一種新型便捷式滑軌樓梯扶手設(shè)計(jì)

王 敏，劉 直，萬(wàn)長(zhǎng)東

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上各種上下樓輔助工具進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示大部分家庭選擇普通樓梯扶手，這種扶手結(jié)構(gòu)采用臺(tái)階遞進(jìn)，外加一條傾斜扶手作為協(xié)助，少部分家庭選擇電梯代替人們完成上下樓的動(dòng)作，這兩種上下樓輔助工具都存在一些弊端。行動(dòng)不便的老年人或者下肢功能不健全的人群使用普通樓梯側(cè)面的扶手在上樓時(shí)難使勁，下樓時(shí)抓握不牢固，容易滑倒跌落；電梯占用空間較大，還需定期做檢查與保養(yǎng)，價(jià)格昂貴，市場(chǎng)接受能力不高。本文針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種新型便捷式滑軌樓梯扶手[1-2]。

1 運(yùn)動(dòng)原理分析

1.1 運(yùn)動(dòng)要求

上樓時(shí)金屬手柄應(yīng)具備向上可以滑動(dòng)、向下自鎖的功能；下樓時(shí)金屬手柄在自身重力的作用下，沿扶手向下運(yùn)動(dòng)，需要支撐時(shí)停止并卡緊自鎖。完成上樓或下樓動(dòng)作后，可將金屬手柄自然下垂放置于樓梯扶手末端，避免影響其他人正常通行。

1.2 運(yùn)動(dòng)原理

圖1為上下樓各階段金屬手柄受力分析。其中，G為手柄自身重力，F(xiàn)為人作用在扶手上的力，f為阻礙金屬扶手運(yùn)動(dòng)的阻力。對(duì)借助滑軌樓梯扶手上樓的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，將上樓過(guò)程分為兩部分。圖1(a)所示為金屬手柄在受到使用者推力沿滑軌向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)向下的力主要為金屬手柄自身重力G沿滑軌方向的分力及其與滑軌之間的動(dòng)摩擦力f，當(dāng)向上的推力F大于等于向下的力時(shí)，金屬手柄會(huì)沿扶手向上運(yùn)動(dòng)；圖1(b)所示為金屬手柄自鎖時(shí)，使用者握住金屬手柄向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，此時(shí)金屬手柄受到向下的力包括使用者的拉力F和手柄自身重力G沿滑軌方向的分力，向上的阻力包括棘齒對(duì)卡舌的反作用力和沿滑軌向上的靜摩擦力f靜，金屬手柄沿滑軌方向向下和向上的作用力相等，金屬手柄處于靜止?fàn)顟B(tài)，方便使用者抓穩(wěn)后進(jìn)行向上運(yùn)動(dòng)。

圖1 上下樓各階段金屬手柄受力

對(duì)借助滑軌樓梯扶手下樓的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，同樣將下樓過(guò)程分為兩部分。如圖1(c)所示為松開(kāi)金屬手柄上卡舌，金屬手柄在自身重力G及使用者輕微推力F的作用下，沿滑軌向下運(yùn)動(dòng),此時(shí)沿滑軌向上的摩擦阻力f與使用者向下的推力F和金屬手柄重力G沿滑軌方向向下的分力平衡，可以保證金屬手柄沿扶手軌道勻速向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)卡舌卡緊后，金屬手柄自鎖，不會(huì)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，受力與上樓時(shí)金屬手柄自鎖情況相似，不再分析,使用者可以借此扶著保持平衡，避免自己控制不好抓不穩(wěn)發(fā)生前沖摔下樓梯，然后一步一步向下邁從而完成下樓動(dòng)作[3]。

2 新型便捷式滑軌樓梯扶手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

樓梯扶手滑軌設(shè)計(jì)為棱狀，避免滑軌上的金屬手柄一端發(fā)生繞滑軌旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在樓梯扶手兩端增加一段柱狀延長(zhǎng)區(qū)，直徑略小于金屬手柄與滑軌連接處末端套筒的內(nèi)側(cè)圓，可用于將閑置時(shí)的橫向金屬手柄自然垂于地面放置其中；滑軌樓梯扶手末端需要安裝阻隔圓頭，防止處于放置區(qū)的金屬橫向手柄掉落；設(shè)計(jì)棘齒和卡舌配合解決自鎖問(wèn)題[4]。新型便捷式滑軌樓梯扶手結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-滑軌；2-棘齒條；3-金屬手柄；4-卡舌

2.2 零部件設(shè)計(jì)

通過(guò)分析滑軌樓梯扶手的運(yùn)動(dòng)原理可知，新型便捷式滑軌樓梯扶手的關(guān)鍵在于自鎖設(shè)計(jì)，自鎖裝置主要由位于扶手上的棘齒和手柄上的卡舌組成。正常向上滑動(dòng)時(shí)，卡舌與棘齒緊密相貼，但不會(huì)發(fā)生嚙合自鎖現(xiàn)象影響滑動(dòng)，當(dāng)金屬手柄停止滑動(dòng)后，卡舌與棘齒嚙合卡死形成自鎖，自鎖狀態(tài)下手柄無(wú)法向下滑動(dòng)；手柄下滑時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬手柄上的按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)控制卡舌，松開(kāi)卡舌后的金屬手柄將可以沿滑軌扶手進(jìn)行上下滑動(dòng)，到終點(diǎn)時(shí)通過(guò)阻隔圓頭作為超行程保護(hù)[5]。

在UG NX9.0軟件中繪制滑軌扶手、橫向金屬手柄、棘齒條、卡舌等零件三維模型[6-7]，如圖3所示。

圖3 主要零件三維模型

2.3 裝配設(shè)計(jì)

新型便捷式滑軌樓梯扶手在普通樓梯扶手的基礎(chǔ)上進(jìn)行加裝，在棱柱形樓梯扶手的側(cè)面加裝單向棘齒條，用于和卡舌配合形成自鎖防止手柄下滑。額外添加橫向金屬手柄以及連接件，金屬手柄與滑軌樓梯扶手的棱柱部分采用間隙配合，可以保證金屬手柄在滑軌上進(jìn)行滑動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生較大的阻力。

在UG裝配模塊中進(jìn)行裝配，通過(guò)添加滑軌扶手組件，使用固定命令讓組件固定。添加橫向金屬手柄組件，類型選擇“接觸對(duì)齊”，方位選擇“自動(dòng)判斷中心/軸”，分別選擇滑軌扶手的側(cè)壁和橫向金屬手柄的內(nèi)壁；類型選擇“接觸對(duì)齊”，方位選擇“首選接觸”，分別選擇金屬手柄內(nèi)表面與滑軌扶手下邊線；類型選擇“垂直”，分別選擇金屬手柄與滑軌扶手外表面。手柄組件添加完成后，添加卡舌組件，首先使用“接觸對(duì)齊”，方位選擇“自動(dòng)判斷中心/軸”，分別選擇金屬手柄和卡舌的表面；類型選擇“觸對(duì)齊”，方位選擇“首選接觸”，分別選擇卡舌外表面與金屬手柄內(nèi)表面。卡舌添加完成后如圖4所示。最終得到的滑軌扶手二維裝配圖如圖5所示[8]。

1-卡舌；2-金屬手柄

3 強(qiáng)度校驗(yàn)

新型便捷式滑軌樓梯扶手在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上需滿足手柄足夠支撐成年人體重的使用要求，上下樓時(shí)金屬手柄剪切力作用如圖6所示。金屬手柄采用45鋼制作，通過(guò)查閱手冊(cè)可知，45鋼屈服強(qiáng)度為355 MPa,整個(gè)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取3.5[9]。

圖6 剪切力作用點(diǎn)

查閱手冊(cè)[10]可知，許用應(yīng)力為：

(1)

其中：σs為材料的屈服極限;n為安全系數(shù)。將σs=355 MPa,n=3.5代入式(1)得：[σ]=101 MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,許用剪切應(yīng)力為：

(2)

將相關(guān)參數(shù)代入式(2)得：[τ]=58 MPa。

根據(jù)設(shè)計(jì)可知，金屬手柄外直徑D=40 mm，中空直徑d=34 mm,截面積計(jì)算公式為:

(3)

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)計(jì)算得：A=3.5×10-4m2。

手柄可承載最大剪切力載荷為:

(4)

其中：g為重力加速度。將相關(guān)參數(shù)代入式(4)計(jì)算得：W=2 071 kg。

金屬手柄可承載最大剪切力載荷為2 071 kg，遠(yuǎn)大于成年人的體重，理論驗(yàn)證金屬手柄設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求，足夠安全。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型便捷式滑軌樓梯扶手，該扶手主要由扶手滑軌本體、橫向金屬手柄、卡舌、棘齒條組成，可靠性高，加工簡(jiǎn)單，成本低，安裝時(shí)只要在普通樓梯的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)，對(duì)行動(dòng)不便人群有較大的安全保障提升作用。本文提出的鎖緊方式也為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了參考。