非手動(dòng)式鋸鏈制動(dòng)器性能要求和檢測方法探討

盧云峰，王俊豪，楊紹榮

( 1.浙江東立電器有限公司，浙江 永康 321300;2.浙江大宇電器有限公司，浙江 武義 321301；3.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321007 ）

0 引言

鏈鋸作為一種手持式園藝和林業(yè)工具，包括手持式交流電鏈鋸、油鋸和無繩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈鋸。從國家海關(guān)總署發(fā)布的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國出口鏈鋸產(chǎn)品數(shù)量為596.96 萬臺，相比2018 年增長了12.51 %，占中國電動(dòng)工具出口總量的2 %。本文根據(jù)ISO 13772:2018 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，介紹非手動(dòng)式鋸鏈制動(dòng)器的性能和檢測方法，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和檢測經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)優(yōu)化建議，供同行專家及業(yè)內(nèi)人士研究和探討。

1 概述

鏈鋸是采用回轉(zhuǎn)鏈狀鋸條進(jìn)行鋸截作業(yè)的園藝工具，由手柄、動(dòng)力部件和鋸割附件組成。鏈鋸的工作頭為一套切割部件（鋸鏈），由帶軌道的導(dǎo)板支承和導(dǎo)向，由于其切割速度快（6 m/s ～16 m/s），當(dāng)靠近導(dǎo)板頂部的高速運(yùn)動(dòng)鋸鏈接觸類似原木或樹枝等物體時(shí)，可能發(fā)生鋸鏈快速向上或向后的反向運(yùn)動(dòng)，給操作者帶來人身傷害。因此，鏈鋸被列入了高危險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)的電動(dòng)工具產(chǎn)品之一。為確保產(chǎn)品和操作者的人身安全，相關(guān)機(jī)構(gòu)對鏈鋸的安全作了相應(yīng)規(guī)定，要求鏈鋸應(yīng)有手動(dòng)的，或反彈發(fā)生時(shí)自動(dòng)停止鋸鏈或鎖住裝置，規(guī)定鏈制動(dòng)器平均制動(dòng)時(shí)間不大于0.12 s、最大制動(dòng)時(shí)間不超過0.15 s。鏈制動(dòng)器結(jié)構(gòu)特性對產(chǎn)品的安全性以及產(chǎn)品的生命周期起到了至關(guān)重要的作用。

非手動(dòng)式鏈制動(dòng)器是指當(dāng)反彈發(fā)生時(shí)，無需操作者控制便能自動(dòng)啟動(dòng)的鋸鏈制動(dòng)器，可在瞬間制動(dòng)高速運(yùn)行鏈條的裝置。

2 性能要求

非手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的鏈鋸功能應(yīng)在全新的、正常生產(chǎn)鋸上進(jìn)行檢查，鏈鋸應(yīng)配備說明書中規(guī)定的最短和最長導(dǎo)桿，長度不超過500 mm。充電式鏈鋸應(yīng)分別使用最輕和最重的電池組進(jìn)行檢查。

在按照ISO 13772：2018 第8 條規(guī)定進(jìn)行測試時(shí)，當(dāng)鏈鋸的水平和垂直加速度 (ax和ay)的坐標(biāo)交點(diǎn)分別位于圖1(a)、圖1(b)或圖1(c)所示的臨界線下方區(qū)域時(shí)，非手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的鏈條制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能被認(rèn)為是可接受的。

2 試驗(yàn)原理

將鏈鋸安裝在如圖2 所示的試驗(yàn)裝置上，落錘以一定高度落至搖臂一端，使另一端的鏈鋸反向加速運(yùn)動(dòng)，下落高度應(yīng)逐漸增加直至非手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的鏈條制動(dòng)器啟動(dòng)為止。

3 試驗(yàn)設(shè)備

3.1 加速度測試設(shè)備

加速度計(jì)的總質(zhì)量（包括固定件，但不包括電纜）應(yīng)盡可能小，并在任何情況下不得超過50 g。

加速度計(jì)輸出信號應(yīng)由低通濾波器處理，即：

測量加速度（ax和ay）時(shí)使用的低通濾波器特性應(yīng)為：

——二階數(shù)字貝塞爾濾波器；

——采樣率：2 kHz；

——截止頻率：120 Hz。

安裝加速度計(jì)時(shí)應(yīng)注意，保證在兩個(gè)測量方向頻率響應(yīng)都能達(dá)到300 Hz。關(guān)于加速度計(jì)安裝的有關(guān)規(guī)定參見ISO 5348。如加速度計(jì)附加物的質(zhì)量增加至其本身的質(zhì)量時(shí)，對ax和ay沒有任何顯著影響，可以認(rèn)為頻率響應(yīng)沒有被衰減。如附加物為金屬，該附加物應(yīng)放在加速度計(jì)與其固定件之間，若附加物由粘土或石蠟等屬性的材料制成，則附加物應(yīng)放在加速度計(jì)周圍。

測試設(shè)備的精度(不包括加速度計(jì)固定件和濾波器)應(yīng)在0 Hz ～300 Hz 頻率范圍內(nèi)顯示值的±5 %之內(nèi)，校準(zhǔn)方法見ISO 16063-1。

3.2 測試裝置

測試裝置的設(shè)計(jì)原則見圖2。

試驗(yàn)裝置應(yīng)牢固地安裝在地板上，其設(shè)計(jì)應(yīng)限制下落質(zhì)量導(dǎo)桿的偏轉(zhuǎn)，例如通過固定兩端。

導(dǎo)向桿垂直度應(yīng)在2 °以內(nèi)。

鋼墊片的頂面橫向應(yīng)在1 °內(nèi)水平。

測試裝置中繩索的長度及定滑輪的縱向和橫向位置都應(yīng)可調(diào)。

試驗(yàn)裝置的擺臂應(yīng)由80 mm×40 mm×4 mm矩形中空型鋼制成，質(zhì)量為6 700 g±300 g， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.45 kg·m2±0.02 kg·m2。

落錘裝置的落錘質(zhì)量應(yīng)為15 000 g±20 g。落錘下落的高度至少應(yīng)在200 mm 至1 400 mm 之間可調(diào)節(jié)，且每次調(diào)節(jié)的高度不得超過10 mm。下落的高度誤差應(yīng)為±2 mm。

落錘與彈簧之間的尺寸應(yīng)確保脈沖長度(ty)達(dá)到11 ms±2 ms。

ty的測量應(yīng)為初始脈沖的正加速度ay時(shí)間, 即ay從零開始增加到第一次回到零為止的時(shí)間。參見圖3 中的示例。

該裝置可以用相互反向放置的七個(gè)錐形碟形彈簧（45 mm×22.4 mm×1.75 mm）來獲得規(guī)定的脈沖長度，彈簧的剛度應(yīng)為640 N/mm±20 N/mm， 該彈簧決定了脈沖的長度和撞擊特性。如果使用錐形碟形彈簧，則應(yīng)盡可能精確地對其進(jìn)行定位和引導(dǎo)。落錘導(dǎo)向桿與碟形彈簧內(nèi)徑之間的徑向游隙為0.4 mm ～0.8 mm。

4 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按以下要求準(zhǔn)備鏈鋸的試驗(yàn)。

a)檢查鏈鋸是否符合產(chǎn)品規(guī)格。

b)預(yù)先將鏈鋸的鏈制動(dòng)器起動(dòng)10 次。例如：當(dāng)用手握持鏈鋸后手柄的同時(shí)松開前手柄，讓鏈鋸下落以使導(dǎo)板頭部撞擊一堅(jiān)硬的木質(zhì)表面。

c)將鏈鋸安裝一條適合導(dǎo)板的鋸鏈，并以約最大功率或速度使用一個(gè)裝滿燃料的油箱（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏈鋸）或使用一個(gè)裝滿鏈條油油箱（電動(dòng)鏈鋸）所需的時(shí)間切割軟木。在該切割過程中，不得起動(dòng)鏈制動(dòng)器，切割后勿清潔鏈鋸，然后小心拆除鏈條，小心更換同等規(guī)格的導(dǎo)板（即長度、導(dǎo)板頭部半徑、導(dǎo)軌等）。

d)將鏈條張力調(diào)節(jié)器調(diào)至中間位置后，使導(dǎo)板前端盡可能向上翹以消除其向上擺動(dòng)的間隙， 然后夾緊導(dǎo)板。不安裝鋸鏈且油箱應(yīng)是空的。油門扳機(jī)或電源開關(guān)（電動(dòng)鏈鋸）應(yīng)設(shè)置在其完全激活的位置。

e)安裝加速度計(jì)，以測量水平和垂直加速度（分別為ax和ay）。加速度計(jì)兩個(gè)有效正交方向的中心線應(yīng)與導(dǎo)桿尖端半徑中心點(diǎn)相交，偏差在±2 mm 之內(nèi)。加速度計(jì)的重心應(yīng)在距導(dǎo)板前端半徑中心點(diǎn)±10 mm 之內(nèi)。加速度計(jì)方向應(yīng)如圖2 所示。

f)使用繩子在連接點(diǎn)A 和B 上將鏈鋸吊掛在測試臺上（見圖2），以使導(dǎo)板的縱向中心線向下傾斜30 °±2 °，并使導(dǎo)板的縱向平面與試驗(yàn)臺擺臂的縱向平面平行。

懸掛點(diǎn)A 應(yīng)在后把手的抓握區(qū)域上。對于林用鏈鋸，有必要將安裝點(diǎn)后移一些，以滿足規(guī)定的法向力提起的要求，見h。為此，在后手柄上為懸掛點(diǎn)A 附加一個(gè)向后延伸的套。該套應(yīng)盡可能短且輕，并且在任何情況下重量不得超過100 g。

懸掛點(diǎn)B 的側(cè)向調(diào)整應(yīng)使導(dǎo)板平面在±3 °內(nèi)垂直，即圖2 中的l。

懸掛點(diǎn)B 的位置應(yīng)足夠高，以確保鏈鋸的穩(wěn)定懸掛，即懸掛點(diǎn)A 和B 之間的直線應(yīng)通過鏈鋸的重心上方，參見h。

電動(dòng)鏈鋸的主電源線應(yīng)垂向地面。

g)角度支撐座應(yīng)可以調(diào)節(jié)，以使通過擺臂上墊塊與導(dǎo)板頭部接觸點(diǎn)且垂直于與擺臂中心線的直線經(jīng)過導(dǎo)板前端半徑的中心點(diǎn)，其偏差在±1 mm 以內(nèi)，參見i。

h)固定點(diǎn)B 應(yīng)當(dāng)沿導(dǎo)板縱向放置，當(dāng)施加法向力Fn為3 N±0.4 N 時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)板的頂端從鋼質(zhì)墊片上提起（見圖2）。

i)定滑輪應(yīng)沿縱向放置，當(dāng)施加切向力Ft為3 N±0.4 N 時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)板頂端能被推離角形的支承座（見圖2）。

j)確保充分潤滑：

1）導(dǎo)板的頭部、鋼質(zhì)墊片和角度支撐座的接觸點(diǎn)，以及

2）落錘的接觸面，包括裝在擺桿上的蝶形彈簧下面的墊片。

5 試驗(yàn)程序

非手動(dòng)鏈?zhǔn)街苿?dòng)器靠落錘下落過程中產(chǎn)生的加速度起動(dòng)。

建議以200 mm 下降高度為起點(diǎn)，以100 mm 步長逐漸增加高度至鏈制動(dòng)器起動(dòng)。首次起動(dòng)后，再次以每20 mm 的步長降低落錘下落高度，直到鏈制動(dòng)器不能被再次自動(dòng)起動(dòng)為止。在此高度基礎(chǔ)上，下落高度提高10 mm，并在相同條件下重復(fù)5 次試驗(yàn)，如該制動(dòng)器5 次均被起動(dòng)，則應(yīng)使用已建立的條件來測量加速度ax和ay。

如在此高度基礎(chǔ)上，鏈制動(dòng)器未被起動(dòng)5次，則應(yīng)再將下落高度提高10 mm，再重復(fù)5次試驗(yàn)。如有必要，重復(fù)此過程，直至該下落高度5 次試驗(yàn)過程中,非手動(dòng)式鏈制動(dòng)器均被起動(dòng)為止。

當(dāng)最低下落高度被確定后，在相同條件下分別測量導(dǎo)板前端加速度并記錄ax和ay值各5次，并且計(jì)算加速度的平均值。

6 解決方案

如何在鏈鋸產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中保證非手動(dòng)式鏈制動(dòng)器的功能以及穩(wěn)定可靠，是每個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師應(yīng)掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)ISO 6535 的要求，鏈鋸的鏈制動(dòng)性能（手動(dòng)），還必須滿足當(dāng)鏈制動(dòng)桿啟動(dòng)制動(dòng)所需的平穩(wěn)釋放力，要求不大于60 N，不小于20 N?？梢娽尫帕υ叫?，非手動(dòng)式鏈制動(dòng)器越容易被起動(dòng)，但考慮到頻繁啟動(dòng)鏈制動(dòng)器后，釋放力逐漸減少，因此在設(shè)計(jì)鏈制動(dòng)桿的觸發(fā)點(diǎn)和限位點(diǎn)時(shí)，盡量將釋放力的點(diǎn)設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)要求的中間值。

從上述非手動(dòng)式制動(dòng)器的檢測過程看，非手動(dòng)鏈制動(dòng)器的動(dòng)作觸發(fā)主要依靠鏈制動(dòng)器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；從經(jīng)典力學(xué)看，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（也稱質(zhì)量慣性矩、慣矩）通常以I 或J 表示，SI單位為kg·m2。對于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，I=mr2， m 為質(zhì)量，r 為質(zhì)點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸的垂直距離?？梢?，解決非手動(dòng)式鏈制動(dòng)性能的方向主要在控制鏈制動(dòng)器自身的質(zhì)量及質(zhì)點(diǎn)所在的位置（在滿足安規(guī)和產(chǎn)品自身要求外，質(zhì)點(diǎn)位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)軸）。從目前鏈鋸結(jié)構(gòu)看，鏈制動(dòng)器的高度根據(jù)鏈鋸自身的大小規(guī)格基本上是固定的，但是鏈制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，所以鏈制動(dòng)器的質(zhì)量可以通過以下實(shí)驗(yàn)方法初步獲得：

取一臺鏈鋸樣機(jī)，將鏈制動(dòng)桿啟動(dòng)制動(dòng)所需釋放力控制在40 N 左右，按前述試驗(yàn)準(zhǔn)備c)執(zhí)行，預(yù)先將鏈鋸的鏈制動(dòng)器起動(dòng)10 次，握持鏈鋸后手柄的同時(shí)松開前手柄，鏈鋸下落以使導(dǎo)板頭部撞擊一堅(jiān)硬木質(zhì)表面，檢查鏈制動(dòng)器是否自動(dòng)起動(dòng)。如鏈制動(dòng)器未起動(dòng)，可在制動(dòng)桿前端部位施加同面積的配重（100 g ～200 g），依次逐漸增加，重復(fù)以上操作，直至鏈制動(dòng)器自動(dòng)啟動(dòng)為止，記錄最終配重質(zhì)量。

設(shè)計(jì)時(shí)，可將鏈制動(dòng)器置于立體結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算以達(dá)到非手動(dòng)式鏈制動(dòng)器自動(dòng)觸發(fā)所需的質(zhì)量；或可采用后期加配重方法，即在鏈制動(dòng)器頭部增加質(zhì)量，將經(jīng)前述測試所得重量相當(dāng)?shù)呐渲貕K，通過塑料模具注塑加工直接嵌入到鏈制動(dòng)器內(nèi)。

7 結(jié)語

隨著鏈鋸產(chǎn)品市場化力度的加快，產(chǎn)品的安全問題越來越受到重視。根據(jù)最新國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13772：2018 提出的相關(guān)要求，學(xué)習(xí)和掌握非手動(dòng)式鋸鏈制動(dòng)器的性能和檢測方法，結(jié)合自身在鏈鋸設(shè)計(jì)和檢測經(jīng)驗(yàn)提出的相關(guān)建議，以供行業(yè)同仁參考。