非手动式锯链制动器性能要求和检测方法探讨

卢云峰，王俊豪，杨绍荣

( 1.浙江东立电器有限公司，浙江 永康 321300;2.浙江大宇电器有限公司，浙江 武义 321301；3.金华职业技术学院，浙江 金华 321007 ）

0 引言

链锯作为一种手持式园艺和林业工具，包括手持式交流电链锯、油锯和无绳电动机驱动链锯。从国家海关总署发布的相关统计数据显示，2019 年我国出口链锯产品数量为596.96 万台，相比2018 年增长了12.51 %，占中国电动工具出口总量的2 %。本文根据ISO 13772:2018 相关标准要求，介绍非手动式锯链制动器的性能和检测方法，根据产品设计和检测经验提出相应优化建议，供同行专家及业内人士研究和探讨。

1 概述

链锯是采用回转链状锯条进行锯截作业的园艺工具，由手柄、动力部件和锯割附件组成。链锯的工作头为一套切割部件（锯链），由带轨道的导板支承和导向，由于其切割速度快（6 m/s ～16 m/s），当靠近导板顶部的高速运动锯链接触类似原木或树枝等物体时，可能发生锯链快速向上或向后的反向运动，给操作者带来人身伤害。因此，链锯被列入了高危险、高风险的电动工具产品之一。为确保产品和操作者的人身安全，相关机构对链锯的安全作了相应规定，要求链锯应有手动的，或反弹发生时自动停止锯链或锁住装置，规定链制动器平均制动时间不大于0.12 s、最大制动时间不超过0.15 s。链制动器结构特性对产品的安全性以及产品的生命周期起到了至关重要的作用。

非手动式链制动器是指当反弹发生时，无需操作者控制便能自动启动的锯链制动器，可在瞬间制动高速运行链条的装置。

2 性能要求

非手动驱动的链锯功能应在全新的、正常生产锯上进行检查，链锯应配备说明书中规定的最短和最长导杆，长度不超过500 mm。充电式链锯应分别使用最轻和最重的电池组进行检查。

在按照ISO 13772：2018 第8 条规定进行测试时，当链锯的水平和垂直加速度 (ax和ay)的坐标交点分别位于图1(a)、图1(b)或图1(c)所示的临界线下方区域时，非手动驱动的链条制动器的驱动性能被认为是可接受的。

2 试验原理

将链锯安装在如图2 所示的试验装置上，落锤以一定高度落至摇臂一端，使另一端的链锯反向加速运动，下落高度应逐渐增加直至非手动驱动的链条制动器启动为止。

3 试验设备

3.1 加速度测试设备

加速度计的总质量（包括固定件，但不包括电缆）应尽可能小，并在任何情况下不得超过50 g。

加速度计输出信号应由低通滤波器处理，即：

测量加速度（ax和ay）时使用的低通滤波器特性应为：

——二阶数字贝塞尔滤波器；

——采样率：2 kHz；

——截止频率：120 Hz。

安装加速度计时应注意，保证在两个测量方向频率响应都能达到300 Hz。关于加速度计安装的有关规定参见ISO 5348。如加速度计附加物的质量增加至其本身的质量时，对ax和ay没有任何显著影响，可以认为频率响应没有被衰减。如附加物为金属，该附加物应放在加速度计与其固定件之间，若附加物由粘土或石蜡等属性的材料制成，则附加物应放在加速度计周围。

测试设备的精度(不包括加速度计固定件和滤波器)应在0 Hz ～300 Hz 频率范围内显示值的±5 %之内，校准方法见ISO 16063-1。

3.2 测试装置

测试装置的设计原则见图2。

试验装置应牢固地安装在地板上，其设计应限制下落质量导杆的偏转，例如通过固定两端。

导向杆垂直度应在2 °以内。

钢垫片的顶面横向应在1 °内水平。

测试装置中绳索的长度及定滑轮的纵向和横向位置都应可调。

试验装置的摆臂应由80 mm×40 mm×4 mm矩形中空型钢制成，质量为6 700 g±300 g， 转动惯量为0.45 kg·m2±0.02 kg·m2。

落锤装置的落锤质量应为15 000 g±20 g。落锤下落的高度至少应在200 mm 至1 400 mm 之间可调节，且每次调节的高度不得超过10 mm。下落的高度误差应为±2 mm。

落锤与弹簧之间的尺寸应确保脉冲长度(ty)达到11 ms±2 ms。

ty的测量应为初始脉冲的正加速度ay时间, 即ay从零开始增加到第一次回到零为止的时间。参见图3 中的示例。

该装置可以用相互反向放置的七个锥形碟形弹簧（45 mm×22.4 mm×1.75 mm）来获得规定的脉冲长度，弹簧的刚度应为640 N/mm±20 N/mm， 该弹簧决定了脉冲的长度和撞击特性。如果使用锥形碟形弹簧，则应尽可能精确地对其进行定位和引导。落锤导向杆与碟形弹簧内径之间的径向游隙为0.4 mm ～0.8 mm。

4 试验准备

按以下要求准备链锯的试验。

a)检查链锯是否符合产品规格。

b)预先将链锯的链制动器起动10 次。例如：当用手握持链锯后手柄的同时松开前手柄，让链锯下落以使导板头部撞击一坚硬的木质表面。

c)将链锯安装一条适合导板的锯链，并以约最大功率或速度使用一个装满燃料的油箱（汽油发动机驱动的链锯）或使用一个装满链条油油箱（电动链锯）所需的时间切割软木。在该切割过程中，不得起动链制动器，切割后勿清洁链锯，然后小心拆除链条，小心更换同等规格的导板（即长度、导板头部半径、导轨等）。

d)将链条张力调节器调至中间位置后，使导板前端尽可能向上翘以消除其向上摆动的间隙， 然后夹紧导板。不安装锯链且油箱应是空的。油门扳机或电源开关（电动链锯）应设置在其完全激活的位置。

e)安装加速度计，以测量水平和垂直加速度（分别为ax和ay）。加速度计两个有效正交方向的中心线应与导杆尖端半径中心点相交，偏差在±2 mm 之内。加速度计的重心应在距导板前端半径中心点±10 mm 之内。加速度计方向应如图2 所示。

f)使用绳子在连接点A 和B 上将链锯吊挂在测试台上（见图2），以使导板的纵向中心线向下倾斜30 °±2 °，并使导板的纵向平面与试验台摆臂的纵向平面平行。

悬挂点A 应在后把手的抓握区域上。对于林用链锯，有必要将安装点后移一些，以满足规定的法向力提起的要求，见h。为此，在后手柄上为悬挂点A 附加一个向后延伸的套。该套应尽可能短且轻，并且在任何情况下重量不得超过100 g。

悬挂点B 的侧向调整应使导板平面在±3 °内垂直，即图2 中的l。

悬挂点B 的位置应足够高，以确保链锯的稳定悬挂，即悬挂点A 和B 之间的直线应通过链锯的重心上方，参见h。

电动链锯的主电源线应垂向地面。

g)角度支撑座应可以调节，以使通过摆臂上垫块与导板头部接触点且垂直于与摆臂中心线的直线经过导板前端半径的中心点，其偏差在±1 mm 以内，参见i。

h)固定点B 应当沿导板纵向放置，当施加法向力Fn为3 N±0.4 N 时，应使导板的顶端从钢质垫片上提起（见图2）。

i)定滑轮应沿纵向放置，当施加切向力Ft为3 N±0.4 N 时，应使导板顶端能被推离角形的支承座（见图2）。

j)确保充分润滑：

1）导板的头部、钢质垫片和角度支撑座的接触点，以及

2）落锤的接触面，包括装在摆杆上的蝶形弹簧下面的垫片。

5 试验程序

非手动链式制动器靠落锤下落过程中产生的加速度起动。

建议以200 mm 下降高度为起点，以100 mm 步长逐渐增加高度至链制动器起动。首次起动后，再次以每20 mm 的步长降低落锤下落高度，直到链制动器不能被再次自动起动为止。在此高度基础上，下落高度提高10 mm，并在相同条件下重复5 次试验，如该制动器5 次均被起动，则应使用已建立的条件来测量加速度ax和ay。

如在此高度基础上，链制动器未被起动5次，则应再将下落高度提高10 mm，再重复5次试验。如有必要，重复此过程，直至该下落高度5 次试验过程中,非手动式链制动器均被起动为止。

当最低下落高度被确定后，在相同条件下分别测量导板前端加速度并记录ax和ay值各5次，并且计算加速度的平均值。

6 解决方案

如何在链锯产品设计和制造过程中保证非手动式链制动器的功能以及稳定可靠，是每个产品设计工程师应掌握的关键技术。

根据ISO 6535 的要求，链锯的链制动性能（手动），还必须满足当链制动杆启动制动所需的平稳释放力，要求不大于60 N，不小于20 N。可见释放力越小，非手动式链制动器越容易被起动，但考虑到频繁启动链制动器后，释放力逐渐减少，因此在设计链制动杆的触发点和限位点时，尽量将释放力的点设置在标准要求的中间值。

从上述非手动式制动器的检测过程看，非手动链制动器的动作触发主要依靠链制动器自身的转动惯量；从经典力学看，转动惯量（也称质量惯性矩、惯矩）通常以I 或J 表示，SI单位为kg·m2。对于一个质点，I=mr2， m 为质量，r 为质点和转轴的垂直距离。可见，解决非手动式链制动性能的方向主要在控制链制动器自身的质量及质点所在的位置（在满足安规和产品自身要求外，质点位置应尽可能远离转动轴）。从目前链锯结构看，链制动器的高度根据链锯自身的大小规格基本上是固定的，但是链制动器的结构不规则，所以链制动器的质量可以通过以下实验方法初步获得：

取一台链锯样机，将链制动杆启动制动所需释放力控制在40 N 左右，按前述试验准备c)执行，预先将链锯的链制动器起动10 次，握持链锯后手柄的同时松开前手柄，链锯下落以使导板头部撞击一坚硬木质表面，检查链制动器是否自动起动。如链制动器未起动，可在制动杆前端部位施加同面积的配重（100 g ～200 g），依次逐渐增加，重复以上操作，直至链制动器自动启动为止，记录最终配重质量。

设计时，可将链制动器置于立体结构，通过计算以达到非手动式链制动器自动触发所需的质量；或可采用后期加配重方法，即在链制动器头部增加质量，将经前述测试所得重量相当的配重块，通过塑料模具注塑加工直接嵌入到链制动器内。

7 结语

随着链锯产品市场化力度的加快，产品的安全问题越来越受到重视。根据最新国际标准ISO 13772：2018 提出的相关要求，学习和掌握非手动式锯链制动器的性能和检测方法，结合自身在链锯设计和检测经验提出的相关建议，以供行业同仁参考。