1 前言
儿童座椅是汽车儿童乘员必需的防护装置，在日常交通中大量使用，属于国家强制性认证产品和被动安全范畴。其技术标准繁多，尤其在北美、欧洲、澳大利亚、新西兰和印度等国家或地区已相当成熟，形成了各自的标准体系。而我国在该领域起步相对较晚，目前也已制定了国家标准GB 27887-2011，规定了相应的检验要求和检验方法。我国国家标准主要是参照欧洲相关标准ECE R44制定，多数技术要求和试验方法与之等同。儿童座椅调节装置在日常使用中与操作者接触频次很高，且装置内部含有弹簧等弹性件，长期高频使用极易导致疲劳失效，因此其耐久性能是影响儿童座椅安全性能的重要因素。
儿童座椅调节装置耐久性能检验作为儿童座椅技术标准中的重要试验项目，对检验设备可靠性、安全性要求很高。设备在试验过程中不能出现故障停机、计数不准等状况，且执行机构定位精度应严格保证，以避免对样品造成伤害，进而影响后续的动态试验数据。经调研行业内主要实验室，用于该项目的检验设备工作原理基本相同，但设备构建方案存在较大差异。在控制系统元器件选型上，可编程逻辑控制器(PLC)、运动控制卡匹配数据采集卡、继电器控制等均有涉及;在执行机构元器件选型上，电动缸、气缸、特定机械机构(如凸轮机构、蜗轮蜗杆机构等)在不同实验室中均有存在。形成儿童座椅调节装置耐久试验能力，则需设计、构建相应的检验设备，以达成按照国家标准或其他技术标准规定的试验方法开展检验活动的目的。在儿童座椅调节装置耐久试验项目中， 国家标准的相关试验要求和试验方法与ECE R 44有关内容完全一致。
设备设计应遵循一定的原则。理论上，应充分考虑技术性、标准化和安全性等方面的要求。该检验设备的设计、制造、使用等环节中的关键性能指标应满足相应的规范标准，一般包括静态技术指标和动态技术指标。例如， 功率、强度、使用年限、效率等静态技术指标;稳定性、耐磨损等动态技术指标，应确保相应技术指标得到满足， 以规避对设备的不利影响。同时，应确保相应工作的标准化，既要关注概念标准化，比如计量单位、符号等，又要注意方法标准化，严格按照有关技术标准中规定的方法执行，确保设备的使用性能。另外，在安全性方面，需关注零件安全性，避免出现过度变形、局部断裂等不良情况， 减少设计的不良影响;需关注操作安全性，保证操作人员的安全，建立友好的人机界面;需关注环境安全性，提前考虑设备对周边环境的潜在影响，包括但不限于噪声、振动等，适当采取预防措施。行业实验室检验设备设计、研发过程，应系统考虑“人-机-料-法-环-测”的内在关联， 在设备的设计阶段为设备后期的无缝嵌入创造条件。
2 技术要求
2.1 标准要求
依据国家标准GB 27887-2011条款5.2.2.7和6.2.7或欧洲标准ECE R44条款7.2.2.7的要求：直接安装在儿童约束系统上的调节器应能够承受耐久试验，在动态试验之前应进行(5000±5)次的循环试验。
具体的试验方法及试验载荷配置详见图1。其中，A、B、C为力值载荷，以拉力、压力形式体现，W为质量载荷，恒定重量1.25kg，在调节装置反复开闭及力值重复加载的循环过程中，直接考验调节装置的耐久性能，或者试验后在动态试验中间接考核该项指标。试验过程如下：
在将要试验的儿童座椅上安装适用的最大假人，并按照标准要求处于规定松弛状态。在织带的自由端进入调节装置处画一参考线。取出假人，将儿童座椅置于图1所示的工作平台上。织带应通过调节装置循环移动的长度至少为150mm，其中从织带参考线到织带自由端一侧织带长度至少为100mm。在参考线的另一侧，用于循环移动的剩余织带的长度约为50mm。如果从参考线到自由端的织带长度不能满足所需长度，则应抽出一部分织带以使其满足循环移动长度的需要。试验频次为(10±1)次/min，部位B处抽取织带的速率应为(150±10)mm/s。
图 1 试验方法示意及试验载荷配置图
2.2 其他要求及实现
人因工程学是一门涉及人的生理和心理特点、作业能力、认知能力、行为方式等方面的学科，侧重于研究人、机器和环境的相互作用，其研究目的就是如何达到安全、健康、舒适和工作效率的最优化。儿童座椅调节装置耐久试验设备作为一种机械产品，其设计过程应适度考虑人因工程学因素。该设备研发过程充分参考了国家标准GB/ T 10000-1988中国成年人人体尺寸、GB/T 13547-1992工作空间人体尺寸等，使得该设备操作部位的高度、设备横向尺寸等数值较适宜于中国普通成年人的操作。同时， 通过电气元件合理选型等措施， 使设备整体噪声不超过55dB。
CNAL-CL01：2018(ISO-IEC17025：2017)检测和校准实验室认可准则规定，实验室应具有正确开展实验室活动所需可影响结果的设备。用于测量的设备应能达到要求的准确度和(或)测量不确定度，以提供有效结果。设备校准参数主要涉及配重质量、循环次数、位移等。
3 机械部分实现方案
结合2中所述技术要求，实现所需工作流程，可选用气缸作为执行机构，选择PLC作为控制下位机，触摸屏作为上位机实现相关功能设置，既便于实验室集中布置气路， 又能节约成本和占地空间。通过三维数字建模技术，构建了两种执行机构的实现方案，详见图2、图3。
其中，图2所示方案，样品安装高度更适合实际操作需要， 操作者正常身体姿态即可满足安装样品需要。高度、横向距离、倾斜角度等参数调节均可实现，但组合调节的方式可能会存在效率不高、耗时较长的特点，不便于优化整体试验作业流程，在检验周期方面易形成全项检验中的“瓶颈”环节。图3所示方案，高度、横向距离、倾斜角度各参数调节更为方便，虽样品安装时夹具高度与成年人操作者身高未能更好匹配，但样品安装、调整占用时间不长，试验周期中耐久循环占极大比重，故可忽略相关不便。比较而言，方案2对试验效率更为有利，可作为实际实施方案。
图 2 机械部分方案 1
图 3 机械部分方案 2
4 电气部分实现方案
4.1关键元器件配置
按照3中选定机械部分实施方案，可构建如图4所示控制方案，依照该控制方案对电气控制的关键元器件进行选型，形成表1所列关键元器件配置清单，并以该配置进行设备后期组装。
图 4 总体控制方案信息流向示意图
表 1 关键元器件配置表单
4.2电路、气路方案
设备电路分主电路和从电路，主电路交流电压220V， 连接接触器，并向直流电源供电，产生24V直流电。从电路为24V直流电路，连接触摸屏以及连接串联的电磁阀和继电器。作为下位机， 用以实现通断控制功能的控制线路接线图如图5所示，其中KA1、KA2、KA3为三个继电器，对应连接三个电磁阀。气路图如图6所示，其中SV1、SV2、SV3为三个气缸对应的电磁阀。
图 5 控制线路接线图
图 6 气路图
5 结论
该设备按照4所述方案设计、组装完成，满足第三方校准要求，已在实验室稳定运行约一年，见设备实物图7，并通过CMA计量认证和CNAS实验室评审，实现了儿童座椅调节装置耐久试验扩项。设备稳定性、可靠性、噪声及振动、计数准确性等指标均满足设计策划要求。
设备主要优点是：机械结构简单，控制方案较易实现，对周边设备/环境无干扰，便于高度、横向长度、倾斜角度等参数调节及控制，对于复杂姿态下的耐久试验可以较快调整，可以较好衔接全项试验流程中的其他环节，基本实现无缝嵌入，作为行业实验室检验设备，可很好地实现客户需求。
设备不足之处主要是样品装夹未能很好满足人因工程学，如提高样品装夹高度，则气缸高度调节手轮过高，不便于操作。另外，高度调节需要手动，后期可视需要将手轮更换为电机助力装置，实现自动调节。但所述不足目前均可通过辅助手段加以克服，且设备其余技术指标均居行业内同类设备先进水平，试验效率很高。通过构建儿童座椅调节装置耐久试验设备，完美实现了国家标准、欧洲标准所要求的儿童座椅调节装置耐久试验方法，为国内儿童座椅产品内销、出口均提供了质量验证窗口和测试、研发平台。
图 7 设备实物图