摘要：经优化设计后的变形防震避难课桌椅主要利用三角架结构的稳定性、对称性和坚固性的特点，实现平时为普通课桌椅，震时变有效防护体的功能。课桌的主体框架采用仿工程三角架结构，地震发生时，通过桌面、课椅的变形定位和底部的固定设计来实现对三脚架三个斜面的封闭保护；等待救援时，反光涂料和敲击工具的设计可使三角架在黑暗、深埋时易于被发现；施救过程中，课桌椅的结构的坚固性、整体性，便于各种动力机械整体施救，学生被“包裹”在桌体中不易受到伤害；在地震到救援的全过程中为避难者提供极为有效的防护。相比于市场上现有防震课桌具有可靠性高、操作简单、变形迅速，成本低廉等优点。
关键词：新型防震桌椅；优化设计；探讨
一、防震桌椅研究的必要性
2008年5月12日四川汶川发生8级大地震，死伤几十万人，其中学生的伤亡人数巨大。 “北川中学复课 高二8班仅一个人重返课堂”：全班53名同学,51人失踪或遇难,1人重伤，除一名请假去看病的同学，其余正在上课的同学除一人重伤外全部遇难。地震中学生死亡率高，一方面是由于学生年龄小、应急反应慢，且相关自救的知识匮乏；另一方面我国目前大部分中小学生所使用的课桌椅，桌子下方的空间狭小，学生难以藏身，且质量不够坚固可靠，当地震发生时，“躲在桌下”这个唯一方法难以奏效。因此，如果在地震突发的时候学生的整个身体能在很短的时间内躲进一个足够坚固的防护体内，并且这个防护体能适应地震过程中复杂的环境，在灾后救援过程中能体现出它所独有的可靠、高效性，那么万一地震来临，更多祖国的栋梁将会得到保护。市场上现有的防震课桌椅无非是从扩大空间、提高材料强度当面入手，不仅笨重、功能单一且成本较高，防护效果没有根本性改变，为此我们设计了这款优化变形防震课桌椅。
二、设计基本思路
设计灵感来源于汶川地震中的一张照片，在一片废墟中唯有一副三角架结构物体，如同一个坚固的堡垒般完好无损，考虑到三角形比四边形稳定这个常识，我们把等边三角形的稳定性和对称性这个思路应用与课桌的设计上，试图设计出一种正常状态下功能类似普通课桌椅，科学化、人性化满足学生需求，突发地震时能实现两项功能：一是学生可先迅速躲入桌底，通过极简单的一步操作，实现课桌从普通结构向三角形防护结构的迅速转变，学生此三角形的空间中避免严重伤害，确保生存；二是在后期救援中整个“三角结构”可以连同躲在其内部的学生一同从废墟、掩埋物中拉出，在施救过程中依然能发挥防护作用，避免二次伤害。同时通过提前安装敲击工具、涂刷反光涂料的使用等方式，缩短搜救时间，最大程度减少伤害，提高获救几率。
三、设计具体内容
将课桌的主框架设计为仿工程三角架结构，作为防震部分的主体，比例上，两侧的三角选择了接近等边三角形的尺寸，旨在利用等边三角形稳定性和对称性的特点来确保结构的强度和功能性。主框架结构如下图1-（a）所示。虽然房屋倒塌后的落石等会带来巨大的打击力，即使单个三角架难以承受，但若整间教室排列着若干个类似的“三角架”，形成一个稳定的“三角架网络空间”，与一根筷子与一把筷子的原理相类似，其坚固程度便足以对抗地震中的冲击力。
变形后的课桌三个易受外力冲击的斜面分别由课桌、课椅和底部定位槽等作封闭保护。桌面向下翻转后连同副板通过滑槽实现与斜面的贴合，共同对后斜面进行封闭；前排学生离开座椅后在弹簧作用下椅子折叠后与斜面贴合，加上椅腿间的防护网，共同实现前斜面的封闭；底部斜面主要靠脚踏板和定位槽实现封闭，确保全方位防护。两个直立侧面因不易受到坠落物冲击保持开放状态，便于受困人员机动。
课桌：为了实现其正常状态下满足普通桌面，地震时桌面及时向下翻转作为三角架后封闭板的功能，我们主要采用铰链加四杆的结构设计（图2—（a）所示杆1、2、3、4，铰链A、B、C、D），来实现桌面在两种状态之间的变形。正常状态下，推杆被勾住，铰链C锁定，杆2、3成一条直线，桌面被水平支撑；防震使用时，通过上抬推杆操作使副C放活可转动，杆2、3通过此转动铰链折合在一起，实现桌面向下翻转。其结构如图1—(b)所示，机构运动示意图如图2—（a）所示。桌面设计为采用主副板通过滑槽连接的结构，在桌面侧桌腿上安装滑槽，桌面向下翻转后通过附板上的滑道滑到斜杆上，即采取滑槽连接实现桌面与后斜面现实贴合、扣死。
课椅：为实现正常状态下坐用舒适，地震时桌面及时向上折合作为三角架前封闭板的功能。我们主要采用弹簧驱动和导杆的结构设计，实现两种状态间的变形。正常状态下，可在衔接结构槽里根据使用者习惯作前后移动调整，满足舒适度要求；防震使用时，课椅在后部强力弹簧驱动下，利用导杆机构向上折叠变形，前排学生一旦起身，椅面即会上抬，实现椅面与斜面的贴合，导杆机构如图1—（c）所示，其运动示意图如图2—（b）所示。在底部设计有可拆卸敲击工具，掩埋时可利用工具主动敲击，发出求救信号。
(a) (b) (c)
图1课桌原理图
(a) (b)
图2变形示意图
正常上课状态如图3-(a)所示，地震后变形状态如图3-(b)所示：
(a) (b)
图3两种状态示意图
尺寸设计：尺寸设计方面主要根据不同地区、不同群体学生体型统计数据分析确定，重点是确保三角架内部的空间足以让避难者藏身。如重庆市城市7岁男生(小学一年级)身高为122.60cm,12岁男生(初中一年级)149.68cm,18岁男生169.12cm；城市女生7岁120.75cm,12岁女生149.75cm,18岁女生156.97cm；农村7岁男生117.90cm,12岁144.59cm,17岁167.09cm；农村7岁女生117.03cm,12岁146.10cm,17
岁155.62cm（来自2008-12-29 重庆晨报），据此数据可以分别设计确定重庆地区小学生使用的课桌尺寸。
强度设计：经过分析，我们发现在上压5吨重力时，主要承载应力的结构件为主支架。为达到强度要求，对主支架部分的简化模型做了应力仿真分析，结论是采用GB45号钢可以达到强度要求。
四、设计的创新点
1、近等边三角形主体结构。将课桌的主体框架设计成接近等边三角形结构，是本次设计的主要创新点。课桌的主体框架是地震发生时对抗外部冲击力，对内部实施有效防护的主要部件，考虑到在地震和施救过程中可能发生翻滚，利用等边三角形的稳定性和对称性设计，不仅抗冲击效果好，而且能够适应复杂的现场环境，同时提供相对充足的内部空间。
2、改变状态便捷迅速。地震的发生往往非常突然，这就要求课桌椅从普通状态到防护状态，必须操作极易，变形速度快。本课桌椅在震动发生时桌面通过铰链和四杆机构实现翻转，前排座椅通过强力弹簧实现收回，经过实验，整个动作在3秒内即可完成，学生只需第一时间躲入三角架空间内，通过操作推杆实现变形，从而确保紧急状态下能给学生提供有效的安全保障。
3、便于整体施救特点。近等边三角形的主体结构设计，能够在一定程度上分解坠物的冲击力，加上高强度材料，能确保碎石机、切割机等直接作用桌体附近的堆积物情况下，课桌三角架在地震和施救中能保证主体结构基本完好，受困者可躲在这个半封闭式三脚架结构中得到全方位的保护。完好的三脚架结构不易被重物堆积，所以更便于各种动力机械直接施救，在施救的过程中整个三角架可由机械设备等直接从掩埋体中拉出，拖拽、拉动过程中学生被“包裹”在桌体中不容易受到二次伤害，待“整体”被施救后，再施救个人。
4、缩短搜救时间，提高获救几率。桌面、桌椅和脚踏板均采用反光涂料涂刷，黑暗环境中灯光照射下会异常明亮；底部的踏板上备有活动敲击工具，可以方便取下，受困在者可通过敲击三角架主动发出求救信号，这两种设计便于搜救人员发现，缩短了宝贵的搜救时间，在等待救援的过程中被困学生还可通过特殊吸管饮用储水箱中的饮用水维持生命，可以大大提高学生获救几率。
五、结论
这款抗震桌椅经过一定程度的优化设计，平时能充分满足一般课桌椅的需求，在尺寸设计和材料选用上，同时兼顾了利于学生身体发育的科学性和舒适性；地震发生时能简便迅速的实现变形，其功能和强度能为避难者提供有效防护，减少伤害。同时，这套优化设计的变形抗震桌椅成本低廉，结构科学合理、行之有效，打破了传统防震课桌的设计理念，解决了市场上现有防震课桌的不足，有较大的推广价值。
致谢
合肥职业技术学院科研项目：（201514KJB004）变形防震避难课桌椅研制的阶段性成果之一。
参考文献
注：以上图片摘自互联网，版权属于各相关著作权人
[1]光明网新闻http://www.gmw.cn/content/2008-05/14/content_7735 74.htm
新浪新闻中心http://news.sina.com.cn/s/2008-05-29/011415638055.shtml
[2]发明者博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_62be6c690100fq96.html
百度专利检索http://zhuanli.baidu.com/pages/sipo/20082009/9/4837d3f709ee7fb67339e1d631a5fe99_0.html
[3]产品网站http://www.mykzw.com/mykzw/mykzw1.html
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[4]中国知识产权网http://www.cnipr.com/
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论文作者:李隽钰,姚晔
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：课桌论文; 课桌椅论文; 结构论文; 斜面论文; 学生论文; 桌面论文; 所示论文; 《电力设备》2017年第34期论文;