金志穎 施軍曉 陳戩恒

(金華出入境檢驗檢疫局 浙江金華 321015)

1 前言

按照 IEC60745－1：2006《Hand－h(huán)eld motoroperated electric tools－Safety－Part1：General requirements》［1］、IEC61029－1：1990《Safety of transportable motor－operated electric tools－Part1：General requirements》［2］和 IEC60335－1：2003《Household and similar electrical appliances－Safe－Part1：General requirements》［3］標(biāo)準(zhǔn)的最新規(guī)定，裝有電源線的工具應(yīng)有軟線固定裝置，使導(dǎo)線在工具內(nèi)的接線處不受拉力(包括扭力)，并保護(hù)導(dǎo)線的絕緣層免受磨損。檢查電源線是否符合要求的試驗方法是：電源線應(yīng)能經(jīng)受25次30N－100N的拉力，每次歷時1s;緊接著電源線應(yīng)能承受0.1－0.35N.m的扭矩，歷時1min。

目前市面上的電源線扭拉試驗裝置，普遍存在結(jié)構(gòu)選型陳舊、操作不方便、靈活性差，尤其是夾持電源線的方法繁瑣，需要通過分別夾裝才能完成整個扭拉試驗，無法保證拉力試驗與扭矩試驗的連續(xù)性;小型手持器具電源線和大型家用電器電源線的扭拉試驗不能在一臺設(shè)備上完成;垂直拉力試驗和水平拉力試驗不能在一臺設(shè)備上同時進(jìn)行;扭矩施加欠合理;無法保證拉力試驗的準(zhǔn)確控制等弊端。因此，本研究在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)有關(guān)要求，設(shè)計一種全新結(jié)構(gòu)的電源線扭拉試驗裝置，實現(xiàn)其有效功能，滿足在試驗?zāi)芰?、通用性、方便性、可靠性等方面的要求?/p>

2 新型電源線扭拉試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置主要由主體框架、試驗樣品升降機(jī)構(gòu)、扭矩施加裝置、拉力產(chǎn)生裝置、水平－垂直扭拉轉(zhuǎn)換裝置、試樣夾持裝置等6大部分組成(見圖1)。主體框架構(gòu)成了整個裝置的外觀形狀;試驗樣品升降機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)具有不同出線口位置器具的高度;扭矩施加裝置在扭矩試驗中，既可使電源線達(dá)到一定的扭矩施加數(shù)值，又可在扭矩保持的時間內(nèi)不斷調(diào)節(jié)扭矩的大小，實現(xiàn)自動控制的目的;拉力產(chǎn)生裝置由砝碼配重完成，拉力的時間由受力傳感器SB2(計數(shù)開關(guān))和軟件共同完成;水平－垂直拉扭轉(zhuǎn)換裝置可以在拉力試驗中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇垂直拉力試驗或水平拉力試驗;試樣夾持裝置用于樣品試驗的夾裝，針對不同樣品的形狀和式樣進(jìn)行不同夾裝，以確保樣品試驗的可靠性。試驗裝置實物見圖2。

圖1 新型電源線扭拉試驗裝置總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型電源線扭拉試驗裝置實物圖

2.1 技術(shù)分析

2.1.1 裝夾技術(shù)

鑒于器具電源線的種類繁多(手持式、臺式、落地式)，電源線裝夾裝置采用兩種不同的裝夾技術(shù)。對手持式器具的電源線采用垂直拉力施加方式;對大型家電類產(chǎn)品的電源線采用水平拉力施加方式，可通過升降臺將家電類產(chǎn)品的電源線出口調(diào)節(jié)到合適高度，以承受一定重量的試樣和滿足器具不同出線口的試驗要求。

2.1.2 拉力扭矩施加裝置

拉力施加采用砝碼直接掛重的方式，施加時間由接觸開關(guān)控制。由于拉力與扭矩的施加采用一次裝夾即完成整個試驗的全新設(shè)計理念，因此設(shè)計過程中有如下技術(shù)要點：①將扭矩施加裝置安裝在一個滑動導(dǎo)軌上，做拉力試驗時扭矩傳感器不能受到拉力的作用而受損;②由于拉力施加裝置具有一定重量，因此滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)要小;③做扭矩試驗時，滑動導(dǎo)軌上應(yīng)有剎車裝置，以保證試驗過程中扭矩施加裝置不會在導(dǎo)軌上滑動。

2.1.3 電源線扭矩的施加

由于電源線的粗細(xì)和內(nèi)芯數(shù)不同，其扭矩的屈服強度有很大差異，施加扭矩的速度會直接影響到最后扭矩保持力的穩(wěn)定性。因此，在試驗過程中，電源線的扭矩施加采用轉(zhuǎn)動型雙出軸扭矩傳感器，一個出軸直接將電源線夾持，另一出軸由步進(jìn)電機(jī)提供扭轉(zhuǎn)力矩，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制電源線扭矩的施加速度。

2.2 電氣控制設(shè)計

運行操作系統(tǒng)由PLC與觸摸屏硬件和軟件共同完成，硬件接口電路由傳感器儀表顯示及數(shù)據(jù)通訊等組成。采用PLC做控制系統(tǒng)，是因為其技術(shù)相當(dāng)成熟，抗干擾性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠，編程、修改極其方便，功能強大、擴(kuò)展簡單實用。圖3顯示了對應(yīng)的接口功能示意圖。

圖3 PLC接口功能示意圖

PLC與松下觸摸屏通過通訊口連接，完成了人機(jī)對話的架構(gòu);PLC與扭矩顯示儀表的通訊連接，實現(xiàn)了前瞻性的扭矩控制方式;PLC通過控制KM1、KM2繼電器實現(xiàn)升降臺的上升與下降;PLC通過控制KM3、KM4繼電器實現(xiàn)汽缸的上下動作，從而產(chǎn)生拉力;PLC通過檢測砝碼托盤下的微動按鈕進(jìn)行拉力次數(shù)的計數(shù)，同時用來嚴(yán)格控制電線被拉的時間;PLC通過對行程開關(guān)SQ1、SQ2的檢測，有效限制升降臺的上、下限位置;PLC通過Y0、Y2口，對扭矩施加的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速控制，以實現(xiàn)對扭矩施加方式的完全控制;PLC通過Y7口，實現(xiàn)報警器的控制操作，當(dāng)試驗結(jié)束后報警器發(fā)出結(jié)束報警訊號。

2.3 程序設(shè)計

根據(jù)電線硬度的不同，在扭矩施加的控制上劃分為硬性、中性、軟性3個試驗方式。這是因為硬線抗屈服強度大，當(dāng)扭矩施加時，要求轉(zhuǎn)速低，扭矩補充的脈沖數(shù)相對較少，以防止施加過程中的扭矩過沖現(xiàn)象;而軟線由于抗屈服強度很低，要求轉(zhuǎn)速快，每次調(diào)整補充的脈沖數(shù)較多，這樣才能有效縮短扭矩施加時間。為了實現(xiàn)此控制，將扭矩傳感器的扭矩信號通過通訊線傳輸?shù)絇LC中，由PLC根據(jù)不同的試驗要求進(jìn)行控制。試驗過程中，當(dāng)扭矩施加到一定數(shù)值時，PLC將逐步降低轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時根據(jù)需要不斷補充脈沖數(shù)使扭矩保持恒定。

2.4 工作原理

本試驗裝置的主要工作原理為：對于小件器具采用手動垂直夾裝方式，對于大件器具采用電動升降臺的水平夾裝方式，通過水平－垂直扭拉轉(zhuǎn)換裝置(含滑輪作必要的拉力換向處理)實現(xiàn)這兩種基本試驗方式的轉(zhuǎn)換;采用砝碼組獲得拉力，用速度可調(diào)的汽缸動作實現(xiàn)加力緩慢、撤力快捷的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時砝碼托盤底部的微動開關(guān)準(zhǔn)確地檢測到拉力的施加時間;采用轉(zhuǎn)動型雙出軸扭矩傳感器，一個出軸直接將電源線夾持，另一出軸由步進(jìn)電機(jī)提供扭轉(zhuǎn)力矩，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制電源線扭矩的施加速度，在PLC、系統(tǒng)程序控制下一次性完成整個試驗。

2.5 達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

拉力范圍：5N－135N，±0.1N

扭力范圍：0 －2.0N.m，±0.3%F.S;顯示分辨率：0.001N.m

計數(shù)范圍：6位數(shù)字

時間設(shè)定：0－300s，±0.01s

2.6 適用范圍及特點

適用手持式、臺式、落地式及體積較大器具的電源線拉扭試驗。試驗時無需破壞器具及器具手柄;被檢測試件定位后可一次裝夾完成整次拉力、扭力試驗;拉力、扭力測試范圍廣，精度高，試驗流程嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點

3.1 現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的電源線扭拉試驗裝置是采用對電源線分別進(jìn)行拉力試驗和扭力試驗的試驗方式。薛利明［4］在電線電纜的拉力試驗中，其采用的拉力試驗機(jī)主要包括千斤頂手動重負(fù)荷拉力機(jī)構(gòu)和腳蹬輕負(fù)荷機(jī)構(gòu)，通過杠桿作用給傳感器產(chǎn)生拉力。唐斌［5］發(fā)明的伺服控制全自動扭力試驗機(jī)包括伺服電機(jī)和減速電機(jī)，機(jī)座上方中部設(shè)有雙臂同步搖擺機(jī)構(gòu)，兩側(cè)連接有同步旋轉(zhuǎn)的從動旋轉(zhuǎn)軸，從動旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭力傳感器，電腦與扭力傳感器連接;扭力試驗機(jī)可設(shè)定扭力、測試次數(shù)、角度參數(shù)，并可以存儲設(shè)定數(shù)據(jù);可以得到扭力—角度曲線、扭力衰減曲線，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;可以實現(xiàn)對電源線扭力的精確測量。傳統(tǒng)的試驗方法主要存在以下缺點：①測試精度不高。拉力試驗每次需要歷時1min，用腳踏或手持負(fù)荷方式進(jìn)行測試，力量不平穩(wěn)，拉力不恒定，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。②測試局限性較大。拉力試驗機(jī)只能進(jìn)行拉力試驗，扭力試驗機(jī)只能進(jìn)行扭力試驗。③測試使用不便。如測試?yán)χ笤贉y扭矩，需要松開夾持機(jī)構(gòu)的握持，進(jìn)行2次裝夾。

目前市面上較為先進(jìn)的電源線扭拉試驗裝置是采用扭轉(zhuǎn)拉力在一臺設(shè)備上完成的試驗方法。何?。?］等采用同一臺試驗機(jī)完成拉力試驗和扭力試驗，對電源線加載次數(shù)由電子計數(shù)器控制，伸長量的檢測由一臺光柵數(shù)顯測微儀完成，精度可達(dá)0.001mm，檢測范圍0 －10mm。宋一興［7］等發(fā)明一種扭轉(zhuǎn)拉力試驗機(jī)，由機(jī)臺、電機(jī)、固定支座、前夾具、直線導(dǎo)軌、后夾具和位架構(gòu)成，在后夾具上固定連接有拉扭復(fù)合傳感器;工作時通過拉扭復(fù)合傳感器獲得試驗材料的扭矩值和拉力值;能夠同時實現(xiàn)材料拉力和扭力的測試。無錫市南亞科技有限公司［8］開發(fā)的電源線扭拉試驗機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿和螺母實現(xiàn)試樣的拉力試驗，由高精度的測力傳感器測量拉力;通過步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動試樣，進(jìn)行扭力試驗，由高精度的扭力傳感器測量扭力，整個試驗過程由PLC控制，觸摸屏顯示試驗數(shù)據(jù)。這些試驗裝置存在的主要問題有：①只能對重量較輕、體積較小的手持式電動工具和小家電進(jìn)行測試;對于重量重、體積大的可移式工具因無法夾持電源線，不能進(jìn)行測試。②扭力試驗過程中，需要剪斷工具的電源線，破壞工具的正常使用情況。③扭力試驗過程中，由于電源線的回彈性，實際加載的扭矩往往小于設(shè)定的扭矩值。

3.2 本試驗裝置的技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點

(1)采用獨特的一次性電源線裝夾技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，一次裝夾完成整個拉扭試驗，符合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于拉力試驗立即轉(zhuǎn)到扭矩試驗的要求。

(2)施加拉力采用氣缸加組合砝碼，通過調(diào)節(jié)氣體的流量緩慢地施加拉力，砝碼托盤底部的微動開關(guān)準(zhǔn)確檢測到拉力的施加時間，符合拉力施加緩慢、撤力快捷的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)采用步進(jìn)電機(jī)提供扭力，通過扭矩傳感器、步進(jìn)電機(jī)、扭矩儀表數(shù)據(jù)通訊組成了一個控制閉環(huán)回路，使施加的扭力速度平穩(wěn)恒定，具有扭矩補償功能，同時設(shè)計了3個檔位的扭轉(zhuǎn)速度，對于不同電源線性質(zhì)(如粗細(xì)、芯數(shù)、屈服強度)的試驗更加合理。

4 小結(jié)

電源線拉扭試驗是針對器具電源線固定結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行的一項重要試驗，能消除質(zhì)量安全隱患，減少貿(mào)易糾紛。因此，該試驗裝置對生產(chǎn)廠家和檢測機(jī)構(gòu)均有較大的推廣價值，能顯著提高生產(chǎn)收入或檢測收入，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

目前，該裝置存在的主要問題是由于拉力施加裝置具有一定的質(zhì)量約為6.20kg，這就必須要求滑動導(dǎo)軌的滑動摩擦系數(shù)盡可能小，從而減少導(dǎo)軌滑動摩擦力對拉力試驗的影響。根據(jù)實測，器具垂直夾裝時，導(dǎo)軌滑動摩擦系數(shù)約為0.035，所以需額外加配重約2.1N;器具水平夾裝時，導(dǎo)軌滑動摩擦系數(shù)約為0.083，所以需額外加配重約5.0N。

［1］IEC60745－1：2006 Hand－h(huán)eld motor－operated electric tools－Safety－Part 1：General requirements.

［2］IEC61029 －1：1990 Safety of transportable motor－ operated electric tools－Part1：General requirements.

［3］IEC60335 －1：2003 Household and similar electrical appliances－Safe－Part 1：General requirements.

［4］薛利明.電線電纜拉力試驗中夾頭移動速度對試驗結(jié)果影響的分析［J］.科技資訊，2006，26：11.

［5］唐斌.東莞市華誼創(chuàng)鴻試驗設(shè)備有限公司.伺服控制全自動扭力試驗機(jī)［P］.中國專利.公告號：201130081.公告日：2008年10月8日.

［6］何健，董乃斌.按IEC標(biāo)準(zhǔn)測試家電電源線的機(jī)械性能試驗機(jī)［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，1991，1：42 －46.

［7］宋一興，張立偉.長春仟邦測試設(shè)備有限公司.扭轉(zhuǎn)拉力試驗機(jī)［P］.中國專利.公告號：200968917.公告日：2007年10月31日.

［8］無錫市南亞科技有限公司.http：//www.wxnanya.com.cn/cn/index.asp.