袁晶，王志明陳姍

(1.浙江出入境檢驗(yàn)檢疫局，浙江杭州322000；2.上海大學(xué)精密機(jī)械工程系，上海200072)

0 引言

童車(chē)是指14歲以下兒童使用的自行車(chē)、電動(dòng)車(chē)、三輪車(chē)、學(xué)步車(chē)等。在童車(chē)品質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目中，沖擊項(xiàng)目的檢測(cè)對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)控制起到關(guān)鍵的作用。這些標(biāo)準(zhǔn)涉及到GB/T4857、GB14748、GB14749、EN14746 、FM833 等［1-3］，童車(chē)檢測(cè)的項(xiàng)目涉及領(lǐng)域也較廣，包括兒童三輪車(chē)、兒童學(xué)步車(chē)、兒童推車(chē)等沖擊項(xiàng)目。幾年來(lái)，通過(guò)對(duì)中國(guó)的質(zhì)檢、商檢系統(tǒng)及第三方檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)研與分析表明，我國(guó)在童車(chē)的沖擊與碰撞試驗(yàn)中的檢測(cè)手段比較落后，模塊化與綜合化的設(shè)計(jì)思想尚未融入到測(cè)試設(shè)備中，數(shù)據(jù)化的測(cè)試?yán)砟畋容^淡漠。

從國(guó)際上發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，測(cè)試設(shè)備的模塊化、綜合化、數(shù)據(jù)化是一個(gè)潮流，它不但可以通過(guò)模塊的增刪快速地適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化，而且能實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)或相同、相近標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)可為設(shè)計(jì)者或企業(yè)提供改進(jìn)的理論依據(jù)，更好地為企業(yè)服務(wù)。

1 沖擊試驗(yàn)中存在的問(wèn)題

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)目前在沖擊測(cè)試方法與構(gòu)建模式方面存在如下問(wèn)題:

1)碰撞試驗(yàn)中的試驗(yàn)手段方法普遍存在不合理因素。

在童車(chē)(學(xué)步車(chē)、滑板車(chē)等)相關(guān)的碰撞試驗(yàn)中，要求學(xué)步車(chē)或滑板車(chē)在一定的負(fù)荷下，以2m/s的速度沖擊擋塊，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，大多沿襲20世紀(jì)70年代美國(guó)、臺(tái)灣的試驗(yàn)手段與設(shè)備，將被測(cè)童車(chē)加載一定的負(fù)荷，安裝在一個(gè)小車(chē)上，小車(chē)在斜面上被提升到一定的高度，然后釋放，小車(chē)帶著被測(cè)童車(chē)沖擊擋塊。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，小車(chē)的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度可以達(dá)到規(guī)定的速度，但是撞擊的能量為1/2m·v2，即能量與撞擊的質(zhì)量有關(guān)。而這種撞擊的質(zhì)量并不是童車(chē)的質(zhì)量加一定負(fù)荷的質(zhì)量(砝碼)，而是小車(chē)的質(zhì)量與童車(chē)質(zhì)量負(fù)荷的總和。以這樣的手段去進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果是:應(yīng)該合格的童車(chē)產(chǎn)品由于采用了這種測(cè)試手段就有可能不合格。由此提出了測(cè)試手段的一個(gè)普遍的真理:測(cè)試的手段一切以實(shí)際使用或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為準(zhǔn)，才是最科學(xué)的。

2)童車(chē)的零部件沖擊試驗(yàn)中均存在二次沖擊問(wèn)題。

在童車(chē)的零部件沖擊測(cè)量中均存在二次沖擊問(wèn)題，如在GB14764:2006標(biāo)準(zhǔn)中的4.7.1條款的實(shí)驗(yàn)中，“將一個(gè)22.5kg的質(zhì)量從50cm高處對(duì)準(zhǔn)滾輪的中心，并于前叉翹度的相反方向跌落到輕質(zhì)滾輪上，要求不斷裂或永久變形小于10mm”。在試驗(yàn)中，往往產(chǎn)生二次沖擊情況。一個(gè)22.5kg沖擊到前叉的滾輪上后迅速?gòu)椘鹑缓笥盅杆俚卦俅螞_擊到滾輪上。根據(jù)有限元與彈性力學(xué)理論分析，產(chǎn)生的變形也會(huì)較大。這樣，如果出現(xiàn)車(chē)架前叉組件斷裂或變形量大于10mm的現(xiàn)象，如何判別合格與否?

為此，本文采用模塊化與綜合化組合技術(shù)，設(shè)計(jì)一套能解決上述問(wèn)題的測(cè)試設(shè)備。

2 童車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種全新的童車(chē)沖擊測(cè)試的設(shè)計(jì)理念。新型的童車(chē)沖擊性能檢測(cè)綜合試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括提升裝置、框架底座、夾持與釋放裝置、引導(dǎo)裝置、防二次撞擊裝置、碰撞擋板及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 童車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)的總體示意圖

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)提升裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，提升裝置由動(dòng)力傳動(dòng)、曲線(xiàn)傳動(dòng)和夾持與釋放三部分組成。動(dòng)力傳動(dòng)部分通過(guò)安裝在固定支架上的伺服電機(jī)及減速器驅(qū)動(dòng)一個(gè)主動(dòng)鏈輪，經(jīng)傳動(dòng)鏈條傳動(dòng)到傳動(dòng)鏈輪上，再通過(guò)一根主軸分別將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力經(jīng)由傳動(dòng)鏈輪傳動(dòng)到對(duì)稱(chēng)布置在兩端的、安裝在同一軸上的從動(dòng)鏈輪；曲線(xiàn)傳動(dòng)部分經(jīng)兩個(gè)長(zhǎng)環(huán)形傳動(dòng)鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，長(zhǎng)環(huán)形傳動(dòng)鏈條由多個(gè)張緊條張緊呈曲線(xiàn)形狀，張緊條安裝在曲線(xiàn)滑軌的內(nèi)側(cè)面，曲線(xiàn)滑軌可以固定在框架底座上。這樣就使得長(zhǎng)環(huán)形傳動(dòng)鏈條與被測(cè)童車(chē)運(yùn)行曲面始終平行；夾持與釋放部分與長(zhǎng)環(huán)形傳動(dòng)鏈條固定連接，與曲線(xiàn)導(dǎo)軌滑配，可隨著傳動(dòng)鏈條通過(guò)小輪沿著曲線(xiàn)滑軌滑行［4］。

圖2 提升裝置示意圖

2)夾持與釋放部分設(shè)計(jì)

夾持與釋放的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾持與釋放部分沿著曲線(xiàn)導(dǎo)軌的滑動(dòng)示意圖

夾持與釋放部分的底部與傳動(dòng)鏈條相固接，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給夾持與釋放部分。在其安裝板上面，安裝有機(jī)械手，可以對(duì)被測(cè)童車(chē)進(jìn)行夾持。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖4(a)中所示。夾持與釋放部分的工作原理為:該機(jī)構(gòu)靠一個(gè)小型氣缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾持和釋放。當(dāng)夾持與釋放部分需要拖動(dòng)被測(cè)童車(chē)時(shí)，機(jī)械手處于夾緊狀態(tài)(如圖4(b))時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)處于自鎖的臨界位置，當(dāng)?shù)竭_(dá)提升高度時(shí)，機(jī)械手張開(kāi)(如圖4(c))時(shí)，釋放沖擊小車(chē)。機(jī)械手通過(guò)Pro-e機(jī)構(gòu)仿真表明靈活可靠，不會(huì)出現(xiàn)卡滯。

圖4 機(jī)械手工作原理示意圖

3)防二次撞擊裝置

如圖5所示，通過(guò)支架固定安裝在鋁型材支架中部的伸縮氣缸，其活塞桿連接一根中間部分包覆一層緩沖橡膠的光滑防撞導(dǎo)桿，該光滑導(dǎo)桿在銅制套筒導(dǎo)向作用下伸出后能擋住引導(dǎo)裝置的鋁型材引導(dǎo)擺桿的擺動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)防止二次撞擊?？梢酝ㄟ^(guò)防二次撞擊裝置在鋁型材的上下位置的調(diào)整［5］，來(lái)適應(yīng)光滑防撞導(dǎo)桿阻擋引導(dǎo)擺桿的位置，實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效地防止二次撞擊。

圖5 防二次撞擊結(jié)構(gòu)示意圖

4 測(cè)控系統(tǒng)原理

本測(cè)控系統(tǒng)的軟件主要有三部分，分別是數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、觸摸屏數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊以及下位機(jī)與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信。觸摸屏通過(guò)RS232串口與下位機(jī)進(jìn)行信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。PLC程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是FPWIN-GR，控制的對(duì)象中輸出點(diǎn)控制有提升電機(jī)、機(jī)械手氣缸、防二次沖擊氣缸。輸入電控制由測(cè)速傳感器(3個(gè))、提升小車(chē)的上下限位等。為提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與方便性，采用松下的C38AT PLC與EASYVIEW觸摸屏控制［6］。

控制軟件分為PLC控制軟件與觸摸屏軟件。主要為PLC控制軟件。PLC控制軟件的流程圖如圖6所示。

圖6 PLC軟件控制流程圖

5 沖擊試驗(yàn)

設(shè)備的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用的是新研制成功的童車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備樣機(jī)如圖7所示。在調(diào)試過(guò)程中，對(duì)沖擊小車(chē)、提升小車(chē)的運(yùn)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪進(jìn)行調(diào)整，傳感器的位置與沖擊小車(chē)的復(fù)位點(diǎn)等也進(jìn)行的調(diào)試［7］。測(cè)試樣件為好孩子?jì)雰簩W(xué)步車(chē)與推車(chē)，實(shí)驗(yàn)前，調(diào)整傳感器的高度，然后將嬰兒學(xué)步車(chē)安裝在沖擊車(chē)上，進(jìn)行2m/S的沖擊試驗(yàn)。測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

圖7 童車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)樣機(jī)

表1 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該沖擊試驗(yàn)機(jī)性能穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性精度高，且具有防二次沖擊能力，所以測(cè)試的過(guò)程科學(xué)，有據(jù)，能很好地符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

在分析現(xiàn)役的童車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采用模塊化、綜合化組合技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的童車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用自由下滑導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向的方式，使得被測(cè)童車(chē)自由地沖擊到被測(cè)試墻的方式。試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅重復(fù)精度高，而且測(cè)試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的貼合性好，很好地解決了現(xiàn)役沖擊試驗(yàn)機(jī)中存在的問(wèn)題，對(duì)提高檢驗(yàn)檢疫的水平、提高測(cè)試結(jié)果的公正、可靠、合理性有著重要意義［8］。同時(shí)，該試驗(yàn)機(jī)不僅能對(duì)童車(chē)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)滑板車(chē)、妞妞車(chē)等的測(cè)試，測(cè)試范圍具有可拓展性。大大提高了測(cè)試的品質(zhì)與設(shè)備的利用率。從設(shè)計(jì)理念上實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)思想的顛覆，對(duì)整個(gè)檢測(cè)行業(yè)非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)起到引領(lǐng)作用。

［1］BRITISH STANDARD BS7409 Safety requirements for wheeled child conveyances［s］，1996.

［2］BRITISH STANDARD BS EN 1273 Child use and care article-Baby walking safety requirements and test methods［s［s］，2005.

［3］ASTM Standard Consumer Safety Performance Specification for Carriages and Strollers［s］，2205.

［4］GB14749-2006.嬰兒學(xué)步車(chē)安全要求［S］.

［5］CNCA-13C-068:2006《童車(chē)類(lèi)產(chǎn)品強(qiáng)制性認(rèn)證實(shí)施規(guī)則》［S］.

［6］BS ISO 8098-2002.Cycles-Safety requirements for bicycles for young children［S］.

［7］GB14746-2006.兒童自行車(chē)安全要求［S］.

［8］李軍，王志明，蔡慶楠.基于童車(chē)測(cè)試的多功能沖擊試驗(yàn)機(jī)的研制［J］.機(jī)械制造與研究，2009，38(5):18-20.