王保華

關(guān)于腋拐支腳耐磨和抗疲勞性能的實(shí)驗(yàn)研究

王保華

目的探討腋拐支腳耐磨性能質(zhì)量的檢驗(yàn)方法與判定指標(biāo)。方法基于對(duì)支腳正常使用下的受力情況分析,提出新的試驗(yàn)方法:對(duì)支腳軸向加載450 N,支腳與試驗(yàn)平面進(jìn)行60°擺動(dòng),試驗(yàn)進(jìn)行50萬(wàn)次,負(fù)載頻率20～40/min;試驗(yàn)后最大磨損厚度不允許超過(guò)3.3 mm。建立試驗(yàn)設(shè)施,進(jìn)行耐磨性和抗剪切疲勞試驗(yàn)。同時(shí),組織與試驗(yàn)次數(shù)相同的實(shí)際使用試驗(yàn)。結(jié)果設(shè)備試驗(yàn)和實(shí)際使用試驗(yàn)兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的比較表明,建議的方法能反映使用中支腳磨損的狀況。結(jié)論新的檢驗(yàn)方法可用于腋拐支腳耐磨性能質(zhì)量檢測(cè)。

拐;支腳;質(zhì)量檢驗(yàn);耐磨;抗疲勞;試驗(yàn)方法

Abstract:Objective To study the method of testing abrasion resistance of axillary crutch tips.Methods A test method based on pressure analysis in normal use of axillary crutches was suggested,which characterized:put 450 N on axis of the tip;the tip or text surface sway 60°for 500000 times in frequency of 40/min;maximal abrasion thickness after test should be less than 3.3 mm. Experimental facilities were established to carry out fatigue test of wearability.Results The test method suggested can reflect tips abrasion in real context.Conclusion The text method can be used for tips abrasion and fatigue resistance adjustment.

Key words:crutch;tips;quality test;abrasion resistance;fatigue resistance;test method

[本文著錄格式]王保華.關(guān)于腋拐支腳耐磨和抗疲勞性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2010,16(5):492—494.

腋拐是輔助下肢殘疾人行走的常用器具,因其使用便利、攜帶方便,被殘疾人普遍使用。支腳[1]由橡膠材料制成,作為連接腋拐腿部與地面接觸的部件[2],其耐磨性能在輔助使用者行走中起著重要作用,直接關(guān)系到使用者的人身安全。在工作中,我們收到用戶(hù)反映支腳易損壞的質(zhì)量問(wèn)題,主要集中在不耐磨,磨損變薄后杖腿端部從支腳底部刺穿等。我們調(diào)閱了近年來(lái)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)腋拐質(zhì)量而出具的檢驗(yàn)報(bào)告,未發(fā)現(xiàn)有因支腳磨損問(wèn)題導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量不合格。為此,我們對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)支腳的技術(shù)要求與試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中涉及支腳性能的具體要求和試驗(yàn)方法存在不足。特提出改進(jìn)建議。

1 現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支腳的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法

腋拐生產(chǎn)和檢驗(yàn)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19545.2《單臂操作助行器要求和試驗(yàn)方法第2部分:腋拐》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《標(biāo)準(zhǔn)》”)?！稑?biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于支腳的技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法主要包括兩個(gè)方面:①支腳應(yīng)用耐磨和軟硬適度的材料制成;②疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)后各零部件不得產(chǎn)生裂紋、斷裂或永久變形。按《標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的方法是:將腋拐垂直放置,通過(guò)對(duì)腋拐中心軸線(xiàn)施加450 N垂直力,負(fù)載頻率20～40/min,循環(huán)50萬(wàn)次。依據(jù)該方法建立的疲勞試驗(yàn)力學(xué)模型如圖1[3]所示。從試驗(yàn)圖示中可以看出,支腳在試驗(yàn)中只承受垂直力,由于支腳是橡膠材料,具有彈性變形,所以試驗(yàn)中支腳始終承受垂直于接觸面的彈力。

2 腋拐使用中的受力分析

2.1 步態(tài) 腋拐是利用腋窩和手共同支撐,單臂操作使用,根據(jù)使用者自身狀況選擇適合的高度和把手位置。配置時(shí)將腋拐置于腋下,腋托與腋窩保持3～4 cm距離,底端支腳置于腳前側(cè)和外側(cè)各15 cm處,此時(shí)把手的高度應(yīng)與大轉(zhuǎn)子的位置相同[4]。

腋拐分雙側(cè)和單側(cè)使用。以雙側(cè)使用腋拐輔助行走時(shí)的擺步步態(tài)分解,完成一個(gè)步態(tài)周期的動(dòng)作包括:平衡站姿-雙杖前置-雙肘伸展,壓低和伸展肩胛骨,通過(guò)低頭來(lái)提起腿和骨盆-腿和骨盆一旦提起,軀干和腿即如鐘擺一樣向前擺動(dòng)超過(guò)雙拐位置-足跟著地-通過(guò)抬頭,收縮肩胛骨和推動(dòng)骨盆向前,重新取得平衡站姿[5]。

2.2 受力分析 根據(jù)步態(tài)分解,在正常使用情況下,支腳受力有以下特點(diǎn):①行進(jìn)中使用者要將支腳擺置腳前方與身體垂直成大約30°夾角處,腳步邁出后,支腳位于身體后面大約30°夾角處;即拐以支腳為頂點(diǎn)與身體前后形成60°角范圍內(nèi)擺動(dòng),支腳承受身體前后60°范圍變化的側(cè)向力;②按規(guī)范的使用步伐,行進(jìn)中使用者要將支腳置于與身體外側(cè)成10°左右?jiàn)A角處(即支腳距身體外側(cè)15 cm),支腳承受身體的左右側(cè)向力;③在行走過(guò)程中,特別是雙腿障礙的人,每步都有人體騰空時(shí)段,這時(shí)人的體重完全靠腋拐來(lái)支撐,每只腋拐支腳承載力為0.5倍體重;④根據(jù)腋拐在使用中的運(yùn)行軌跡,支腳除承受重力外,因和地面接觸有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),所以在支腳和地面之間將產(chǎn)生阻礙相互間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的摩擦力[6];⑤支腳在使用受力過(guò)程中,基本保持原地滾動(dòng),在與地面接觸產(chǎn)生摩擦力的同時(shí),由于支腳底部有一定厚度的橡膠和腋拐金屬桿的底端在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生相反的作用力,所以在與地面接觸時(shí)支腳還受到剪力。

依據(jù)支腳在使用中的受力分析,建立相應(yīng)的受力圖:起步時(shí)(圖2a)和行進(jìn)中(圖2b)支腳始終承受著人的體重,同時(shí)由于與地面的載重接觸及腋拐與地面所成的角度變化,摩擦力的大小也在發(fā)生周期性的變化,它的變化規(guī)律是:支腳受到的摩擦力是一個(gè)交變載荷,導(dǎo)致疲勞破壞。體重越大,摩擦力越大。

設(shè)試驗(yàn)假人體重G=90 kg,N為支腳受到的正壓力,腋拐在步態(tài)中處于垂直位置時(shí),支腳受到的壓力P等于正壓力N(圖2a),此時(shí)N=1/2G(忽略腋拐步態(tài)中左右10°側(cè)向角度產(chǎn)生的壓力)。行走時(shí)N的范圍為:

當(dāng)G=90kg時(shí),N=389.7～450 N。

由于摩擦力與正壓力和接觸面間的摩擦系數(shù)成正比,故在使用中腋拐的支腳始終存在磨損。在摩擦力交變作用下,支腳受到與地面之間的剪切力,從而產(chǎn)生剪切疲勞。

綜合上述使用腋拐的步態(tài)特點(diǎn),根據(jù)在使用中支腳的運(yùn)行軌跡,支腳應(yīng)該承受重力、摩擦力和剪力,在一個(gè)完整的使用周期中受力過(guò)程分析如圖3所示。

圖1 《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定腋拐疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

圖2 單側(cè)腋拐受力分析

圖3 支腳受力分析[7]

現(xiàn)行《標(biāo)準(zhǔn)》在對(duì)支腳試驗(yàn)過(guò)程中,沒(méi)有充分考慮支腳在使用中的摩擦力及在其作用下產(chǎn)生的剪切疲勞強(qiáng)度,測(cè)試過(guò)程無(wú)法真實(shí)反應(yīng)支腳耐磨和抗剪切疲勞性能,試驗(yàn)方法存在不足。

3 支腳耐磨和抗剪切性能試驗(yàn)方法建議

通過(guò)支腳在使用中的受力分析,影響支腳性指能標(biāo)的因素是多方面的,包括材質(zhì)的選擇、受到摩擦力、剪切疲勞強(qiáng)度、耐磨損性等諸多因素。本研究參照《標(biāo)準(zhǔn)》的試驗(yàn)方式,提出改進(jìn)建議。

3.1 加載方式 根據(jù)模擬支腳使用過(guò)程的受力情況,提出其耐磨和抗剪切疲勞性能試驗(yàn)方法:將支腳和一個(gè)類(lèi)似腋拐腿的圓形鋼管連接,作為試樣,按圖4所示的兩種方式進(jìn)行耐磨性和剪切疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

方式一:將試驗(yàn)樣件垂直置于一個(gè)剛性平板上,通過(guò)圓形鋼管與支腳軸線(xiàn)對(duì)支腳施加循環(huán)載荷P,剛性平板與水平面成30°傾斜循環(huán)波動(dòng),如圖4a;

方式二:將試驗(yàn)樣件垂直置于和方式一同樣的剛性平板上,通過(guò)圓形鋼管與支腳軸線(xiàn)對(duì)支腳施加循環(huán)載荷P,同時(shí)作60°擺動(dòng),而剛性平板保持靜止,如圖4b。

3.2 試驗(yàn)參數(shù) 加載力、試驗(yàn)次數(shù)、加載頻率3項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)仍按現(xiàn)行《標(biāo)準(zhǔn)》給出的參數(shù)。但需要增加60°擺動(dòng)的試驗(yàn)角度和剛性平板材料兩項(xiàng)試驗(yàn)條件。

試驗(yàn)角度根據(jù)使用軌跡確定;剛性平板表面材料選擇與常見(jiàn)的水泥路面或柏油路面同樣摩擦系數(shù)的材質(zhì)。

3.3 判定指標(biāo) 可以采用兩種形式定量給出判定產(chǎn)品合格與否的技術(shù)指標(biāo):①試驗(yàn)后磨損厚度;②試驗(yàn)前后支腳的重量差。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)環(huán)境 試驗(yàn)在室內(nèi)常溫(23±5)℃,濕度(60±10)%的條件下進(jìn)行。

4.2 試驗(yàn)平面 選擇與正常干燥水泥道路或?yàn)r青路面相當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)0.65的試驗(yàn)平面。

4.3 試驗(yàn)樣件 選擇與出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題同一批次的支腳24件,進(jìn)行實(shí)際使用和使用設(shè)備兩組試驗(yàn)。

4.4 試驗(yàn)參數(shù) 根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》疲勞試驗(yàn),軸向加載450 N,負(fù)載頻率20～40/min,加載50萬(wàn)次。

4.5 試驗(yàn)設(shè)備 按上述方式二進(jìn)行耐磨和抗剪切疲勞試驗(yàn),設(shè)備包括試驗(yàn)平面、加載裝置、牽引裝置和導(dǎo)向裝置等部件,見(jiàn)圖5。

圖4 支腳耐磨試驗(yàn)方式

圖5 支腳耐磨和抗剪切疲勞試驗(yàn)?zāi)M圖

5 結(jié)果

設(shè)備檢測(cè)的磨損厚度和磨損質(zhì)量見(jiàn)表1。12件樣品中,平均磨損厚度值2.96 mm。8件磨損厚度3.1～3.5 mm,是產(chǎn)品普遍達(dá)到的水平;最少的為1.5 mm。同一批產(chǎn)品存在較大差異與樣品在加工成型中的工藝過(guò)程有關(guān),磨損量較小的產(chǎn)品目測(cè)感官檢查,在橡膠成型過(guò)程中由于氣體的作用產(chǎn)生的蜂窩較少,目測(cè)和手感材質(zhì)相對(duì)密度較大。

表1 各支腳樣品檢測(cè)時(shí)磨損厚度和磨損質(zhì)量

選擇與試驗(yàn)樣件同樣的支腳12個(gè),體重75 kg左右的人群按正常使用的步態(tài)方式行走50萬(wàn)步,支腳磨損厚度和磨損質(zhì)量和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基本相當(dāng)。見(jiàn)表2。

表2 各支腳樣品使用時(shí)磨損厚度和磨損質(zhì)量

使用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件將設(shè)備檢測(cè)的結(jié)果與使用后結(jié)果進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn),磨損厚度(t=1.318,P= 0.214)和磨損質(zhì)量(t=-0.032,P=0.975)均無(wú)顯著性差異。Descriptives表對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探索性分析,在95%置信范圍內(nèi),磨損厚度的截尾值為3.29 mm,磨損質(zhì)量的截尾值為14.05 g。即試驗(yàn)結(jié)果判定指標(biāo)為:試驗(yàn)后,最大磨損厚度不允許超過(guò)3.3 mm,或試驗(yàn)前后支腳的重量差不允許超過(guò)14 g。

[1]Wooden Axilla Crutches[S].JIS T 9204:1994(Reaffirmed:1999).

[2]殘疾人輔助器具分類(lèi)和術(shù)語(yǔ)[S].GB/T 16432-2004.

[3]單臂操作助行器——要求和試驗(yàn)方法,第2部分:腋拐[S].GB/T 19545.2-2009.

[4]許弦歌,王蘊(yùn)平.手杖高度的確定方法[J].中國(guó)殘疾人,2007,(2): 37.

[5]汪家琮.日常生活技能與環(huán)境改造[M].北京:華夏出版社,2005: 187.

[6]張海燕.分析物體受力應(yīng)注意的步驟[J].現(xiàn)代技能開(kāi)發(fā),2001, (10):19.

[7]Walking Aids for The Disabled Part3 Specification for Axilla Crutches[S].NZS 5831:Part3:1989.

[8]Tips for Assistive Products for Walking-Requirements and Test Methods[S].ISO 24415:2009.

Test Method for Abrasion and Fatigue Resistance of Axillary Crutch Tips

WA N G Bao-hua.China Assistive Devices and Technology Center f or Persons with Disabilities,Beijing100068,China

R496

A

1006-9771(2010)05-0492-03

2010-04-28

2010-05-10)

中國(guó)殘疾人輔助器具中心,北京市100068。作者簡(jiǎn)介:王保華(1959-),女,北京市人,工程師,主要研究方向:殘疾人輔助器具標(biāo)準(zhǔn)化管理與研究制度,產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。