柄带动所有铰链轴运动，将安放在步梯上的支撑板打开抬起，同时向下移动，使梳齿交叉中心部位搭在棱沿上组合成斜坡滑道，方便行李箱等物品拖行通过，待通过后操纵手柄，使所有铰链轴向上带动支撑板运动，同时在重力作用下支撑板由斜坡滑道，恢复成楼梯，是本装置设计的又一难点。

图6 可折叠隐形斜坡滑道装置控制示意图Fig.6 Diagram of Controlling Device for Foldable Hidden Slope Slide

为解决以上问题，装置采用一组平行四边形机构，如图7所示。将所有铰链轴链接在一起进行联动，完成支撑板组合的上下滑动，从而到达运动要求的位置，使梳齿交叉中心部分搭在棱沿上。图中：a、b—初始位置；a＇、b＇—动结束后位置。

图7 平行四边形机构示意图Fig.7 Diagram of Parallelogram Mechanism

在平行四边形机构驱动支撑板组合的上下滑动的同时，主支撑板按设计要求旋转至坡道位置是由在侧板上设计的凸轮机构实现的，而从支撑板的运动是步梯的楞沿作为固定凸轮实现的。侧板上的凸轮机构是在步梯一侧设计两块立板（高100mm），立板之间距离80mm左右（形成箱体，将操纵手柄下端、摆杆和链接轴之间的连杆等都隐藏在里面），在两块立板上同时设有一个平行重合的凸轮机构与铰链轴垂直，凸轮机构示意图，如图8所示。起始点中心在一条线上，让铰链轴穿过两个凸轮，在最右边立板侧进行螺母限位，凸轮的槽宽与轴直径吻合。操纵手柄，轴沿凸轮槽运动，为减少摩擦力并增加卡位功能，运动之初对铰链轴和主从动支撑板有一个整体抬升过程，使支撑板离开楼梯，减少了运动摩擦力，同时运动结束时又有卡位功能，铰链轴被限制在两个凸轮中间运动，不会发生摆动，不偏离运动轨迹。

图8 凸轮机构示意图Fig.8 Diagram of Cam Mechanism

主动支撑板进行向下运动同时还要向上旋转以便顺利搭在步梯棱沿上，如果用不同的力做这样的动作没有问题，本设计巧妙处在于，用同一个力解决了两个运动方向，解决办法是在主动支撑板上设一个立板，在箱体的左边立板凸轮槽上方设有一个档板，如图9所示。当铰链轴带动主动支撑板向下运动时，凸轮槽上方挡板挡住立板让主动支撑板向上发生旋转，由挡板的设计角度与步梯斜坡滑道角度最后趋于一致，使主动支撑板旋转到这个角度就不再旋转，向下运动，运动停止后搭在步梯棱沿上，从而完成整个运动。

图9 立板挡板示意图Fig.9 Diagram of Vertical Plate Baffle

平行四边形机构中，上面斜杆b连接在每一个铰链轴处的摆杆上，当手柄操纵时，拉动所有摆杆，摆杆带动铰链轴沿凸轮槽运动，但这样摆杆过多，机构冗余，右侧的箱体会受摆杆运动轨迹影响变得尺寸加大，如图7所示。在设计中将拉杆b向下移动与所有铰接轴连在一起，形成一个连杆，由于受凸轮槽的限位，取消所有摆杆，形成虚位，这样大大减少了两个立板形成的箱体尺寸，同时又能完成所有规定动作，如图10所示。

图10 机构模拟示意图Fig.10 Diagram of Mechanism Simulation

人工手动带滑槽操纵手柄，通过几个组合位置转换机构，将安放在步梯上的支撑板打开抬起，同时向下移动梳齿交叉部分搭在棱沿上组合成斜坡滑道，方便行李箱等物品拖行。整个坡道多个支撑板组合通过连杆进行联动。能够做到在不影响步梯原有功能前提下，最大限度地不破坏步梯结构，做到结构紧凑，节能环保，装拆方便，依靠人力就可以方便操作，提高工作装置在露天条件下的可靠性。

3.3 机构特点

（1）斜坡滑道装置可折叠隐形为主要特色。斜坡由若干组支撑板连接而成，每组支撑板通过铰链（合页）连接，允许最大转角为180°。（2）主动支撑板和从动支撑板在展开成一个平面后，分别搭在相邻台阶的棱边上。此时斜坡可以承重，铰链承受部分载荷。（3）采用交错梳齿的布局方式，以解决相邻两组支撑板在展开后长度上互相干涉的问题（两边之和大于第三边）。（4）铰接轴的运动轨迹受楼梯侧面立板上的滑槽控制，在滑槽初始阶段，有一个向上的轨迹，这样可以先将从动支撑板一端抬起来，在运动中减少阻力。在滑槽末端分别有一个限位，以便固定住支撑板。（5）滑槽上方设有挡板，主动支撑板设有立板，可以在主动支撑板向下运动的过程中，使其绕铰接轴旋转抬起一个角度，保障顺利下行。（6）采用连杆将各组支撑板的铰接轴连接在一起，在设有滑槽的操纵手柄的推动下，各组合支撑板实现联动。（7）受凸轮滑槽和连杆约束，简化平行四边形机构，取消摆杆形成虚位，化繁为简，使结构更为简单紧凑。（8）侧面两块立板分别开有滑槽，以保证铰接轴不会左右摇晃。（9）在铰接轴和立板接触的位置设有四氟乙烯套圈，保证铰接轴位置度的同时降低运动过程中的摩擦阻力。

4 实验验证

4.1 机构参数设计

可折叠隐形步梯斜坡滑道装置，模拟真实场景，比例为1：1，安放在制作的步梯上。隐形坡面尺寸，如图11所示。

图11 隐形坡道剖面尺寸Fig.11 Diagram of Mechanism Simulation

验证坡道参数：

①步梯踏步宽度a=260mm，梯级的高度b=160mm；②三阶步梯：总高度16×3=480mm，总宽度26×3=780mm。③支撑板参数：主动支撑板450×160.66mm，从动支撑板450×260.66mm。

4.2 机构制作

安装在步梯上的可折叠隐形步梯斜坡滑道装置，如图12所示。一块主动支撑板（图中深色部分）和一块从动支撑板通过铰链（图中浅色部分）连接，构成一个组合，展开后为一平面；楼梯侧面有两块组合立板（箱体），上面开有与铰链轴对应的凸轮滑槽，每个滑槽两端中心距L2=202.65mm，铰链轴可以在滑槽内移动；主动支撑板紧靠侧面，边上设有立板，凸轮滑槽靠近主动支撑板侧，上方设有挡板，在主动支撑板向下运动时挡板顶住立板将其抬起。

图12 可折叠隐形斜坡滑道装置Fig.12 Foldable Hidden Slope Slide Device

使用斜坡滑道功能时，向下扳动操纵手柄，带动连杆向下运动，连杆拖动铰链轴在凸轮滑槽内运动，同时将主动支撑板抬起；从动支撑板在铰链轴的支撑下沿凸轮滑槽被抬升一定高度然后向下运动；铰链轴向下运动到凸轮滑槽终点后卡在卡槽内。主从动支撑板都设计有梳齿开口（L1＝117.7mm），方便与另一组的主从动支撑板同时搭在台阶的棱沿上，实现坡道功能。这样拉杆箱等物体就可以在坡道上拖行通过。使用完毕后，抬起操纵手柄，带动主从动支撑板回到初始位置，从而恢复步梯功能，如图13所示。