童车测试中的冲击试验机的研制

袁晶，王志明陈姗

(1.浙江出入境检验检疫局，浙江杭州322000；2.上海大学精密机械工程系，上海200072)

0 引言

童车是指14岁以下儿童使用的自行车、电动车、三轮车、学步车等。在童车品质检测项目中，冲击项目的检测对产品的品质控制起到关键的作用。这些标准涉及到GB/T4857、GB14748、GB14749、EN14746 、FM833 等［1-3］，童车检测的项目涉及领域也较广，包括儿童三轮车、儿童学步车、儿童推车等冲击项目。几年来，通过对中国的质检、商检系统及第三方检测系统的调研与分析表明，我国在童车的冲击与碰撞试验中的检测手段比较落后，模块化与综合化的设计思想尚未融入到测试设备中，数据化的测试理念比较淡漠。

从国际上发展的趋势来看，测试设备的模块化、综合化、数据化是一个潮流，它不但可以通过模块的增删快速地适应标准的变化，而且能实现不同标准或相同、相近标准的测试，试验中得到的数据可为设计者或企业提供改进的理论依据，更好地为企业服务。

1 冲击试验中存在的问题

调查中发现目前在冲击测试方法与构建模式方面存在如下问题:

1)碰撞试验中的试验手段方法普遍存在不合理因素。

在童车(学步车、滑板车等)相关的碰撞试验中，要求学步车或滑板车在一定的负荷下，以2m/s的速度冲击挡块，无论是国内还是国外，大多沿袭20世纪70年代美国、台湾的试验手段与设备，将被测童车加载一定的负荷，安装在一个小车上，小车在斜面上被提升到一定的高度，然后释放，小车带着被测童车冲击挡块。根据能量转换原理，小车的势能转化为动能，速度可以达到规定的速度，但是撞击的能量为1/2m·v2，即能量与撞击的质量有关。而这种撞击的质量并不是童车的质量加一定负荷的质量(砝码)，而是小车的质量与童车质量负荷的总和。以这样的手段去进行撞击实验可能出现的结果是:应该合格的童车产品由于采用了这种测试手段就有可能不合格。由此提出了测试手段的一个普遍的真理:测试的手段一切以实际使用或运动状态为准，才是最科学的。

2)童车的零部件冲击试验中均存在二次冲击问题。

在童车的零部件冲击测量中均存在二次冲击问题，如在GB14764:2006标准中的4.7.1条款的实验中，“将一个22.5kg的质量从50cm高处对准滚轮的中心，并于前叉翘度的相反方向跌落到轻质滚轮上，要求不断裂或永久变形小于10mm”。在试验中，往往产生二次冲击情况。一个22.5kg冲击到前叉的滚轮上后迅速弹起然后又迅速地再次冲击到滚轮上。根据有限元与弹性力学理论分析，产生的变形也会较大。这样，如果出现车架前叉组件断裂或变形量大于10mm的现象，如何判别合格与否?

为此，本文采用模块化与综合化组合技术，设计一套能解决上述问题的测试设备。

2 童车冲击试验机的总体设计

针对上述问题，本文提出了一种全新的童车冲击测试的设计理念。新型的童车冲击性能检测综合试验机机械结构主要包括提升装置、框架底座、夹持与释放装置、引导装置、防二次撞击装置、碰撞挡板及数据采集和处理系统，总体结构如图1所示。

图1 童车冲击试验机的总体示意图

3 关键部件结构设计

1)提升装置的结构设计

如图2所示，提升装置由动力传动、曲线传动和夹持与释放三部分组成。动力传动部分通过安装在固定支架上的伺服电机及减速器驱动一个主动链轮，经传动链条传动到传动链轮上，再通过一根主轴分别将运动和动力经由传动链轮传动到对称布置在两端的、安装在同一轴上的从动链轮；曲线传动部分经两个长环形传动链条进行传动，长环形传动链条由多个张紧条张紧呈曲线形状，张紧条安装在曲线滑轨的内侧面，曲线滑轨可以固定在框架底座上。这样就使得长环形传动链条与被测童车运行曲面始终平行；夹持与释放部分与长环形传动链条固定连接，与曲线导轨滑配，可随着传动链条通过小轮沿着曲线滑轨滑行［4］。

图2 提升装置示意图

2)夹持与释放部分设计

夹持与释放的机械结构如图3所示。

图3 夹持与释放部分沿着曲线导轨的滑动示意图

夹持与释放部分的底部与传动链条相固接，电机带动传动链条运动，将动力传递给夹持与释放部分。在其安装板上面，安装有机械手，可以对被测童车进行夹持。机械手的结构如图4(a)中所示。夹持与释放部分的工作原理为:该机构靠一个小型气缸驱动连杆机构实现夹持和释放。当夹持与释放部分需要拖动被测童车时，机械手处于夹紧状态(如图4(b))时，连杆机构处于自锁的临界位置，当到达提升高度时，机械手张开(如图4(c))时，释放冲击小车。机械手通过Pro-e机构仿真表明灵活可靠，不会出现卡滞。

图4 机械手工作原理示意图

3)防二次撞击装置

如图5所示，通过支架固定安装在铝型材支架中部的伸缩气缸，其活塞杆连接一根中间部分包覆一层缓冲橡胶的光滑防撞导杆，该光滑导杆在铜制套筒导向作用下伸出后能挡住引导装置的铝型材引导摆杆的摆动从而实现防止二次撞击。可以通过防二次撞击装置在铝型材的上下位置的调整［5］，来适应光滑防撞导杆阻挡引导摆杆的位置，实现及时有效地防止二次撞击。

图5 防二次撞击结构示意图

4 测控系统原理

本测控系统的软件主要有三部分，分别是数据采集与预处理、触摸屏数据显示与存储模块以及下位机与触摸屏之间的数据通信。触摸屏通过RS232串口与下位机进行信号交互，实现数据的传输。PLC程序的开发平台是FPWIN-GR，控制的对象中输出点控制有提升电机、机械手气缸、防二次冲击气缸。输入电控制由测速传感器(3个)、提升小车的上下限位等。为提高控制系统的稳定性与方便性，采用松下的C38AT PLC与EASYVIEW触摸屏控制［6］。

控制软件分为PLC控制软件与触摸屏软件。主要为PLC控制软件。PLC控制软件的流程图如图6所示。

图6 PLC软件控制流程图

5 冲击试验

设备的验证实验采用的是新研制成功的童车冲击试验机，设备样机如图7所示。在调试过程中，对冲击小车、提升小车的运动轮与导向轮进行调整，传感器的位置与冲击小车的复位点等也进行的调试［7］。测试样件为好孩子婴儿学步车与推车，实验前，调整传感器的高度，然后将婴儿学步车安装在冲击车上，进行2m/S的冲击试验。测试的结果如表1所示。

图7 童车冲击试验机样机

表1 测试结果

实验结果表明，该冲击试验机性能稳定，实验数据的重复性精度高，且具有防二次冲击能力，所以测试的过程科学，有据，能很好地符合标准要求。

6 结论

在分析现役的童车冲击试验机存在问题的基础上，采用模块化、综合化组合技术设计了一种新型的童车冲击试验机，该试验机采用自由下滑导向机构导向的方式，使得被测童车自由地冲击到被测试墙的方式。试验机经过实验验证，不仅重复精度高，而且测试数据与理论数据的贴合性好，很好地解决了现役冲击试验机中存在的问题，对提高检验检疫的水平、提高测试结果的公正、可靠、合理性有着重要意义［8］。同时，该试验机不仅能对童车进行测试，同时也可实现滑板车、妞妞车等的测试，测试范围具有可拓展性。大大提高了测试的品质与设备的利用率。从设计理念上实现了检测设备设计思想的颠覆，对整个检测行业非标设备的研发起到引领作用。

［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.婴儿学步车安全要求［S］.

［5］CNCA-13C-068:2006《童车类产品强制性认证实施规则》［S］.

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

［7］GB14746-2006.儿童自行车安全要求［S］.

［8］李军，王志明，蔡庆楠.基于童车测试的多功能冲击试验机的研制［J］.机械制造与研究，2009，38(5):18-20.