一種新型電源線扭拉試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金志穎 施軍曉 陳戩恒

(金華出入境檢驗(yàn)檢疫局 浙江金華 321015)

1 前言

按照 IEC60745－1：2006《Hand－h(huán)eld 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］標(biāo)準(zhǔn)的最新規(guī)定，裝有電源線的工具應(yīng)有軟線固定裝置，使導(dǎo)線在工具內(nèi)的接線處不受拉力(包括扭力)，并保護(hù)導(dǎo)線的絕緣層免受磨損。檢查電源線是否符合要求的試驗(yàn)方法是：電源線應(yīng)能經(jīng)受25次30N－100N的拉力，每次歷時(shí)1s;緊接著電源線應(yīng)能承受0.1－0.35N.m的扭矩，歷時(shí)1min。

目前市面上的電源線扭拉試驗(yàn)裝置，普遍存在結(jié)構(gòu)選型陳舊、操作不方便、靈活性差，尤其是夾持電源線的方法繁瑣，需要通過分別夾裝才能完成整個(gè)扭拉試驗(yàn)，無法保證拉力試驗(yàn)與扭矩試驗(yàn)的連續(xù)性;小型手持器具電源線和大型家用電器電源線的扭拉試驗(yàn)不能在一臺設(shè)備上完成;垂直拉力試驗(yàn)和水平拉力試驗(yàn)不能在一臺設(shè)備上同時(shí)進(jìn)行;扭矩施加欠合理;無法保證拉力試驗(yàn)的準(zhǔn)確控制等弊端。因此，本研究在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)有關(guān)要求，設(shè)計(jì)一種全新結(jié)構(gòu)的電源線扭拉試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)其有效功能，滿足在試驗(yàn)?zāi)芰Α⑼ㄓ眯?、方便性、可靠性等方面的要求?/p>

2 新型電源線扭拉試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要由主體框架、試驗(yàn)樣品升降機(jī)構(gòu)、扭矩施加裝置、拉力產(chǎn)生裝置、水平－垂直扭拉轉(zhuǎn)換裝置、試樣夾持裝置等6大部分組成(見圖1)。主體框架構(gòu)成了整個(gè)裝置的外觀形狀;試驗(yàn)樣品升降機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)具有不同出線口位置器具的高度;扭矩施加裝置在扭矩試驗(yàn)中，既可使電源線達(dá)到一定的扭矩施加數(shù)值，又可在扭矩保持的時(shí)間內(nèi)不斷調(diào)節(jié)扭矩的大小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的;拉力產(chǎn)生裝置由砝碼配重完成，拉力的時(shí)間由受力傳感器SB2(計(jì)數(shù)開關(guān))和軟件共同完成;水平－垂直拉扭轉(zhuǎn)換裝置可以在拉力試驗(yàn)中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇垂直拉力試驗(yàn)或水平拉力試驗(yàn);試樣夾持裝置用于樣品試驗(yàn)的夾裝，針對不同樣品的形狀和式樣進(jìn)行不同夾裝，以確保樣品試驗(yàn)的可靠性。試驗(yàn)裝置實(shí)物見圖2。

圖1 新型電源線扭拉試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型電源線扭拉試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.1 技術(shù)分析

2.1.1 裝夾技術(shù)

鑒于器具電源線的種類繁多(手持式、臺式、落地式)，電源線裝夾裝置采用兩種不同的裝夾技術(shù)。對手持式器具的電源線采用垂直拉力施加方式;對大型家電類產(chǎn)品的電源線采用水平拉力施加方式，可通過升降臺將家電類產(chǎn)品的電源線出口調(diào)節(jié)到合適高度，以承受一定重量的試樣和滿足器具不同出線口的試驗(yàn)要求。

2.1.2 拉力扭矩施加裝置

拉力施加采用砝碼直接掛重的方式，施加時(shí)間由接觸開關(guān)控制。由于拉力與扭矩的施加采用一次裝夾即完成整個(gè)試驗(yàn)的全新設(shè)計(jì)理念，因此設(shè)計(jì)過程中有如下技術(shù)要點(diǎn)：①將扭矩施加裝置安裝在一個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌上，做拉力試驗(yàn)時(shí)扭矩傳感器不能受到拉力的作用而受損;②由于拉力施加裝置具有一定重量，因此滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)要小;③做扭矩試驗(yàn)時(shí)，滑動(dòng)導(dǎo)軌上應(yīng)有剎車裝置，以保證試驗(yàn)過程中扭矩施加裝置不會在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。

2.1.3 電源線扭矩的施加

由于電源線的粗細(xì)和內(nèi)芯數(shù)不同，其扭矩的屈服強(qiáng)度有很大差異，施加扭矩的速度會直接影響到最后扭矩保持力的穩(wěn)定性。因此，在試驗(yàn)過程中，電源線的扭矩施加采用轉(zhuǎn)動(dòng)型雙出軸扭矩傳感器，一個(gè)出軸直接將電源線夾持，另一出軸由步進(jìn)電機(jī)提供扭轉(zhuǎn)力矩，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制電源線扭矩的施加速度。

2.2 電氣控制設(shè)計(jì)

運(yùn)行操作系統(tǒng)由PLC與觸摸屏硬件和軟件共同完成，硬件接口電路由傳感器儀表顯示及數(shù)據(jù)通訊等組成。采用PLC做控制系統(tǒng)，是因?yàn)槠浼夹g(shù)相當(dāng)成熟，抗干擾性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠，編程、修改極其方便，功能強(qiáng)大、擴(kuò)展簡單實(shí)用。圖3顯示了對應(yīng)的接口功能示意圖。

圖3 PLC接口功能示意圖

PLC與松下觸摸屏通過通訊口連接，完成了人機(jī)對話的架構(gòu);PLC與扭矩顯示儀表的通訊連接，實(shí)現(xiàn)了前瞻性的扭矩控制方式;PLC通過控制KM1、KM2繼電器實(shí)現(xiàn)升降臺的上升與下降;PLC通過控制KM3、KM4繼電器實(shí)現(xiàn)汽缸的上下動(dòng)作，從而產(chǎn)生拉力;PLC通過檢測砝碼托盤下的微動(dòng)按鈕進(jìn)行拉力次數(shù)的計(jì)數(shù)，同時(shí)用來嚴(yán)格控制電線被拉的時(shí)間;PLC通過對行程開關(guān)SQ1、SQ2的檢測，有效限制升降臺的上、下限位置;PLC通過Y0、Y2口，對扭矩施加的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速控制，以實(shí)現(xiàn)對扭矩施加方式的完全控制;PLC通過Y7口，實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的控制操作，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后報(bào)警器發(fā)出結(jié)束報(bào)警訊號。

2.3 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)電線硬度的不同，在扭矩施加的控制上劃分為硬性、中性、軟性3個(gè)試驗(yàn)方式。這是因?yàn)橛簿€抗屈服強(qiáng)度大，當(dāng)扭矩施加時(shí)，要求轉(zhuǎn)速低，扭矩補(bǔ)充的脈沖數(shù)相對較少，以防止施加過程中的扭矩過沖現(xiàn)象;而軟線由于抗屈服強(qiáng)度很低，要求轉(zhuǎn)速快，每次調(diào)整補(bǔ)充的脈沖數(shù)較多，這樣才能有效縮短扭矩施加時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)此控制，將扭矩傳感器的扭矩信號通過通訊線傳輸?shù)絇LC中，由PLC根據(jù)不同的試驗(yàn)要求進(jìn)行控制。試驗(yàn)過程中，當(dāng)扭矩施加到一定數(shù)值時(shí)，PLC將逐步降低轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)根據(jù)需要不斷補(bǔ)充脈沖數(shù)使扭矩保持恒定。

2.4 工作原理

本試驗(yàn)裝置的主要工作原理為：對于小件器具采用手動(dòng)垂直夾裝方式，對于大件器具采用電動(dòng)升降臺的水平夾裝方式，通過水平－垂直扭拉轉(zhuǎn)換裝置(含滑輪作必要的拉力換向處理)實(shí)現(xiàn)這兩種基本試驗(yàn)方式的轉(zhuǎn)換;采用砝碼組獲得拉力，用速度可調(diào)的汽缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)加力緩慢、撤力快捷的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)砝碼托盤底部的微動(dòng)開關(guān)準(zhǔn)確地檢測到拉力的施加時(shí)間;采用轉(zhuǎn)動(dòng)型雙出軸扭矩傳感器，一個(gè)出軸直接將電源線夾持，另一出軸由步進(jìn)電機(jī)提供扭轉(zhuǎn)力矩，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制電源線扭矩的施加速度，在PLC、系統(tǒng)程序控制下一次性完成整個(gè)試驗(yàn)。

2.5 達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

拉力范圍：5N－135N，±0.1N

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

計(jì)數(shù)范圍：6位數(shù)字

時(shí)間設(shè)定：0－300s，±0.01s

2.6 適用范圍及特點(diǎn)

適用手持式、臺式、落地式及體積較大器具的電源線拉扭試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)無需破壞器具及器具手柄;被檢測試件定位后可一次裝夾完成整次拉力、扭力試驗(yàn);拉力、扭力測試范圍廣，精度高，試驗(yàn)流程嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的電源線扭拉試驗(yàn)裝置是采用對電源線分別進(jìn)行拉力試驗(yàn)和扭力試驗(yàn)的試驗(yàn)方式。薛利明［4］在電線電纜的拉力試驗(yàn)中，其采用的拉力試驗(yàn)機(jī)主要包括千斤頂手動(dòng)重負(fù)荷拉力機(jī)構(gòu)和腳蹬輕負(fù)荷機(jī)構(gòu)，通過杠桿作用給傳感器產(chǎn)生拉力。唐斌［5］發(fā)明的伺服控制全自動(dòng)扭力試驗(yàn)機(jī)包括伺服電機(jī)和減速電機(jī)，機(jī)座上方中部設(shè)有雙臂同步搖擺機(jī)構(gòu)，兩側(cè)連接有同步旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，從動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭力傳感器，電腦與扭力傳感器連接;扭力試驗(yàn)機(jī)可設(shè)定扭力、測試次數(shù)、角度參數(shù)，并可以存儲設(shè)定數(shù)據(jù);可以得到扭力—角度曲線、扭力衰減曲線，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;可以實(shí)現(xiàn)對電源線扭力的精確測量。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法主要存在以下缺點(diǎn)：①測試精度不高。拉力試驗(yàn)每次需要?dú)v時(shí)1min，用腳踏或手持負(fù)荷方式進(jìn)行測試，力量不平穩(wěn)，拉力不恒定，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。②測試局限性較大。拉力試驗(yàn)機(jī)只能進(jìn)行拉力試驗(yàn)，扭力試驗(yàn)機(jī)只能進(jìn)行扭力試驗(yàn)。③測試使用不便。如測試?yán)χ笤贉y扭矩，需要松開夾持機(jī)構(gòu)的握持，進(jìn)行2次裝夾。

目前市面上較為先進(jìn)的電源線扭拉試驗(yàn)裝置是采用扭轉(zhuǎn)拉力在一臺設(shè)備上完成的試驗(yàn)方法。何?。?］等采用同一臺試驗(yàn)機(jī)完成拉力試驗(yàn)和扭力試驗(yàn)，對電源線加載次數(shù)由電子計(jì)數(shù)器控制，伸長量的檢測由一臺光柵數(shù)顯測微儀完成，精度可達(dá)0.001mm，檢測范圍0 －10mm。宋一興［7］等發(fā)明一種扭轉(zhuǎn)拉力試驗(yàn)機(jī)，由機(jī)臺、電機(jī)、固定支座、前夾具、直線導(dǎo)軌、后夾具和位架構(gòu)成，在后夾具上固定連接有拉扭復(fù)合傳感器;工作時(shí)通過拉扭復(fù)合傳感器獲得試驗(yàn)材料的扭矩值和拉力值;能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料拉力和扭力的測試。無錫市南亞科技有限公司［8］開發(fā)的電源線扭拉試驗(yàn)機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿和螺母實(shí)現(xiàn)試樣的拉力試驗(yàn)，由高精度的測力傳感器測量拉力;通過步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)試樣，進(jìn)行扭力試驗(yàn)，由高精度的扭力傳感器測量扭力，整個(gè)試驗(yàn)過程由PLC控制，觸摸屏顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些試驗(yàn)裝置存在的主要問題有：①只能對重量較輕、體積較小的手持式電動(dòng)工具和小家電進(jìn)行測試;對于重量重、體積大的可移式工具因無法夾持電源線，不能進(jìn)行測試。②扭力試驗(yàn)過程中，需要剪斷工具的電源線，破壞工具的正常使用情況。③扭力試驗(yàn)過程中，由于電源線的回彈性，實(shí)際加載的扭矩往往小于設(shè)定的扭矩值。

3.2 本試驗(yàn)裝置的技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點(diǎn)

(1)采用獨(dú)特的一次性電源線裝夾技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，一次裝夾完成整個(gè)拉扭試驗(yàn)，符合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于拉力試驗(yàn)立即轉(zhuǎn)到扭矩試驗(yàn)的要求。

(2)施加拉力采用氣缸加組合砝碼，通過調(diào)節(jié)氣體的流量緩慢地施加拉力，砝碼托盤底部的微動(dòng)開關(guān)準(zhǔn)確檢測到拉力的施加時(shí)間，符合拉力施加緩慢、撤力快捷的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)采用步進(jìn)電機(jī)提供扭力，通過扭矩傳感器、步進(jìn)電機(jī)、扭矩儀表數(shù)據(jù)通訊組成了一個(gè)控制閉環(huán)回路，使施加的扭力速度平穩(wěn)恒定，具有扭矩補(bǔ)償功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了3個(gè)檔位的扭轉(zhuǎn)速度，對于不同電源線性質(zhì)(如粗細(xì)、芯數(shù)、屈服強(qiáng)度)的試驗(yàn)更加合理。

4 小結(jié)

電源線拉扭試驗(yàn)是針對器具電源線固定結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，能消除質(zhì)量安全隱患，減少貿(mào)易糾紛。因此，該試驗(yàn)裝置對生產(chǎn)廠家和檢測機(jī)構(gòu)均有較大的推廣價(jià)值，能顯著提高生產(chǎn)收入或檢測收入，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

目前，該裝置存在的主要問題是由于拉力施加裝置具有一定的質(zhì)量約為6.20kg，這就必須要求滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦系數(shù)盡可能小，從而減少導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦力對拉力試驗(yàn)的影響。根據(jù)實(shí)測，器具垂直夾裝時(shí)，導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.035，所以需額外加配重約2.1N;器具水平夾裝時(shí)，導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.083，所以需額外加配重約5.0N。

［1］IEC60745－1：2006 Hand－h(huán)eld 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.電線電纜拉力試驗(yàn)中夾頭移動(dòng)速度對試驗(yàn)結(jié)果影響的分析［J］.科技資訊，2006，26：11.

［5］唐斌.東莞市華誼創(chuàng)鴻試驗(yàn)設(shè)備有限公司.伺服控制全自動(dòng)扭力試驗(yàn)機(jī)［P］.中國專利.公告號：201130081.公告日：2008年10月8日.

［6］何健，董乃斌.按IEC標(biāo)準(zhǔn)測試家電電源線的機(jī)械性能試驗(yàn)機(jī)［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，1991，1：42 －46.

［7］宋一興，張立偉.長春仟邦測試設(shè)備有限公司.扭轉(zhuǎn)拉力試驗(yàn)機(jī)［P］.中國專利.公告號：200968917.公告日：2007年10月31日.

［8］無錫市南亞科技有限公司.http：//www.wxnanya.com.cn/cn/index.asp.