门把手10万次寿命测试设备的研制

庄曙东，金军，言军，刘健

（1、河海大学机电工程学院，江苏常州213022;2、海顿直线电机（常州）有限公司，江苏常州 213022）

毋庸置疑，中国现在是制造业大国，但绝对不是强国，其中一个主要原因是产品的品质远远比不上欧美日等国，究其因，我国的生产企业大多以理论和经验作为设计和检验产品是否合格的标准，只要零件符合设计要求就是合格零件了，合格的零件按照相应的工艺装配起来就是合格的产品了，这些在理论上是可行的。但实际上理论可行，不一定事实就是如此，因此欧美日等企业除了上述正确的步骤外，还不断对产品做寿命测试，通常寿命测试的方式有多种，如根据经验，挑出短寿部件，对短寿部件进行寿命测试，从而推算出整个设备的寿命;苛刻设备使用条件（如测试时加大受力值），测试设备的寿命等;但无论在何种方式下，通常是在多次测试下寻找产品的生命曲线，多次检验实际检测结果是否和理论相符合。

本文就是根据国外企业的要求，对国内某企业出口的门把手寿命是否能达到10万次使用寿命而开发的寿命测试设备，寿命测试设备是把门把手固定后，通过传动机构的运动，模拟锁具的使用状况，测试锁具的耐久性、灵活度和牢固度;在测试过程中，寿命测试设备能不断记录相关测试数据，为下一步门把手的改进提供定量的数据。整套设备从门扶手工作原理分析开始，分整体框架、动作执行机构、电气控制机构、夹具机构等内容进行研制。

1 寿命测试设备工作原理分析

一般地，门把手的工作原理很简单，无论开关门，都是人的手对把手施加一个旋转力，通过一个带弹簧的压杆结构，使锁舌缩进，开门或关门，然后松开把手，锁舌又弹出复位。无论何种门把手，都是锁舌、弹簧、压杆或其他传动机构的组合，这些机构在被用来开关门一定时间和次数后，会逐渐丧失正常的开闭功能，比如弹簧老化、压杆断裂不动作、齿轮磨损等，因此其有一定的使用寿命。

为了测试这一寿命，通过测试人员数10万次不断重复开关门的动作来判断锁具的好坏，不现实，也不可靠:做这种重复一致的测试工作十分枯燥且浪费人力。而且测试效率极低，测试周期长，测试寿命10万次的一个门把手需要的时间可能就要几周时间，测试几个，需要的时间可能要以年来计算。因此需要研制全自动的寿命测试设备来进行测试。

根据门把手的工作原理，寿命测试设备应满足一些条件和要求:

1）门把手的定位和夹紧，而且应易于拆卸。

2）模拟人手，实现门扶手的旋转动作及锁舌的伸缩动作。

3）正确计数，同时可随时使设备停止工作，查看发生的状况，而且保证计数不清零。

4）门扶手测试出现故障时，能及时停止及报警。

5）整个设备应符合机电设备经济、高效、安全的原则。

根据以上原则和要求，确定门把手寿命测试设备工作原理为:由设备的夹具体夹紧测试的门把手，由电磁阀控制的可调式摆动气缸模拟人手来实现门扶手的旋转，迷你气缸带动锁舌的进出，正确计数的工作由低速电动机、接近开关、带孔的铁片及计数装置来实现，即将接近开关固定于铁片前，电动机带动铁片旋转，当接近开关处于铁片开孔处就反馈一信号给计数装置实现一次计数。

2 寿命测试设备的整体设计

根据门把手寿命测试设备工作原理，寿命测试装置基本上包含整体结构基础部件、执行机构、控制与计数部件以及夹具组件等部分。

整体结构基础部件包括:整体框架、工作台、控制箱、玻璃罩。整体框架主要用于固定包括工作台、控制箱、玻璃罩等等分支机构的支架，是整个设备的基础。工作台主要用于固定锁体夹具，锁舌挤压机构、门扶手旋转机构。控制箱用于固定电气控制元件及线路的合理布置。玻璃罩主要用于减少工作台上执行机构灰尘的堆积以及减少工作时的噪声。

执行机构包括:迷你气缸及其固定装置、摆动气缸及其固定装置、电磁阀、气压泵。固定装置主要用于固定气缸，迷你气缸和摆动气缸则构成了整个执行机构的运动部件。电磁阀用于配合电路实现气缸的整个动作。气压泵则是成了整个执行机构的动力来源。

控制与计数部件包括:电源装置、空气开关、继电器、接近开关、线槽、接线排、计数器。电源装置是将220V交流转化成低压直流;空气开关完成对电路的通断以及设备短路.严重过载及欠压等进行保护;继电器与接近开关相配合实现电路的通断控制电磁阀完成机构的动作;接近开关与计数器配合实现门把手动作次数的记录;线槽用来将电源线、数据线等线材规范的整理;接线端子排使得接线美观，维护方便。

夹具组件包括夹具体、定位机构、锁紧机构等，其设计要考虑满足多种门把手测试的要求。

3 寿命测试设备机械部件结构设计

3.1 整体结构基础部件的设计

整体结构基础部件包括:整体框架、工作台、控制箱、玻璃罩。

整体框架是整个设备的基础，承载着机构所有的载荷，关系着整个设备的寿命。但由于本设备承载较小，考虑到经济实用的原则，整体框架选用了30mm×30mm铝型方管材，其结构如图1所示，联接采用市场成熟的标准件来实现。

工作台需固定夹具组件、气缸等部件，但承载不是很大，考虑到加工方便美观，设备灵巧实用及防锈等诸多因素，工作台采用外形尺寸为300×400×10，牌号为LY12的铝板。

考虑到设备的演示效果，整体框架外部固定U型槽条，其内插入无色透明有机玻璃板材作为外罩。

3.2 执行机构的设计

执行机构是完成门扶手整个动作的重要部件，在整个工作过程起到了模拟锁具在实际使用过程中的动作。执行机构包括:摆动气缸及其固定装置、迷你气缸及其固定装置、电磁阀、气压泵。

图1 整体框架结构示意图

模拟人手，按压旋转门扶手的动作过程由摆动气缸来实现，摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件。可以完成物体的转位、翻转、分类、夹紧、阀门的开闭等动作。使用摆动气缸，通过调压阀可以调整传动杆对门扶手的压力，通过摆动气缸的任意角度调整可以改变锁体转动角度或转动方向。选用SMC的CDRBU2WU15-180SEL自由安装型摆动气缸。由于受力不大，固定摆动气缸装置采用L形结构的支座，材料选择LY12。

摆动气缸与门扶手连接孔之间由一传动杆连接，传动杆与摆动气缸之间通过微型联轴器连接，微型联轴器选用夹紧刚性型联轴器KM7B-25-12-10。

传动杆由于是本设备最易磨损的零件，材料选用40Cr，40Cr价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得很好的韧性、塑性和耐磨性。

锁舌伸缩由弹性系数不大的弹簧来实现，锁舌伸缩的寿命测试主要测试弹簧的寿命，即弹簧在锁舌伸缩行程内往复10万次后，能否仍然保持弹性，因此寿命测试设备中实现这一过程所承受的力就是弹力及微小的摩擦力，可选择型号为MA-U-25×40-LB的迷你气缸来实现动作，其固定装置所承受的载荷也不是很大，也应具有一定的刚度和抗振性，也采用L形结构的支座，材料选择Q345。

3.3 夹具组件的设计

夹具组件主要实现测试门把手的固定，考虑门把手具有多种规格尺寸，因此夹具组件应具有通用性，以满足多类型门把手的测试要求，其结构如图2所示。

图2 夹具示意图

4 寿命测试设备控制与计数部件的设计

根据设备工作原理，控制系统能实现门扶手测试频率控制，能连续模拟各种锁具的使用过程，能显示记录门扶手执行次数，当门扶手损坏时能自动停止测试。

4.1 电源及开关的选择

电源的选择主要考虑电源输出的稳定性、安全性及其使用寿命，可选择规格24V-4A-100W的开关电源。

开关选择型号为DZ47-63 C16空气开关，能完成接通和分断电路，对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，其额定电流为16A。

4.2 动作顺序的控制

动作顺序的控制主要有继电器、电磁阀、接近开关等元件来实现。

继电器是一种实现控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系的电控制器件，其实质是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。在本设备中选用的继电器型号为:HH54P，MY2NJ。

电磁阀是用电磁效应进行控制，与继电器配合，可以在工业控制系统中实现调整介质的方向、流量、速度和其他参数的控制。在本设备中选用型号为4V110-06的电磁阀，其各参数，工作压力0.12MPa～0.8MPa，最大耐压力 1.2MPa，最高动作频率 4次/s，电压 DC12/DC24/AC24/AC110/AC220/AC380，工作温度-5℃ ～60℃。

接近开关是利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。在设备中，由于所测对象为金属，选用型号为LJ12A3-4-Z/AX的电感式接近开关。

动作顺序控制电路示意图如图3所示。

图3 动作顺序的控制电路示意图

4.3 计数的控制

计数的控制由接近开关与计数器等元件配合实现。即接近开关通过固定装置固定在迷你气缸实现锁舌伸缩的动作处，当迷你气缸使锁舌缩到最大处，迷你气缸杆端的压块使接近开关输出闭合信号，此时计数器接到信号，记录一次门把手动作。迷你气缸退回，锁舌伸出，由于锁舌小于压块尺寸，接近开关不能检测到信号，故此时接近开关不能输出闭合信号，计数器不能计数，下次计数要到迷你气缸再次使锁舌缩到最大处时，从而实现门把手动作的精确计数。

接近开关选用Autonics型号为PR12-4DN的三线制接近开关。其检测距离为4mm，工作电压为:10—30V DC，输出类型:三线制 NPN（NO）常开。

计数器选用型号为JDM11-6H的电子计数器，该计数器具有带停电记忆功能，当电源恢复时，可以不丢失地继续进行计数，带面板复位功能等特点，其计数器工作电压为AC/DC:12—24V。

4.4 门扶手锁体损坏的报警控制

门扶手在寿命测试中发生损坏、使门扶手正常动作所需力突然减小，绝大部分发生在锁体内部弹簧断裂上，所以门扶手锁体损坏的报警控制可依此设计，即通过与弹簧相连接的导线（检测前使弹簧与锁体绝缘），带动继电器，关闭工作电源，即可使装置停止工作，同时继电器打开蜂鸣器电源，发出报警信号，此时计数器中显示门扶手损坏时已进行的寿命测试的次数。其控制电路示意图如图4所示。

图4 测试装置停机报警电路

5 结语

根据以上寿命测试设备的整体设计、机械部件结构设计及控制与计数部件的设计，寿命测试设备整体设计示意图如图5所示。

图5 寿命测试设备的整体设计示意图

经机械部件的安装，控制电路的调试，并通过实际样机运行表明，所研制的装置能够可靠的进行门扶手寿命测试，并具有成本低、测试速度快、结构简单等优点，测试中损坏部件与实际生活中相符。目前该设备样机已投入某厂的门把手寿命的测试工作，同时该样机也得到其国外客户的认可，图6所示为样机测试后损坏的锁体，图7所示为测试前与测试10万次后门把手内弹簧金相组织图。多次测试实验结果也表明，门把手中最易损坏部件为弹簧，而门把手内的齿轮及其他部件损坏情况远好于弹簧。

图6 测试后锁体

图7 测试前与测试10万次后门把手内弹簧金相组织图

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