关于腋拐支脚耐磨和抗疲劳性能的实验研究

王保华

关于腋拐支脚耐磨和抗疲劳性能的实验研究

王保华

目的探讨腋拐支脚耐磨性能质量的检验方法与判定指标。方法基于对支脚正常使用下的受力情况分析,提出新的试验方法:对支脚轴向加载450 N,支脚与试验平面进行60°摆动,试验进行50万次,负载频率20～40/min;试验后最大磨损厚度不允许超过3.3 mm。建立试验设施,进行耐磨性和抗剪切疲劳试验。同时,组织与试验次数相同的实际使用试验。结果设备试验和实际使用试验两组实验结果数据的比较表明,建议的方法能反映使用中支脚磨损的状况。结论新的检验方法可用于腋拐支脚耐磨性能质量检测。

拐;支脚;质量检验;耐磨;抗疲劳;试验方法

Abstract:Objective To study the method of testing abrasion resistance of axillary crutch tips.Methods A test method based on pressure analysis in normal use of axillary crutches was suggested,which characterized:put 450 N on axis of the tip;the tip or text surface sway 60°for 500000 times in frequency of 40/min;maximal abrasion thickness after test should be less than 3.3 mm. Experimental facilities were established to carry out fatigue test of wearability.Results The test method suggested can reflect tips abrasion in real context.Conclusion The text method can be used for tips abrasion and fatigue resistance adjustment.

Key words:crutch;tips;quality test;abrasion resistance;fatigue resistance;test method

[本文著录格式]王保华.关于腋拐支脚耐磨和抗疲劳性能的实验研究[J].中国康复理论与实践,2010,16(5):492—494.

腋拐是辅助下肢残疾人行走的常用器具,因其使用便利、携带方便,被残疾人普遍使用。支脚[1]由橡胶材料制成,作为连接腋拐腿部与地面接触的部件[2],其耐磨性能在辅助使用者行走中起着重要作用,直接关系到使用者的人身安全。在工作中,我们收到用户反映支脚易损坏的质量问题,主要集中在不耐磨,磨损变薄后杖腿端部从支脚底部刺穿等。我们调阅了近年来依据相关标准检验腋拐质量而出具的检验报告,未发现有因支脚磨损问题导致的产品质量不合格。为此,我们对相关标准中有关支脚的技术要求与试验方法进行了分析实验,发现现行标准中涉及支脚性能的具体要求和试验方法存在不足。特提出改进建议。

1 现行国家标准对支脚的技术要求和试验方法

腋拐生产和检验执行国家标准GB/T 19545.2《单臂操作助行器要求和试验方法第2部分:腋拐》(以下简称“《标准》”)。《标准》中关于支脚的技术要求和检验方法主要包括两个方面:①支脚应用耐磨和软硬适度的材料制成;②疲劳强度试验后各零部件不得产生裂纹、断裂或永久变形。按《标准》要求进行疲劳强度试验的方法是:将腋拐垂直放置,通过对腋拐中心轴线施加450 N垂直力,负载频率20～40/min,循环50万次。依据该方法建立的疲劳试验力学模型如图1[3]所示。从试验图示中可以看出,支脚在试验中只承受垂直力,由于支脚是橡胶材料,具有弹性变形,所以试验中支脚始终承受垂直于接触面的弹力。

2 腋拐使用中的受力分析

2.1 步态 腋拐是利用腋窝和手共同支撑,单臂操作使用,根据使用者自身状况选择适合的高度和把手位置。配置时将腋拐置于腋下,腋托与腋窝保持3～4 cm距离,底端支脚置于脚前侧和外侧各15 cm处,此时把手的高度应与大转子的位置相同[4]。

腋拐分双侧和单侧使用。以双侧使用腋拐辅助行走时的摆步步态分解,完成一个步态周期的动作包括:平衡站姿-双杖前置-双肘伸展,压低和伸展肩胛骨,通过低头来提起腿和骨盆-腿和骨盆一旦提起,躯干和腿即如钟摆一样向前摆动超过双拐位置-足跟着地-通过抬头,收缩肩胛骨和推动骨盆向前,重新取得平衡站姿[5]。

2.2 受力分析 根据步态分解,在正常使用情况下,支脚受力有以下特点:①行进中使用者要将支脚摆置脚前方与身体垂直成大约30°夹角处,脚步迈出后,支脚位于身体后面大约30°夹角处;即拐以支脚为顶点与身体前后形成60°角范围内摆动,支脚承受身体前后60°范围变化的侧向力;②按规范的使用步伐,行进中使用者要将支脚置于与身体外侧成10°左右夹角处(即支脚距身体外侧15 cm),支脚承受身体的左右侧向力;③在行走过程中,特别是双腿障碍的人,每步都有人体腾空时段,这时人的体重完全靠腋拐来支撑,每只腋拐支脚承载力为0.5倍体重;④根据腋拐在使用中的运行轨迹,支脚除承受重力外,因和地面接触有相对运动的趋势,所以在支脚和地面之间将产生阻碍相互间相对运动趋势的摩擦力[6];⑤支脚在使用受力过程中,基本保持原地滚动,在与地面接触产生摩擦力的同时,由于支脚底部有一定厚度的橡胶和腋拐金属杆的底端在运动中产生相反的作用力,所以在与地面接触时支脚还受到剪力。

依据支脚在使用中的受力分析,建立相应的受力图:起步时(图2a)和行进中(图2b)支脚始终承受着人的体重,同时由于与地面的载重接触及腋拐与地面所成的角度变化,摩擦力的大小也在发生周期性的变化,它的变化规律是:支脚受到的摩擦力是一个交变载荷,导致疲劳破坏。体重越大,摩擦力越大。

设试验假人体重G=90 kg,N为支脚受到的正压力,腋拐在步态中处于垂直位置时,支脚受到的压力P等于正压力N(图2a),此时N=1/2G(忽略腋拐步态中左右10°侧向角度产生的压力)。行走时N的范围为:

当G=90kg时,N=389.7～450 N。

由于摩擦力与正压力和接触面间的摩擦系数成正比,故在使用中腋拐的支脚始终存在磨损。在摩擦力交变作用下,支脚受到与地面之间的剪切力,从而产生剪切疲劳。

综合上述使用腋拐的步态特点,根据在使用中支脚的运行轨迹,支脚应该承受重力、摩擦力和剪力,在一个完整的使用周期中受力过程分析如图3所示。

图1 《标准》规定腋拐疲劳强度试验

图2 单侧腋拐受力分析

图3 支脚受力分析[7]

现行《标准》在对支脚试验过程中,没有充分考虑支脚在使用中的摩擦力及在其作用下产生的剪切疲劳强度,测试过程无法真实反应支脚耐磨和抗剪切疲劳性能,试验方法存在不足。

3 支脚耐磨和抗剪切性能试验方法建议

通过支脚在使用中的受力分析,影响支脚性指能标的因素是多方面的,包括材质的选择、受到摩擦力、剪切疲劳强度、耐磨损性等诸多因素。本研究参照《标准》的试验方式,提出改进建议。

3.1 加载方式 根据模拟支脚使用过程的受力情况,提出其耐磨和抗剪切疲劳性能试验方法:将支脚和一个类似腋拐腿的圆形钢管连接,作为试样,按图4所示的两种方式进行耐磨性和剪切疲劳强度试验。

方式一:将试验样件垂直置于一个刚性平板上,通过圆形钢管与支脚轴线对支脚施加循环载荷P,刚性平板与水平面成30°倾斜循环波动,如图4a;

方式二:将试验样件垂直置于和方式一同样的刚性平板上,通过圆形钢管与支脚轴线对支脚施加循环载荷P,同时作60°摆动,而刚性平板保持静止,如图4b。

3.2 试验参数 加载力、试验次数、加载频率3项指标参数仍按现行《标准》给出的参数。但需要增加60°摆动的试验角度和刚性平板材料两项试验条件。

试验角度根据使用轨迹确定;刚性平板表面材料选择与常见的水泥路面或柏油路面同样摩擦系数的材质。

3.3 判定指标 可以采用两种形式定量给出判定产品合格与否的技术指标:①试验后磨损厚度;②试验前后支脚的重量差。

4 试验

4.1 试验环境 试验在室内常温(23±5)℃,湿度(60±10)%的条件下进行。

4.2 试验平面 选择与正常干燥水泥道路或沥青路面相当的摩擦系数0.65的试验平面。

4.3 试验样件 选择与出现质量问题同一批次的支脚24件,进行实际使用和使用设备两组试验。

4.4 试验参数 根据《标准》疲劳试验,轴向加载450 N,负载频率20～40/min,加载50万次。

4.5 试验设备 按上述方式二进行耐磨和抗剪切疲劳试验,设备包括试验平面、加载装置、牵引装置和导向装置等部件,见图5。

图4 支脚耐磨试验方式

图5 支脚耐磨和抗剪切疲劳试验模拟图

5 结果

设备检测的磨损厚度和磨损质量见表1。12件样品中,平均磨损厚度值2.96 mm。8件磨损厚度3.1～3.5 mm,是产品普遍达到的水平;最少的为1.5 mm。同一批产品存在较大差异与样品在加工成型中的工艺过程有关,磨损量较小的产品目测感官检查,在橡胶成型过程中由于气体的作用产生的蜂窝较少,目测和手感材质相对密度较大。

表1 各支脚样品检测时磨损厚度和磨损质量

选择与试验样件同样的支脚12个,体重75 kg左右的人群按正常使用的步态方式行走50万步,支脚磨损厚度和磨损质量和试验的数据基本相当。见表2。

表2 各支脚样品使用时磨损厚度和磨损质量

使用SPSS 13.0统计软件将设备检测的结果与使用后结果进行配对t检验,磨损厚度(t=1.318,P= 0.214)和磨损质量(t=-0.032,P=0.975)均无显著性差异。Descriptives表对实验结果的探索性分析,在95%置信范围内,磨损厚度的截尾值为3.29 mm,磨损质量的截尾值为14.05 g。即试验结果判定指标为:试验后,最大磨损厚度不允许超过3.3 mm,或试验前后支脚的重量差不允许超过14 g。

[1]Wooden Axilla Crutches[S].JIS T 9204:1994(Reaffirmed:1999).

[2]残疾人辅助器具分类和术语[S].GB/T 16432-2004.

[3]单臂操作助行器——要求和试验方法,第2部分:腋拐[S].GB/T 19545.2-2009.

[4]许弦歌,王蕴平.手杖高度的确定方法[J].中国残疾人,2007,(2): 37.

[5]汪家琮.日常生活技能与环境改造[M].北京:华夏出版社,2005: 187.

[6]张海燕.分析物体受力应注意的步骤[J].现代技能开发,2001, (10):19.

[7]Walking Aids for The Disabled Part3 Specification for Axilla Crutches[S].NZS 5831:Part3:1989.

[8]Tips for Assistive Products for Walking-Requirements and Test Methods[S].ISO 24415:2009.

Test Method for Abrasion and Fatigue Resistance of Axillary Crutch Tips

WA N G Bao-hua.China Assistive Devices and Technology Center f or Persons with Disabilities,Beijing100068,China

R496

A

1006-9771(2010)05-0492-03

2010-04-28

2010-05-10)

中国残疾人辅助器具中心,北京市100068。作者简介:王保华(1959-),女,北京市人,工程师,主要研究方向:残疾人辅助器具标准化管理与研究制度,产品质量检验。