鞋类勾心抗疲劳试验机研究进展 雷大鹏 许益升 朱小娇 陈文彬 温州市质量技术监督检测院/国家鞋类质量监督检验中心(温州) 摘 要： 针对如何选择鞋类勾心抗疲劳试验机的问题, 从施力机构工作原理异同的角度, 综述了勾心抗疲劳试验机研究的发展过程和最新进展。研究表明固定行程式存在试验过程中不能适应纵向刚度变化已被市场淘汰, 自适应行程式解决了固定行程式的缺点, 市场在售勾心抗疲劳试验机均为自适应行程式, 砝码自适应行程式存在对试样的惯性冲击的缺点, 气缸自适应行程式解决了冲击的问题, 气缸主动推拉自适应行程式结构简单, 气缸被动缓冲自适应行程式设计巧妙且为施力机构最新解决方案。研究结果能为勾心抗疲劳试验机厂家优化和鞋类产品实验室选择合适的勾心抗疲劳试验机提供一定指导。关键词： 勾心抗疲劳试验机; 研究进展; 鞋类产品; 气缸; 施力机构; 作者简介：雷大鹏 (1982-) , 男, 浙江泰顺, 工程师, 硕士, 主要研究方向为鞋类产品质量检测。E-mail:photocatalyst163.com。Advances in Footwear Shank Fatigue TestersLEI Dapeng XU Yisheng ZHU Xiaojiao CHEN Wenbin Wenzhou Institute of Calibration and Testing for Quality/National Quality Inspection and Testing Center on Footwear (Wenzhou) ; Abstract： On the issues of choosing an applicable Footwear Shank Fatigue Tester, this paper reviewed the advances of Footwear Shank Fatigue Testers from the perspective of work similarities and differences between Force application mechanisms. This paper showed that the Fixed Route was driven out of the market as it cant adapt the change of longitudinal rigidity during trials, now, the Shank Fatigue Testers sold in the market are Adaptive Route which can adapt that problem. The Weight Adaptive Route will cause the inertial impact of sample, the Air Cylinder Adaptive Route can solve it. The structure of the Active Sliding Cylinder is simple, but the Passive Buffer Cylinder has more ingenious design, which is the latest solution for force application mechanism. The results provided a direction for the tester factories and footwear labs to improve or choose applicable Shank Fatigue Testers.Keyword： shank fatigue tester; advance; footwear; air cylinder; force application mechanisms; 勾心作为受力部件装在鞋中底或外底内的腰窝部位, 起保持鞋底不纵向变形的作用1-2。由金属材料制成的勾心称为钢勾心3, 也称铁纤、铁芯或腰铁等。勾心抗疲劳性是指在规定条件下勾心对重复交变负荷的抵抗能力, 以断裂时的总循环次数作为疲劳寿命4。鞋有效跟高越高, 对勾心抗疲劳性要求就越高3,5。如勾心抗疲劳性不符合要求, 在鞋穿着过程中, 可能会造成穿着人崴脚或其他人身伤害6。抗疲劳试验机即是一种用于评估勾心抗疲劳性的试验机器4。由于 GB/T 28011-2011鞋类钢勾心中对抗疲劳性进行了要求, 近年来, 国内多个试验仪器厂家相继推出了各自的勾心抗疲劳试验机。然而, 当我们为实验室配备勾心抗疲劳试验机时, 如果只从厂家介绍或使用说明了解, 几乎很难了解或注意到这些勾心抗疲劳试验机施力机构之间的异同以及不同工作原理的优缺点。鉴于此, 对勾心抗疲劳试验机进行分析和比较的工作, 不仅对检测实验室确定现有试验机是否继续使用或配备新试验机时提供现实应用意义, 而且对厂家优化试验机也具有一定的指导意义。我们就不同的试验机施力机构工作原理的关键问题进行了分析和综述。1 样本和分类方法由于在 GB/T 3903.35-2008鞋类勾心试验方法抗疲劳性方法标准中, 只通过上夹具钳这个部件规定了对勾心施加力值、往复速率和需具备计数装置的要求, 未给出更多施力机构的信息。因此, 现阶段勾心抗疲劳试验机存在多种类型施力机构解决方案。现将仅申请专利但无实际样机出售的 2 款和在售有代表性的 7 款, 总计 9 款勾心抗疲劳试验机做为样本进行比较分析, 具体产品信息如表 1 所示。由于试验机之间主要的区别在于施力机构, 因此根据施力机构工作原理的异同对试验机进行分类, 并以技术改进的时间进程对各式的工作原理和优缺点进行阐述。先按行程在抗疲劳性试验过程中是否可适应纵向刚度的变化分为固定行程式和自适应行程式两大类。再将固定行程式行程初始行程是否可调分为不可调式和手动可调式。自适应行程式又按施力机构力来源的方式不同分为砝码式和气缸式, 对砝码式按两边的砝码是否同重进一步细分为同重式和差异式, 对气缸式按气缸是主动提供推拉力还是被动缓冲, 进一步细分为主动推拉式和被动缓冲式。勾心抗疲劳试验机的分类流程, 如图 1 所示。2 固定行程式固定行程是指试验过程中, 上夹具钳往复的行程是固定, 不随试验过程变化7。固定行程的试验机按行程是否可手动调节可以分为不可调式和手动可调式。2.1 不可调固定行程式不可调式试验机的行程是出厂时就设定好的固定值, 在使用过程中, 行程都不改变, 存在的问题也较容易发现7。由于勾心具有不同的纵向刚度, 用同一固定的行程, 对不同的勾心施加的力值是不一致的。因此对于不同的勾心, 用同一固定行程的方法, 明显存在不能满足所有勾心推拉力 (492) N 的要求4, 目前市场上已经见不到该类型的试验机。表 1 勾心疲劳试验机样本信息 Tab.1 Sample information of shank fatigue testers 下载原表 图 1 勾心抗疲劳试验机分类流程图 Fig.1 Classification flow chat of shank fatigue tester 下载原图图 2 手动可调行程式结构图 Fig.2 Structure chart of manual-control adaptive route 下载原图图中:1-动力轮;2-动力轮连;3-动力轮连杆固定螺丝帽;4-从动轮;5-从动连杆;6-从动连杆轴套;7-从动连杆固定螺丝帽;8-直形凹槽;9-连杆联结销;10-刻度;11-圆孔;12-箭头;13-上夹具钳左;14-下夹具钳左;15-推杆;16-滑动杆套;17-上夹具钳右;18-下夹具钳右;19-联结轴;20 和 21-联结销;22-勾心试样。2.2 手动可调固定行程式在不可调固定行程式机器的基础上, 唐振华等改进得到了可以根据勾心纵向刚度调整初始固定行程的手动可调固定行程式试验机, 其原理如图 27-8所示。手动可调行程式试验机工作原理是先用力值感应器水平拉动上夹具, 感应器读数为 49 N 时, 记下相应的行程位置, 然后通过调整仪器行程连杆的长短来控制该仪器的试验行程, 在电动机上将连杆设成可移动的, 可根据勾心的抗弯刚度选择合适的初始行程。手动可调行程式比不可调固定行程式确实有进步, 考虑到了不同纵向刚度的勾心需要不同行程匹配的问题, 但还未考虑到勾心在做抗疲劳性测试的过程中其纵向刚度是会根据裂纹形成的不同阶段发生变化, 纵向刚度越来越小, 相应的行程越来越大。因此依据初始纵向刚度设定的初始行程, 并不能满足一直保持 (492) N 稳定交变力的要求。图 3 GT-7054-A 外观 Fig.3 Facade of GT-7054-A 下载原图图 4 GT-7054-A 内部结构 Fig.4 Internal structure of GT-7054-A 下载原图3 自适应行程式在勾心抗疲劳试验过程中, 如果按勾心试验直至断裂时止, 一般要经历四个阶段, 包括:裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和断裂阶段。有时当勾心并未断裂, 但是纵向刚度却已经小于一定值, 试验机的往复行程达到触发传感器时, 试验机得到停机指令而停机, 此时就只有前面三个阶段。因此在设计抗疲劳试验机时候, 还应考虑裂纹扩展阶段后纵向刚度的变化引起的变化。为了能适应勾心在试验过程中的纵向刚度变化, 因此选择固定施力的负荷, 设计开发了自适应行程的试验机, 能根据不同纵向刚度自适应的调整行程, 很好的解决了固定行程式机器行程会自动适应纵向刚度变化的问题。该类试验机有一个最大的行程, 对纵向刚度有个最小的要求, 如果小于一定的纵向刚度, 达到最大行程就会引起试验机停机, 试验结束。但试验机也正是利用了这一点设置了传感器, 达到自动停机的效果。根据施力机构中负荷来源的方式可分为砝码式和气缸式, 其中砝码式的负荷来源于固定质量的砝码, 气缸式的为气缸内气体的压力。3.1 砝码自适应行程式砝码式按两边砝码质量是否一致分为同重式和差异式。图 5 HY-748 外观 Fig.5 Facade of HY-748 下载原图图 6 WL-GPL-B 外观 Fig.6 Facade of WL-GPL-B 下载原图3.1.1 同重砝码自适应行程式采用左右两边同等质量砝码解决方案的有高铁的 GT-7050-A 铁纤疲劳试验机, 正面外观如图 3, 内部结构如图 4 所示。还有恒宇的 HY-748 铁纤疲劳试验机, 外观如图 5 所示。从两款试验机的外观和内部结构图, 可以看出, 砝码分别安排在夹具钳的左右两边, 每个砝码都有相对应的顶杆, 当其中一个砝码由顶杆顶起后, 另一砝码落下从而带动钢丝或链条使得勾心变形, 在电动机的带动下, 提供往复的拉力。由于高铁采用了钢丝作为砝码与推拉力导杆的连接, 在做试验时可以看到, 钢丝一直在跳, 勾心也有一直在跳的感觉, 往复运动效果并不理想。另外试验时存在砝码落下冲击力, 也会导致钢丝断裂, 使得使用稳定性变差。恒宇用链条代替钢丝解决了易断和跳跃的问题。高铁和恒宇将速率设成固定的 4 r/s 和砝码选择 2.5 kg 左右的质量, 说明已经考虑到了砝码落下的冲击力问题。3.1.2 差异砝码自适应行程式采用左右两边砝码差异质量解决方案的有万丰的 WL-GPL-B 型勾心耐疲劳试验机, 外观如图 6, 内部结构如图 7 所示。差异式与同重式的区别在于左右两边的砝码质量不一致, 并只有大砝码下方有顶杆。差异式工作原理为当顶杆顶起大砝码时, 小砝码落下, 施加的力大小为小砝码质量加上冲击力, 直到勾心最大变形距离并停止, 当顶杆往下运动, 大砝码落下并通过链条带动小砝码往上提, 施加的力为大砝码减去小砝码质量再加上冲