盧云峰，王俊豪，楊紹榮

( 1.浙江東立電器有限公司，浙江 永康 321300;2.浙江大宇電器有限公司，浙江 武義 321301；3.金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江 金華 321007 ）

0 引言

鏈鋸作為一種手持式園藝和林業(yè)工具，包括手持式交流電鏈鋸、油鋸和無繩電動機驅(qū)動鏈鋸。從國家海關(guān)總署發(fā)布的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國出口鏈鋸產(chǎn)品數(shù)量為596.96 萬臺，相比2018 年增長了12.51 %，占中國電動工具出口總量的2 %。本文根據(jù)ISO 13772:2018 相關(guān)標準要求，介紹非手動式鋸鏈制動器的性能和檢測方法，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計和檢測經(jīng)驗提出相應優(yōu)化建議，供同行專家及業(yè)內(nèi)人士研究和探討。

1 概述

鏈鋸是采用回轉(zhuǎn)鏈狀鋸條進行鋸截作業(yè)的園藝工具，由手柄、動力部件和鋸割附件組成。鏈鋸的工作頭為一套切割部件（鋸鏈），由帶軌道的導板支承和導向，由于其切割速度快（6 m/s ～16 m/s），當靠近導板頂部的高速運動鋸鏈接觸類似原木或樹枝等物體時，可能發(fā)生鋸鏈快速向上或向后的反向運動，給操作者帶來人身傷害。因此，鏈鋸被列入了高危險、高風險的電動工具產(chǎn)品之一。為確保產(chǎn)品和操作者的人身安全，相關(guān)機構(gòu)對鏈鋸的安全作了相應規(guī)定，要求鏈鋸應有手動的，或反彈發(fā)生時自動停止鋸鏈或鎖住裝置，規(guī)定鏈制動器平均制動時間不大于0.12 s、最大制動時間不超過0.15 s。鏈制動器結(jié)構(gòu)特性對產(chǎn)品的安全性以及產(chǎn)品的生命周期起到了至關(guān)重要的作用。

非手動式鏈制動器是指當反彈發(fā)生時，無需操作者控制便能自動啟動的鋸鏈制動器，可在瞬間制動高速運行鏈條的裝置。

2 性能要求

非手動驅(qū)動的鏈鋸功能應在全新的、正常生產(chǎn)鋸上進行檢查，鏈鋸應配備說明書中規(guī)定的最短和最長導桿，長度不超過500 mm。充電式鏈鋸應分別使用最輕和最重的電池組進行檢查。

在按照ISO 13772：2018 第8 條規(guī)定進行測試時，當鏈鋸的水平和垂直加速度 (ax和ay)的坐標交點分別位于圖1(a)、圖1(b)或圖1(c)所示的臨界線下方區(qū)域時，非手動驅(qū)動的鏈條制動器的驅(qū)動性能被認為是可接受的。

2 試驗原理

將鏈鋸安裝在如圖2 所示的試驗裝置上，落錘以一定高度落至搖臂一端，使另一端的鏈鋸反向加速運動，下落高度應逐漸增加直至非手動驅(qū)動的鏈條制動器啟動為止。

3 試驗設(shè)備

3.1 加速度測試設(shè)備

加速度計的總質(zhì)量（包括固定件，但不包括電纜）應盡可能小，并在任何情況下不得超過50 g。

加速度計輸出信號應由低通濾波器處理，即：

測量加速度（ax和ay）時使用的低通濾波器特性應為：

——二階數(shù)字貝塞爾濾波器；

——采樣率：2 kHz；

——截止頻率：120 Hz。

安裝加速度計時應注意，保證在兩個測量方向頻率響應都能達到300 Hz。關(guān)于加速度計安裝的有關(guān)規(guī)定參見ISO 5348。如加速度計附加物的質(zhì)量增加至其本身的質(zhì)量時，對ax和ay沒有任何顯著影響，可以認為頻率響應沒有被衰減。如附加物為金屬，該附加物應放在加速度計與其固定件之間，若附加物由粘土或石蠟等屬性的材料制成，則附加物應放在加速度計周圍。

測試設(shè)備的精度(不包括加速度計固定件和濾波器)應在0 Hz ～300 Hz 頻率范圍內(nèi)顯示值的±5 %之內(nèi)，校準方法見ISO 16063-1。

3.2 測試裝置

測試裝置的設(shè)計原則見圖2。

試驗裝置應牢固地安裝在地板上，其設(shè)計應限制下落質(zhì)量導桿的偏轉(zhuǎn)，例如通過固定兩端。

導向桿垂直度應在2 °以內(nèi)。

鋼墊片的頂面橫向應在1 °內(nèi)水平。

測試裝置中繩索的長度及定滑輪的縱向和橫向位置都應可調(diào)。

試驗裝置的擺臂應由80 mm×40 mm×4 mm矩形中空型鋼制成，質(zhì)量為6 700 g±300 g， 轉(zhuǎn)動慣量為0.45 kg·m2±0.02 kg·m2。

落錘裝置的落錘質(zhì)量應為15 000 g±20 g。落錘下落的高度至少應在200 mm 至1 400 mm 之間可調(diào)節(jié)，且每次調(diào)節(jié)的高度不得超過10 mm。下落的高度誤差應為±2 mm。

落錘與彈簧之間的尺寸應確保脈沖長度(ty)達到11 ms±2 ms。

ty的測量應為初始脈沖的正加速度ay時間, 即ay從零開始增加到第一次回到零為止的時間。參見圖3 中的示例。

該裝置可以用相互反向放置的七個錐形碟形彈簧（45 mm×22.4 mm×1.75 mm）來獲得規(guī)定的脈沖長度，彈簧的剛度應為640 N/mm±20 N/mm， 該彈簧決定了脈沖的長度和撞擊特性。如果使用錐形碟形彈簧，則應盡可能精確地對其進行定位和引導。落錘導向桿與碟形彈簧內(nèi)徑之間的徑向游隙為0.4 mm ～0.8 mm。

4 試驗準備

按以下要求準備鏈鋸的試驗。

a)檢查鏈鋸是否符合產(chǎn)品規(guī)格。

b)預先將鏈鋸的鏈制動器起動10 次。例如：當用手握持鏈鋸后手柄的同時松開前手柄，讓鏈鋸下落以使導板頭部撞擊一堅硬的木質(zhì)表面。

c)將鏈鋸安裝一條適合導板的鋸鏈，并以約最大功率或速度使用一個裝滿燃料的油箱（汽油發(fā)動機驅(qū)動的鏈鋸）或使用一個裝滿鏈條油油箱（電動鏈鋸）所需的時間切割軟木。在該切割過程中，不得起動鏈制動器，切割后勿清潔鏈鋸，然后小心拆除鏈條，小心更換同等規(guī)格的導板（即長度、導板頭部半徑、導軌等）。

d)將鏈條張力調(diào)節(jié)器調(diào)至中間位置后，使導板前端盡可能向上翹以消除其向上擺動的間隙， 然后夾緊導板。不安裝鋸鏈且油箱應是空的。油門扳機或電源開關(guān)（電動鏈鋸）應設(shè)置在其完全激活的位置。

e)安裝加速度計，以測量水平和垂直加速度（分別為ax和ay）。加速度計兩個有效正交方向的中心線應與導桿尖端半徑中心點相交，偏差在±2 mm 之內(nèi)。加速度計的重心應在距導板前端半徑中心點±10 mm 之內(nèi)。加速度計方向應如圖2 所示。

f)使用繩子在連接點A 和B 上將鏈鋸吊掛在測試臺上（見圖2），以使導板的縱向中心線向下傾斜30 °±2 °，并使導板的縱向平面與試驗臺擺臂的縱向平面平行。

懸掛點A 應在后把手的抓握區(qū)域上。對于林用鏈鋸，有必要將安裝點后移一些，以滿足規(guī)定的法向力提起的要求，見h。為此，在后手柄上為懸掛點A 附加一個向后延伸的套。該套應盡可能短且輕，并且在任何情況下重量不得超過100 g。

懸掛點B 的側(cè)向調(diào)整應使導板平面在±3 °內(nèi)垂直，即圖2 中的l。

懸掛點B 的位置應足夠高，以確保鏈鋸的穩(wěn)定懸掛，即懸掛點A 和B 之間的直線應通過鏈鋸的重心上方，參見h。

電動鏈鋸的主電源線應垂向地面。

g)角度支撐座應可以調(diào)節(jié)，以使通過擺臂上墊塊與導板頭部接觸點且垂直于與擺臂中心線的直線經(jīng)過導板前端半徑的中心點，其偏差在±1 mm 以內(nèi)，參見i。

h)固定點B 應當沿導板縱向放置，當施加法向力Fn為3 N±0.4 N 時，應使導板的頂端從鋼質(zhì)墊片上提起（見圖2）。

i)定滑輪應沿縱向放置，當施加切向力Ft為3 N±0.4 N 時，應使導板頂端能被推離角形的支承座（見圖2）。

j)確保充分潤滑：

1）導板的頭部、鋼質(zhì)墊片和角度支撐座的接觸點，以及

2）落錘的接觸面，包括裝在擺桿上的蝶形彈簧下面的墊片。

5 試驗程序

非手動鏈式制動器靠落錘下落過程中產(chǎn)生的加速度起動。

建議以200 mm 下降高度為起點，以100 mm 步長逐漸增加高度至鏈制動器起動。首次起動后，再次以每20 mm 的步長降低落錘下落高度，直到鏈制動器不能被再次自動起動為止。在此高度基礎(chǔ)上，下落高度提高10 mm，并在相同條件下重復5 次試驗，如該制動器5 次均被起動，則應使用已建立的條件來測量加速度ax和ay。

如在此高度基礎(chǔ)上，鏈制動器未被起動5次，則應再將下落高度提高10 mm，再重復5次試驗。如有必要，重復此過程，直至該下落高度5 次試驗過程中,非手動式鏈制動器均被起動為止。

當最低下落高度被確定后，在相同條件下分別測量導板前端加速度并記錄ax和ay值各5次，并且計算加速度的平均值。

6 解決方案

如何在鏈鋸產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中保證非手動式鏈制動器的功能以及穩(wěn)定可靠，是每個產(chǎn)品設(shè)計工程師應掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)ISO 6535 的要求，鏈鋸的鏈制動性能（手動），還必須滿足當鏈制動桿啟動制動所需的平穩(wěn)釋放力，要求不大于60 N，不小于20 N?？梢娽尫帕υ叫?，非手動式鏈制動器越容易被起動，但考慮到頻繁啟動鏈制動器后，釋放力逐漸減少，因此在設(shè)計鏈制動桿的觸發(fā)點和限位點時，盡量將釋放力的點設(shè)置在標準要求的中間值。

從上述非手動式制動器的檢測過程看，非手動鏈制動器的動作觸發(fā)主要依靠鏈制動器自身的轉(zhuǎn)動慣量；從經(jīng)典力學看，轉(zhuǎn)動慣量（也稱質(zhì)量慣性矩、慣矩）通常以I 或J 表示，SI單位為kg·m2。對于一個質(zhì)點，I=mr2， m 為質(zhì)量，r 為質(zhì)點和轉(zhuǎn)軸的垂直距離?？梢?，解決非手動式鏈制動性能的方向主要在控制鏈制動器自身的質(zhì)量及質(zhì)點所在的位置（在滿足安規(guī)和產(chǎn)品自身要求外，質(zhì)點位置應盡可能遠離轉(zhuǎn)動軸）。從目前鏈鋸結(jié)構(gòu)看，鏈制動器的高度根據(jù)鏈鋸自身的大小規(guī)格基本上是固定的，但是鏈制動器的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，所以鏈制動器的質(zhì)量可以通過以下實驗方法初步獲得：

取一臺鏈鋸樣機，將鏈制動桿啟動制動所需釋放力控制在40 N 左右，按前述試驗準備c)執(zhí)行，預先將鏈鋸的鏈制動器起動10 次，握持鏈鋸后手柄的同時松開前手柄，鏈鋸下落以使導板頭部撞擊一堅硬木質(zhì)表面，檢查鏈制動器是否自動起動。如鏈制動器未起動，可在制動桿前端部位施加同面積的配重（100 g ～200 g），依次逐漸增加，重復以上操作，直至鏈制動器自動啟動為止，記錄最終配重質(zhì)量。

設(shè)計時，可將鏈制動器置于立體結(jié)構(gòu)，通過計算以達到非手動式鏈制動器自動觸發(fā)所需的質(zhì)量；或可采用后期加配重方法，即在鏈制動器頭部增加質(zhì)量，將經(jīng)前述測試所得重量相當?shù)呐渲貕K，通過塑料模具注塑加工直接嵌入到鏈制動器內(nèi)。

7 結(jié)語

隨著鏈鋸產(chǎn)品市場化力度的加快，產(chǎn)品的安全問題越來越受到重視。根據(jù)最新國際標準ISO 13772：2018 提出的相關(guān)要求，學習和掌握非手動式鋸鏈制動器的性能和檢測方法，結(jié)合自身在鏈鋸設(shè)計和檢測經(jīng)驗提出的相關(guān)建議，以供行業(yè)同仁參考。