門把手10萬次壽命測試設備的研制

莊曙東，金軍，言軍，劉健

（1、河海大學機電工程學院，江蘇常州213022;2、海頓直線電機（常州）有限公司，江蘇常州 213022）

毋庸置疑，中國現在是制造業大國，但絕對不是強國，其中一個主要原因是產品的品質遠遠比不上歐美日等國，究其因，我國的生產企業大多以理論和經驗作為設計和檢驗產品是否合格的標準，只要零件符合設計要求就是合格零件了，合格的零件按照相應的工藝裝配起來就是合格的產品了，這些在理論上是可行的。但實際上理論可行，不一定事實就是如此，因此歐美日等企業除了上述正確的步驟外，還不斷對產品做壽命測試，通常壽命測試的方式有多種，如根據經驗，挑出短壽部件，對短壽部件進行壽命測試，從而推算出整個設備的壽命;苛刻設備使用條件（如測試時加大受力值），測試設備的壽命等;但無論在何種方式下，通常是在多次測試下尋找產品的生命曲線，多次檢驗實際檢測結果是否和理論相符合。

本文就是根據國外企業的要求，對國內某企業出口的門把手壽命是否能達到10萬次使用壽命而開發的壽命測試設備，壽命測試設備是把門把手固定后，通過傳動機構的運動，模擬鎖具的使用狀況，測試鎖具的耐久性、靈活度和牢固度;在測試過程中，壽命測試設備能不斷記錄相關測試數據，為下一步門把手的改進提供定量的數據。整套設備從門扶手工作原理分析開始，分整體框架、動作執行機構、電氣控制機構、夾具機構等內容進行研制。

1 壽命測試設備工作原理分析

一般地，門把手的工作原理很簡單，無論開關門，都是人的手對把手施加一個旋轉力，通過一個帶彈簧的壓桿結構，使鎖舌縮進，開門或關門，然后松開把手，鎖舌又彈出復位。無論何種門把手，都是鎖舌、彈簧、壓桿或其他傳動機構的組合，這些機構在被用來開關門一定時間和次數后，會逐漸喪失正常的開閉功能，比如彈簧老化、壓桿斷裂不動作、齒輪磨損等，因此其有一定的使用壽命。

為了測試這一壽命，通過測試人員數10萬次不斷重復開關門的動作來判斷鎖具的好壞，不現實，也不可靠:做這種重復一致的測試工作十分枯燥且浪費人力。而且測試效率極低，測試周期長，測試壽命10萬次的一個門把手需要的時間可能就要幾周時間，測試幾個，需要的時間可能要以年來計算。因此需要研制全自動的壽命測試設備來進行測試。

根據門把手的工作原理，壽命測試設備應滿足一些條件和要求:

1）門把手的定位和夾緊，而且應易于拆卸。

2）模擬人手，實現門扶手的旋轉動作及鎖舌的伸縮動作。

3）正確計數，同時可隨時使設備停止工作，查看發生的狀況，而且保證計數不清零。

4）門扶手測試出現故障時，能及時停止及報警。

5）整個設備應符合機電設備經濟、高效、安全的原則。

根據以上原則和要求，確定門把手壽命測試設備工作原理為:由設備的夾具體夾緊測試的門把手，由電磁閥控制的可調式擺動氣缸模擬人手來實現門扶手的旋轉，迷你氣缸帶動鎖舌的進出，正確計數的工作由低速電動機、接近開關、帶孔的鐵片及計數裝置來實現，即將接近開關固定于鐵片前，電動機帶動鐵片旋轉，當接近開關處于鐵片開孔處就反饋一信號給計數裝置實現一次計數。

2 壽命測試設備的整體設計

根據門把手壽命測試設備工作原理，壽命測試裝置基本上包含整體結構基礎部件、執行機構、控制與計數部件以及夾具組件等部分。

整體結構基礎部件包括:整體框架、工作臺、控制箱、玻璃罩。整體框架主要用于固定包括工作臺、控制箱、玻璃罩等等分支機構的支架，是整個設備的基礎。工作臺主要用于固定鎖體夾具，鎖舌擠壓機構、門扶手旋轉機構?？刂葡溆糜诠潭姎饪刂圃熬€路的合理布置。玻璃罩主要用于減少工作臺上執行機構灰塵的堆積以及減少工作時的噪聲。

執行機構包括:迷你氣缸及其固定裝置、擺動氣缸及其固定裝置、電磁閥、氣壓泵。固定裝置主要用于固定氣缸，迷你氣缸和擺動氣缸則構成了整個執行機構的運動部件。電磁閥用于配合電路實現氣缸的整個動作。氣壓泵則是成了整個執行機構的動力來源。

控制與計數部件包括:電源裝置、空氣開關、繼電器、接近開關、線槽、接線排、計數器。電源裝置是將220V交流轉化成低壓直流;空氣開關完成對電路的通斷以及設備短路.嚴重過載及欠壓等進行保護;繼電器與接近開關相配合實現電路的通斷控制電磁閥完成機構的動作;接近開關與計數器配合實現門把手動作次數的記錄;線槽用來將電源線、數據線等線材規范的整理;接線端子排使得接線美觀，維護方便。

夾具組件包括夾具體、定位機構、鎖緊機構等，其設計要考慮滿足多種門把手測試的要求。

3 壽命測試設備機械部件結構設計

3.1 整體結構基礎部件的設計

整體結構基礎部件包括:整體框架、工作臺、控制箱、玻璃罩。

整體框架是整個設備的基礎，承載著機構所有的載荷，關系著整個設備的壽命。但由于本設備承載較小，考慮到經濟實用的原則，整體框架選用了30mm×30mm鋁型方管材，其結構如圖1所示，聯接采用市場成熟的標準件來實現。

工作臺需固定夾具組件、氣缸等部件，但承載不是很大，考慮到加工方便美觀，設備靈巧實用及防銹等諸多因素，工作臺采用外形尺寸為300×400×10，牌號為LY12的鋁板。

考慮到設備的演示效果，整體框架外部固定U型槽條，其內插入無色透明有機玻璃板材作為外罩。

3.2 執行機構的設計

執行機構是完成門扶手整個動作的重要部件，在整個工作過程起到了模擬鎖具在實際使用過程中的動作。執行機構包括:擺動氣缸及其固定裝置、迷你氣缸及其固定裝置、電磁閥、氣壓泵。

圖1 整體框架結構示意圖

模擬人手，按壓旋轉門扶手的動作過程由擺動氣缸來實現，擺動氣缸是利用壓縮空氣驅動輸出軸在一定角度范圍內作往復回轉運動的氣動執行元件。可以完成物體的轉位、翻轉、分類、夾緊、閥門的開閉等動作。使用擺動氣缸，通過調壓閥可以調整傳動桿對門扶手的壓力，通過擺動氣缸的任意角度調整可以改變鎖體轉動角度或轉動方向。選用SMC的CDRBU2WU15-180SEL自由安裝型擺動氣缸。由于受力不大，固定擺動氣缸裝置采用L形結構的支座，材料選擇LY12。

擺動氣缸與門扶手連接孔之間由一傳動桿連接，傳動桿與擺動氣缸之間通過微型聯軸器連接，微型聯軸器選用夾緊剛性型聯軸器KM7B-25-12-10。

傳動桿由于是本設備最易磨損的零件，材料選用40Cr，40Cr價格適中，加工容易，經適當的熱處理以后可獲得很好的韌性、塑性和耐磨性。

鎖舌伸縮由彈性系數不大的彈簧來實現，鎖舌伸縮的壽命測試主要測試彈簧的壽命，即彈簧在鎖舌伸縮行程內往復10萬次后，能否仍然保持彈性，因此壽命測試設備中實現這一過程所承受的力就是彈力及微小的摩擦力，可選擇型號為MA-U-25×40-LB的迷你氣缸來實現動作，其固定裝置所承受的載荷也不是很大，也應具有一定的剛度和抗振性，也采用L形結構的支座，材料選擇Q345。

3.3 夾具組件的設計

夾具組件主要實現測試門把手的固定，考慮門把手具有多種規格尺寸，因此夾具組件應具有通用性，以滿足多類型門把手的測試要求，其結構如圖2所示。

圖2 夾具示意圖

4 壽命測試設備控制與計數部件的設計

根據設備工作原理，控制系統能實現門扶手測試頻率控制，能連續模擬各種鎖具的使用過程，能顯示記錄門扶手執行次數，當門扶手損壞時能自動停止測試。

4.1 電源及開關的選擇

電源的選擇主要考慮電源輸出的穩定性、安全性及其使用壽命，可選擇規格24V-4A-100W的開關電源。

開關選擇型號為DZ47-63 C16空氣開關，能完成接通和分斷電路，對電路或電氣設備發生的短路、嚴重過載及欠電壓等進行保護，其額定電流為16A。

4.2 動作順序的控制

動作順序的控制主要有繼電器、電磁閥、接近開關等元件來實現。

繼電器是一種實現控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路）之間的互動關系的電控制器件，其實質是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。在本設備中選用的繼電器型號為:HH54P，MY2NJ。

電磁閥是用電磁效應進行控制，與繼電器配合，可以在工業控制系統中實現調整介質的方向、流量、速度和其他參數的控制。在本設備中選用型號為4V110-06的電磁閥，其各參數，工作壓力0.12MPa～0.8MPa，最大耐壓力 1.2MPa，最高動作頻率 4次/s，電壓 DC12/DC24/AC24/AC110/AC220/AC380，工作溫度-5℃ ～60℃。

接近開關是利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關通或斷的目的，當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關才會動作。在設備中，由于所測對象為金屬，選用型號為LJ12A3-4-Z/AX的電感式接近開關。

動作順序控制電路示意圖如圖3所示。

圖3 動作順序的控制電路示意圖

4.3 計數的控制

計數的控制由接近開關與計數器等元件配合實現。即接近開關通過固定裝置固定在迷你氣缸實現鎖舌伸縮的動作處，當迷你氣缸使鎖舌縮到最大處，迷你氣缸桿端的壓塊使接近開關輸出閉合信號，此時計數器接到信號，記錄一次門把手動作。迷你氣缸退回，鎖舌伸出，由于鎖舌小于壓塊尺寸，接近開關不能檢測到信號，故此時接近開關不能輸出閉合信號，計數器不能計數，下次計數要到迷你氣缸再次使鎖舌縮到最大處時，從而實現門把手動作的精確計數。

接近開關選用Autonics型號為PR12-4DN的三線制接近開關。其檢測距離為4mm，工作電壓為:10—30V DC，輸出類型:三線制 NPN（NO）常開。

計數器選用型號為JDM11-6H的電子計數器，該計數器具有帶停電記憶功能，當電源恢復時，可以不丟失地繼續進行計數，帶面板復位功能等特點，其計數器工作電壓為AC/DC:12—24V。

4.4 門扶手鎖體損壞的報警控制

門扶手在壽命測試中發生損壞、使門扶手正常動作所需力突然減小，絕大部分發生在鎖體內部彈簧斷裂上，所以門扶手鎖體損壞的報警控制可依此設計，即通過與彈簧相連接的導線（檢測前使彈簧與鎖體絕緣），帶動繼電器，關閉工作電源，即可使裝置停止工作，同時繼電器打開蜂鳴器電源，發出報警信號，此時計數器中顯示門扶手損壞時已進行的壽命測試的次數。其控制電路示意圖如圖4所示。

圖4 測試裝置停機報警電路

5 結語

根據以上壽命測試設備的整體設計、機械部件結構設計及控制與計數部件的設計，壽命測試設備整體設計示意圖如圖5所示。

圖5 壽命測試設備的整體設計示意圖

經機械部件的安裝，控制電路的調試，并通過實際樣機運行表明，所研制的裝置能夠可靠的進行門扶手壽命測試，并具有成本低、測試速度快、結構簡單等優點，測試中損壞部件與實際生活中相符。目前該設備樣機已投入某廠的門把手壽命的測試工作，同時該樣機也得到其國外客戶的認可，圖6所示為樣機測試后損壞的鎖體，圖7所示為測試前與測試10萬次后門把手內彈簧金相組織圖。多次測試實驗結果也表明，門把手中最易損壞部件為彈簧，而門把手內的齒輪及其他部件損壞情況遠好于彈簧。

圖6 測試后鎖體

圖7 測試前與測試10萬次后門把手內彈簧金相組織圖

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