童車測試中的沖擊試驗機的研制

袁晶，王志明陳姍

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

0 引言

童車是指14歲以下兒童使用的自行車、電動車、三輪車、學步車等。在童車品質檢測項目中，沖擊項目的檢測對產品的品質控制起到關鍵的作用。這些標準涉及到GB/T4857、GB14748、GB14749、EN14746 、FM833 等［1-3］，童車檢測的項目涉及領域也較廣，包括兒童三輪車、兒童學步車、兒童推車等沖擊項目。幾年來，通過對中國的質檢、商檢系統及第三方檢測系統的調研與分析表明，我國在童車的沖擊與碰撞試驗中的檢測手段比較落后，模塊化與綜合化的設計思想尚未融入到測試設備中，數據化的測試理念比較淡漠。

從國際上發展的趨勢來看，測試設備的模塊化、綜合化、數據化是一個潮流，它不但可以通過模塊的增刪快速地適應標準的變化，而且能實現不同標準或相同、相近標準的測試，試驗中得到的數據可為設計者或企業提供改進的理論依據，更好地為企業服務。

1 沖擊試驗中存在的問題

調查中發現目前在沖擊測試方法與構建模式方面存在如下問題:

1)碰撞試驗中的試驗手段方法普遍存在不合理因素。

在童車(學步車、滑板車等)相關的碰撞試驗中，要求學步車或滑板車在一定的負荷下，以2m/s的速度沖擊擋塊，無論是國內還是國外，大多沿襲20世紀70年代美國、臺灣的試驗手段與設備，將被測童車加載一定的負荷，安裝在一個小車上，小車在斜面上被提升到一定的高度，然后釋放，小車帶著被測童車沖擊擋塊。根據能量轉換原理，小車的勢能轉化為動能，速度可以達到規定的速度，但是撞擊的能量為1/2m·v2，即能量與撞擊的質量有關。而這種撞擊的質量并不是童車的質量加一定負荷的質量(砝碼)，而是小車的質量與童車質量負荷的總和。以這樣的手段去進行撞擊實驗可能出現的結果是:應該合格的童車產品由于采用了這種測試手段就有可能不合格。由此提出了測試手段的一個普遍的真理:測試的手段一切以實際使用或運動狀態為準，才是最科學的。

2)童車的零部件沖擊試驗中均存在二次沖擊問題。

在童車的零部件沖擊測量中均存在二次沖擊問題，如在GB14764:2006標準中的4.7.1條款的實驗中，“將一個22.5kg的質量從50cm高處對準滾輪的中心，并于前叉翹度的相反方向跌落到輕質滾輪上，要求不斷裂或永久變形小于10mm”。在試驗中，往往產生二次沖擊情況。一個22.5kg沖擊到前叉的滾輪上后迅速彈起然后又迅速地再次沖擊到滾輪上。根據有限元與彈性力學理論分析，產生的變形也會較大。這樣，如果出現車架前叉組件斷裂或變形量大于10mm的現象，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，設計一套能解決上述問題的測試設備。

2 童車沖擊試驗機的總體設計

針對上述問題，本文提出了一種全新的童車沖擊測試的設計理念。新型的童車沖擊性能檢測綜合試驗機機械結構主要包括提升裝置、框架底座、夾持與釋放裝置、引導裝置、防二次撞擊裝置、碰撞擋板及數據采集和處理系統，總體結構如圖1所示。

圖1 童車沖擊試驗機的總體示意圖

3 關鍵部件結構設計

1)提升裝置的結構設計

如圖2所示，提升裝置由動力傳動、曲線傳動和夾持與釋放三部分組成。動力傳動部分通過安裝在固定支架上的伺服電機及減速器驅動一個主動鏈輪，經傳動鏈條傳動到傳動鏈輪上，再通過一根主軸分別將運動和動力經由傳動鏈輪傳動到對稱布置在兩端的、安裝在同一軸上的從動鏈輪；曲線傳動部分經兩個長環形傳動鏈條進行傳動，長環形傳動鏈條由多個張緊條張緊呈曲線形狀，張緊條安裝在曲線滑軌的內側面，曲線滑軌可以固定在框架底座上。這樣就使得長環形傳動鏈條與被測童車運行曲面始終平行；夾持與釋放部分與長環形傳動鏈條固定連接，與曲線導軌滑配，可隨著傳動鏈條通過小輪沿著曲線滑軌滑行［4］。

圖2 提升裝置示意圖

2)夾持與釋放部分設計

夾持與釋放的機械結構如圖3所示。

圖3 夾持與釋放部分沿著曲線導軌的滑動示意圖

夾持與釋放部分的底部與傳動鏈條相固接，電機帶動傳動鏈條運動，將動力傳遞給夾持與釋放部分。在其安裝板上面，安裝有機械手，可以對被測童車進行夾持。機械手的結構如圖4(a)中所示。夾持與釋放部分的工作原理為:該機構靠一個小型氣缸驅動連桿機構實現夾持和釋放。當夾持與釋放部分需要拖動被測童車時，機械手處于夾緊狀態(如圖4(b))時，連桿機構處于自鎖的臨界位置，當到達提升高度時，機械手張開(如圖4(c))時，釋放沖擊小車。機械手通過Pro-e機構仿真表明靈活可靠，不會出現卡滯。

圖4 機械手工作原理示意圖

3)防二次撞擊裝置

如圖5所示，通過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桿，該光滑導桿在銅制套筒導向作用下伸出后能擋住引導裝置的鋁型材引導擺桿的擺動從而實現防止二次撞擊。可以通過防二次撞擊裝置在鋁型材的上下位置的調整［5］，來適應光滑防撞導桿阻擋引導擺桿的位置，實現及時有效地防止二次撞擊。

圖5 防二次撞擊結構示意圖

4 測控系統原理

本測控系統的軟件主要有三部分，分別是數據采集與預處理、觸摸屏數據顯示與存儲模塊以及下位機與觸摸屏之間的數據通信。觸摸屏通過RS232串口與下位機進行信號交互，實現數據的傳輸。PLC程序的開發平臺是FPWIN-GR，控制的對象中輸出點控制有提升電機、機械手氣缸、防二次沖擊氣缸。輸入電控制由測速傳感器(3個)、提升小車的上下限位等。為提高控制系統的穩定性與方便性，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

設備的驗證實驗采用的是新研制成功的童車沖擊試驗機，設備樣機如圖7所示。在調試過程中，對沖擊小車、提升小車的運動輪與導向輪進行調整，傳感器的位置與沖擊小車的復位點等也進行的調試［7］。測試樣件為好孩子嬰兒學步車與推車，實驗前，調整傳感器的高度，然后將嬰兒學步車安裝在沖擊車上，進行2m/S的沖擊試驗。測試的結果如表1所示。

圖7 童車沖擊試驗機樣機

表1 測試結果

實驗結果表明，該沖擊試驗機性能穩定，實驗數據的重復性精度高，且具有防二次沖擊能力，所以測試的過程科學，有據，能很好地符合標準要求。

6 結論

在分析現役的童車沖擊試驗機存在問題的基礎上，采用模塊化、綜合化組合技術設計了一種新型的童車沖擊試驗機，該試驗機采用自由下滑導向機構導向的方式，使得被測童車自由地沖擊到被測試墻的方式。試驗機經過實驗驗證，不僅重復精度高，而且測試數據與理論數據的貼合性好，很好地解決了現役沖擊試驗機中存在的問題，對提高檢驗檢疫的水平、提高測試結果的公正、可靠、合理性有著重要意義［8］。同時，該試驗機不僅能對童車進行測試，同時也可實現滑板車、妞妞車等的測試，測試范圍具有可拓展性。大大提高了測試的品質與設備的利用率。從設計理念上實現了檢測設備設計思想的顛覆，對整個檢測行業非標設備的研發起到引領作用。

［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.嬰兒學步車安全要求［S］.

［5］CNCA-13C-068:2006《童車類產品強制性認證實施規則》［S］.

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

［7］GB14746-2006.兒童自行車安全要求［S］.

［8］李軍，王志明，蔡慶楠.基于童車測試的多功能沖擊試驗機的研制［J］.機械制造與研究，2009，38(5):18-20.