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作者:甘凱文、楊哲彰、余家杰(2005-03-23);推薦:徐業良(2005-03-23);最近更新:徐業良(2005-04-01)

勝富國際個人安全防護具測試機台設計製作」計畫書

1.     現況描述

勝富國際企業有限公司(以下簡稱勝富國際)為工業用防護用具專業OEM/ODM製造商,主要產品包括護目鏡、防音耳罩、焊接用面罩與工地安全帽等個人安全防護具,以及相關之射出成型塑膠製品等,也接受客戶之訂單,設計相關之產品。

目前勝富國際並無個人安全防護具測試機台,產品需進行相關測試時均需委由其他廠商做測試,成本提高、費時較久,若得到的測試結果不符標準時需作設計改善,又無法立即測試得知改善成果。元智大學機械系先前接受勞委會勞工安全衛生研究所委託研究計畫,對於工地用安全帽及防音防護具相關測試標準與測試機台研發有相當經驗,因此勝富國際委託元智大學機械系設計製作兩項個人安全防護具測試機台,包括針對工地用安全帽衝擊測試標準ANSI Z89.1進行測試機台設計與製作,並希望同時能滿足EN 397-1995GB 2812-89項測試標準,以及針對防音防護具測試標準ANSI S.3.19-1974設計製作防音防護具聲衰減性能測試機台,以及防音耳罩頭帶夾緊力測試機台、疲勞測試機台等共四項機台,期望能為公司建立完整測試能量,使公司達成縮短製造與交貨時程、降低成本等目標。測試機台將依相關國際標準測試規範設計製作,但此測試結果僅供廠商自行檢測產品之用,並不具有上市商品檢測之效力。

本計畫將提供勝富國際工地用安全帽衝擊測試機台、防音防護具聲衰減性能測試機台、防音耳罩頭帶夾緊力測試機台、以及疲勞測試機台等共四項機台各一具,測試機台設計原理及使用說明若干份,並提供安裝、測試、維護等相關技術支援。

2.     改善工作內容

2.1 工地用安全帽衝擊測試機台

根據美國國家儀器標準ANSI Z89.1,衝擊測試機台設計需求整理如下:

(1)   衝擊方式:自由落體,衝擊高度1.524公尺,衝量19.36~19.86kg.m/s,末速度5.52m/s

(2)   衝擊物:錘頭,重量3.54~3.64kg,半球形錘體半徑48±0.8mm,尾長76mm

(3)   測試儀器:荷重元,0~4450N(0~1000lb)

(4)   測試頭模:尺寸標準參照ISEA Headform,重量3.64±0.45kg

(5)   測試標準:最大傳遞力4450N

本測試機台希望同時能滿足EN 397-1995GB 2812-89項測試標準,兩項標準主要項目整理如表1,此兩項標準與ANSI Z89.1的主要差異是錘頭重量、衝擊高度、以及對於力感測元件的標準規範等。

1. ANSI Z89.1EN 397-1995GB 2812-89標準比較

項目

EN 397-1995

GB 2812-89

衝擊方式

自由落下

自由落下

衝擊高度

1,000±5mm

1,000mm

衝量

無此要求

無此要求

末速度

無此要求

無此要求

測試時間限制

前處理後一分鐘內

前處理後一分鐘內

錘頭半徑

半球形50±1mm

半球形48mm

錘頭重量

45號鋼)

標準限制

傳遞力5,000N

傳遞力4,900N

測量裝置

0~40kN

0~30kN

安全帽與頭模間隙

不小於25mm

塑料襯:25~50mm;棉質:30~50mm

測試頭模

EN960(1994)

GB2811-89

本計畫設計之測試機台,設計概念與動作程序整體敘述如下:

首先將前處理完成的安全帽測試樣本置於機台測試頭模上,安全帽頤帶本身調整成寬鬆的狀態避免繫住頭模;調整帽中央對正頭模頂端區域,讓衝擊錘能正確的撞擊於帽頂中央;安全帽擺放正確後關閉安全門,開始衝擊程序。操作者利用控制面板啟動馬達將升降座降下並將衝擊座以釋放扣上,再將整個升降裝置升高至光電開關或極限開關定位之衝擊高度。操作者利用控制面板啟動電磁吸鐵打開衝擊座固定扣,撞擊座鬆脫沿導桿垂直落下,沿途經過速度量測裝置抓取速度訊號回傳給控制面板內的PIC 單晶片控制模組,計算末速度與衝量。撞擊錘衝擊安全帽後,測試頭模下方的荷重元經PIC單晶片讀取衝擊瞬間傳遞力量大小,最後從LCD螢幕顯示最大傳遞力及末速度。

根據此設計概念,圖1是本計畫設計之測試機台整體佈置圖,本測試機台包含機台結構、升降裝置、感測系統、控制系統等四個子系統,各子系統設計工作重點敘述如下。

1. 工地用安全帽衝擊測試機台整體佈置圖

(1)   機台結構設計:衝擊測試機台結構包括骨架、底板、安全門、與導桿四部分,設計上主要考慮以最小底面積和高度能夠容納所有相關設備及所需測試高度。

(2)   感測系統設計:感測系統為本測試機台之關鍵子系統,主要功能在感測衝擊時之衝擊力以及衝擊錘瞬間速度,故以荷重元、速度感測裝置、衝擊頭模等3個元件,為設計與選用重點。

(3)   升降裝置設計:升降裝置功能為載送衝擊錘至指定高度,並控制釋放衝擊錘。設計內容主要包括升降座、衝擊座、衝擊錘、馬達、釋放機構、極限開關、和光電開關等6項元件。

(4)   控制系統設計:本測試機台利用PIC單晶片為控制單位,作測試程序控制、衝擊高度定位、及計算衝擊末速度等工作。

完成各子系統後,將作系統之整合並且以供地用安全帽進行多次反覆測試,確認測試機台之穩定性與可靠度。最後將機台移交勝富國際,進行現場安裝與實地測試,同時將測試之相關程序訓練於使用者並移轉至配合廠商測試之相關程序訓練。

2.2 防音防護具聲衰減性能測試機台

本計畫製作之防音防護具聲衰減性能測試機台,主要依照美國ANSI S3.19-1974(ASA STD 1-1975)標準設計(主要內容列於本節後附件)。此標準對於防音防護具的聲衰減性能同時提供「主觀法(real-ear method)」以及客觀法「(physical method)」兩種測試規範,主觀法採用真人測試可量測到真實的聲衰減結果(real-ear attenuation),然而必須由專業人員在專業實驗室中執行,且為避免實驗誤差,對受測者有諸多要求。客觀法之測試方式以「聲學試驗頭型(dummy head)」取代真人作為測試媒介,以量測出代表聲衰減性能之「插入損失(insertion loss)」。此測試結果與主觀法以真人測試之方式相較,並無法完全代表該防音防護具真實的聲衰減性能,但測試速度快、成本低,可由非專業人員執行,適合作為產品於開發設計階段品質檢測之用。因此本計畫將以ANSI S3.19-1974(ASA STD 1-1975)中客觀法為標準,進行測試機台之設計。本標準規範明定,客觀法量測僅適用於耳罩(earmuff)形式的防音防護具,因此本機台無法針對耳塞(earplug)形式之防音防護具進行測試。(參考附件1.42.5

測試機台安置的環境需為擴散音場(diffusion field),環境背景噪音有一定之限制(附件3.1.1.1)、音壓均勻性(附件3.1.1.3 (2))以及方向性(附件3.1.1.4)均有所規範,RT60迴響時間須介於0.51.6秒,且於任何一個測試頻帶下,在麥克風位置上的音壓不得低於85dB(re 20μPa),同時必須高於背景環境噪音至少60dB(附件4.1.1.1 (2))。若上述條件均成立,則此測試環境對於主觀法與客觀法兩者皆適用。

測試信號為白噪音(white noise),並以帶通濾波後輸出各個不同中心頻率的1/3八度頻帶,如表2所示,且每個測試信號頻帶必須分離的方式切換,不可以連續變化之方式輸出。信號切換時必須避免瞬發而可聽聞的聲響,附件中的3.1.2.3 (3)項說明相關規範。

聲學試驗頭型(dummy head)之建構如圖2所示,代表頭型之臉頰的兩側非平行面,以及頭型頂部之圓弧面部份,表面均需加上人工肌肉(artificial flesh),如“Satin Flex Plastiflex 664”材料。麥克風放置於兩側非平行面之中點孔穴內,麥克風形式須為American National Standard type L or M pressure microphoneAmerican National Standard type-2 sound level meter。聲學試驗頭型的底部支撐結構外型尺寸並無限制,設計者可自行決定。假頭的聲學隔離在所有測試頻帶必須不小於60dB。聲學隔離的測定為,在每一測試頻帶麥克風未遮蔽時的輸出值,和麥克風以一厚壁金屬蓋以油脂密封在假頭硬表面的輸出值,兩者的差值。

2. 聲學試驗頭型

2. 測試信號中心頻率

測試信號之中心頻率(Hz)

125

250

500

1000

2000

3150

4000

6300

8000

機台主要架構如圖3所示,聲學試驗頭型與揚聲器安裝於同一底座,微音器(麥克風)安裝於聲學試驗頭型內,音頻產生模組包含白噪音信號產生器、濾波器以及功率放大器,放大後的信號連接至揚聲器。訊號處理單元採用PIC單晶片控制器,接收來自麥克風的音壓訊號,進行運算後將衰減值(插入損失)結果以矩陣LCD顯示字幕輸出,亦可連接至電腦端顯示。

依據ANSI S3.19-1974,並參考CNS8454,測試機台操作程序規劃如下:

首先於聲學試驗頭型未戴上耳罩之情形下,量測參考點上125Hz250Hz500Hz1000Hz2000Hz3150Hz4000Hz8000Hz之音壓值。接著將耳罩置於聲學試驗頭型上,確認耳護蓋以頭型之耳朵為中心,對稱地調整頭帶,使其剛好接觸到頭帶支撐,再次量測所有頻帶之音壓位準,此時麥克風擷取的音壓為衰減後的音壓值,120秒後停止讀取,單晶片控制器計算此120秒內的音壓平均值後,與衰減前的音壓相減,差值即為插入損失。試驗程序至少重複三次,直至所有八音階頻帶之插入損失連續二次平均值的差值小於1dB

3. 防音防護具聲衰減測試機台系統架構圖

2.3 防音防護具頭帶疲勞測試機台

防音防護具頭帶疲勞測試機台主要功用在於測試防音耳罩頭帶(headband)部份在反覆開闔狀況下是否會產生疲勞破壞。基本需求是設計一個機構來進行耳罩反覆開闔的動作,且有4個設計上所必須達到的要求:

(1)   在反覆開闔動作中左右耳罩間的最近距離為25mm,最遠距離為200mm

(2)   耳罩反覆開闔次數不得低於1000次。

(3)   耳罩反覆開闔的頻率為10~12次∕分鐘。

(4)   測試時需防止耳罩脫落。

除前述反覆開闔功能需求外,長時間使用(如每日開闔一萬次以上)的可靠度也是設計考慮重點。

本計畫希望利用兩個步進馬達或RC伺服馬達帶動齒條,並且透過單晶片與程式控制,驅動左右兩耳罩同步做反覆開闔運動,如圖4所示。此設計概念可以省去複雜的連桿機構,只需將馬達動力經過齒條一次傳動後轉換成水平方向的往復推力,空間利用上也較為簡單,加上單晶片的計算及顯示功能,開闔位置控制較精確,且可提供一表頭,明確顯示測試進度(目前反覆次數)。道道實業並要求開闔時最大距離可依操作者調整,以符合不同市場之規範。

4. 雙馬達驅動設計

除了模擬開闔動作之外,本機台另一設計重點是耳罩的固定的方式,必須考慮到不同耳罩之尺寸差異,讓耳罩在模擬過程中不致於鬆脫掉落。圖5與圖6為固定耳罩機構的概念設計,採用機械式扣合方式夾緊耳罩,基座在下方,不至干涉頭帶,以彈簧扣及黑色海綿墊配合兩側螺栓夾緊耳罩護蓋,可適應不同耳罩護蓋尺寸。

   

5. 耳罩固定機構設計概念

6. 耳罩固定機構動作示意圖

2.4 防音耳罩夾緊力測試機台

本計畫防音耳罩夾緊力測試機台將依據CNS T2012 8454與歐洲標準EN 352-1, 1993設計製作。CNSCEN測試標準中,測試時將待測防音耳罩適當調整後固定於架撐模型上,測試期間不改變二塊調整板間距離,於佩戴防音耳罩經過120 ±5秒後量測頭帶彈性施加於二塊調整板之力量範圍,CNSCEN間不同處僅為架撐模型構建出之頭部尺寸,考量各國國人頭部尺寸間的差異。

7為本計畫測試基台中架撐模型硬體外型,為使測試機台在測試不同對象的適用性上能更為廣泛,架撐模型上設計有寬高度調整機構,左右兩側支撐耳殼護蓋之平板分別裝置有一組螺桿機構,以調整測試機台水平寬度,而垂直高度是經由中央支撐軸來調整,經由這三個固定位置的尺寸微調,使測試機台能夠以三組不同頭型尺寸進行測試。寬高度調整範圍均依照行政院勞委會勞工安全衛生研究所公佈之國人人體計測資料來決定,如表12所示。依據統計結果,將本架撐模型耳殼護蓋間標準寬度訂為151mm,此數值為國人頭寬之平均值,而調整範圍介於130mm170mm之間,此範圍已含蓋90%國人頭型。高度調整範圍設定亦依據國人人體計測資料訂為距離水平軸150mm。寬高度調整設計不僅使架撐模型能夠適應更多不同尺寸的測試對象,也能夠幫助研究人員評估評估防音耳罩頭帶調整功能之適用性。

1. 國人靜態二維頭部尺寸

尺寸名稱

平均值

標準差

最小值

最大值

兩耳珠間距(mm

150.90

11.28

113.86

188.22

頭頂至耳珠(mm

149.81

10.54

116.61

181.31

2. 國人靜態二維頭部尺寸百分位數

尺寸名稱

百分位數

2.5%

5%

50%

95%

97.5%

兩耳珠間距(mm

127.95

131.80

151.33

168.69

172.52

頭頂至耳珠(mm

129.80

133.29

149.16

167.53

170.32

7. 架撐模型硬體外型

夾緊力量測以S型荷重規作為感測元件,S型荷重規之外形設計具有可承受兩方向相對力量同時施於其上的特性,並藉由金屬壓電效應將所受壓力轉換為電壓輸出,其受力方式與量測特性十分符合夾緊力測試之設計需求。此型荷重規使用時搭配有一控制盒,此控制盒不僅提供荷重規所需電源、放大荷重規輸出之電壓訊號,並內建有將電壓訊號轉換為數值輸出之功能,可直接由顯示器讀取測得夾緊力數值。此外亦將提供一組校正砝碼供自行校正荷重規之用。

附件1ANSI S3.19-1974(ASA STD 1-1975) Method for the Measurement of Real-Ear Protection of Hearing Protectors and Physical Attenuation of Earmuffs

1.4 Applications

The primary method of this standard applies to communication units, special helmets, including safety helmets, pressure suits and other systems with sound-protective features, and to hearing-protective devices used in combination with one another, that is, earplugs plus earmuffs. The supplemental method applies to earmuff-type devices and provides data for use in earmuff design and production quality control, as well as for various other attenuation performance specification purposes. Earplugs may not be evaluated by this method. Neither the primary nor supplemental method is applicable for testing the nonlinear devices, amplitude-sensitive devices, nor other hearing-protective devices with features designed to operate exclusively against impulsive noises. These devices are included only in so far as their performance complies with the requirements of the standard. Standard methods for the real-ear evaluation of these devices are not established; consequently, the effectiveness of their special features cannot be adequately described in a uniform manner. 

2.5 Dummy Head

A device that approximated certain physical characteristics and dimensions of and average adult male human head and is used for measuring the attenuation of circumaural hearing protectors.

3.1.1.1 Ambient Noise

Table 1. Maximum permissible ambient noise

The ambient noise (with instrumentation on and no test signal present) at the position of the listener in the test room shall not exceed the values given in Table 1., measured with the listener absent from the room.

Frequency in Hertz

Octave band level in decibels, re 20μN/m2 (20 μPa)

Lower limit

Upper limit

Center

90

180

125

24

180

355

250

18

355

710

500

16

710

1400

1000

16

1400

2800

2000

14

2800

5600

4000

9

5600

11200

8000

30

3.1.1.3 Sound Field Characteristics

(2)The sound pressure level measured at six positions relative to the center of the subject’s head (without subjects), ±10cm(3.9in.) in front-back dimension and ±15cm (±5.9 in.) in the up-down and right-left dimensions, shall remain within a range of 6dB for all test bands (see 3.1.1.2). The difference in sound pressure level between the right-left positions shall not exceed 2 dB.

3.1.1.4 Sound Field Measurement

A directional (cosine or cardioid) microphone that exhibits in its free-field polar response at least 10-dB front-to-side and front-to-back rejection for each test band shall be used to measure the sound filed at the test space. The sound field shall be considered to approximate a random incidence field if, when the microphone is rotated about the center of the test space through 360° in each of the three perpendicular planes of the room, the observed sound pressure level in each test band remains within the variation allowed in Table 2.

3.1.2.3 Sound Field Measurement

(3)The signal on-off switch shall operate in such a manner that no transient or extraneous noises are audible to the normal ear. After operation of the switch, the time required for the sound pressure level of the test signal to rise from -20dB to -1dB, with reference to its final steady value, shall be not less than 0.02 second and not more than 0.10 second, and the time required for the sound pressure level of the signal to fall by 20 dB shall be not less than 0.005 second and not more than 0.10 second. This requirement is consistent with American National Standard Specifications for Audiometers, S3.6-1969 (R1973), and shall be met by the electronic system feeding the loudspeakers.

4.1.1.1 Test Room

(2) The band pressure level at the microphone for each test band frequency shall be not less than 85dB with reference to 20 μN/m2 (20 μPa) and shall be at least 60 dB higher than the level of the test room ambient noise in each test frequency band.

(3) The random incident characteristics of the sound field shall be determined in accordance with 3.1.1.4. The sound field used in the primary method is adequate for the physical measures when the band pressure level requirement of (2) is satisfied.