全自動(dòng)家電溢水試驗(yàn)設(shè)備的研制

余姚出入境檢驗(yàn)檢疫局 胡 哲 葉亦旭 盧自強(qiáng)

全自動(dòng)家電溢水試驗(yàn)設(shè)備的研制

余姚出入境檢驗(yàn)檢疫局 胡 哲 葉亦旭 盧自強(qiáng)

本文通過對(duì)家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)所涉及的各類溢水試驗(yàn)進(jìn)行歸納，分析了目前普遍采用的測(cè)試方法，提出了對(duì)家電溢水試驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的技術(shù)方案，總結(jié)了研制該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和成果，并提出后續(xù)技術(shù)改進(jìn)意見，為進(jìn)一步提高該項(xiàng)目測(cè)試的規(guī)范性、準(zhǔn)確性提供參考。

家用電器；溢水試驗(yàn)；自動(dòng)測(cè)試

1 前言

在各類家用電器中,有些是以液體為工作介質(zhì)的,如電熱水壺、咖啡機(jī)、電飯鍋、食品攪拌機(jī)、油炸鍋等等,這些器具中的水、蔬菜水果的汁液、食用油等液體均具有導(dǎo)電性。如不采取正確的設(shè)計(jì)和防護(hù)措施,在家電的使用過程中則有可能發(fā)生人身觸電和電路短路的危險(xiǎn)。溢水試驗(yàn)是指在家電安全測(cè)試中,對(duì)正常使用中有可能產(chǎn)生液體溢出的器具,通過注入大于其額定容量的液體,使液體從器具中溢出,進(jìn)而考核這類盛裝液體的家電結(jié)構(gòu)是否會(huì)影響器具電氣絕緣性能的一項(xiàng)測(cè)試。本文通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解及現(xiàn)有測(cè)試方法的分析,研制了一種全自動(dòng)溢水試驗(yàn)設(shè)備,該溢水試驗(yàn)設(shè)備采用自動(dòng)化設(shè)備代替人工操作,不僅能提高測(cè)試效率,而且減少手動(dòng)操作的隨意性,增加試驗(yàn)的可重復(fù)性。

2 標(biāo)準(zhǔn)要求及測(cè)試現(xiàn)狀

家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)—IEC 60335-1∶2010(Household and similar electrical appliances-Safety-Part 1∶General requirements)以及GB4706.1-2005(家用和類似用途電器的安全第1部分:通用要求)中15.2條款對(duì)正常使用中有可能產(chǎn)生液體溢出的家用電器規(guī)定了考核方法,具體為:將器具的液體容器用約含1%氯化鈉的水溶液充滿,然后,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同濃度多余1%氯化鈉水溶液,兩者中取量多者,在1min時(shí)間內(nèi)持續(xù)地注入容器。然后,器具應(yīng)經(jīng)受16.3的電氣強(qiáng)度試驗(yàn),并且視檢應(yīng)表明在絕緣上沒有能導(dǎo)致爬電距離和電氣間隙降低到低于第29章中規(guī)定限值的水跡[1]。另外,液體加熱器特殊標(biāo)準(zhǔn)—GB 4706.19和IEC 60335-2-15還增加了傾斜溢水以及測(cè)試樣品連接器基座溢水試驗(yàn)[2]。

通過對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的歸納,在家電溢水試驗(yàn)中,大致可以分為以下幾類:

(1)將測(cè)試樣品的液體容器注滿1%氯化鈉水溶液,然后,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同濃度多余1%氯化鈉水溶液,兩者中取量多者,在1min時(shí)間內(nèi)持續(xù)地注入容器;

(2)將測(cè)試樣品的液體容器注滿1%氯化鈉水溶液,然后測(cè)試樣品偏離正常使用位置不超過5°,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同濃度多余1%氯化鈉水溶液,兩者中取量多者,在1min時(shí)間內(nèi)持續(xù)地注入容器;

(3)將測(cè)試樣品放置在一塊與水平成20°角的斜板上注入1%氯化鈉水溶液,如果水位標(biāo)記在注水的位置能看得很清楚時(shí),將1%的氧化鈉溶液注到最高水位的標(biāo)記;沒有標(biāo)記的,應(yīng)注到容器中的水溢出為止。然后,盡快將額定容量15%的氧化鈉溶液注入容器中;

(4)測(cè)試樣品容器注入額定容積的水。將其置于與水平面成20°的平面上;

(5)將測(cè)試樣品放在水平面上,用含有1%氯化鈉的溶液30mL,通過內(nèi)徑8mm、低端高于連接器200mm的管子,在2s內(nèi)倒到測(cè)試樣品上。

顯然標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使用中有可能產(chǎn)生液體溢出器具的考核還是比較詳細(xì)的,使得我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)試時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)條款的嚴(yán)格執(zhí)行也頗為重要。

針對(duì)上述溢水試驗(yàn),目前在用的國(guó)內(nèi)外同類測(cè)試的方法有下列幾種:

(1)全手工法:采用這個(gè)方法的比例最高。具體的測(cè)試方法為,通過手工進(jìn)行溶液配比并攪勻,用水平尺對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行水平校準(zhǔn),將測(cè)試樣品的容器用規(guī)定濃度的溶液先灌滿,再手持量杯將多余的液體用1min時(shí)間注入到測(cè)試樣品容器中,1min的時(shí)間采取秒表計(jì)時(shí)的方法進(jìn)行。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,便于操作,為目前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所采取,缺點(diǎn)是手工操作具有很大隨意性, 1min的注溶液很可能出現(xiàn)前半段時(shí)間注入的速率過快、注入的水量多,后半段注入慢、注入的量少,甚至不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)注入的要求,手工難以控制,測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性也不好。

(2)閥門法:有部分實(shí)驗(yàn)室采用這個(gè)測(cè)試方法進(jìn)行。在進(jìn)行多余溶液1min時(shí)間注入到測(cè)試樣品容器中時(shí),先采用帶閥門的漏斗,將多余的液體倒到漏斗內(nèi),通過調(diào)節(jié)閥門的大小到一個(gè)合適的孔徑,使漏斗內(nèi)的液體剛好在1min內(nèi)注入到容器中。采用閥門注入法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)確定閥門大小后,在1min內(nèi)能保證溶液穩(wěn)定持續(xù)的注入容器中,避免了手工傾倒溶液的不確定性,缺點(diǎn)是,為確定閥門的大小,要進(jìn)行數(shù)次的模擬注入試驗(yàn),比較費(fèi)時(shí),而且當(dāng)注入溶液的容量不同時(shí),閥門又必須重新調(diào)節(jié)大小,效率較低。

(3)半自動(dòng)法:有部分設(shè)備廠家設(shè)計(jì)出半自動(dòng)的溢水試驗(yàn)裝置,相當(dāng)于閥門法的改進(jìn),具有電磁閥自動(dòng)接通和停止的功能,但不能根據(jù)溢水容量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)溶液注入的速率,也不具備容器平臺(tái)角度自動(dòng)可調(diào)功能。

基于上述對(duì)家電溢水試驗(yàn)的理解和試驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)狀,我們希望能夠制作一臺(tái)全自動(dòng)溢水試驗(yàn)設(shè)備,該溢水試驗(yàn)設(shè)備采用自動(dòng)化設(shè)備代替人工操作。近年來,由于測(cè)試?yán)碚摰呢S富、測(cè)試手段的進(jìn)步、測(cè)試設(shè)備精度的提高以及自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)在測(cè)試中的廣泛應(yīng)用,控制技術(shù)有了較大的發(fā)展。隨著科技水平的進(jìn)步,提高溢水試驗(yàn)測(cè)試效率、降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高測(cè)試精度和試驗(yàn)質(zhì)量勢(shì)在必行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)路線

本試驗(yàn)設(shè)備主要針對(duì)容積6升及以下家用電器的溢水試驗(yàn),單次溢水量在30-900mL之間,具有自動(dòng)配置氯化鈉溶液,溢水速率可調(diào),溢水高度可調(diào),溢水角度可調(diào)等功能。

技術(shù)指標(biāo)包括:

(1)可測(cè)試的測(cè)試樣品的最大容積為6L,單次最大溢水量為900mL,最小30mL;

(2)注水量及注水速率的準(zhǔn)確度均控制在±1%以內(nèi);

(3)注水口高度可在距離測(cè)試臺(tái)面18cm-55cm之間自由調(diào)節(jié),標(biāo)尺精度0.5%;

(4)溢水臺(tái)面可實(shí)現(xiàn)水平至30度傾斜調(diào)整,角度準(zhǔn)確度在±1°以內(nèi);

(5)溢水臺(tái)面與試驗(yàn)設(shè)備絕緣,可以經(jīng)受3750V, 50Hz的電壓1min不擊穿;

(6)設(shè)備可適配內(nèi)徑8mm,長(zhǎng)30mm的漏斗,可進(jìn)行GB 4706.19/IEC 60335-2-15的30mL溢出試驗(yàn)。

本試驗(yàn)設(shè)備由4個(gè)主要組成部分:溶液配置機(jī)構(gòu);注液機(jī)構(gòu);被試樣品調(diào)節(jié)臺(tái)面及注液高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);測(cè)試控制機(jī)構(gòu)。

(1)溶液配置機(jī)構(gòu)。

溶液配置機(jī)構(gòu)是將純凈水與氯化鈉顆粒按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行混合,配制成濃度為1%的Nacl水溶液,用于溢水試驗(yàn)。

溶液配置機(jī)構(gòu)由純水箱、鹽水箱、水泵、流量計(jì)、螺旋進(jìn)料機(jī)、稱重傳感器、潛水泵及潛入式鹽度計(jì)等組成。其工作過程為:根據(jù)設(shè)定的溶液體積,水泵將純凈水泵入鹽水箱;螺旋進(jìn)料機(jī)將對(duì)應(yīng)質(zhì)量的氯化鈉投入鹽水箱;潛水泵工作進(jìn)行攪拌,完成溶液配制。潛入式鹽度計(jì)組成則顯示實(shí)時(shí)溶液濃度及溫度。

(2)注液機(jī)構(gòu)。

注液機(jī)構(gòu)是將配置好的溶液從鹽水箱抽出,在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)將一定體積的溶液注入被試器具用于溢出。其由注液步進(jìn)電機(jī)、注液螺桿、注液汽缸、單向閥、光電開關(guān)等組成。

(3)被試樣品調(diào)節(jié)臺(tái)面及注液高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

由于測(cè)試樣品大小及高度不一,以及液體加熱器特殊標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60335-2-15/GB 4706.19)中還對(duì)溢水角度做出了規(guī)定,因此除了將溢水口的高度制成可調(diào)節(jié)以外,還將測(cè)試臺(tái)面制成可以0-30°傾斜可調(diào),同時(shí)為了防止臺(tái)面傾斜后測(cè)試樣品發(fā)生位移,還在臺(tái)面上安裝有定位桿用來固定測(cè)試樣品。

該機(jī)構(gòu)由高度調(diào)節(jié)電機(jī)、角度調(diào)節(jié)電機(jī)、減速器、螺桿、光電開關(guān)等組成。

(4)測(cè)試控制機(jī)構(gòu)。

測(cè)試控制機(jī)構(gòu)主要通過人機(jī)交互完成對(duì)信號(hào)的采集、調(diào)理、分析、處理、結(jié)果顯示等功能。PLC采用三菱FX3U-32MT系列,觸摸屏是WEINVIEW TK6070i。軟件設(shè)計(jì)主要是PLC程序的設(shè)計(jì)和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。PLC的程序主要采用常用的梯形圖編輯,觸摸屏人機(jī)界面使用采用Easy Builder 8000編輯軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用RS-485串行口進(jìn)行PLC和觸摸屏之間的通訊。

4 關(guān)鍵技術(shù)

在試驗(yàn)設(shè)備的研制過程中,把溶液配制、測(cè)試樣品的固定、注液調(diào)節(jié)、系統(tǒng)控制分別進(jìn)行單獨(dú)研制再進(jìn)行整合。其關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)測(cè)試樣品放置平臺(tái)絕緣。

由于需要將測(cè)試樣品在溢水后直接進(jìn)行電氣強(qiáng)度測(cè)試,為確保電氣強(qiáng)度測(cè)試時(shí)所施加的高電壓僅作用于被測(cè)試的樣品上,需要將樣品放置平臺(tái)與試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行絕緣,平臺(tái)本身材料采用絕緣良好的環(huán)氧樹脂,轉(zhuǎn)軸與平臺(tái)連接件采取封膠處理,同時(shí)為避免施加的高電壓沿水跡與大地導(dǎo)通,在平臺(tái)上開設(shè)導(dǎo)流槽,對(duì)易濺到液體的金屬部件加裝絕緣護(hù)板,平臺(tái)圖片見圖1。

圖1 測(cè)試樣品放置平臺(tái)

(2)平臺(tái)角度調(diào)節(jié)電機(jī)的安裝。

平臺(tái)通過調(diào)節(jié)自身一測(cè)的高低來實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié),由于在平臺(tái)角度變化時(shí),平臺(tái)上調(diào)節(jié)孔的軸線會(huì)隨著平臺(tái)角度一起改變,由此在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上增設(shè)一套轉(zhuǎn)軸,使得調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與平臺(tái)角度一起改變,圖2為角度調(diào)節(jié)電機(jī)的實(shí)際安裝方式。

圖2 角度調(diào)節(jié)電機(jī)

(3)氯化鈉進(jìn)料機(jī)構(gòu)。

最初設(shè)計(jì)的管狀進(jìn)料機(jī)構(gòu)由于管徑太小而導(dǎo)致進(jìn)料困難,而增大管徑又會(huì)造成多投料,因此改為螺旋進(jìn)料的方式,見圖3,解決進(jìn)料容易卡住的問題。

圖3 螺旋進(jìn)料口

(4)注水采用螺桿驅(qū)動(dòng)氣缸的方式。

本試驗(yàn)設(shè)備的溶液注水采用精度較高且起停較容易控制的氣缸注水,即通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿驅(qū)動(dòng)氣缸活塞在氣缸內(nèi)的位移,配合單向閥,實(shí)現(xiàn)溶液吸入氣缸再排出氣缸實(shí)現(xiàn)注水的功能。

我們所選用的注水氣缸數(shù)量為2個(gè),內(nèi)徑80mm,有效行程150mm,材質(zhì)為不銹鋼材料,通過計(jì)算得出每個(gè)氣缸的理論最大體積為754mL,考慮到隨著行程的增加其累計(jì)誤差也會(huì)增加,我們決定選取其中450mL體積對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度作為本試驗(yàn)設(shè)備的使用行程,同時(shí)也滿足絕大多數(shù)液體加熱器溢水容量的要求,可以得出本試驗(yàn)設(shè)備單次最大溢水量為450mL×2=900mL,每毫米行程的溢水量為10mL。

圖4 注水機(jī)構(gòu)

5 研究成果

本試驗(yàn)設(shè)備已實(shí)現(xiàn)的功能包括:

(1)容積不大于6升的家用電器涉及的各類溢水試驗(yàn)均可在本試驗(yàn)設(shè)備上完成

對(duì)家電而言,基本上其工作容積不會(huì)超過6升,因此本試驗(yàn)設(shè)備可以滿足絕大多數(shù)的家電產(chǎn)品溢水試驗(yàn)的需求。

同時(shí),本試驗(yàn)設(shè)備具備溢水高度可調(diào),溢水角度可調(diào),溢水量可調(diào),溢水時(shí)間可調(diào),樣品放置平臺(tái)絕緣等功能,實(shí)現(xiàn)了家電安全通用標(biāo)準(zhǔn)與特殊標(biāo)準(zhǔn)所涉及的各類溢水試驗(yàn)均可在本試驗(yàn)設(shè)備上完成,解決以往試驗(yàn)設(shè)備功能單一的不足。

(2)實(shí)現(xiàn)了家電溢水試驗(yàn)的自動(dòng)化測(cè)試。

本試驗(yàn)設(shè)備通過在觸摸屏上設(shè)置溶液配置量、溢水量、溢水速率等參數(shù),可以由機(jī)器代替手工實(shí)現(xiàn)溢水試驗(yàn)的自動(dòng)化操作,解決了以往手工測(cè)試時(shí)溢水點(diǎn)不準(zhǔn)、計(jì)時(shí)存在偏差、溢水量不均勻的問題,提高了測(cè)試準(zhǔn)確度,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

［1］GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分 通用要求》［S］.

［2］GB4706.19-2008《家用和類似用途電器的安全 液體加熱器的特殊要求》［S］.

The development of the automatic liquid spillage test equipment for the household electrical appliances

Hu Zhe Ye Yixu Lu Ziqiang
(Yuyao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Yuyao Zhejiang, 315400)

This paper summarizes various types of household electrical appliances safety standards related to spillage, analyzes commonly used testing methods at present, and put forward the technical solution for automatic test of the spillage of appliances. By summarizing the development of the key techniques and results, we also gave our comments on follow-up technical improvements, which provide a reference for further improving the regulation and accuracy of the test.

household electrical appliances; liquid spillage test; automatic testing