陈素娟 吴文珍 汤龙刚（永嘉县产品质量监督检验所 温州 325105）

秋千座椅防撞击试验装置的研制

陈素娟 吴文珍 汤龙刚
（永嘉县产品质量监督检验所 温州 325105）

秋千座椅的防撞击性能是小型游乐设施秋千的重要安全性能指标，通过自动提升起吊机构、角度传感器、三维加速度传感器等一体化整体结构综合设计，基于虚拟仪器技术LabVIEW进行编程，研制秋千座椅防撞击试验装置。

秋千座椅 角度传感器 三维加速度

随着人们生活水平的不断提高，幼儿园、学校、游乐场所及社区等场所对儿童娱乐用的小型游乐设施的需求量也越来越大，这类游乐设施出口量也日益增加。秋千是一种最常见的小型游乐设施，应用非常广泛，其安全性能要求对儿童游乐安全至关重要。2012 年9月3日，我国发布了GB/T 28711—2012《无动力类游乐设施 秋千》国家标准（以下简称秋千国标）。于2013年1月1日开始实施的秋千国标［1］使秋千有了生产和检验的法定依据。秋千座椅防撞击要求是国标的一项重要的特殊安全性能要求，旨在防止秋千在运动过程中发生意外时对头部产生的伤害。根据国标对秋千座椅的防撞击试验设备的要求，通过试验分析，确定了试验装置的基本结构及工作原理，完成了硬件、软件设计研制，解决了研制过程中的难点。该试验装置的研制成功，填补国内技术空白，为确保秋千产品质量、开展安全性能评估和监管提供了重要的技术支撑，对确保儿童游乐安全、提升整个小型游乐设施行业的技术水平具有极其重要的意义。

1　试验装置的研发

1.1基本结构

试验装置由固定支架、起吊机构（包括左右移动调节机构、上下升级调节机构、角度传感器、释放电磁铁、钢丝绳及链条）、内置三维加速度传感器的测试铝球几部分构成，如图1所示。

1.2工作原理

测试时，通过起吊机构提高秋千座椅，角度传感器可以感应到提升角度。当角度达到标准要求的60°时停止起吊并释放秋千座椅，秋千座椅正面撞击测试铝球（直径为160mm±5mm，重心处安装三维加速度传感器，并以外部配置重块来确保铝半球总质量为4.6kg±0.05kg），碰撞产生的振动信号通过三维加速度传感器转化为模拟电压信号，再由数据采集卡转化为数字信号并送入计算机中，通过基于LabVIEW开发的软件实现数据的采集、计算、保存、处理和输出。

图1　装置结构图

1.3硬件设计

●1.3.1 起吊方式的采用

起吊方式采用起吊机构自动提升，并且角度采用角度传感器进行初始下落位置的定位，精度可靠，使用简单，并且提高了试验效率。

●1.3.2 三维加速度传感器的选用

目前的三维加速度传感器类型有压阻式、压电式和电容式等多种，这些传感器的工作原理为加速度与电阻、电压和电容呈正比增减，采集经过相应的放大和滤波的电路［2］。该试验装置采用了测量频率为0～5000Hz的美国PCB公司356A26型三维加速度传感器，其测量范围达±100g，测量精度为0.0002g，可同时进行X、Y、Z轴测量，完全符合测试要求。

●1.3.3 数据采集卡的选用

选用NI公司生产的4通道C系列动态系列NIUSB-9234型采集卡。NIUSB-9234具有102dB的动态范围，并能对加速度传感器进行信号调理。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达51.2kHz的速率数字化信号。

●1.3.4 针对细节难点的设计

铝球是通过一根金属丝悬挂在试验机的整体框架上，容易双向晃动旋转，为了确保秋千座椅下摆时能够撞击铝球正向，必须保证铝球稳定，为此，在铝球的正后方加了一根细金属绳，金属绳在撞击平面内水平反向延伸，通过一个滑轮90°转向，尾端挂一小坠。

本试验机角度定位是通过编码器+软件来实现的。如果将秋千绳直接连到编码器上，抬升秋千座椅至60°时，秋千绳会形成自然下凹，使得编码器定位不准。为了解决这个问题，将两条硬质薄钢条连接在编码器上，薄钢条长200cm，前段50cm镂空处理，镂空处可以横插一根细杆，细杆处于两根秋千绳末端的上方，当抬升秋千座椅的时候，会同时抬升薄钢条，从而实现角度准确定位。

1.4软件设计

LabVIEW是一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，其核心技术是采用了模块化编程技术的软件设计。本系统主要分四个功能，如图2、图3所示：一是数据采集，采集波形信号，结合参数计算，并以加速度峰值保存。二是调用波形，即调用和查阅历史检测数据；三是校验设置，设定三轴的校准系数；四是中文报告，就是通过系统将加速度波形和峰值生成测试报告［3］。

秋千座椅与铝球的撞击作用时间十分短暂，因而产生的大部分振动信号无法分析。本数据采集功能可以时域性的截取其中有效信号，信号经分析与处理后，直接合成三维加速度峰值。该功能提高检测的准确性和观察的直观性。

图2　软件流程图

2　试验结果及分析验证

表1为该试验装置的检测系统所采集到的数据。测量10次连续撞击的加速度峰值（单位：g），在第一次撞击的同时，记录撞击面积（单位：mm2），计算该10次撞击的平均加速度峰值。结合平均加速度峰值得出本次试验的平均表面压力（单位：kPa）。

表1　实验数据

从图3中可以看出，该试验装置的检测系统能同时测量三维加速度传感器的峰值（X、Y、Z），并自动滤波合成加速度峰值。从表1中可以看出，根据10次撞击的测试结果，并结合测量的撞击面积，检测系统可自动计算撞击位置的表面压力。

图3　系统主界面

3　结束语

在研究GB/T 28711ü2012及LabVIEW虚拟仪器技术的基础上，针对秋千座椅撞击性能测试要求，结合秋千座椅的大小长短规格型号差异的实际调研成果，采用自动可调节样品安放机构及LabVIEW编程，研制了一台秋千座椅撞击性能检测装置，并将其应用于秋千安全性能测试中，该试验装置实现了人机界面、数据采集、数据保存、数据处理、报表输出等功能。实验结果充分显示了LabVIEW的技术优势，使测试精度、稳定性和可靠性都得到充分保障［4］。同时实验完全满足了无动力类游乐设施秋千标准的测试要求，为无动力类游乐设施安全性能评估和监管提供了重要的技术支撑［5］。

［1］ GB/T 28711—2012 无动力类游乐设施 秋千［S］.

［2］ 温淑慧.一种电容式加速度传感器设计和研究［J］.传感技术学报，2005，18（2）：329-332+357.

［3］ 刘强.基于LabVIEW的游乐场铺面缓冲性能测试系统开发［J］.轻工标准与质量，2014，（1）：56-58.

［4］ 王玉伟.基于LabVIEW的测试软件设计［D］.山西：中北大学，2009.

［5］ 佟俐，潘宏侠，胡田.基于LabVIEW的机电设备状态监测与故障诊断系统［J］.仪表技术与传感器，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

陈素娟（1969～），女，本科，副所长，高级工程师，从事产品质量检验检测、产品质量分析、质量管理及标准化等技术管理工作。
（

2016-04-18）