1 前言

　　兒童座椅是汽車兒童乘員必需的防護裝置，在日常交通中大量使用，屬于國家強制性認證產品和被動安全范疇。其技術標準繁多，尤其在北美、歐洲、澳大利亞、新西蘭和印度等國家或地區已相當成熟，形成了各自的標準體系。而我國在該領域起步相對較晚，目前也已制定了國家標準GB 27887-2011，規定了相應的檢驗要求和檢驗方法。我國國家標準主要是參照歐洲相關標準ECE R44制定，多數技術要求和試驗方法與之等同。兒童座椅調節裝置在日常使用中與操作者接觸頻次很高，且裝置內部含有彈簧等彈性件，長期高頻使用極易導致疲勞失效，因此其耐久性能是影響兒童座椅安全性能的重要因素。

　　兒童座椅調節裝置耐久性能檢驗作為兒童座椅技術標準中的重要試驗項目，對檢驗設備可靠性、安全性要求很高。設備在試驗過程中不能出現故障停機、計數不準等狀況，且執行機構定位精度應嚴格保證，以避免對樣品造成傷害，進而影響后續的動態試驗數據。經調研行業內主要實驗室，用于該項目的檢驗設備工作原理基本相同，但設備構建方案存在較大差異。在控制系統元器件選型上，可編程邏輯控制器(PLC)、運動控制卡匹配數據采集卡、繼電器控制等均有涉及;在執行機構元器件選型上，電動缸、氣缸、特定機械機構(如凸輪機構、蝸輪蝸桿機構等)在不同實驗室中均有存在。形成兒童座椅調節裝置耐久試驗能力，則需設計、構建相應的檢驗設備，以達成按照國家標準或其他技術標準規定的試驗方法開展檢驗活動的目的。在兒童座椅調節裝置耐久試驗項目中， 國家標準的相關試驗要求和試驗方法與ECE R 44有關內容完全一致。

　　設備設計應遵循一定的原則。理論上，應充分考慮技術性、標準化和安全性等方面的要求。該檢驗設備的設計、制造、使用等環節中的關鍵性能指標應滿足相應的規范標準，一般包括靜態技術指標和動態技術指標。例如， 功率、強度、使用年限、效率等靜態技術指標;穩定性、耐磨損等動態技術指標，應確保相應技術指標得到滿足， 以規避對設備的不利影響。同時，應確保相應工作的標準化，既要關注概念標準化，比如計量單位、符號等，又要注意方法標準化，嚴格按照有關技術標準中規定的方法執行，確保設備的使用性能。另外，在安全性方面，需關注零件安全性，避免出現過度變形、局部斷裂等不良情況， 減少設計的不良影響;需關注操作安全性，保證操作人員的安全，建立友好的人機界面;需關注環境安全性，提前考慮設備對周邊環境的潛在影響，包括但不限于噪聲、振動等，適當采取預防措施。行業實驗室檢驗設備設計、研發過程，應系統考慮“人-機-料-法-環-測”的內在關聯， 在設備的設計階段為設備后期的無縫嵌入創造條件。

　　2 技術要求

　　2.1 標準要求

　　依據國家標準GB 27887-2011條款5.2.2.7和6.2.7或歐洲標準ECE R44條款7.2.2.7的要求：直接安裝在兒童約束系統上的調節器應能夠承受耐久試驗，在動態試驗之前應進行(5000±5)次的循環試驗。

　　具體的試驗方法及試驗載荷配置詳見圖1。其中，A、B、C為力值載荷，以拉力、壓力形式體現，W為質量載荷，恒定重量1.25kg，在調節裝置反復開閉及力值重復加載的循環過程中，直接考驗調節裝置的耐久性能，或者試驗后在動態試驗中間接考核該項指標。試驗過程如下：

　　在將要試驗的兒童座椅上安裝適用的最大假人，并按照標準要求處于規定松弛狀態。在織帶的自由端進入調節裝置處畫一參考線。取出假人，將兒童座椅置于圖1所示的工作平臺上?？棊ㄟ^調節裝置循環移動的長度至少為150mm，其中從織帶參考線到織帶自由端一側織帶長度至少為100mm。在參考線的另一側，用于循環移動的剩余織帶的長度約為50mm。如果從參考線到自由端的織帶長度不能滿足所需長度，則應抽出一部分織帶以使其滿足循環移動長度的需要。試驗頻次為(10±1)次/min，部位B處抽取織帶的速率應為(150±10)mm/s。

　圖 1 試驗方法示意及試驗載荷配置圖

　　2.2 其他要求及實現

　　人因工程學是一門涉及人的生理和心理特點、作業能力、認知能力、行為方式等方面的學科，側重于研究人、機器和環境的相互作用，其研究目的就是如何達到安全、健康、舒適和工作效率的最優化。兒童座椅調節裝置耐久試驗設備作為一種機械產品，其設計過程應適度考慮人因工程學因素。該設備研發過程充分參考了國家標準GB/ T 10000-1988中國成年人人體尺寸、GB/T 13547-1992工作空間人體尺寸等，使得該設備操作部位的高度、設備橫向尺寸等數值較適宜于中國普通成年人的操作。同時， 通過電氣元件合理選型等措施， 使設備整體噪聲不超過55dB。

　　CNAL-CL01：2018(ISO-IEC17025：2017)檢測和校準實驗室認可準則規定，實驗室應具有正確開展實驗室活動所需可影響結果的設備。用于測量的設備應能達到要求的準確度和(或)測量不確定度，以提供有效結果。設備校準參數主要涉及配重質量、循環次數、位移等。

　　3 機械部分實現方案

　　結合2中所述技術要求，實現所需工作流程，可選用氣缸作為執行機構，選擇PLC作為控制下位機，觸摸屏作為上位機實現相關功能設置，既便于實驗室集中布置氣路， 又能節約成本和占地空間。通過三維數字建模技術，構建了兩種執行機構的實現方案，詳見圖2、圖3。

　　其中，圖2所示方案，樣品安裝高度更適合實際操作需要， 操作者正常身體姿態即可滿足安裝樣品需要。高度、橫向距離、傾斜角度等參數調節均可實現，但組合調節的方式可能會存在效率不高、耗時較長的特點，不便于優化整體試驗作業流程，在檢驗周期方面易形成全項檢驗中的“瓶頸”環節。圖3所示方案，高度、橫向距離、傾斜角度各參數調節更為方便，雖樣品安裝時夾具高度與成年人操作者身高未能更好匹配，但樣品安裝、調整占用時間不長，試驗周期中耐久循環占極大比重，故可忽略相關不便。比較而言，方案2對試驗效率更為有利，可作為實際實施方案。

　　

　　

　 圖 2 機械部分方案 1

　　　

　　圖 3 機械部分方案 2

       4 電氣部分實現方案

　　4.1關鍵元器件配置

　　按照3中選定機械部分實施方案，可構建如圖4所示控制方案，依照該控制方案對電氣控制的關鍵元器件進行選型，形成表1所列關鍵元器件配置清單，并以該配置進行設備后期組裝。

　圖 4 總體控制方案信息流向示意圖

　表 1 關鍵元器件配置表單

　4.2電路、氣路方案

　　設備電路分主電路和從電路，主電路交流電壓220V， 連接接觸器，并向直流電源供電，產生24V直流電。從電路為24V直流電路，連接觸摸屏以及連接串聯的電磁閥和繼電器。作為下位機， 用以實現通斷控制功能的控制線路接線圖如圖5所示，其中KA1、KA2、KA3為三個繼電器，對應連接三個電磁閥。氣路圖如圖6所示，其中SV1、SV2、SV3為三個氣缸對應的電磁閥。

　

　　圖 5 控制線路接線圖

　　

　　圖 6 氣路圖

　　5 結論

　　該設備按照4所述方案設計、組裝完成，滿足第三方校準要求，已在實驗室穩定運行約一年，見設備實物圖7，并通過CMA計量認證和CNAS實驗室評審，實現了兒童座椅調節裝置耐久試驗擴項。設備穩定性、可靠性、噪聲及振動、計數準確性等指標均滿足設計策劃要求。

　　設備主要優點是：機械結構簡單，控制方案較易實現，對周邊設備/環境無干擾，便于高度、橫向長度、傾斜角度等參數調節及控制，對于復雜姿態下的耐久試驗可以較快調整，可以較好銜接全項試驗流程中的其他環節，基本實現無縫嵌入，作為行業實驗室檢驗設備，可很好地實現客戶需求。

　　設備不足之處主要是樣品裝夾未能很好滿足人因工程學，如提高樣品裝夾高度，則氣缸高度調節手輪過高，不便于操作。另外，高度調節需要手動，后期可視需要將手輪更換為電機助力裝置，實現自動調節。但所述不足目前均可通過輔助手段加以克服，且設備其余技術指標均居行業內同類設備先進水平，試驗效率很高。通過構建兒童座椅調節裝置耐久試驗設備，完美實現了國家標準、歐洲標準所要求的兒童座椅調節裝置耐久試驗方法，為國內兒童座椅產品內銷、出口均提供了質量驗證窗口和測試、研發平臺。

　

　圖 7 設備實物圖