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作者:林浩瑋,楊俊哲,江峻弦 (2000-04-30);核可:徐業良 (2000-05-01)
附註:本文為勞委會勞工安全衛生研究所委託本實驗室設計之機車用安全帽衝擊試驗機台使用手冊

機車用安全帽衝擊試驗機台使用手冊

一、衝擊實驗簡介

1.1 實驗目的

本報告描述一套依據符合中國國家標準(CNS)的機車用安全帽衝擊實驗機台的設計與使用。本試驗機台是用以檢測市售的機車用安全帽在受到主動式撞擊時,對衝擊能量之吸收性是否能符合機車安全帽CNS性能測試規範,是否能夠適時的提供機車騎士在騎乘機車時之頭部安全。

本研究相關的CNS標準有乘坐機車用安全帽檢驗法(總號3902、類號Z3014)及乘坐機車用安全帽(總號2396、類號Z2009)。

1.1 安全帽種類及其衝擊吸收性比較表

 

一般機車用

競賽機車用

條文

乘坐機車用安全帽(總號2396、類號Z2009

乘坐機車用安全帽(總號2396、類號Z2009

特性

1.      產生1472 m/s2150G)以上的衝擊加速度,其持續時間應在 4ms秒以下。

2.      產生1962 m/s2200G)以上的衝擊加速度,其持續時間應在2 ms秒以下。

3.      不得產生3924 m/s2400G 以上的衝擊加速度。

1.      產生1472 m/s2150G)以上的衝擊加速度,其持續時間應在 4ms 秒以下。

2.      不得產生2945 m/s2300G)以上的衝擊加速度。

落下高度

平面行鋼砧160cm

平面行鋼砧183cm、半球行鋼砧138cm

本研究的標準採用一般機車用安全帽性能測試規範,其主要標準規範如表1.2所示:

1.2 一般機車用安全帽衝擊標準規範

衝擊測試高度

1.6公尺

落下裝置重量

5.000.09kg(標準型)

衝擊鋼砧

平面形直徑127mm,厚度18.3mm

標準頭型

鎂合金製,共振頻率不低於 3000Hz

 

衝擊測試標準

1.      產生1472 m/s2150G)以上的衝擊加速度,其持續時間應在 4ms 秒以下。

2.      產生1962 m/s2200G)以上的衝擊加速度,其持續時間應在2 ms秒以下。

3.      不得產生3924 m/s2400G 以上的衝擊加速度。

1.2 實驗機台硬體說明

機車用安全帽衝擊實驗機台如圖1.1所示,主要包括機台結構與落下裝置兩個部份。落下裝置由直線軸承、橫樑、圓柱及標準頭型四個部份所組成,各零件的重量分佈如圖1.2所示,總重量在CNS“乘坐機車用安全帽檢驗法”所規定的5.00~5.09kg之間。衝擊實驗時安全帽固定在落下裝置的假頭上,從規定高度落下撞擊機台底部的圓鉆,由裝置在圓柱頂端球座內的加速規感測衝擊加速度。CNS檢驗中規定必須衝擊前、後、左、右四點,落下裝置圓柱頂端球座設計使假頭可轉動,且假頭四邊各有凹槽缺口,供調整固定於前、後、左、右四個衝擊點的位置。

1.1 機車用安全帽衝擊實驗機台

1.2 落下裝置各零件重量

1.2 衝擊值量測原理簡介

機車用安全帽衝擊試驗機台最主要的功能是衝擊值的量測。本機台以加速規感測安全帽受到衝擊時產生的衝擊加速度,並以A/D卡將實驗資料由類比訊號轉換成數位訊號,再以個人電腦將資料儲存並繪出圖表,整個訊號擷取系統如圖1.3所示。由資料擷取所得知測試數據單位為伏特(V),可直接由公式換算成衝擊加速度值。

1.3 訊號擷取系統

如圖所示,提供電源給加速規的電源供應器與A/D卡是以同軸電纜連接,但A/D卡接出來的是20pin的排線,因此本機台中加入一個訊號轉接器來溝通電源供應器與A/D卡。目前在機電整合的設備中,較常用的控制是利用單晶片或A/D卡及PC作為主要控制設備。A/D其功能是將類比訊號轉變成為數位信號,可直接輸入PC作分析運算。在本機台所使用的A/D卡是研華科技公司所研發的”PCL-818H”,主要是利用C語言編撰之程式控制AD/DA轉換卡的存取, AD/DA轉換卡解析度為12bits

以下各章節將就機台硬體組裝、線路連接、軟體操作、及數據整理等操作做細節說明。

二、衝擊實驗機台硬體操作

2.1 機台組裝

(1)衝擊實驗開始進行前,應先將加速規鎖於香菇頭上,再將加速規訊號線穿過衝擊圓柱固定於加速規上,如圖2.1所示。

2.1 加速規安裝圖

(2)將用圓球旁之螺絲把已經安裝好的加速規及香菇頭固定於衝擊圓柱中,旋轉假頭至所欲量測之衝擊點(衝擊點以衝擊圓柱對準假頭四邊之缺口為準),再以扣環上之螺絲將衝擊假頭固定於衝擊圓柱,最後將待測安全帽固定於假頭上,如圖2.2所示。

2.2 假頭安裝圖

(3)加速規訊號線拉出時,要跨越衝擊機台從下面數來第三根橫柱(如圖2.3A點),以避免衝擊時將訊號線接頭拉壞或扯斷。

A

 

2.3 加速規訊號線安裝位置圖

(4)落下裝置之橫樑上綁有一尼龍繩,向上繞過衝擊實驗機台頂部之一組滑輪(如圖2.4所示),可藉此尼龍繩將假頭上拉。實驗過程中將假頭上拉時,將衝擊假頭拉至最高點,直到衝擊橫樑頂住極限開關,此時安全帽頂端至鋼鉆距離為1.6 公尺,此時訊號轉接器上之LED燈會熄滅。要將落下裝置落下前,注意先檢視繞過滑輪之尼龍繩有無卡住情形

2.4 落下裝置上拉示意圖

2.2 衝擊值訊號擷取系統組裝

本衝擊實驗機台所用到的A/D卡硬體設定為CN3(類比輸入)與CN2(數位輸入)兩個部份。A/D卡之預設值為JP1調到1MHzSW1調整address300的位置,SW2調整為S/E(single-ended),將20pin排線接於CN3Analog input)。組裝過程如下:

(1)A/D卡(PCL-818H卡)裝置於電腦之ISA介面。注意電腦必須先關機,才可裝上或拔下A/D卡。

(2)將加速規安裝於落下裝置之衝擊圓柱內。

(3)將加速規訊號線(白色)固定於加速規電源供應器上之sensor端,如圖2.4所示。

(4)將電源供應器scope端以同軸電纜線連接至訊號轉接器。

(5)A/D訊號排線(紫色,CN3)及極限開關排線(綠色,CN2)固定於訊號轉接器上,機台上之極限開關插入訊號轉接器後方,接線完成如如圖2.42.5所示。

2.4 電源供應器及訊號轉接器接線圖

2.5 訊號擷取系統接線圖

三、軟體程式操作說明

3.1 軟體程式安裝

本機車用安全帽衝擊實驗機台需要用到的程式全部燒在一張光碟中,顯示畫面如圖3.1。軟體程式中,PCL818H相關之界面程式是以Turbo C撰寫,衝擊程序控制、資料處理、及圖形顯示均是以Matlab撰寫。若原電腦之前未安裝Turbo CMatlab,則先點選【安裝TC】、【安裝Matlab】兩個按鈕,之後再按【安裝impact】鈕,完成所有安裝步驟。

3.1光碟安裝程式畫面

3.2 軟體程式操作

(1)如圖3.2,打開桌面Matlab捷徑,輸入helmet,即可進入衝擊實驗主程式。

3.2 啟動主程式

(2)進入機車安全帽衝擊測試起始畫面,如圖3.3所示共有五個選項,選擇選項1鍵入。

3.3 衝擊實驗主程式選單

(3)鍵入選項1後按下Enter,畫面跳至圖3.4,操作者須確認注意事項之後按下空白鍵進入監控程式。

3.4 注意事項說明

(4)進入監控螢幕,選擇PCL818H鍵入Enter鍵,如圖3.5所示:

3.5 PCL818H監控螢幕選擇

(5)進入監控螢幕後,觀察Channel 0,如圖3.6所示。地球上正常之重力加速度為1G,即靜止狀態下加速規輸出電壓為0.001V,因此當Channel 0電壓值達到0.001~0.002V時,即加速規穩定後,即可鍵入F10離開監控螢幕。

3.6 加速規訊號channel 0穩定示意圖

(6)鍵入F10離開監控螢幕後,畫面回復至如圖3.7,此時轉接盒上之LED燈(紅色)亮著。將安全帽及衝擊假頭上拉至1.6公尺高處頂住極限開關(安全帽頂到圓鉆的距離,已經設定好了,只要將落下裝置拉到最上面抵住極限開關),使LED燈熄滅後,拉住繩子不放,並鍵入空白鍵。

3.7 落下裝置上拉指示

(7)鍵入空白鍵後,當畫面出現如圖3.8,將繩子放開,使安全帽自由落下。

3.8 落下裝置自由釋放指示

(8)安全帽自由落下後,畫面轉至如圖3.9所示,表示要求鍵入實驗數據檔名,輸入有規則之檔名後,按下Enter鍵。

3.9 實驗數據命名示意

(9)按下Enter鍵後,程式自動繪圖顯示如圖3.10,橫軸為落下時間,縱軸為加速度G值,看完訊號圖形後,將圖形關閉,畫面回至主程式畫面如圖3.11,說明最大加速度值是否通過檢驗,接著輸入1則回主程式畫面繼續實驗,輸入2則離開程式。

3.10 衝擊實驗數據圖

3.11 測試結果

(10)  在鍵入1後,出現在主程式畫面下選擇第二項資料分析的時候,此時程式將把與衝擊相關副檔名為”.dat”的檔案列在螢幕畫面上,如圖3.12,這項功能可以直接將同一頂安全帽的前、後、左、右四個衝擊點的圖形同時出現在畫面上,出現的數據圖如圖3.13。若輸入檔名錯誤,程式會反應錯誤訊息,直到輸入正確檔名為止。

3.12 繪製一頂安全帽四點衝擊結果示意

3.13 同一頂安全帽前後左右四個衝擊點數據可同時顯示

(11)  當在主程式畫面下選擇第三項資料分析時,程式將把與衝擊相關副檔名為”.dat”的檔案列在螢幕畫面上,這時可將之前所做過衝擊資料數據所存的檔案呼叫出來,輸入檔名後會出現單一點數據圖。

(12)  當在主程式畫面下選擇第五項加速規廠商資料時,程式會將與加速規相關的資料列在畫面上。

(13)  當在主程式畫面下選擇第四項離開本程式,即回到matlab正常使用狀態,如圖3.14所示。若想再回到衝擊主程式畫面,可再鍵入”helmet”,便可回到主程式。

3.14 離開衝擊實驗示意圖

3.3 將衝擊實驗數據圖編輯至Word文件

衝擊實驗數據圖要編輯至Word文件製作成報告時,如圖3.14所示,可選取數據圖上的功能列”Edit”中的”Copy”選項後,再到Word文件中的功能列選取“編輯”中的“選擇性貼上”,之後會出現一個方塊訊息,請選擇“圖片”,再按確定鈕,即可將數據圖編輯至Word文件。

3.15 將衝擊實驗數據圖編輯至Word文件