口動玩具測試儀的設(shè)計與應(yīng)用

林鵬輝 王璨 林殷

（汕頭出入境檢驗檢疫局 廣東汕頭 515800）

1 引言

玩具是涉及兒童安全衛(wèi)生的產(chǎn)品，因為玩具的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、用料不當對兒童造成的傷害時有發(fā)生，國內(nèi)外標準均對玩具的機械物理性能和易燃性試驗做了嚴格要求?？谏?、口琴等口動玩具由于可以同時鍛煉兒童聽覺和運動技能而被廣泛使用，玩耍時兒童將玩具放在口中通過吹吸發(fā)出聲音，如果口動玩具中的小零件（如口哨簧片）在吹吸過程中發(fā)生松散，脫落出的小零件會直接進入兒童口中，造成嚴重的窒息危險。近年來全國各地發(fā)生過多起玩具口哨導致的兒童安全事故。依據(jù)國家質(zhì)檢總局官方資料統(tǒng)計，從2016年1月—2017年6月歐盟及美國玩具標準新規(guī)正式實施1年半來，歐盟及美國共通報召回我國出口口動玩具共42起，通報召回案例所涉及的國家共6個（圖1），通報玩具產(chǎn)品所涉及的危險原因均為耐久性測試后有小零件脫落[1]。

從口動玩具的通報召回數(shù)據(jù)可以看出，國外對中國出口口動玩具相當警惕，抽查力度較大；另一方面，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)對口動玩具的產(chǎn)品設(shè)計存在缺陷，質(zhì)量管控不夠嚴格等問題。

圖1 歐盟及美國通報召回中國口動玩具統(tǒng)計圖

目前針對口動玩具耐久性測試，玩具檢測行業(yè)缺少統(tǒng)一規(guī)范的檢測設(shè)備，存在檢驗規(guī)程不統(tǒng)一，操作測試不規(guī)范等問題。本文研發(fā)的口動玩具耐久性測試裝置基于玩具標準測試要求，采用先進的PLC控制技術(shù)和高精度微壓壓力傳感器，該裝置包括電機、傳動機構(gòu)和氣泵、汽缸壓力傳感器及控制系統(tǒng)和控制電路等。傳動機構(gòu)包括齒輪、與齒輪同軸固定連接的傳動輪和連桿，氣泵包括儲氣筒、活塞和活塞桿，儲氣筒的前端設(shè)有進出氣孔，氣孔各連接氣管，進出氣管上各設(shè)有單向閥，進出氣管通過金屬套管與口動玩具的吹嘴連接。可滿足口動玩具檢測需求，結(jié)構(gòu)合理，操作方便，具有吸氣和排氣量精確控制，重復性好，測試結(jié)果準確可靠的優(yōu)點。

2 標準要求

國家玩具標準GB 6675[2]對口動玩具要求：含有松動部件的口動玩具（如口哨中的小球、聲響玩具中的簧片等）經(jīng)口動玩具耐久性測試后，不應(yīng)脫出任何能完全容入小零件試驗器的部件。測試時，在玩具的氣門嘴處連接一個在3 s內(nèi)能排出或吸入超過300 cm3空氣的活塞泵，并安裝一個放氣閥，使得氣泵不能產(chǎn)生大于13.8 kPa的正負壓力。將玩具連續(xù)進行10次吹吸交替測試，每個吹吸過程在5s內(nèi)完成。最少吸和吹各295 cm3±10 cm3的空氣，該空氣量包括可能通過放氣閥釋放的空氣體積。如果玩具本身的排氣閥可觸及，則以上測試亦適用于該排氣閥。按小零件測試判定是否有完全容入小零件試驗器的脫落部件[1]。

EN 71[3]、ISO 8124[4]和 ASTM F963[5]標 準 在 口動玩具耐久性測試的基礎(chǔ)上，增加對口動彈射玩具的要求。歐盟玩具標準EN 71-1：2014要求口動玩具內(nèi)如含有松散部件，如口哨中的小球或響哨中的簧片，當按照口動玩具耐久性測試后，不應(yīng)產(chǎn)生能完全容入小零件試驗器的物體；國際標準ISO 8124-1：2014要求口動彈射玩具應(yīng)根據(jù)口動玩具耐久性測試，不應(yīng)允許彈射物通過吹嘴；美國標準ASTM F963-16要求，經(jīng)口動玩具耐久性測試后，從發(fā)射機構(gòu)脫落的不可拆卸簧片不應(yīng)容入小零件試驗器。由此可見，3個標準對口動玩具測試裝置的要求等同國家玩具標準GB 6675。

綜上所述，雖然 GB 6675、EN 71、ISO 8124 和ASTM F963標準涉及對口動玩具的要求范圍不盡相同，但對耐久性測試裝置的要求一致。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該測試裝置主要由活塞泵、電動執(zhí)行機構(gòu)、汽缸壓力傳感器及控制系統(tǒng)、控制電路組成?？趧油婢邷y試儀的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 口動玩具測試儀的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3.1 電動執(zhí)行機構(gòu)

標準要求吹和吸的動作在5s內(nèi)完成，為了簡化機械結(jié)構(gòu)，電動機構(gòu)采用偏心輪傳動系統(tǒng)，電機經(jīng)變速箱多級變速后，每5s為1轉(zhuǎn)，帶動1個直徑為60 mm的偏心輪，推動活塞泵工作，每1轉(zhuǎn)正好完成1次吹和吸的動作。傳動輪與活塞泵的連接示意圖見圖3。

圖3 傳動輪與活塞泵的連接示意圖

3.2 活塞泵及進出氣管連接機構(gòu)

活塞泵包括儲氣筒、活塞和活塞桿，活塞桿與連桿另一端鉸接，儲氣筒采用缸內(nèi)直徑為80 mm，行程為60 mm的汽缸，汽缸的排出和吸入氣體的容積為（8/2）2×3.14×6≈301.44 cm3[6]。 氣缸的前端設(shè)有進出氣孔，進出氣孔分別連接有氣管，在進出氣管上設(shè)有單向壓力閥，2個壓力閥分別調(diào)整在13.8 kPa和-13.8 kPa，進出氣管分別與金屬套管的外管和內(nèi)管連接，金屬套管與口動玩具的吹嘴連接。其中金屬套管是由直徑不同的內(nèi)外管構(gòu)成，氣泵的進氣管與金屬套管的外管連接，出氣管與金屬套管的內(nèi)管連接。金屬套管上設(shè)有電磁閥，該電磁閥與設(shè)置在氣缸內(nèi)的壓力傳感器連接。活塞泵內(nèi)部的進氣管和出氣管與金屬套管的連接示意圖見圖4。

圖4 活塞泵的連接示意圖

3.3 汽缸壓力傳感器及控制系統(tǒng)

采用機械及電控相結(jié)合的控制系統(tǒng)，由1個精度為0.5%FS的PTP 708型微壓壓力傳感器、1個精度為0.2%FS的PY500型數(shù)字壓力控制儀表，1個電磁閥及2個單向閥組成。電磁閥及單向閥均與汽缸連接，單向閥實現(xiàn)粗放控制，而電磁閥配合高精度微壓壓力傳感器和數(shù)字壓力控制儀表組成的控制系統(tǒng)對汽缸壓力進行精細控制[7]，這樣解決了單向閥控制精度調(diào)整難和電磁閥回差滯后的問題，從而保證汽缸內(nèi)壓力不大于13.8 kPa。

3.4 控制電路

由精度為0.2%FS的Buiacs CH7型智能數(shù)字控制儀表和霍爾磁敏傳感器組成，可自由設(shè)定測試次數(shù)，當吹和吸動作達到設(shè)定的測試次數(shù)時，控制電路自動切斷電動執(zhí)行機構(gòu)的電源，完成整個測試[8]。

3.5 口動玩具測試儀的機械結(jié)構(gòu)圖

口動玩具測試儀的機械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 口動玩具測試儀的機械結(jié)構(gòu)圖

4 工作原理

口動玩具測試儀的核心是控制電路和電機、活塞泵組成的驅(qū)動部分，確保每次最少吸和吹各295 cm3±10 cm3的空氣，汽缸壓力傳感器及電磁閥調(diào)整氣缸內(nèi)壓力小于13.8 kPa，控制電路設(shè)定進行10次吹吸交替測試。

測試裝置使用時，先啟動裝置的電源開關(guān)，將玩具吹嘴連接到裝置的金屬套管上，設(shè)置數(shù)字壓力控制儀表為13.8 kPa，測試次數(shù)10次，控制電路接收所有設(shè)置信息，經(jīng)過分析和數(shù)據(jù)處理后，輸出啟動信號，控制電機啟動。電機輸出動力經(jīng)變速器和傳動機構(gòu)傳遞后，活塞桿推動氣泵的活塞來回往復運動，實現(xiàn)排出和吸入氣體，5 s內(nèi)完成1個周期吸和吹的動作，進行10個周期的測試。測試結(jié)束，關(guān)閉電源，取下玩具，檢查玩具在測試過程中是否有小零件脫落，如果沒有，則為合格。

測試裝置的工作原理如圖6所示。

圖6 口動玩具測試儀的工作原理圖

5 測試應(yīng)用

口動玩具耐久性測試儀的應(yīng)用旨在防止口動玩具或其吹嘴部件無意中被吸入而引起兒童窒息死亡，這類玩具及其可拆卸部件以及按照相關(guān)要求測試后分離的部件，不得因尺寸太小而被意外吞咽或吸入。

實驗采用的樣品為5只不同外形設(shè)計的口哨，測試設(shè)備采用研發(fā)完成的設(shè)備，測試時首先判定該口動玩具是否含有松動部件，經(jīng)目視及拆卸檢查，5只樣品均含有松動部件。將玩具吹嘴連接至設(shè)備的金屬套管外輔助軟管，對測試過程的氣缸內(nèi)實時氣壓值進行監(jiān)控，被測樣品與測試設(shè)備見圖7與圖8，測試結(jié)果見表1。

圖7 被測樣品

圖8 口動玩具測試儀

表1 口動玩具測試結(jié)果

結(jié)果表明，每個吹吸過程均在5 s內(nèi)完成，微壓壓力傳感器能對氣缸內(nèi)壓力進行實時監(jiān)控，電磁閥和2個單向閥能及時調(diào)整氣缸壓力在13.8 kPa內(nèi)，滿足標準要求，可用于對口動玩具耐久性測試。

6 小結(jié)

該測試裝置采用機械及電控代替人工吹吸氣，由電機通過傳動機構(gòu)帶動氣泵內(nèi)的活塞做直線來回往復運動，實現(xiàn)排出和吸入氣體，從而達到模擬兒童吹吸玩具的目的。裝置面板上分別設(shè)置計數(shù)器和氣壓表，可實時顯示測試次數(shù)和氣壓，同時設(shè)置氣壓調(diào)整鍵，對輸出氣壓進行微調(diào)。

裝置結(jié)構(gòu)合理，操作方便，與人工吹吸氣相比，具有吸氣和排氣量精準控制、重復性好、測試結(jié)果準確可靠的優(yōu)點，特別適合于實驗室對口動玩具耐久性的測試。同時該裝置可向玩具生產(chǎn)企業(yè)推廣，提高企業(yè)的產(chǎn)品檢驗效率和準確度，避免企業(yè)在此類玩具設(shè)計研發(fā)上的錯誤理解和檢驗測試上的不規(guī)范操作，有助于企業(yè)提高產(chǎn)品檢驗?zāi)芰?，減少產(chǎn)品設(shè)計成本和委托檢測費用，可帶來明顯的社會和經(jīng)濟效益。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局產(chǎn)品召回信息 [DB/OL].http：//www.aqsiq.gov.cn/zjsj/jssj/jssj3/index.htm.

[2]GB 6675.2-2014，玩具安全 第2部分：機械與物理性能[S].2014.

[3]BS EN 71-1：2014，Safety of toys Part 1：Mechanical and physical properties[S].2014.

[4]ISO 8124-1，Safety of toys—Part 1：Safety aspects related to mechanical and physical properties[S].2014.

[5]ASTM F963-16，Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety[S].2014.

[6]郭光明，馬星民，趙巧芝，等.基于吸入容積效率實測活塞泵排量的計算方法[J]. 煤炭科學技術(shù)，2009，（03）：59-62，67.

[7]余劍鋒，譚曉蘭.硅微壓阻式壓力傳感器的測試與研究[J].山西電子技術(shù)，2013，（02）：84-86.

[8]丁英麗.霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用 [J].儀表技術(shù)，2003，（01）：47-48.