吳瑛戟

上海制筆技術(shù)服務(wù)有限公司 上海松江區(qū) 201615

一、引言

學(xué)生使用的筆類產(chǎn)品的安全問題持續(xù)受到行業(yè)和社會的關(guān)注，特別是《學(xué)生用品的安全通用要求》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來，許多涉及學(xué)生使用的筆類產(chǎn)品的安全項(xiàng)目得到強(qiáng)制執(zhí)行。筆套安全作為此標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目之一，受到了消費(fèi)者、文具制造廠商和市場監(jiān)管部門的重視，每年也都有兒童誤吞筆套等部件被搶救的新聞報道。此筆套安全規(guī)范已實(shí)施多年，每年仍有不少公司因筆套安全性能不合格被處罰或召回產(chǎn)品，給公司不僅造成了經(jīng)濟(jì)損失和社會形象的損害，而且不合格產(chǎn)品對學(xué)生的安全帶來了實(shí)質(zhì)性的風(fēng)險。據(jù)2020年上海市學(xué)生用品產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查結(jié)果顯示[1][2]，100 批次的抽查產(chǎn)品（中性筆和記號筆）中有12 個批次產(chǎn)品的筆套安全性不合格。為什么筆套安全規(guī)范實(shí)施10多年，仍有這么多的產(chǎn)品存在筆套安全的問題呢？究其原因主要是公司經(jīng)營者對筆套安全項(xiàng)目重視和了解不夠；抑或產(chǎn)品設(shè)計師對標(biāo)準(zhǔn)理解不透，無法設(shè)計出合格的安全筆套；還有制造中未形成對筆套安全性項(xiàng)目的常規(guī)檢測控制，導(dǎo)致不合格產(chǎn)品流入市場等等。為此，我們有必要對標(biāo)準(zhǔn)中的筆套安全性項(xiàng)目進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)和解讀，從產(chǎn)品的設(shè)計入手，提高設(shè)計質(zhì)量，形成安全筆套設(shè)計規(guī)范和質(zhì)量控制體系，才能系統(tǒng)地解決這一問題。

二、筆套安全標(biāo)準(zhǔn)演變和實(shí)施回顧

1、筆套安全標(biāo)準(zhǔn)的演變

為了更好地理解筆套安全標(biāo)準(zhǔn)，我們有必要對筆套安全標(biāo)準(zhǔn)的演變過程進(jìn)行梳理。筆套安全性能最早以標(biāo)準(zhǔn)的形式確定下來是英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7272:1990《Specification for Safety caps for writing and marking instruments》（書寫和記號工具安全筆套規(guī)范）。之后的版本為BS 7272:1998，標(biāo)準(zhǔn)名稱未變化，技術(shù)內(nèi)容無實(shí)質(zhì)性的改變，只更新了定義等內(nèi)容。隨后修訂為BS 7272-1:2000《Writing and marking instruments—Part 1：Specification for safety caps》（書寫和記號工具—第1 部分：安全筆套規(guī)范），標(biāo)準(zhǔn)名稱進(jìn)行了改變，技術(shù)內(nèi)容無實(shí)質(zhì)性的變化。同時發(fā)布了BS 7272-2:2000《Writing and marking instruments—Part 2：Specification for end closures》（書寫和記號工具—第2 部分：尾塞規(guī)范），規(guī)定了安全尾塞的技術(shù)規(guī)范（BS 7272-2 本文不予討論）。2008年，英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（BSI）又發(fā)布了BS 7272-1:2008 和BS7272-2:2008。

另外，在英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（BSI）發(fā)布BS 7272:1990后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO 11540:1993《Caps for writing and marking instruments intended for use by children up to 14 years of age—Safety requirements》（14 歲以下兒童使用的書寫和記號工具筆套的安全要求），其技術(shù)內(nèi)容與BS 7272:1990 一致。2014年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO 11540:2014《Writing and marking instruments—Specification for caps to reduce the risk of asphyxiation》（書寫和記號工具 降低窒息風(fēng)險的筆套規(guī)范），其技術(shù)內(nèi)容與BS 7272-1:2008 一致。

我國在2007年發(fā)布了GB 21027—2007《學(xué)生用品的安全通用要求》，并于2008年4月1日正式實(shí)施。此標(biāo)準(zhǔn)的3.7 條“筆的上帽安全”規(guī)定了安全筆套的要求，其技術(shù)內(nèi)容與ISO 11540:1993 一致。2020年GB 21027—2020 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，此標(biāo)準(zhǔn)的4.8 條“筆套安全”規(guī)定了安全筆套的要求，其技術(shù)內(nèi)容與ISO 11540:2014一致，此版標(biāo)準(zhǔn)將于2022年2月1日正式實(shí)施。2020年7月21日，GB/T 39023—2020《書寫和記號工具 降低窒息風(fēng)險的筆套規(guī)范》發(fā)布并實(shí)施，此標(biāo)準(zhǔn)使用翻譯法等同采用ISO 11540:2014。另外還有檢驗(yàn)檢疫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN/T 0969《進(jìn)出口彩色水筆檢驗(yàn)規(guī)程》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24110《進(jìn)出口筆類產(chǎn)品筆帽和端蓋安全要求及測試方法》中都規(guī)定了筆套安全性的要求，這里不再贅述。

2、筆套安全標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的變化

通過這一系列筆套安全標(biāo)準(zhǔn)的梳理，BS 7272-1:2000 及以前的版本，ISO 11540:1993 和GB 21027—2007 中對安全筆套的技術(shù)要求是基本一致的，安全筆套至少符合三個條件之一，分別是筆套尺寸、筆套通氣面積和筆套空氣流量。BS 7272-1:2008、ISO 11540:2014、GB 21027—2020 和GB/T 39023—2020中對安全筆套的技術(shù)要求是基本一致的，安全筆套至少符合兩個條件之一，分別是筆套尺寸和筆套空氣流量。另外將筆套通氣面積設(shè)計指南作為資料性附錄放在了附錄中，給筆套依靠外部通氣時的通氣面積設(shè)計提供了設(shè)計指導(dǎo)。主要筆套安全標(biāo)準(zhǔn)的演變列于表1 中。

表1 筆套安全標(biāo)準(zhǔn)演變

三、安全筆套的設(shè)計

對于安全筆套，首先在產(chǎn)品設(shè)計階段就要進(jìn)行重視，將安全筆套的設(shè)計流程程序化，將安全筆套的設(shè)計規(guī)范作為產(chǎn)品設(shè)計輸入的一部分。遵照安全筆套的規(guī)范，筆套應(yīng)至少符合筆套尺寸的要求和筆套空氣流量的要求。對于尺寸比較大的筆套，可以首先考慮滿足筆套尺寸的要求。標(biāo)準(zhǔn)要求筆套在自身重量作用下，沿軸線方向垂直進(jìn)入直徑為mm、厚度不小于19mm 環(huán)形量規(guī)時，未進(jìn)入環(huán)形量規(guī)的筆套長度應(yīng)至少為5mm[3][4][5]。將這一要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計要求就是，在徑向尺寸為16.05mm 處的徑向平面與筆套兩端面的最小距離大于5mm，并考慮其他制造誤差等因素，將這一距離適當(dāng)增加20%。具體的設(shè)計尺寸方式可以參照文獻(xiàn)[6]。

對于無法滿足筆套尺寸要求的情形，安全筆套必須滿足筆套空氣流量的要求。標(biāo)準(zhǔn)要求在室溫下，最大壓差為1.33kPa 時，筆套的空氣流量至少為8L/min[3][4][5]。這要分兩種情況進(jìn)行探討，一是筆套依靠內(nèi)部通氣的情形，二是筆套依靠外部通氣的情形。

1、內(nèi)部通氣的筆套設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)中指出筆套依靠內(nèi)部通氣時，通氣截面積約為3.4mm2的圓孔能夠滿足壓差為1.33kPa 時，筆套的空氣流量為8L/min[5][9]。經(jīng)計算直徑為φ2.1mm 時可以滿足這一要求，這一結(jié)論同文獻(xiàn)[7]理論計算的結(jié)果基本一致。我們將內(nèi)部圓孔為φ2.3mm 的筆套進(jìn)行空氣流量的試驗(yàn)，空氣流量最少為9.5L/min，經(jīng)過計算通氣孔φ2.1mm 時空氣流量最少為7.9L/min；另外用通氣孔φ2.2mm 的筆套進(jìn)行測試，空氣流量最少為8.6L/min，基本驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)的合理性。但為了安全起見需要有一定的保險系數(shù)。另外標(biāo)準(zhǔn)特別指出，內(nèi)部是由多個小孔通氣時，可能要求更大總截面面積。在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，對于筆套內(nèi)部是多個異形孔組成的或內(nèi)部有其他零件的狀況，同樣測試條件下，空氣流量要下降15%～20% 左右。如圖1 中性筆的筆套，圖中A內(nèi)部有密封圈，去除筆夾后用軟管包住，使其只能進(jìn)行內(nèi)部通氣，經(jīng)測試此時空氣流量為2.7L/min（壓差為1.33kPa）。圖中B 內(nèi)部無密封圈時，用軟管包住，使其只能進(jìn)行內(nèi)部通氣，經(jīng)測試此時空氣流量為3.4L/min（壓差為1.33kPa），兩種狀態(tài)比較，有密封圈時通氣量要下降20%。所以在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計階段，對于內(nèi)部通氣的安全筆套設(shè)計目標(biāo)為：內(nèi)部為單一圓孔，無其他結(jié)構(gòu)的情形，考慮有一定的保險系數(shù)，可將圓孔截面積大于3.7mm2作為設(shè)計目標(biāo)；內(nèi)部為多個小孔或有其他結(jié)構(gòu)和零件的情形，設(shè)計的通氣孔截面積應(yīng)不小于4.3mm2（比內(nèi)部單一圓孔放大15%）。

圖1 中性筆筆套

2、外部通氣的筆套設(shè)計

對于筆套依靠外部通氣的情形，對設(shè)計師來說要設(shè)計出合格的安全筆套是一項(xiàng)較大的挑戰(zhàn)性工作。從前面的標(biāo)準(zhǔn)演變中可以了解到，外部通氣的情形需要計算筆套通氣面積，要求筆套橫截面上至少要有不小于6.8mm2的連續(xù)空氣通道并延伸到距筆套兩端均為2mm 長度范圍內(nèi)，只要滿足這一條件，也符合安全筆套的要求，被認(rèn)為不會產(chǎn)生窒息危險[3]。但這一條款在實(shí)際的產(chǎn)品檢測過程中操作性不強(qiáng)，因?yàn)槊娣e計算過程較為復(fù)雜，并且計算誤差較大，所以在后面的版本中將這一要求已經(jīng)刪去，作為資料性附錄給出，對筆套通氣面積的設(shè)計給出了指南。另外，筆套依靠外部通氣時空氣通道的截面積是內(nèi)部通氣時的兩倍，并且筆夾兩端分別離筆套兩端面的距離要求不大于2mm。這主要是考慮到測試時外包的軟管變形和在筆套兩端會收縮，或者說筆套卡在呼吸道時，呼吸道壁易發(fā)生包裹和阻擋作用，使原有通氣的筆夾與筆套通道變窄，導(dǎo)致通氣量無法滿足設(shè)計要求。

筆套依靠外部通氣時，如何設(shè)計合格的通氣截面？按照標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計指南的要求，首先筆套設(shè)計時除了筆套兩端2mm 的范圍內(nèi)，徑向包容面積不宜小于6.8mm2的空氣通道。這一點(diǎn)在CAD 軟件中比較容易實(shí)現(xiàn)。另外要校核筆夾兩端與筆套兩端的距離是否小于2mm。但是，難點(diǎn)在于筆夾等凸起物的兩端與筆套兩端的距離無法滿足小于2mm 的要求時，通氣測試時兩端易被軟管堵住無法通氣。這種情況，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，一個較好解決方法是筆套最大外接圓直徑大于筆套前端直徑的1.25～1.3 倍來設(shè)計，并將圖中的L 調(diào)整到小于4mm，因?yàn)樵跍y試時，軟管直徑接近筆套最大外接圓直徑的80%，這樣有一定的保險系數(shù)。其他的比較特殊的筆套結(jié)構(gòu)可以在設(shè)計階段，用3D 打印方式制作筆套模型，進(jìn)行實(shí)際測試后確定。

3、安全筆套設(shè)計通氣面積計算

按照前面的分析，我們在設(shè)計安全筆套時可以通過計算有效的通氣面積的方法來進(jìn)行設(shè)計校核，這里介紹實(shí)際使用中簡單實(shí)用的通氣面積系數(shù)法。我們將筆套內(nèi)部單個圓孔通氣為方式1；筆套內(nèi)部有零件阻擋或多個小孔通氣為方式2；筆套外部通氣，L ≤2mm 的通氣方式為方式3；筆套外部通氣，L1≥1.25～1.3D,L ≤4mm 的通氣方式為方式4；筆夾等凸起物一端伸出筆套端面，且另一端凸起物也伸出筆套端面或與端面齊平的通氣為方式5。各通氣方式示意圖具體參見圖2。

圖2 筆套通氣方式

考慮到通氣方式通常是幾種方式的組合，所以有必要確定各種方式的計算系數(shù)。前面討論和試驗(yàn)了內(nèi)部通氣方式1 和方式2，我們將方式1 的面積系數(shù)C1確定為1，方式2 的面積系數(shù)C2為0.85。另外通過實(shí)物模型，對方式3～5 進(jìn)行了通氣量的測試，總結(jié)確定了各外部通氣方式的計算系數(shù)。各通氣方式的通氣面積系數(shù)如表2。按照我們的研究和測試，為保險起見安全筆套有效通氣面積比標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)要求為3.4mm2）提高10%，定為3.7mm2較為合適。

表2 各種通氣方式的通氣面積系數(shù)

具體的計算公式為：

式中：

S—筆套有效通氣面積

Si—通氣方式i 時的通氣面積

Ci—通氣方式i 時的面積系數(shù)

當(dāng)計算得到的筆套有效通氣面積S ≥3.7mm2時，設(shè)計方案成立。

4、安全筆套設(shè)計流程

根據(jù)以上的分析和總結(jié)，我們將安全筆套的設(shè)計流程總結(jié)如圖3。

圖3 安全筆套的設(shè)計流程圖

四、安全筆套檢測和制造

1、筆套空氣流量檢測注意事項(xiàng)

對于安全筆套的檢測須按照標(biāo)準(zhǔn)中的方法嚴(yán)格執(zhí)行，這里不再贅述。這里要特別指出的是，在GB 21027—2007，ISO 11540:1993 和BS 7272:2000 及以前的版本里，筆套通氣面積放在要求里提出，后面的說明里有“符合本要求的筆套被認(rèn)為不會產(chǎn)生窒息危險”。在標(biāo)準(zhǔn)后面的版本里這一條要求作為“筆套通氣面積的設(shè)計指南”在附錄中給出，其注2[4][5][8][9]“符合本附錄的筆套被認(rèn)為不會產(chǎn)生窒息危險，但是需要通過空氣流量試驗(yàn)來驗(yàn)證。一些筆套在設(shè)計上完全不同于本附錄所描述的結(jié)構(gòu)，但是如果采用接近最大允許內(nèi)徑的彈性軟管進(jìn)行試驗(yàn)，依靠外部通氣仍有可能滿足空氣流量的要求。這類筆套最好用內(nèi)徑接近筆套外接圓直徑80%的軟管重新試驗(yàn)”。如何來正確理解這一條設(shè)計指南的附注，如何在檢測中進(jìn)行貫徹，需要引起技術(shù)人員的重視和關(guān)注，這里包含兩層內(nèi)容。

首先，依靠外部通氣的筆套，盡管滿足通氣截面積的要求，仍需要通過空氣流量要求的驗(yàn)證，這是新版標(biāo)準(zhǔn)的最新要求。其次是依靠外部通氣的筆套在空氣流量的試驗(yàn)過程中，對于軟管內(nèi)徑的選擇作出了明確的指導(dǎo)意見，要用內(nèi)徑接近筆套外接圓直徑80%的軟管進(jìn)行測試，最大限度地防止引起測試誤判。所以，標(biāo)準(zhǔn)中的這一條注釋給檢測人員指出了選擇軟管時，對于不是單純的內(nèi)部通氣的情形，最好選擇內(nèi)徑接近筆套外接圓直徑80%的軟管進(jìn)行測試。設(shè)計師在設(shè)計安全筆套時，依靠外部通氣的筆套，要求盡量增大外接圓直徑，前面指出外接圓直徑盡量大于筆套直徑D 的1.25倍以上就是這個原因。在綜合計算有效通氣面積時，外部通氣面積需要乘以一定的系數(shù)，具體參見表2。

2、筆套制造中的注意事項(xiàng)

筆套安全項(xiàng)目是市場抽查的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，由于是安全項(xiàng)目，檢測要求100%合格，所以要求在制造過程中進(jìn)行嚴(yán)格管控。因?yàn)楣P套往往是塑料注塑成型，筆套上的通氣孔通常是模具的型芯與型腔對碰或?qū)Υ┬纬傻?。在注塑成型過程中，模具零件的磨損或模具閉合不緊密等原因，通氣孔處經(jīng)常會出飛邊，通氣孔面積就會減小甚至孔被堵住。所以需要將筆套安全項(xiàng)目進(jìn)行分解細(xì)化作為日?？刹僮鞯臋z測項(xiàng)目，如通氣孔是否有毛邊，通氣孔是否堵塞等項(xiàng)目列入零件的檢驗(yàn)規(guī)范中。

3、筆套安全性能檢測流程

根據(jù)文獻(xiàn)[4][5]關(guān)于筆套安全性能的要求，有必要總結(jié)一套規(guī)范的筆套安全性能檢測流程，見圖4。

圖4 筆套安全性能檢測流程

五、結(jié)語

對筆套安全標(biāo)準(zhǔn)的演變、我國筆套安全標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施進(jìn)行了回顧，陳述了歷次版本筆套安全標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的主要變化。提出了安全筆套設(shè)計時需要遵循的幾個要點(diǎn)，以及設(shè)計過程中針對不同通氣方式的通氣面積計算，確定了面積計算系數(shù)，使設(shè)計師在設(shè)計時具有可操作性，并總結(jié)給出了安全筆套設(shè)計流程。解讀了筆套通氣面積的設(shè)計指南，并提出了非完全內(nèi)部通氣方式檢測軟管的選擇和安全筆套制造中質(zhì)量控制的注意事項(xiàng)。最后總結(jié)了安全筆套檢測的流程供標(biāo)準(zhǔn)使用者參考。