安規工程：機械安全測試深度解析—穩定性、衝擊、外殼強度與運動部件防護

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6月1日
讀畢需時 13 分鐘

產品的機械安全是整體安全架構中不可或缺的一環，其核心目標在於預防因產品結構設計不當、材料強度不足、運動部件防護缺陷、或產品不穩定等因素，對使用者或維護人員可能造成的物理性傷害，如切割、刺穿、夾壓、撞擊、絆倒、或因產品傾倒、墜落引發的砸傷等。本篇將針對安規標準中常見的機械安全測試項目，進行深入的工程原理、測試方法、判讀標準及設計考量解析。

1. 穩定性測試 (Stability Test) – 預防傾覆危害之基礎驗證

穩定性測試主要針對可獨立放置（free-standing）的設備，無論是落地式、台式還是預期放置於水平表面的設備，其目的在於驗證產品在正常使用及可預見的外部擾動下，是否具有足夠的抗傾覆能力，以防止因意外翻倒而對使用者造成直接砸傷或間接引發其他危害（如內部危險部件外露）。

工程原理與危害分析： 產品的穩定性取決於其**重心（center of gravity）**位置、**支撐底面（supporting base）**的幾何形狀與尺寸，以及產品自身的重量分佈。當外力（如使用者倚靠、意外碰撞、或在斜面放置）作用於產品，或產品自身某些可移動部件（如抽屜、門）處於最不利位置時，若導致產品的重心投影超出其支撐底面邊緣，則產品將發生傾覆。
主要測試方法與參數： 標準中通常規定以下幾種測試方法，具體選用取決於產品類型、重量及預期使用方式：
- 傾斜平台測試 (Tilt Table Test)：
  - 方法： 將待測設備放置於一個可調角度的測試平台上，不加額外固定（除非產品本身設計有固定於支撐面的裝置）。平台以規定的速率（例如，不超過 1 度/秒）向不同方向緩慢傾斜至標準規定的角度（例如，對於大多數資訊技術設備及消費性電子產品，通常為 10 度；對於某些特定類型或重量較大的設備，可能要求 15 度或更高）。
  - 測試條件： 需在產品最不利的配置下進行，例如，對於帶有抽屜或門的設備，應將其打開至最大開啓位置；對於可調節高度或角度的部件（如顯示器支架），應調整至最不穩定的狀態。若產品設計有多種正常使用朝向，則每個朝向均需測試。
  - 判定： 在整個傾斜過程中及達到規定角度並保持一定時間（如 1 分鐘）後，待測設備不應發生翻倒。
- 水平力施加測試 (Horizontal Force Application Test)：
  - 方法： 將待測設備放置於水平剛性平面上，在其最易導致傾覆的頂部邊緣或特定高度（例如，不超過 2 公尺的任一點），沿水平方向施加一個規定的靜態力（例如，對於重量小於 40 公斤的設備，可能為其重量的 20% 或一個固定值如 100 N，取較大者；對於重量更大的設備，標準另有規定），力的作用點和方向應選擇最不利情況。
  - 判定： 在施加規定力值並保持一定時間後，待測設備不應發生翻倒。
- 特定產品的附加測試： 例如，對於帶腳輪的設備，可能需要進行腳輪鎖定後的穩定性測試；對於預期由兒童使用的產品，穩定性要求可能更為嚴苛。
設計考量與常見失效模式： 為通過穩定性測試，設計時應盡可能降低產品重心、擴大支撐底面積、合理配置內部元件重量，對於帶有可移動部件的產品，需充分考慮其開啓狀態對穩定性的影響。常見的失效原因包括頭重腳輕的設計、支撐腳過於靠近重心投影點、或在特定方向上缺乏足夠的抗傾覆力矩。

穩定性測試方法及其關鍵工程參數

測試方法	主要適用對象	關鍵測試參數 (舉例)	合格判定標準	工程設計重點
傾斜平台測試	各類可獨立放置設備 (落地式/台式)	傾斜角度 (如 10°, 15°)、傾斜速率 (≤1°/s)、最不利配置 (抽屜/門開啟)	在規定角度下不發生翻倒	降低重心、擴大支撐底面、合理重量分佈
水平力施加測試	通常為較高或較重的獨立放置設備，或標準特別規定者	施力大小 (如 100N 或 20%重量)、施力點 (最不利位置)、施力方向 (水平)	在規定外力作用下不發生翻倒	結構剛性、抗傾覆力矩設計

2. 衝擊測試 (Impact Test) – 外殼機械防護完整性之驗證

衝擊測試的目的是模擬產品在運輸、搬運或正常使用過程中，其外殼（enclosure）可能遭受到的意外機械撞擊，藉此評估外殼材料的抗衝擊強度（impact strength）及其結構設計的合理性，確保在遭受可預見的衝擊後，外殼不會發生破損、碎裂或永久變形，以致於：

危險帶電部件（hazardous live parts）或危險運動部件（hazardous moving parts）變得可觸及。
基本絕緣（Basic Insulation）或附加絕緣（Supplementary Insulation）受損，導致電氣間隙（clearances）或爬行距離（creepage distances）減小至低於安全限值。
外殼的防火性能（fire protection capability）受到削弱。
主要測試方法與設備： 國際標準中（如 IEC 60068-2-75《環境試驗第2-75部分：試驗Eh：錘擊試驗》以及眾多產品安全標準如 IEC 62368-1）規定了幾種常用的衝擊測試方法：
- 落球衝擊試驗 (Falling Ball Impact Test)：
  - 方法： 使用一顆規定質量（例如，常為 500 克 ± 5 克）和直徑（例如，約 50 毫米）的光滑、堅硬鋼球，從規定的垂直高度（例如，1.3 公尺，對應約 6.5 焦耳的衝擊能量，或依標準針對不同可觸及性或防護等級規定不同衝擊能量）自由落體撞擊待測設備外殼的預選測試點。
  - 適用性： 通常適用於評估較大面積、相對平坦或易受頂部墜物衝擊的表面。
- 彈簧衝擊錘試驗 (Spring-Operated Impact Hammer Test)：
  - 方法： 使用符合 IEC 60068-2-75 附錄B 規定的標準彈簧衝擊錘，其具有可選擇的衝擊能量等級（例如，0.2 J、0.35 J、0.5 J、0.7 J、1.0 J、2.0 J 等，依據產品類型、外殼材料、預期使用環境及可觸及性選定）。測試時，將彈簧錘的釋放機構預先設定至規定的衝擊能量，然後使其錘頭垂直或水平（視測試面而定）撞擊待測點。
  - 適用性： 應用更為廣泛，可對設備外殼的頂面、側面、底面（若正常使用時可觸及或承重）以及操作面板、顯示螢幕等部位進行衝擊。
- 擺錘衝擊試驗 (Pendulum Hammer Impact Test)：
  - 方法： 同樣依據 IEC 60068-2-75，使用特定結構的擺錘裝置，通過提升擺錘至特定高度再釋放，使其撞擊待測樣品，衝擊能量可調。
  - 適用性： 通常用於較大型或固定式設備的外殼衝擊測試。
測試點的選擇與數量： 測試點應選擇外殼上最可能因衝擊而導致上述危害的薄弱環節，例如：外殼的幾何中心、邊緣、角落、通風孔附近、顯示屏區域、按鍵周圍、以及材料本身較脆弱或內部靠近危險部件的區域。每個預選的測試區域通常施加 3 次衝擊（落球或彈簧錘）。
結果判讀標準： 衝擊測試後，待測設備應滿足以下要求：
1. 無危險部件外露： 使用標準試驗指（test finger）或試驗探棒（test probe）（如 IEC 61032 中定義的 B 型試驗指、13號試驗探棒等）檢查，不應能觸及危險帶電部件或危險運動部件。
2. 絕緣性能未受損： 電氣間隙與爬行距離不應減小至低於安全限值，必要時需進行耐電壓測試以確認。
3. 防火屏障未失效： 若外殼同時作為防火外殼，其完整性不應受損至影響防火能力。
4. 外殼可出現裂紋或凹陷，但碎片不應脫落（除非碎片本身無害且不影響上述安全要求）。

衝擊測試常用方法及其主要特性

測試方法	衝擊源	能量控制方式	主要適用範圍	參考標準 (舉例)
落球衝擊試驗	鋼球 (如500g)	自由落體高度決定衝擊能量	較大、平坦表面，模擬頂部墜物衝擊	IEC 62368-1, IEC 60950-1
彈簧衝擊錘試驗	標準彈簧錘	彈簧預壓縮程度決定衝擊能量 (如0.2J~2.0J)	應用廣泛，可對頂/側/底面及特定部件進行多角度衝擊	IEC 60068-2-75, IEC 62368-1
擺錘衝擊試驗	特定結構擺錘	擺錘提升高度決定衝擊能量	較大型或固定式設備，可提供較大範圍的衝擊能量	IEC 60068-2-75

3. 外殼機械強度及穩態力測試 (Enclosure Mechanical Strength & Steady Force Test) – 結構抵抗持續外力之能力評估

此類測試旨在驗證產品外殼及其固定部件在承受預期的持續性靜態機械力（非衝擊力）時，是否具有足夠的強度和剛度，以防止發生以下情況：

過度變形導致危險帶電部件或危險運動部件變得可觸及。
安全關鍵的內部元件（如絕緣屏障、保護接地連接點）發生移位或損壞。
電氣間隙或爬行距離減小至安全限值以下。
對於熱塑性材料外殼，還需考慮應力消除測試（Stress Relief Test），以評估其在成型後以及在高溫環境下，是否存在因內應力釋放而導致的有害變形。
穩態力測試 (Steady Force Test)：
- 方法： 使用具有特定形狀和尺寸的測試工具（例如，符合 IEC 61032 的 11 號試驗指的指尖部分，或直徑 30mm 的圓形平面施力頭），在待測外殼的不同表面（特別是使用者可能按壓、倚靠或施加力的部位，以及相對薄弱的區域）垂直施加一個規定的靜態力，並保持一定時間（例如，5 秒或 30 秒）。
- 施力大小： 取決於產品類型、預期使用環境以及外殼的可觸及性，例如：
  - 使用者正常操作可能施加的力：30 N（如按鍵、旋鈕）。
  - 非操作面，但可能承受外力：100 N。
  - 堅固型設備或特定標準要求：250 N 或更高。
- 結果判讀： 施力期間及移除力後，外殼不應出現導致上述危害的破損、永久變形，試驗指不應能觸及危險部件。
應力消除測試 (Stress Relief Test for Thermoplastics)：
- 方法： 主要針對由熱塑性材料製成的外殼或部件，首先將樣品（或其相關部分）置於一個高溫烘箱中，在一個足以軟化材料但又不至於使其熔融的溫度下（例如，通常為 70 °C 或比產品正常工作時該部件最高溫升再高 10 °C，取較高者），保持一段較長時間（例如，7 小時）。
- 目的： 模擬材料在長期高溫環境下或因注塑成型內應力釋放而可能發生的蠕變或尺寸變化。
- 結果判讀： 從烘箱取出並冷卻至室溫後，檢查樣品是否有影響安全的變形、收縮、翹曲或開裂，例如，原先符合要求的電氣間隙或爬行距離是否因此減小，或者防護屏障是否失效。此測試後，樣品通常還需接受其他相關測試（如衝擊測試、耐電壓測試）以確認其安全性未受影響。

4. 銳利邊角毛邊測試 (Sharp Edges, Sharp Points, and Burrs Test) – 預防切割與刺穿傷害

此測試的目的是檢查產品在使用者正常操作、安裝、維護或清潔過程中，所有可觸及的邊緣（edges）、角落（corners）及突出點（protrusions），是否存在可能導致割傷、劃傷或刺傷的銳利（sharp）狀態或毛邊（burrs）。

測試工具與方法：
- 銳利邊緣測試儀 (Sharp Edge Tester)： 國際上廣泛採用的是類似 UL 1439 標準中規定的測試儀，其核心部件是一個帶有特殊感應膠帶（通常為三層結構：底層泡棉、中間感應層、外層薄膜）的旋轉心軸，測試時，以規定的力（例如，約 6.7 N）將測試儀的感應頭沿著待測邊緣移動一段距離（或旋轉一定角度），若膠帶被割破超過一定長度（顯示出中間感應層），則該邊緣被判定為銳利。
- 銳利尖端測試儀 (Sharp Point Tester)： 依據如 16 CFR Part 1500.48 (美國消費品安全委員會 CPSC 針對玩具的規定，但原理可借鑒) 或類似標準，測試儀有一個帶彈簧加載的感應頭和一個矩形開槽的量規帽，測試時，將感應頭以規定的力（例如，4.5 N）壓向待測尖端，若尖端能穿透感應頭的特定深度並使指示燈亮起或使量規帽能套入，則該尖端被判定為銳利。
- 目視與觸覺檢查： 對於無法使用上述儀器進行量化的部位，或作為初步篩查，安規工程師也會憑藉經驗進行目視檢查和小心地觸覺感知（需佩戴防護手套）。同時檢查金屬沖壓件、塑膠注塑件是否存在未去除乾淨的毛邊。
適用範圍與設計改進： 此測試適用於所有使用者在正常操作、安裝、搬運及可預見的維護（如更換耗材、清潔）過程中可能接觸到的部件，特別是金屬板金件的邊緣、塑膠外殼的開模線、散熱孔邊緣、螺絲頭部等。若發現銳利邊角或毛邊，設計上應採取倒角、圓滑處理、折邊、加裝保護套/邊條、或改進模具及後製程工藝等措施。

5. 移動部件防護測試 (Protection Against Hazards from Moving Parts) – 避免機械夾壓與傷害

此測試旨在確保產品內部或外部的危險運動部件（hazardous moving parts），如風扇葉片、齒輪、皮帶傳動機構、連桿機構等，對使用者（尤其是兒童的好奇手指）有足夠的防護，防止因意外觸及而導致夾傷、切割傷、擠壓傷或捲入等傷害。

標準試驗探棒的應用： 評估運動部件的可觸及性，主要依據 IEC 61032《外殼提供的防護檢驗用試驗探棒》中定義的各種標準試驗探棒，最常用的是：
- B 型試驗指 (Jointed Test Finger)： 模擬成人手指，帶有關節，用於評估通過開孔或縫隙觸及內部部件的可能性。
- 13 號試驗探棒 (Test Probe 13 / Unjointed Test Finger for Children)： 模擬兒童手指（例如，3歲以下兒童），直徑較小，不帶關節，對開孔的防護要求更為嚴格。
- 其他特定探棒：如試驗銷（Test Pin）、試驗棒（Test Rod）等，用於模擬不同尺寸的物體或身體部位。測試時，以規定的力（例如，10 N 或 30 N）將選定的試驗探棒從各個可能的方向和角度，嘗試通過外殼上的開孔（如通風孔、散熱柵格、縫隙）伸入，若探棒能夠觸及到危險運動部件，則防護不足。
防護罩與安全距離的設計：
- 固定式防護罩 (Fixed Guards)： 採用堅固的格柵、網罩或外殼部件，將運動部件完全包覆或隔離，防護罩自身的開孔尺寸必須滿足安全距離要求，即開孔大小與其到危險運動部件的最近距離之間存在一個安全的對應關係（可參考 ISO 13857《機械安全防止上肢及下肢伸及危險區之安全距離》或具體產品標準中的規定，例如，風扇護網的網格密度與其到扇葉的距離）。
- 聯鎖防護罩 (Interlocked Guards)： 若防護罩需要在設備運行時或運行後短時間內被打開（例如，進行維護），則應採用聯鎖設計，即一旦防護罩被打開，危險運動部件的電源應被立即切斷，並且在部件完全停止運動之前，防護罩不能被輕易打開，或部件應在極短時間內（如1秒內）停止。
- 運動部件的停止時間： 若採用聯鎖防護，需量測從聯鎖觸發到運動部件完全靜止所需的時間，確保其足夠短，以防止在慣性運動期間造成傷害。

6. 提攜/搬運裝置與固定裝置強度測試 (Strength Test for Handles, Carrying Means, and Mounting Fixtures)

對於可攜式設備的提手、握把，或預期安裝於牆壁、天花板、機架上的設備的固定裝置，其機械強度必須足以承受設備自身重量及可預見的動態負載，防止因斷裂、脫落導致設備墜落，造成人員砸傷或設備損壞。

提攜裝置強度測試 (Handle Strength Test)：
- 方法： 主要針對可攜式設備的提手或握把，將設備懸掛或固定，然後對提手施加一個垂直向下的靜態力，該力通常為設備自身重量的數倍（例如，2 倍或 4 倍，視標準和設備重量而定），並保持一定時間（例如，1 分鐘或 5 分鐘）。對於某些設備，還可能要求進行動態的循環提吊測試。
- 判定： 測試後，提手及其固定點不應出現斷裂、永久變形或鬆脫等影響安全使用的現象。
固定裝置強度測試 (Mounting Fixture Strength Test)：
- 方法： 主要針對需要壁掛、吊裝或機架安裝的設備，將設備按照製造商規定的安裝方式固定在模擬的安裝結構上，然後對設備或其固定點施加一個通常為設備自身重量 4 倍的靜態力（方向為正常使用時重力方向，或最不利的受力方向），並保持一段較長時間（例如，1 小時）。
- 判定： 測試後，固定裝置（如螺絲、掛鉤、支架）及其在設備上的連接點，以及設備自身的相關結構件，均不應出現斷裂、永久變形或任何可能導致設備從安裝位置脫落的損壞。

機械危害類別及其對應的防護設計與測試驗證焦點

機械危害類別	潛在傷害形式	關鍵防護設計原則	主要安規測試驗證項目
產品不穩定	傾覆、翻倒導致砸傷或間接危害	降低重心、擴大支撐面、合理重量分佈、限制可移動部件對穩定性的不利影響	穩定性測試 (傾斜平台、水平力施加)
外殼破損	接觸內部危險部件 (帶電/運動)、絕緣失效	選用足夠機械強度的外殼材料、優化結構設計以分散應力、避免應力集中點	衝擊測試 (落球、彈簧錘)、穩態力測試、應力消除測試 (熱塑性材料)
銳利邊角	切割傷、劃傷、刺傷	所有可觸及邊緣及尖端進行圓滑處理、倒角、折邊、去毛邊、或加裝保護件	銳利邊緣測試儀檢測、銳利尖端測試儀檢測、目視與觸覺檢查
運動部件	夾傷、擠壓傷、切割傷、捲入	採用固定式防護罩隔離、確保安全開孔尺寸與安全距離、使用聯鎖防護罩配合快速停止機制	標準試驗探棒 (B型試驗指/13號探棒等) 進行可觸及性評估、運動部件停止時間量測、防護罩固定性與強度檢查
提攜/固定失效	設備墜落導致砸傷、設備損壞	選用高強度材料製作提手/固定件、確保連接點結構可靠、進行足夠的安全裕量設計	提攜裝置強度測試 (靜態/動態負載)、固定裝置強度測試 (靜態負載)

結論：機械安全作為整體產品安全不可或缺的維度

產品的機械安全設計與測試，是確保使用者免受物理傷害的關鍵環節，其重要性不亞於電氣安全或防火安全。安規工程師必須在產品設計的初期階段就充分識別所有潛在的機械危害，並依據適用的安全標準，系統性地應用上述各項防護原則與設計措施，例如，透過合理的結構佈局優化產品的穩定性、選用具有足夠機械強度和抗衝擊性能的外殼材料、對所有可觸及邊緣進行鈍化處理、為運動部件提供可靠的防護、以及確保提攜與固定裝置的絕對牢固。