柜类产品防倾翻装置力学性能分析研究.pdf

捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测77轻工标准与质量2023 年第 5 期77轻工标准与质量2023 年第 5 期柜类产品防倾翻装置力学性能分析研究刘晨光*谢明君（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）摘要：安装防倾翻装置可以提升柜的稳定性，研究其力学性能有助于优化该类产品的测试方法，并为产品设计和选型提供依据。采用 GB/T 10357.4-2013、ISO 7170:2021、ASTM F2057-14、ASTM F3096-14 规定的测试方法，对不同柜类样品安装防倾翻装置前后的稳定性水平以及防倾翻装置自身强度进行了测试。结果表明，安装防倾翻装置显著提升了柜类产品在多个稳定性测试项目上的表现。背景墙材质对采用背胶连接的样品的使用效果具有显著影响，粘贴在乳胶漆墙面上的防倾翻装置抗拉水平较低。现有标准中对于防倾翻装置强度测试的方法存在一定的局限性，需要进一步细化。关键词：柜类产品；稳定性；力学性能；测试方法中图分类号：TS633 文献标志码：A DOI：10.19541/ki.issn 1004-4108.2023.05.015柜类稳定性是涉及柜类家具产品使用安全性能的重要指标，也是家具力学性能检测中最重要的检测项目之一，稳定性不达标将严重影响使用者的安全1-3。根据美国消费品安全委员会（CPSC）的统计，2000 年 1 月至 2022 年 7 月间，因柜类稳定性问题引发的事故共计 341 起，造成 152 人受伤和 12 人死亡。在我国，由于家具稳定性等力学性能不合格而造成儿童受伤的情况也屡见不鲜，引起了社会的重点关注4,5。为此，我国强制性国家标准 GB 28007-2011 规定：所有高于 600 mm的儿童柜应提供固定产品于建筑物上的连接件6（防倾翻装置），并明示使用方法。2015 年，美国消费品安全委员会发起了“Anchor it”运动，呼吁消费者使用防倾翻装置将柜类家具固定在墙上，防止家具倾翻，从而保护儿童安全7。目前，仅有美国的 ASTM F3096-14 标准提供了专门针对衣柜防倾翻装置的测试方法，而且主要针对使用螺钉与墙体连接的产品。本研究采用了国内外多个标准进行交叉比对试验，旨在为评价及分析柜类产品防倾翻装置的力学性能提供思路和参考依据，并为进一步提高柜类产品的安全性能提供指导和建议。1 材料与方法1.1 试验样品本试验选取市售翻门柜及抽屉柜（3 件）及防倾翻装置（6件）作为测试对象。为了在试验过程中尽量发挥防倾翻装置的作用，3 件柜类样品均选择了高深比较大的产品，相关信息如表 1 所示。防倾翻装置选取了材质及连接方式各异的不同组合，基本囊括了市售的常见类型，如图 1、表 2 所示。1.2 试验方法1.2.1 基础柜类稳定性试验方法在不安装防倾翻装置的情况下，分别按照 GB/T 10357.4-表 1 试验用柜基础信息样品编号1 号2 号3 号尺寸（mm）4002401 545400300910470300955自重（kg）15.3115.125.93主体材质纤维板纤维板塑料高深比6.443.033.18表 2 试验用防倾翻装置基础信息防倾翻装置编号1 号2 号3 号4 号5 号6 号与墙体连接方式背胶背胶背胶背胶膨胀螺钉膨胀螺钉与柜体连接方式背胶背胶背胶背胶自攻螺钉自攻螺钉连接带材质金属塑料塑料金属塑料金属捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测78轻工标准与质量2023 年第 5 期20138、ISO 7170:20219、ASTM F2057-1410标准中的具体项目，逐项测试柜类样品的稳定性，其中水平拉力采用手持式数字测力仪进行模拟，在柜体产生倾翻趋势时记录水平力峰值，垂直压力采用金属砝码和/或装有玻璃珠的帆布袋进行精准模拟。试验后，记录根据 3 项标准测试后稳定性出现不合格的具体项目。1.2.2 加装防倾翻装置后的稳定性试验方法根据产品使用说明，在柜类样品的适当位置安装防倾翻装置，重复基础柜类试验（1.2.1 节）中稳定性出现不合格的项目。此外，为了探究防倾翻装置的强度极限，根据 5 岁儿童的 95 分位数体重11，在进行 ASTM F2057-14 试验时，将加载重物质量由 23 kg 持续增加到 30 kg，并观察防倾翻装置是否出现连接松动。本试验采用光滑的油漆木板作为使用说明中推荐的固定连接面，为了模拟现实生活中的实际使用场景，采用背胶连接的 4 组试验在实验室的常规乳胶漆墙面上进行平行对照试验。1.2.3 防倾翻装置强度试验方法根据产品使用说明，在柜类样品的适当位置安装防倾翻装置。分别按照 GB/T 10357.4-2013、ASTM F3096-1412、ISO 7170:2021 中的防倾翻装置强度测试方法进行试验。其中与墙体连接方式为背胶的 4 组试验在光滑的油漆木板和乳胶漆墙面上分别进行。试验后，记录防倾翻装置的强度是否符合标准要求。2 试验过程与数据分析2.1 基础柜类稳定性试验根据 GB/T 10357.4-2013 进行试验时，3 件柜类样品中仅1 号柜在活动部件关闭状态下的空载稳定性试验中出现倾翻现象。该试验项目针对高度大于 1 000 mm 的柜类样品提出了在柜体顶部前边缘施加一个 40 Nm 水平瞬时力矩的规定，但由于该样品的高深比过高，柜体在水平拉力达到 15.3 N 时发生了倾翻。ISO 7170:2021 的试验项目整体与 GB/T 10357.4-2013 较相似，但该标准中对空载的、高度大于 1 000 mm 的样品顶部前边缘的施力要求达到了 50 N，因此 1 号样品发生了倾翻。此外，ISO 7170:2021 增加了存储部件空载时在活动部件上向下垂直施力的稳定性试验，对于高度大于 1 000 mm 的样品，施力要求为 150 N，高度小于 1 000 mm 的样品，施力要求为100 N。1 号柜在本项试验中，在力值达到 11.9 N 时即产生了倾翻趋势。根据 ASTM F2057-14 进行试验，当在打开的门或抽屉上放置 23 kg 重块（3 岁儿童 95 分位数体重13）时，3 件柜类样品无一例外均发生了倾翻，且仅有 2 号柜在重物质量持续降低到 15 kg 后能保持稳定。3 件柜类样品标准分项通过情况数据统计如表 3 所示。表 3 柜类样品标准分项试验结果标准试验项目柜类样品编号123GB/T 10357.4-2013存储部件空载，活动部件关闭存储部件空载，活动部件打开存储部件加载，活动部件关闭/存储部件加载，活动部件施力ISO 7170:2021活动部件关闭，存储部件空载存储部件空载，依次开启活动部件存储部件空载，所有活动部件打开存储部件空载，活动部件施力存储部件加载，活动部件施力存储部件加载，依次开启活动部件/ASTM F2057-14存储部件空载，活动部件打开存储部件空载，活动部件施力注：通过；：未通过；/：不适用。2.2 加装防倾翻装置后的稳定性试验2.2.1 光滑油漆木板3 件柜类样品在分别加装 6 种防倾翻装置后，均能通过2.1 节所述的全部不合格项目，能够显著提升柜类产品的防倾翻（稳定）性能。根据 ASTM F2057-14 进行 30 kg 过载试验时，1 号柜柜门铰链出现断裂，试验终止；2 号柜在载荷图 1 试验用防倾翻装置捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测79轻工标准与质量2023 年第 5 期增加到 30 kg 时仍能保持稳定；3 号柜由于本身材质的问题，在 30 kg 的载荷作用下，抽屉与柜体面板结合处即出现脱离，试验终止，如图 2 所示。图 2 ASTM F2057-14 过载稳定性试验2.2.2 乳胶漆墙面对照组试验在 2 号柜上进行，1 4 号防倾翻装置与墙体连接的部分均使用背胶与试验室的乳胶漆墙面进行粘贴连接。粘贴后，为保证粘贴强度还使用了塑料刮片对胶贴面进行了加固处理。根据 ASTM F2057-14 进行 23 kg 施力试验后，1 4 号防倾翻装置均出现了与墙面脱胶的现象，如图 3 所示。5 号、6 号防倾翻装置采用膨胀螺钉与墙面稳固连接，根据 ASTM F2057-14 进行 30 kg 过载试验时，柜体仍能保持稳定。图 3 2 号柜乳胶漆墙面对照组试验2.3 防倾翻装置强度试验3 件柜类样品在分别加装 6 种防倾翻装置并与光滑的油漆木板连接后，按照 GB/T 10357.4-2013、ISO 7170:2021、ASTM F3096-14 中“防倾翻装置强度试验”项目的试验程序，在柜体上部前侧分别施加 200 N、230 N 和 300 N 的水平力，如图 4 所示，测试结果如表 4 所示。可以看出，采用螺钉与光滑油漆木板连接的防倾翻装置的结构强度显著高于背胶连接的装置，5 号防倾翻装置在 242.2 N 的水平拉力作用下，甚至出现了连接扎带断裂的破坏形式。此外，防倾翻装置与柜体本身的连接强度也显著影响对样品整体强度的判断，1 3 号防倾翻装置在与 2 号柜粘连的位置均出现了脱胶的问题，且抗拉峰值水平力均低于 200 N 的最低标准要求。4 号防倾翻装置的连接带端部为两颗金属珠，尽管连接带本身强度很高，但金属珠与金属连接带的连接处强度明显不足，1 号柜的试验中，在138 N 的水平拉力下即发生断裂。图 4 防倾翻装置强度试验更换全新的防倾翻装置，将固定端更换为实验室乳胶漆墙面后，抗拉峰值水平力出现了明显下降，所有采用背胶连接的装置均出现了因墙面脱胶产生的失效，采用膨胀螺钉与墙面固定的 5 号、6 号防倾翻装置均能通过 300 N 水平拉力的测试，结果如表 5 所示。可以看出，背胶与乳胶漆墙面的粘贴强度远低于油漆木板表面，4 号防倾翻装置的最高峰值水平力仅为113.7 N，远低于 200 N 的标准最低要求，交界面的主体材质对于粘贴强度的影响非常显著。同样作为背胶连接，在胶粘面积并没有显著增大的前提下，4 号防倾翻装置的抗拉强度明显更优，分析原因，可能是 4 号防倾翻装置的金属绳配合钢珠的设计能够将水平拉力分解为一部分垂直向下的分力，进而在一定程度上提升了抗拉强度。3 结论本研究采用控制变量法进行正交试验，对安装防倾翻装置前后的柜体稳定性及防倾翻装置本身的强度进行了量化分析，并得出以下结论：（1）在选用适当的背景墙面且正确安装防倾翻装置的情况下，不同柜类产品的稳定性均能得到显著提升。在模拟大体重（23 kg、30 kg）儿童攀爬空载柜体的极端情况下，防倾翻装置均表现出了优异的力学性能，有效地降低由于误操作引起柜类倾翻造成的安全风险。（2）对于采用背胶进行粘贴固定的防倾翻装置，背景墙捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级计量与检测80轻工标准与质量2023 年第 5 期表 4 防倾翻装置强度试验（光滑油漆木板）防倾翻装置1 号柜2 号柜3 号柜水平力破坏形式峰值水平力（N）水平力破坏形式峰值水平力（N）水平力破坏形式峰值水平力（N）200（N）230（N）300（N）200（N）230（N）300（N）200（N）230（N）300（N）是否通过是否通过是否通过1是是否板面脱胶247.7否否否柜体脱胶125.0是否/柜体变形209.22是是否柜体脱胶243.9否否否柜体脱胶162.4是否3是是是无/否否否柜体脱胶149.0是否4否否否钢珠连接处断裂138.0是否否钢珠连接处断裂202.0是否5是是否扎带断裂242.2是是是无/6是是是无/是是是无/表 5 防倾翻装置强度试验（乳胶漆墙面）防倾翻装置1 号柜2 号柜3 号柜水平力破坏形式峰值水平力（N）水平力破坏形式峰值水平力（N）水平力破坏形式峰值水平力（N）200（N）230（N）300（N）200（N）230（N）300（N）200（N）230（N）300（N）是否通过是否通过是否通过1否否否墙面脱胶41.1否否否墙面脱胶45.5否否否墙面脱胶55.52否否否40.0否否否70.7否否否62.43否否否77.1否否否58.9否否否57.34否否否113.7是否否108.0否否否107.35是是是无/是是是无/6是是是无/是是是无/面的材质对防倾翻装置使用效果的影响具有决定性。与乳胶漆类墙面进行粘贴连接的防倾翻装置在柜类稳定性试验和自身强度试验中未能表现出足够的力学性能水平。（3）现有的防倾翻装置强度试验是基于螺钉等固定连接方式设计的。然而，除了规定加载力的位置和方向外，还应当明确考虑背景墙的材质属性，并细化试验前防倾翻装置的连接方式，包括安装位置、角度、固化时间等参数，确保试验模拟真实使用情况，进而提高试验的准确性和可复现性。参考文献1 李芳菲,张磊,黄伟,等.家具力学性能稳定性研究 J.家具与室内装饰,2021(01):38-40.2 张磊.完善力学性能检测方法 J.家具,2013,34(04):88-90+96.3 罗珊,关惠元.柜类家具防震减灾设计探讨 J.山西建筑,2012,38(36):26-28.4 朱剑刚,杨露.基于ADAMS的抽屉柜加载稳定性虚拟测试J.林业工程学报,2016,1(01):118-121.5 姚晨岚.国内标准和 ASTM 标准柜类稳定性比对分析 J.中国标准化,2016(14):160-162.6 GB/T 28007-2011 儿童家具通用技术条件 S.7 周林.五斗柜家具倾覆稳定性研究 D.南京:南京林业大学,2020.8 GB/T 10357.4-2013 家具力学性能试验 第 4 部分：柜类稳定性 S.9 ISO 7170:2021 Furniture-Storage units-Test methods for the determination of strength,durability and stabilityS.10 ASTM F2057-14 Standard Safety Specification for Clothing Storage UnitsS.11 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