秋千座椅防撞擊試驗(yàn)裝置的研制

陳素娟 吳文珍 湯龍剛（永嘉縣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 溫州 325105）

秋千座椅防撞擊試驗(yàn)裝置的研制

陳素娟 吳文珍 湯龍剛
（永嘉縣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 溫州 325105）

秋千座椅的防撞擊性能是小型游樂設(shè)施秋千的重要安全性能指標(biāo)，通過自動(dòng)提升起吊機(jī)構(gòu)、角度傳感器、三維加速度傳感器等一體化整體結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)，基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW進(jìn)行編程，研制秋千座椅防撞擊試驗(yàn)裝置。

秋千座椅 角度傳感器 三維加速度

隨著人們生活水平的不斷提高，幼兒園、學(xué)校、游樂場(chǎng)所及社區(qū)等場(chǎng)所對(duì)兒童娛樂用的小型游樂設(shè)施的需求量也越來越大，這類游樂設(shè)施出口量也日益增加。秋千是一種最常見的小型游樂設(shè)施，應(yīng)用非常廣泛，其安全性能要求對(duì)兒童游樂安全至關(guān)重要。2012 年9月3日，我國(guó)發(fā)布了GB/T 28711—2012《無動(dòng)力類游樂設(shè)施 秋千》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱秋千國(guó)標(biāo)）。于2013年1月1日開始實(shí)施的秋千國(guó)標(biāo)［1］使秋千有了生產(chǎn)和檢驗(yàn)的法定依據(jù)。秋千座椅防撞擊要求是國(guó)標(biāo)的一項(xiàng)重要的特殊安全性能要求，旨在防止秋千在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生意外時(shí)對(duì)頭部產(chǎn)生的傷害。根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)秋千座椅的防撞擊試驗(yàn)設(shè)備的要求，通過試驗(yàn)分析，確定了試驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，完成了硬件、軟件設(shè)計(jì)研制，解決了研制過程中的難點(diǎn)。該試驗(yàn)裝置的研制成功，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，為確保秋千產(chǎn)品質(zhì)量、開展安全性能評(píng)估和監(jiān)管提供了重要的技術(shù)支撐，對(duì)確保兒童游樂安全、提升整個(gè)小型游樂設(shè)施行業(yè)的技術(shù)水平具有極其重要的意義。

1　試驗(yàn)裝置的研發(fā)

1.1基本結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置由固定支架、起吊機(jī)構(gòu)（包括左右移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上下升級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、角度傳感器、釋放電磁鐵、鋼絲繩及鏈條）、內(nèi)置三維加速度傳感器的測(cè)試鋁球幾部分構(gòu)成，如圖1所示。

1.2工作原理

測(cè)試時(shí)，通過起吊機(jī)構(gòu)提高秋千座椅，角度傳感器可以感應(yīng)到提升角度。當(dāng)角度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的60°時(shí)停止起吊并釋放秋千座椅，秋千座椅正面撞擊測(cè)試鋁球（直徑為160mm±5mm，重心處安裝三維加速度傳感器，并以外部配置重塊來確保鋁半球總質(zhì)量為4.6kg±0.05kg），碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過三維加速度傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)中，通過基于LabVIEW開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、保存、處理和輸出。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3硬件設(shè)計(jì)

●1.3.1 起吊方式的采用

起吊方式采用起吊機(jī)構(gòu)自動(dòng)提升，并且角度采用角度傳感器進(jìn)行初始下落位置的定位，精度可靠，使用簡(jiǎn)單，并且提高了試驗(yàn)效率。

●1.3.2 三維加速度傳感器的選用

目前的三維加速度傳感器類型有壓阻式、壓電式和電容式等多種，這些傳感器的工作原理為加速度與電阻、電壓和電容呈正比增減，采集經(jīng)過相應(yīng)的放大和濾波的電路［2］。該試驗(yàn)裝置采用了測(cè)量頻率為0～5000Hz的美國(guó)PCB公司356A26型三維加速度傳感器，其測(cè)量范圍達(dá)±100g，測(cè)量精度為0.0002g，可同時(shí)進(jìn)行X、Y、Z軸測(cè)量，完全符合測(cè)試要求。

●1.3.3 數(shù)據(jù)采集卡的選用

選用NI公司生產(chǎn)的4通道C系列動(dòng)態(tài)系列NIUSB-9234型采集卡。NIUSB-9234具有102dB的動(dòng)態(tài)范圍，并能對(duì)加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。4條輸入通道借助自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá)51.2kHz的速率數(shù)字化信號(hào)。

●1.3.4 針對(duì)細(xì)節(jié)難點(diǎn)的設(shè)計(jì)

鋁球是通過一根金屬絲懸掛在試驗(yàn)機(jī)的整體框架上，容易雙向晃動(dòng)旋轉(zhuǎn)，為了確保秋千座椅下擺時(shí)能夠撞擊鋁球正向，必須保證鋁球穩(wěn)定，為此，在鋁球的正后方加了一根細(xì)金屬繩，金屬繩在撞擊平面內(nèi)水平反向延伸，通過一個(gè)滑輪90°轉(zhuǎn)向，尾端掛一小墜。

本試驗(yàn)機(jī)角度定位是通過編碼器+軟件來實(shí)現(xiàn)的。如果將秋千繩直接連到編碼器上，抬升秋千座椅至60°時(shí)，秋千繩會(huì)形成自然下凹，使得編碼器定位不準(zhǔn)。為了解決這個(gè)問題，將兩條硬質(zhì)薄鋼條連接在編碼器上，薄鋼條長(zhǎng)200cm，前段50cm鏤空處理，鏤空處可以橫插一根細(xì)桿，細(xì)桿處于兩根秋千繩末端的上方，當(dāng)抬升秋千座椅的時(shí)候，會(huì)同時(shí)抬升薄鋼條，從而實(shí)現(xiàn)角度準(zhǔn)確定位。

1.4軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，其核心技術(shù)是采用了模塊化編程技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要分四個(gè)功能，如圖2、圖3所示：一是數(shù)據(jù)采集，采集波形信號(hào)，結(jié)合參數(shù)計(jì)算，并以加速度峰值保存。二是調(diào)用波形，即調(diào)用和查閱歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)；三是校驗(yàn)設(shè)置，設(shè)定三軸的校準(zhǔn)系數(shù)；四是中文報(bào)告，就是通過系統(tǒng)將加速度波形和峰值生成測(cè)試報(bào)告［3］。

秋千座椅與鋁球的撞擊作用時(shí)間十分短暫，因而產(chǎn)生的大部分振動(dòng)信號(hào)無法分析。本數(shù)據(jù)采集功能可以時(shí)域性的截取其中有效信號(hào)，信號(hào)經(jīng)分析與處理后，直接合成三維加速度峰值。該功能提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和觀察的直觀性。

圖2　軟件流程圖

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析驗(yàn)證

表1為該試驗(yàn)裝置的檢測(cè)系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)。測(cè)量10次連續(xù)撞擊的加速度峰值（單位：g），在第一次撞擊的同時(shí)，記錄撞擊面積（單位：mm2），計(jì)算該10次撞擊的平均加速度峰值。結(jié)合平均加速度峰值得出本次試驗(yàn)的平均表面壓力（單位：kPa）。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖3中可以看出，該試驗(yàn)裝置的檢測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)量三維加速度傳感器的峰值（X、Y、Z），并自動(dòng)濾波合成加速度峰值。從表1中可以看出，根據(jù)10次撞擊的測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合測(cè)量的撞擊面積，檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算撞擊位置的表面壓力。

圖3　系統(tǒng)主界面

3　結(jié)束語

在研究GB/T 28711ü2012及LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)秋千座椅撞擊性能測(cè)試要求，結(jié)合秋千座椅的大小長(zhǎng)短規(guī)格型號(hào)差異的實(shí)際調(diào)研成果，采用自動(dòng)可調(diào)節(jié)樣品安放機(jī)構(gòu)及LabVIEW編程，研制了一臺(tái)秋千座椅撞擊性能檢測(cè)裝置，并將其應(yīng)用于秋千安全性能測(cè)試中，該試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表輸出等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分顯示了LabVIEW的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使測(cè)試精度、穩(wěn)定性和可靠性都得到充分保障［4］。同時(shí)實(shí)驗(yàn)完全滿足了無動(dòng)力類游樂設(shè)施秋千標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求，為無動(dòng)力類游樂設(shè)施安全性能評(píng)估和監(jiān)管提供了重要的技術(shù)支撐［5］。

［1］ GB/T 28711—2012 無動(dòng)力類游樂設(shè)施 秋千［S］.

［2］ 溫淑慧.一種電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)和研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18（2）：329-332+357.

［3］ 劉強(qiáng).基于LabVIEW的游樂場(chǎng)鋪面緩沖性能測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)［J］.輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014，（1）：56-58.

［4］ 王玉偉.基于LabVIEW的測(cè)試軟件設(shè)計(jì)［D］.山西：中北大學(xué)，2009.

［5］ 佟俐，潘宏俠，胡田.基于LabVIEW的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008，（7）：34-35+49.

Development of Anti Impact Test Device for Swing Seat

Chen Sujuan Wu Wenzhen Tang Longgang
(Yongjia Institute of Product Quality Supervision and Inspection Wenzhou 325105)

Anti impact performance of swing seat is a significant safe parameter for small amusement devices--swing. Based on the virtual instrument technology LabVIEW, the swing seat anti impact test device is developed through a integral and comprehensive design, which includes a automatic lifting appliance, an angle sensor and a triple-axis acceleration sensor.

Swing seat Angle sensor Triple-axis acceleration

X941

B

1673-257X（2016）07-0074-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.020

陳素娟（1969～），女，本科，副所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量分析、質(zhì)量管理及標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)管理工作。
（

2016-04-18）