兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗實現(xiàn)方法探討

　　1 前言

　　兒童座椅是汽車兒童乘員必需的防護裝置，在日常交通中大量使用，屬于國家強制性認證產品和被動安全范疇。其技術標準繁多，尤其在北美、歐洲、澳大利亞、新西蘭和印度等國家或地區(qū)已相當成熟，形成了各自的標準體系。而我國在該領域起步相對較晚，目前也已制定了國家標準GB 27887-2011，規(guī)定了相應的檢驗要求和檢驗方法。我國國家標準主要是參照歐洲相關標準ECE R44制定，多數(shù)技術要求和試驗方法與之等同。兒童座椅調節(jié)裝置在日常使用中與操作者接觸頻次很高，且裝置內部含有彈簧等彈性件，長期高頻使用極易導致疲勞失效，因此其耐久性能是影響兒童座椅安全性能的重要因素。

　　兒童座椅調節(jié)裝置耐久性能檢驗作為兒童座椅技術標準中的重要試驗項目，對檢驗設備可靠性、安全性要求很高。設備在試驗過程中不能出現(xiàn)故障停機、計數(shù)不準等狀況，且執(zhí)行機構定位精度應嚴格保證，以避免對樣品造成傷害，進而影響后續(xù)的動態(tài)試驗數(shù)據(jù)。經(jīng)調研行業(yè)內主要實驗室，用于該項目的檢驗設備工作原理基本相同，但設備構建方案存在較大差異。在控制系統(tǒng)元器件選型上，可編程邏輯控制器(PLC)、運動控制卡匹配數(shù)據(jù)采集卡、繼電器控制等均有涉及;在執(zhí)行機構元器件選型上，電動缸、氣缸、特定機械機構(如凸輪機構、蝸輪蝸桿機構等)在不同實驗室中均有存在。形成兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗能力，則需設計、構建相應的檢驗設備，以達成按照國家標準或其他技術標準規(guī)定的試驗方法開展檢驗活動的目的。在兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗項目中，國家標準的相關試驗要求和試驗方法與ECE R44有關內容完全一致。

　　設備設計應遵循一定的原則。理論上，應充分考慮技術性、標準化和安全性等方面的要求。該檢驗設備的設計、制造、使用等環(huán)節(jié)中的關鍵性能指標應滿足相應的規(guī)范標準，一般包括靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標。例如，功率、強度、使用年限、效率等靜態(tài)技術指標;穩(wěn)定性、耐磨損等動態(tài)技術指標。應確保相應技術指標得到滿足，以規(guī)避對設備的不利影響。同時，應確保相應工作的標準化，既要關注概念標準化，比如計量單位、符號等，又要注意方法標準化，嚴格按照有關技術標準中規(guī)定的方法執(zhí)行，確保設備的使用性能。另外，在安全性方面，需關注零件安全性，避免出現(xiàn)過度變形、局部斷裂等不良情況，減少設計的不良影響;需關注操作安全性，保證操作人員的安全，建立友好的人機界面;需關注環(huán)境安全性，提前考慮設備對周邊環(huán)境的潛在影響，包括但不限于噪聲、振動等，適當采取預防措施。行業(yè)實驗室檢驗設備設計、研發(fā)過程，應系統(tǒng)考慮“人-機-料-法-環(huán)-測”的內在關聯(lián)，在設備的設計階段為設備后期的無縫嵌入創(chuàng)造條件。

　　2 技術要求

　　2.1 標準要求

　　依據(jù)國家標準GB 27887-2011條款5.2.2.7和6.2.7或歐洲標準ECE R44條款7.2.2.7的要求：直接安裝在兒童約束系統(tǒng)上的調節(jié)器應能夠承受耐久試驗，在動態(tài)試驗之前應進行(5000±5)次的循環(huán)試驗。

　　具體的試驗方法及試驗載荷配置詳見圖1。其中，A、B、C為力值載荷，以拉力、壓力形式體現(xiàn)，W為質量載荷，恒定重量1.25kg，在調節(jié)裝置反復開閉及力值重復加載的循環(huán)過程中，直接考驗調節(jié)裝置的耐久性能，或者試驗后在動態(tài)試驗中間接考核該項指標。試驗過程如下：

　　在將要試驗的兒童座椅上安裝適用的最大假人，并按照標準要求處于規(guī)定松弛狀態(tài)。在織帶的自由端進入調節(jié)裝置處畫一參考線。取出假人，將兒童座椅置于圖1所示的工作平臺上。織帶應通過調節(jié)裝置循環(huán)移動的長度至少為150mm，其中從織帶參考線到織帶自由端一側織帶長度至少為100mm。在參考線的另一側，用于循環(huán)移動的剩余織帶的長度約為50mm。如果從參考線到自由端的織帶長度不能滿足所需長度，則應抽出一部分織帶以使其滿足循環(huán)移動長度的需要。試驗頻次為(10±1)次/min，部位B處抽取織帶的速率應為(150±10)mm/s。

　　2.2 其他要求及實現(xiàn)

　　人因工程學是一門涉及人的生理和心理特點、作業(yè)能力、認知能力、行為方式等方面的學科，側重于研究人、機器和環(huán)境的相互作用，其研究目的就是如何達到安全、健康、舒適和工作效率的最優(yōu)化。兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗設備作為一種機械產品，其設計過程應適度考慮人因工程學因素。該設備研發(fā)過程充分參考了國家標準GB/T 10000-1988中國成年人人體尺寸、GB/T 13547-1992工作空間人體尺寸等，使得該設備操作部位的高度、設備橫向尺寸等數(shù)值較適宜于中國普通成年人的操作。同時，通過電氣元件合理選型等措施，使設備整體噪聲不超過55dB。

　　CNAL-CL01：2018(ISO-IEC17025：2017)檢測和校準實驗室認可準則規(guī)定，實驗室應具有正確開展實驗室活動所需可影響結果的設備。用于測量的設備應能達到要求的準確度和(或)測量不確定度，以提供有效結果。設備校準參數(shù)主要涉及配重質量、循環(huán)次數(shù)、位移等。

　　3 機械部分實現(xiàn)方案

　　結合2中所述技術要求，實現(xiàn)所需工作流程，可選用氣缸作為執(zhí)行機構，選擇PLC作為控制下位機，觸摸屏作為上位機實現(xiàn)相關功能設置。既便于實驗室集中布置氣路，又能節(jié)約成本和占地空間。通過三位數(shù)字建模技術，構建了兩種執(zhí)行機構的實現(xiàn)方案，詳見圖2、圖3。

　　其中，圖2所示方案，樣品安裝高度更適合實際操作需要，操作者正常身體姿態(tài)即可滿足安裝樣品需要。高度、橫向距離、傾斜角度等參數(shù)調節(jié)均可實現(xiàn)，但組合調節(jié)的方式可能會存在效率不高、耗時較長的特點，不便于優(yōu)化整體試驗作業(yè)流程，在檢驗周期方面易形成全項檢驗中的“瓶頸”環(huán)節(jié)。圖3所示方案，高度、橫向距離、傾斜角度各參數(shù)調節(jié)更為方便，雖樣品安裝時夾具高度與成年人操作者身高未能更好匹配，但樣品安裝、調整占用時間不長，試驗周期中耐久循環(huán)占極大比重，故可忽略相關不便。比較而言，方案2對試驗效率更為有利，可作為實際實施方案。

　　4 電氣部分實現(xiàn)方案

　　4.1關鍵元器件配置

　　按照3中選定機械部分實施方案，可構建如圖4所示控制方案，依照該控制方案對電氣控制的關鍵元器件進行選型，形成表1所列關鍵元器件配置清單，并以該配置進行設備后期組裝。

　　4.2電路、氣路方案

　　設備電路分主電路和從電路，主電路交流電壓220V，連接接觸器，并向直流電源供電，產生24V直流電。從電路為24V直流電路，連接觸摸屏以及連接串聯(lián)的電磁閥和繼電器。作為下位機，用以實現(xiàn)通斷控制功能的控制線路接線圖如圖5所示，其中KA1、KA2、KA3為三個繼電器，對應連接三個電磁閥。氣路圖如圖6所示，其中SV1、SV2、SV3為三個氣缸對應的電磁閥。

　　5 結論

　　該設備按照4所述方案設計、組裝完成，滿足第三方校準要求，已在實驗室穩(wěn)定運行約一年，見設備實物圖7，并通過CMA計量認證和CNAS實驗室評審，實現(xiàn)了兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗擴項。設備穩(wěn)定性、可靠性、噪聲及振動、計數(shù)準確性等指標均滿足設計策劃要求?！?/p>

　　設備主要優(yōu)點是：機械結構簡單，控制方案較易實現(xiàn)，對周邊設備/環(huán)境無干擾，便于高度、橫向長度、傾斜角度等參數(shù)調節(jié)及控制，對于復雜姿態(tài)下的耐久試驗可以較快調整，可以較好銜接全項試驗流程中的其他環(huán)節(jié)，基本實現(xiàn)無縫嵌入，作為行業(yè)實驗室檢驗設備，可很好地實現(xiàn)客戶需求。

　　設備不足之處主要是樣品裝夾未能很好滿足人因工程學，如提高樣品裝夾高度，則氣缸高度調節(jié)手輪過高，不便于操作。另外，高度調節(jié)需要手動，后期可視需要將手輪更換為電機助力裝置，實現(xiàn)自動調節(jié)。但所述不足目前均可通過輔助手段加以克服，且設備其余技術指標均居行業(yè)內同類設備先進水平，試驗效率很高。通過構建兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗設備，完美實現(xiàn)了國家標準、歐洲標準所要求的兒童座椅調節(jié)裝置耐久試驗方法，為國內兒童座椅產品內銷、出口均提供了質量驗證窗口和測試、研發(fā)平臺。