關于腋拐支腳耐磨和抗疲勞性能的實驗研究

王保華

關于腋拐支腳耐磨和抗疲勞性能的實驗研究

王保華

目的探討腋拐支腳耐磨性能質量的檢驗方法與判定指標。方法基于對支腳正常使用下的受力情況分析,提出新的試驗方法:對支腳軸向加載450 N,支腳與試驗平面進行60°擺動,試驗進行50萬次,負載頻率20～40/min;試驗后最大磨損厚度不允許超過3.3 mm。建立試驗設施,進行耐磨性和抗剪切疲勞試驗。同時,組織與試驗次數(shù)相同的實際使用試驗。結果設備試驗和實際使用試驗兩組實驗結果數(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。結論新的檢驗方法可用于腋拐支腳耐磨性能質量檢測。

拐;支腳;質量檢驗;耐磨;抗疲勞;試驗方法

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.關于腋拐支腳耐磨和抗疲勞性能的實驗研究[J].中國康復理論與實踐,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,直接關系到使用者的人身安全。在工作中,我們收到用戶反映支腳易損壞的質量問題,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。我們調閱了近年來依據(jù)相關標準檢驗腋拐質量而出具的檢驗報告,未發(fā)現(xiàn)有因支腳磨損問題導致的產品質量不合格。為此,我們對相關標準中有關支腳的技術要求與試驗方法進行了分析實驗,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標準中涉及支腳性能的具體要求和試驗方法存在不足。特提出改進建議。

1 現(xiàn)行國家標準對支腳的技術要求和試驗方法

腋拐生產和檢驗執(zhí)行國家標準GB/T 19545.2《單臂操作助行器要求和試驗方法第2部分:腋拐》(以下簡稱“《標準》”)。《標準》中關于支腳的技術要求和檢驗方法主要包括兩個方面:①支腳應用耐磨和軟硬適度的材料制成;②疲勞強度試驗后各零部件不得產生裂紋、斷裂或永久變形。按《標準》要求進行疲勞強度試驗的方法是:將腋拐垂直放置,通過對腋拐中心軸線施加450 N垂直力,負載頻率20～40/min,循環(huán)50萬次。依據(jù)該方法建立的疲勞試驗力學模型如圖1[3]所示。從試驗圖示中可以看出,支腳在試驗中只承受垂直力,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和外側各15 cm處,此時把手的高度應與大轉子的位置相同[4]。

腋拐分雙側和單側使用。以雙側使用腋拐輔助行走時的擺步步態(tài)分解,完成一個步態(tài)周期的動作包括:平衡站姿-雙杖前置-雙肘伸展,壓低和伸展肩胛骨,通過低頭來提起腿和骨盆-腿和骨盆一旦提起,軀干和腿即如鐘擺一樣向前擺動超過雙拐位置-足跟著地-通過抬頭,收縮肩胛骨和推動骨盆向前,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:①行進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;即拐以支腳為頂點與身體前后形成60°角范圍內擺動,支腳承受身體前后60°范圍變化的側向力;②按規(guī)范的使用步伐,行進中使用者要將支腳置于與身體外側成10°左右夾角處(即支腳距身體外側15 cm),支腳承受身體的左右側向力;③在行走過程中,特別是雙腿障礙的人,每步都有人體騰空時段,這時人的體重完全靠腋拐來支撐,每只腋拐支腳承載力為0.5倍體重;④根據(jù)腋拐在使用中的運行軌跡,支腳除承受重力外,因和地面接觸有相對運動的趨勢,所以在支腳和地面之間將產生阻礙相互間相對運動趨勢的摩擦力[6];⑤支腳在使用受力過程中,基本保持原地滾動,在與地面接觸產生摩擦力的同時,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動中產生相反的作用力,所以在與地面接觸時支腳還受到剪力。

依據(jù)支腳在使用中的受力分析,建立相應的受力圖:起步時(圖2a)和行進中(圖2b)支腳始終承受著人的體重,同時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交變載荷,導致疲勞破壞。體重越大,摩擦力越大。

設試驗假人體重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,支腳受到的壓力P等于正壓力N(圖2a),此時N=1/2G(忽略腋拐步態(tài)中左右10°側向角度產生的壓力)。行走時N的范圍為:

當G=90kg時,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,從而產生剪切疲勞。

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

圖1 《標準》規(guī)定腋拐疲勞強度試驗

圖2 單側腋拐受力分析

圖3 支腳受力分析[7]

現(xiàn)行《標準》在對支腳試驗過程中,沒有充分考慮支腳在使用中的摩擦力及在其作用下產生的剪切疲勞強度,測試過程無法真實反應支腳耐磨和抗剪切疲勞性能,試驗方法存在不足。

3 支腳耐磨和抗剪切性能試驗方法建議

通過支腳在使用中的受力分析,影響支腳性指能標的因素是多方面的,包括材質的選擇、受到摩擦力、剪切疲勞強度、耐磨損性等諸多因素。本研究參照《標準》的試驗方式,提出改進建議。

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

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

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

3.2 試驗參數(shù) 加載力、試驗次數(shù)、加載頻率3項指標參數(shù)仍按現(xiàn)行《標準》給出的參數(shù)。但需要增加60°擺動的試驗角度和剛性平板材料兩項試驗條件。

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

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

4 試驗

4.1 試驗環(huán)境 試驗在室內常溫(23±5)℃,濕度(60±10)%的條件下進行。

4.2 試驗平面 選擇與正常干燥水泥道路或瀝青路面相當?shù)哪Σ料禂?shù)0.65的試驗平面。

4.3 試驗樣件 選擇與出現(xiàn)質量問題同一批次的支腳24件,進行實際使用和使用設備兩組試驗。

4.4 試驗參數(shù) 根據(jù)《標準》疲勞試驗,軸向加載450 N,負載頻率20～40/min,加載50萬次。

4.5 試驗設備 按上述方式二進行耐磨和抗剪切疲勞試驗,設備包括試驗平面、加載裝置、牽引裝置和導向裝置等部件,見圖5。

圖4 支腳耐磨試驗方式

圖5 支腳耐磨和抗剪切疲勞試驗模擬圖

5 結果

設備檢測的磨損厚度和磨損質量見表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,是產品普遍達到的水平;最少的為1.5 mm。同一批產品存在較大差異與樣品在加工成型中的工藝過程有關,磨損量較小的產品目測感官檢查,在橡膠成型過程中由于氣體的作用產生的蜂窩較少,目測和手感材質相對密度較大。

表1 各支腳樣品檢測時磨損厚度和磨損質量

選擇與試驗樣件同樣的支腳12個,體重75 kg左右的人群按正常使用的步態(tài)方式行走50萬步,支腳磨損厚度和磨損質量和試驗的數(shù)據(jù)基本相當。見表2。

表2 各支腳樣品使用時磨損厚度和磨損質量

使用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件將設備檢測的結果與使用后結果進行配對t檢驗,磨損厚度(t=1.318,P= 0.214)和磨損質量(t=-0.032,P=0.975)均無顯著性差異。Descriptives表對實驗結果的探索性分析,在95%置信范圍內,磨損厚度的截尾值為3.29 mm,磨損質量的截尾值為14.05 g。即試驗結果判定指標為:試驗后,最大磨損厚度不允許超過3.3 mm,或試驗前后支腳的重量差不允許超過14 g。

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

[2]殘疾人輔助器具分類和術語[S].GB/T 16432-2004.

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

[4]許弦歌,王蘊平.手杖高度的確定方法[J].中國殘疾人,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.分析物體受力應注意的步驟[J].現(xiàn)代技能開發(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)

中國殘疾人輔助器具中心,北京市100068。作者簡介:王保華(1959-),女,北京市人,工程師,主要研究方向:殘疾人輔助器具標準化管理與研究制度,產品質量檢驗。