谢广枫1 李骏奇1

XIE Guang-Feng¹ LI Jun-Qi¹

随着人们生活水平不断提高，玩具消费在百姓家庭开支中所占比重也日益增加。但由于玩具的质量参差不齐，劣质玩具使儿童身心健康受到损害。因此玩具需要符合相关的玩具安全标准要求才能保障其安全性。

儿童具有浓厚的好奇心和喜欢探索的天性。他们在玩耍玩具时，喜欢把手指伸入各种孔洞中，想触摸孔洞里面或背后的东西，也喜欢把带有各种孔洞的东西套在手指上，这种把手指穿过各种孔洞的行为会让他们的好奇心得到满足，带给他们乐趣。然而，多起安全事故的报道使人们意识到，危险圆孔会紧紧地套住儿童的手指,使之不能拔出，从而阻断血液循环，时间一长便会造成手指坏死。

为了防范玩具中造成上述危害，GB 6675.2-2014玩具安全 第2部分：机械与物理性能（以下简称GB 6675.2^[1]）作出了相关要求，在条款4.13.1“刚性材料上的圆孔”中规定：供60个月以下儿童使用的玩具中的任何厚度小于1.58 mm的刚性材料上的可触及的圆孔如果可插入Φ6 mm的圆杆，且插入深度大于或等于10 mm，则应可插入Φ12 mm的圆杆。其中，GB 6675.2给出刚性材料的定义如下：按GB/T 2411测试时,材料的邵尔A硬度^[2]超过70。

1 研究的目的与意义

GB 6675.2对刚性材料上的圆孔提出了基本的技术要求，这些要求的前提是假定圆孔的内壁为标准的圆柱面，即传统、常见的圆孔，相当于在片状、板状的材料上挖去一个圆柱体，圆孔的厚度即为圆柱体的高度。但在实际检测中会遇到很多非传统圆孔的复杂情况，例如针对椭圆形的圆孔，其形状并非圆形，而是一种近似圆形的圆孔；还有其形状是圆形，但圆孔的壁厚不均匀，即圆周上有一部分的厚度小于1.58 mm，有一部分的厚度大于1.58 mm；其次有些圆孔内壁因装配后形成或者注入模具形成凸起的合模线的情况；另外还有因工艺的衍生，圆孔内壁为非圆柱面，而是全曲面或者部分曲面的情况，以上4种典型的复杂圆孔在GB 6675.2并无规定具体的、适用的检测和评估方法。因此，各检测机构只能依靠内部制定的检测方法和评定依据及尺度，但由于欠缺科学性，导致各机构的检测方法相差甚远，不能得出正确、科学、合理的检测结果，可能会因为评定尺度过松而将危险的玩具判为合格，导致其在市面流通，不能保障儿童的安全，或者因为评定尺度过严，而使得安全的玩具被判为不合格，影响了生产企业、流通企业的正当权益，限制了玩具产品丰富多样的设计或减弱了儿童的乐趣。

我们收集了实际检测中常见的多种复杂圆孔的情况，并逐一对其形态及其构成伤害的机理进行分析，根据GB 6675.2的原则，研究制定科学的检测和评定方法，为检测机构提升检测质量和玩具生产企业完善产品的设计提供重要参考，也使得儿童的安全能得到切实的保障。

2 常见复杂圆孔的分析与检测评定方法研究

2.1 近似圆形的圆孔

理想的圆孔是指同圆内，圆的半径长度相同的孔洞。但实际上，由于设计或者制造工艺的原因，往往会遇到一些可能通过肉眼明显看出并非理想圆形的近似圆孔，例如椭圆形的圆孔（见图1），或者圆周有些不规则的圆形。对于近似圆形的圆孔，可以采用圆度误差评定方法^[3]，在GB/T 7235-2004《产品几何量技术规范（GPS）评定圆度误差的方法半径变化量测量》中规定，圆度误差评定方法有：最小外接圆法、最大内接圆法、最小区域圆法和最小二乘圆法。针对玩具中常见的近似圆形的圆孔，一般采用最小区域圆法，此方法需要参考两个圆评定圆度误差。一个圆在被测圆轮廓外，一个圆在被测圆轮廓内，并且都与轮廓相接。圆度误差就是两个圆的半径差。即：∆Z_z = R_max －R_min（见图2）。

圆度测量方法有回转轴法、三点法、两点法、投影法和坐标法等。在实际操作中推荐使用投影法，将被测圆的轮廓影像与绘制在投影屏上的两极限同心圆比较，从而得到被测件的圆度误差。圆度误差除以最大半径值就能得出圆度误差率。

基于合理性和科学性，圆度误差率应该制定什么样的数值，近似圆形的圆孔才具有危险呢？实际上儿童手指的外形也并非一个理想圆，当手指被一个直径小于12 mm的圆孔或近似圆孔套住时，手指上的肉可能会被挤迫变形，“填充”到与圆孔或近似圆孔内壁完全接触的位置，手指中血液的流动受到阻碍，手指头一端的血液不能顺利回流。随着时间的流逝，手指头一端会愈发肿胀，如果不能及时为手指解套，就会导致一节手指发黑，最终坏死。而当孔的形状偏离圆形较多时，手指上的肉即使被挤迫变形，但不会与孔的内壁完全接触，血液还是可以从该处流过，不会造成手指坏死。

根据GB 6675.2-2014中，条款4.13.1“刚性材料上的圆孔”中规定：供60个月以下儿童使用的玩具中的任何厚度小于1.58 mm的刚性材料上的可触及的圆孔如果可插入Φ6 mm的圆杆，且插入深度大于或等于10 mm，则应可插入Φ12 mm的圆杆。即直径从6 ～12 mm范围内的圆孔都属于潜在的危险圆孔。根据多年积累的圆孔检测经验和实际安全风险分析，对于直径从6 ～9 mm（即6 mm＜R≤9 mm）范围内的近似圆孔，圆度误差率小于20%，则视为理想圆孔；对于直径从9 ～12 mm（即9 mm＜R≤12 mm）范围内的近似圆孔，圆度误差率小于15%，则视为理想圆孔，存在夹伤儿童手指的潜在危险，需要进一步结合其他条件进行符合性评定。

图1 椭圆形的圆孔

Fig.1 Oval hole

图2 最小区域圆法评定原理

Fig.2 Evaluation principle of minimum area circle method

2.2 圆周上厚度不均匀

圆孔的厚度不均匀，即圆周上有一部分的厚度小于1.58 mm，有一部分的厚度大于1.58 mm。例如：图3的玩具配件凹槽处的厚度小于1.58 mm，凸起部分的厚度大于1.58 mm。在GB 6675.2中并未提及圆周上厚度不均匀的情况，更未规定应如何评判。圆孔厚度的大小是圆孔的危险性评定的决定性因素之一，对于厚度小于1.58 mm的圆孔，其危险是会阻碍儿童手指的血液循环，导致手指坏死，所以我们需要测量和计算出厚度小于1.58 mm的部分，占整个圆周的比例。

手指血液循环被阻断可分为部分阻断和完全阻断两种情况：部分阻断是指还有部分、少量的血液是流通的。根据多年积累的圆孔检测经验和实际安全风险分析，大多数情况下手指圆周有85%以上部分血液循环被阻断，手指会发生坏死。在检测这类型圆孔时，首先测量圆孔的厚度小于1.58 mm的部分，然后计算是否占圆周的85%。如果厚度小于1.58 mm的区域占圆周的85%以上，则存在血液循环被阻断，可能导致儿童手指坏死。

图3 玩具配件

Fig.3 Toy accessories

2.3 圆孔内壁上有凸起的合模线

目前圆孔普遍都是装配后形成或者注入模具形成的，往往在装配后由于外边缘未打磨修整而出现圆孔内壁上有凸起的合模线的情况（见图3）。这种合模线大多很细小，厚度基本上都远小于1.58 mm，而有些合模线并非在圆孔的整个圆周上都存在，这时会带来该如何评判的难题。

针对内壁上有凸起合模线的圆孔，我们可以从合模线的刚性、厚度、凸起程度、合模线占圆周的比例来评定是否存在危险。首先检查合模线的材质是否刚性，有些合模线只是一层塑料薄片，测试人员用手轻轻一压就变形，并不能起到阻碍血液的作用；接着是合模线厚度的检测，测量其厚度是否小于1.58 mm。其次检测合模线的凸起程度，如果只是微微凸起，对圆孔的整个内壁面没有构成实质性的影响，即不会因为其存在而对手指造成额外的卡夹，则认为该合模线不存在危险。最后计算合模线占圆周的比例，其比例是否在85%以上。需要注意的是，在评定时应当谨慎，结合上述情况，即合模线是刚性材料、凸起高度不可忽略，而且厚度小于1.58 mm并占圆周的比例在85%以上，则可以评定为不合格，存在手指坏死的危险。

图4 圆孔内壁上的合模线

Fig.4 Parting line on inner wall of circular hole

2.4 内壁为非圆柱面的圆孔

传统、常见的圆孔的内壁为圆柱面，相当于在片状、板状的材料上挖去了一个圆柱体，圆孔的厚度就是这个圆柱体的高度。

而如今玩具种类繁多，衍生出许多工艺，出现了内壁为非圆柱面的圆孔，而是全为曲面的圆孔，内壁为单叶双曲面就是其中最典型的一种（见图5）。在几何学中，单叶双曲面是通过围绕其主轴旋转双曲线而产生的表面。在玩具中，也会应用到这种单叶双曲面的结构。

图5 内壁整个厚度为非圆柱面的圆孔纵向截面图

Fig.5 Longitudinal cross-sectional view of a circular hole with a non-cylindrical surface for the entire thickness of the inner wall

还有一种是部分厚度上呈曲面的圆孔（见图6），这类多见于圆孔上下开口处进行了倒圆处理的情况。从外观上来说，这样的处理会更为美观；从儿童玩耍的感受来说，这样的处理会使得手指进出圆孔时更顺畅、舒适。但玩具的设计者需要注意的是，这样的设计会导致圆孔的厚度减小了，可能会带来安全问题。

图6 内壁部分厚度为非圆柱面的圆孔纵向截面图

Fig.6 Longitudinal cross-sectional view of a circular hole with a non-cylindrical surface for partial thickness of the inner wall

在检测这类圆孔时，可以使用放大镜或投影仪，以观察圆孔内部结构属于上述哪一种。这两种类型的圆孔，往往都不能直接地按照传统的圆孔来直接测量其厚度，这问题困扰着许多检测机构。

对于内壁全为曲面圆孔的检测，需要进一步观察和评估其内壁的外形。以往有一种做法，会严格按照数学理论来计算，即将其厚度视为0。而实际上，儿童的手指并非刚性的理想圆杆，皮肤表面与皮肤下面的肉具有一定的弹性，当手指贴合圆孔内壁时表面会自然凹陷，所以即使是与曲面的内壁接触，接触长度也不为0。当曲面的曲率半径足够大的时候，曲面与手指接触的效果可视同于平面。而当曲面的曲率较大时，圆孔的厚度应视为0。我们需要确定作为分界线的曲率。因曲率的测量难度很大，可采用等效方法：测量曲面与相切平面的某个点的距离，如大于设定值则认为曲面的曲率过大，圆孔厚度视为0。结合经验数据与安全风险分析，手指与曲面接触时安全的最大凹陷度为0.6 mm，即为曲面某点与相切平面距离的设定值（见图7）。根据玩具安全标准中对圆孔厚度规定的1.58 mm，考虑到实际测量的不确定度及安全系数，宜取整为2.0 mm。具体测量方法为：确定圆孔内壁曲面中最窄的部分（通常为中央部分）的中点O，再确定与点O相切的平面上竖轴方向距离O为1.0 mm的点A；测量曲面与点A的距离L。如果L＞0.6 mm，则认为曲面的曲率过大，圆孔厚度视为0。如果L≤0.6 mm，则采用传统圆孔的厚度测量方法。

还有一种是部分厚度上呈曲面的圆孔（见图6），这类多见于圆孔上下开口处进行了倒圆处理的情况。从外观上来说，这样的处理会更为美观；从儿童玩耍的感受来说，这样的处理会使得手指进出圆孔时更顺畅、舒适。但玩具的设计者需要注意的是，这样的设计会导致圆孔的厚度减小了，可能会带来安全问题。对于部分厚度上呈曲面圆孔的检测，测量厚度时应取中部非曲面的部分。如果厚度大于1.58 mm，则评为合格，否则评为不合格。

图7 曲面点O与相切平面距离的设定值L

Fig.7 The set value L of the distance between the surface point O and the tangent plane

3 结论

本文针对玩具刚性材料上的圆孔在检测过程中遇到的常见疑难问题，阐述了近似圆形、圆周厚度不均匀、圆孔内壁上有凸起的合模线和内壁为非圆柱面4种常见的复杂圆孔。近似圆形的圆孔采用圆度误差率的方法，若直径6 ～9 mm范围内的近似圆孔，圆度误差率小于20%；直径9 ～12 mm范围内的近似圆孔，圆度误差率小于15%，则需要进一步结合其他条件进行圆孔的符合性评定。对于厚度不均匀的圆孔，测量圆孔的厚度小于1.58 mm的部分，计算是否占圆周85%以上，如果是，则判定为不合格。对于圆孔内壁上有凸起的合模线，可以从合模线的刚性、厚度、凸起程度、合模线占圆周的比例来评定是否存在危险，假设合模线是刚性材料、凸起高度不可忽略，而且厚度小于1.58 mm并占圆周的比例在85%以上，则可以评定为不合格。对于内壁为非圆柱面的圆孔，内壁全为曲面圆孔的检测，如果L＞0.6 mm，则认为曲面的曲率过大，圆孔厚度视为0。如果L≤0.6 mm，则采用传统圆孔的厚度测量方法；部分厚度上呈曲面圆孔的检测，测量厚度时应取中部非曲面的部分。如果厚度大于1.58 mm，则评为合格，否则评为不合格。

综上所述，对上述4种常见的复杂圆孔，结合其形态及其构成伤害的机理进行分析，研究制定科学的检测和评定方法，从而为检测机构提升检测质量和玩具生产企业完善产品设计提供重要参考。

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参考文献

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 玩具安全 第2部分:机械与物理性能: GB 6675.2—2014[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 塑料和硬橡胶　使用硬度计测定压痕硬度: GB/T 2411—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[3]高聿地．圆度误差评定方法的研究[J].机械工程与自动化, 2011(3): 126-128.

（文章类别：CPST-C）