一种新型电源线扭拉试验装置的设计与实现

金志颖 施军晓 陈戬恒

(金华出入境检验检疫局 浙江金华 321015)

1 前言

按照 IEC60745－1：2006《Hand－held motoroperated electric tools－Safety－Part1：General requirements》［1］、IEC61029－1：1990《Safety of transportable motor－operated electric tools－Part1：General requirements》［2］和 IEC60335－1：2003《Household and similar electrical appliances－Safe－Part1：General requirements》［3］标准的最新规定，装有电源线的工具应有软线固定装置，使导线在工具内的接线处不受拉力(包括扭力)，并保护导线的绝缘层免受磨损。检查电源线是否符合要求的试验方法是：电源线应能经受25次30N－100N的拉力，每次历时1s;紧接着电源线应能承受0.1－0.35N.m的扭矩，历时1min。

目前市面上的电源线扭拉试验装置，普遍存在结构选型陈旧、操作不方便、灵活性差，尤其是夹持电源线的方法繁琐，需要通过分别夹装才能完成整个扭拉试验，无法保证拉力试验与扭矩试验的连续性;小型手持器具电源线和大型家用电器电源线的扭拉试验不能在一台设备上完成;垂直拉力试验和水平拉力试验不能在一台设备上同时进行;扭矩施加欠合理;无法保证拉力试验的准确控制等弊端。因此，本研究在充分调研的基础上，根据有关要求，设计一种全新结构的电源线扭拉试验装置，实现其有效功能，满足在试验能力、通用性、方便性、可靠性等方面的要求。

2 新型电源线扭拉试验装置的总体结构设计

本装置主要由主体框架、试验样品升降机构、扭矩施加装置、拉力产生装置、水平－垂直扭拉转换装置、试样夹持装置等6大部分组成(见图1)。主体框架构成了整个装置的外观形状;试验样品升降机构可调节具有不同出线口位置器具的高度;扭矩施加装置在扭矩试验中，既可使电源线达到一定的扭矩施加数值，又可在扭矩保持的时间内不断调节扭矩的大小，实现自动控制的目的;拉力产生装置由砝码配重完成，拉力的时间由受力传感器SB2(计数开关)和软件共同完成;水平－垂直拉扭转换装置可以在拉力试验中，根据标准的要求选择垂直拉力试验或水平拉力试验;试样夹持装置用于样品试验的夹装，针对不同样品的形状和式样进行不同夹装，以确保样品试验的可靠性。试验装置实物见图2。

图1 新型电源线扭拉试验装置总体结构图

图2 新型电源线扭拉试验装置实物图

2.1 技术分析

2.1.1 装夹技术

鉴于器具电源线的种类繁多(手持式、台式、落地式)，电源线装夹装置采用两种不同的装夹技术。对手持式器具的电源线采用垂直拉力施加方式;对大型家电类产品的电源线采用水平拉力施加方式，可通过升降台将家电类产品的电源线出口调节到合适高度，以承受一定重量的试样和满足器具不同出线口的试验要求。

2.1.2 拉力扭矩施加装置

拉力施加采用砝码直接挂重的方式，施加时间由接触开关控制。由于拉力与扭矩的施加采用一次装夹即完成整个试验的全新设计理念，因此设计过程中有如下技术要点：①将扭矩施加装置安装在一个滑动导轨上，做拉力试验时扭矩传感器不能受到拉力的作用而受损;②由于拉力施加装置具有一定重量，因此滑动导轨的摩擦系数要小;③做扭矩试验时，滑动导轨上应有刹车装置，以保证试验过程中扭矩施加装置不会在导轨上滑动。

2.1.3 电源线扭矩的施加

由于电源线的粗细和内芯数不同，其扭矩的屈服强度有很大差异，施加扭矩的速度会直接影响到最后扭矩保持力的稳定性。因此，在试验过程中，电源线的扭矩施加采用转动型双出轴扭矩传感器，一个出轴直接将电源线夹持，另一出轴由步进电机提供扭转力矩，通过控制步进电机的转速来控制电源线扭矩的施加速度。

2.2 电气控制设计

运行操作系统由PLC与触摸屏硬件和软件共同完成，硬件接口电路由传感器仪表显示及数据通讯等组成。采用PLC做控制系统，是因为其技术相当成熟，抗干扰性能优越，稳定可靠，编程、修改极其方便，功能强大、扩展简单实用。图3显示了对应的接口功能示意图。

图3 PLC接口功能示意图

PLC与松下触摸屏通过通讯口连接，完成了人机对话的架构;PLC与扭矩显示仪表的通讯连接，实现了前瞻性的扭矩控制方式;PLC通过控制KM1、KM2继电器实现升降台的上升与下降;PLC通过控制KM3、KM4继电器实现汽缸的上下动作，从而产生拉力;PLC通过检测砝码托盘下的微动按钮进行拉力次数的计数，同时用来严格控制电线被拉的时间;PLC通过对行程开关SQ1、SQ2的检测，有效限制升降台的上、下限位置;PLC通过Y0、Y2口，对扭矩施加的步进电机进行正反转控制、转速控制，以实现对扭矩施加方式的完全控制;PLC通过Y7口，实现报警器的控制操作，当试验结束后报警器发出结束报警讯号。

2.3 程序设计

根据电线硬度的不同，在扭矩施加的控制上划分为硬性、中性、软性3个试验方式。这是因为硬线抗屈服强度大，当扭矩施加时，要求转速低，扭矩补充的脉冲数相对较少，以防止施加过程中的扭矩过冲现象;而软线由于抗屈服强度很低，要求转速快，每次调整补充的脉冲数较多，这样才能有效缩短扭矩施加时间。为了实现此控制，将扭矩传感器的扭矩信号通过通讯线传输到PLC中，由PLC根据不同的试验要求进行控制。试验过程中，当扭矩施加到一定数值时，PLC将逐步降低转速，当达到设定的数值时根据需要不断补充脉冲数使扭矩保持恒定。

2.4 工作原理

本试验装置的主要工作原理为：对于小件器具采用手动垂直夹装方式，对于大件器具采用电动升降台的水平夹装方式，通过水平－垂直扭拉转换装置(含滑轮作必要的拉力换向处理)实现这两种基本试验方式的转换;采用砝码组获得拉力，用速度可调的汽缸动作实现加力缓慢、撤力快捷的标准要求，同时砝码托盘底部的微动开关准确地检测到拉力的施加时间;采用转动型双出轴扭矩传感器，一个出轴直接将电源线夹持，另一出轴由步进电机提供扭转力矩，通过控制步进电机的转速来控制电源线扭矩的施加速度，在PLC、系统程序控制下一次性完成整个试验。

2.5 达到的主要技术指标

拉力范围：5N－135N，±0.1N

扭力范围：0 －2.0N.m，±0.3%F.S;显示分辨率：0.001N.m

计数范围：6位数字

时间设定：0－300s，±0.01s

2.6 适用范围及特点

适用手持式、台式、落地式及体积较大器具的电源线拉扭试验。试验时无需破坏器具及器具手柄;被检测试件定位后可一次装夹完成整次拉力、扭力试验;拉力、扭力测试范围广，精度高，试验流程严格符合标准要求。

3 技术关键与创新点

3.1 现状分析

传统的电源线扭拉试验装置是采用对电源线分别进行拉力试验和扭力试验的试验方式。薛利明［4］在电线电缆的拉力试验中，其采用的拉力试验机主要包括千斤顶手动重负荷拉力机构和脚蹬轻负荷机构，通过杠杆作用给传感器产生拉力。唐斌［5］发明的伺服控制全自动扭力试验机包括伺服电机和减速电机，机座上方中部设有双臂同步摇摆机构，两侧连接有同步旋转的从动旋转轴，从动旋转轴上设有扭力传感器，电脑与扭力传感器连接;扭力试验机可设定扭力、测试次数、角度参数，并可以存储设定数据;可以得到扭力—角度曲线、扭力衰减曲线，并对数据进行分析;可以实现对电源线扭力的精确测量。传统的试验方法主要存在以下缺点：①测试精度不高。拉力试验每次需要历时1min，用脚踏或手持负荷方式进行测试，力量不平稳，拉力不恒定，达不到标准要求。②测试局限性较大。拉力试验机只能进行拉力试验，扭力试验机只能进行扭力试验。③测试使用不便。如测试拉力之后再测扭矩，需要松开夹持机构的握持，进行2次装夹。

目前市面上较为先进的电源线扭拉试验装置是采用扭转拉力在一台设备上完成的试验方法。何健［6］等采用同一台试验机完成拉力试验和扭力试验，对电源线加载次数由电子计数器控制，伸长量的检测由一台光栅数显测微仪完成，精度可达0.001mm，检测范围0 －10mm。宋一兴［7］等发明一种扭转拉力试验机，由机台、电机、固定支座、前夹具、直线导轨、后夹具和位架构成，在后夹具上固定连接有拉扭复合传感器;工作时通过拉扭复合传感器获得试验材料的扭矩值和拉力值;能够同时实现材料拉力和扭力的测试。无锡市南亚科技有限公司［8］开发的电源线扭拉试验机，通过步进电机驱动滚珠丝杆和螺母实现试样的拉力试验，由高精度的测力传感器测量拉力;通过步进电机直接驱动试样，进行扭力试验，由高精度的扭力传感器测量扭力，整个试验过程由PLC控制，触摸屏显示试验数据。这些试验装置存在的主要问题有：①只能对重量较轻、体积较小的手持式电动工具和小家电进行测试;对于重量重、体积大的可移式工具因无法夹持电源线，不能进行测试。②扭力试验过程中，需要剪断工具的电源线，破坏工具的正常使用情况。③扭力试验过程中，由于电源线的回弹性，实际加载的扭矩往往小于设定的扭矩值。

3.2 本试验装置的技术关键与创新点

(1)采用独特的一次性电源线装夹技术，结构设计新颖，一次装夹完成整个拉扭试验，符合标准中关于拉力试验立即转到扭矩试验的要求。

(2)施加拉力采用气缸加组合砝码，通过调节气体的流量缓慢地施加拉力，砝码托盘底部的微动开关准确检测到拉力的施加时间，符合拉力施加缓慢、撤力快捷的标准要求。

(3)采用步进电机提供扭力，通过扭矩传感器、步进电机、扭矩仪表数据通讯组成了一个控制闭环回路，使施加的扭力速度平稳恒定，具有扭矩补偿功能，同时设计了3个档位的扭转速度，对于不同电源线性质(如粗细、芯数、屈服强度)的试验更加合理。

4 小结

电源线拉扭试验是针对器具电源线固定结构可靠性进行的一项重要试验，能消除质量安全隐患，减少贸易纠纷。因此，该试验装置对生产厂家和检测机构均有较大的推广价值，能显著提高生产收入或检测收入，具有较好的经济效益和社会效益。

目前，该装置存在的主要问题是由于拉力施加装置具有一定的质量约为6.20kg，这就必须要求滑动导轨的滑动摩擦系数尽可能小，从而减少导轨滑动摩擦力对拉力试验的影响。根据实测，器具垂直夹装时，导轨滑动摩擦系数约为0.035，所以需额外加配重约2.1N;器具水平夹装时，导轨滑动摩擦系数约为0.083，所以需额外加配重约5.0N。

［1］IEC60745－1：2006 Hand－held motor－operated electric tools－Safety－Part 1：General requirements.

［2］IEC61029 －1：1990 Safety of transportable motor－ operated electric tools－Part1：General requirements.

［3］IEC60335 －1：2003 Household and similar electrical appliances－Safe－Part 1：General requirements.

［4］薛利明.电线电缆拉力试验中夹头移动速度对试验结果影响的分析［J］.科技资讯，2006，26：11.

［5］唐斌.东莞市华谊创鸿试验设备有限公司.伺服控制全自动扭力试验机［P］.中国专利.公告号：201130081.公告日：2008年10月8日.

［6］何健，董乃斌.按IEC标准测试家电电源线的机械性能试验机［J］.仪器仪表与分析监测，1991，1：42 －46.

［7］宋一兴，张立伟.长春仟邦测试设备有限公司.扭转拉力试验机［P］.中国专利.公告号：200968917.公告日：2007年10月31日.

［8］无锡市南亚科技有限公司.http：//www.wxnanya.com.cn/cn/index.asp.