李夕兵，杜晶，洪亮

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

頭部是身體中的敏感部分，在事故中安全帽能夠提供很好的保護(hù)作用[1]。安全帽由帽殼、帽襯、下顎帶及其他附件組成。當(dāng)作業(yè)人員頭部受到墜落物的沖擊時(shí)，利用安全帽先將沖擊力分解到頭蓋骨的整個(gè)面積上，將大部分沖擊力吸收，使最后作用到作業(yè)人員頭部的沖擊力降低，從而起到保護(hù)作業(yè)人員的作用。高空落物是引起嚴(yán)重事故的主要原因之一。安全帽對(duì)沖擊能量的吸收在事故中具有重要意義。所以，在礦山和建筑等行業(yè)中，要求佩戴能抵御一定沖擊力的質(zhì)量合格的安全帽[2]。近年來，我國由于安全帽質(zhì)量問題引發(fā)的事故越來越多[3]，為此，國家質(zhì)檢總局等有關(guān)部門曾先后對(duì)安全帽進(jìn)行質(zhì)量抽查，合格率只有50%～80%。抽查結(jié)果顯示安全帽質(zhì)量亟待提高[4]。很多安全帽的抗沖擊性能很差甚至一碰即碎[5-6]。使用廢舊塑料回收處理后作為原料是安全帽質(zhì)量差的主要原因。事實(shí)上，有關(guān)安全帽的防護(hù)性能早已引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注，人們對(duì)工業(yè)安全帽的熱性能等進(jìn)行了深入的研究[7-10]。另外，國外有許多學(xué)者對(duì)摩托車安全帽的抗沖擊性能進(jìn)行了研究。Mills等[11-14]對(duì)安全帽的外殼的變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Hanssen等[15]對(duì)安全帽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深入的實(shí)驗(yàn)研究。本文作者利用落錘裝置進(jìn)行了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即同一能量下不同材質(zhì)安全帽沖擊性能對(duì)比；同一材質(zhì)不同能量下安全帽沖擊性能對(duì)比；老化、帽襯損壞的安全帽與新的安全帽性能對(duì)比。通過實(shí)驗(yàn)研究揭示影響安全帽抗沖擊防護(hù)性能的主要因素，以便為相關(guān)行業(yè)安全帽的生產(chǎn)、經(jīng)營與造型提供科學(xué)依據(jù)。

1 安全帽抗沖擊性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到絕大部分廠礦企業(yè)使用的安全帽多是根據(jù)GB 2811—89生產(chǎn)的，實(shí)驗(yàn)裝置參考GB 2812—89要求，采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行[16]。沖擊臺(tái)架是一臺(tái)能提升和釋放鋼錘，并能使之自由或加速向下落的試驗(yàn)臺(tái)架。 鋼錘的外形要求對(duì)稱均勻，材質(zhì)為45號(hào)鋼，質(zhì)量為11 kg。數(shù)據(jù)的采集記錄采用應(yīng)變測量系統(tǒng)由應(yīng)變片、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、瞬態(tài)記錄儀和計(jì)算機(jī)等組成。本試驗(yàn)使用的超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀型號(hào)為CS-1D。應(yīng)變片型號(hào)為 BX120-2AA，靈敏系數(shù)為(2.08±1.00)%，柵長和柵寬分別為2 mm和1 mm。試驗(yàn)用頭部模型為根據(jù)GB 2812—89的參數(shù)用木料制作而成。自制頭部模型實(shí)體圖如圖1所示。應(yīng)變片分別粘貼在該頭部模型的上、中、下3個(gè)部分(圖1)，以便能分別測試模擬頭頂、側(cè)面和靠近頸部的應(yīng)力。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所使用的樣品是分別從不同工礦企業(yè)收集的由不同廠家生產(chǎn)的不同材質(zhì)安全帽。這些安全帽的帽殼材料為高密度聚乙稀(HDPE)或者 ABS樹脂。帽襯材料為低密度聚乙稀(LDPE)或高密度聚乙稀(HDPE)。根據(jù)生產(chǎn)廠家不同，分別把安全帽分為6種，用A，B，C，D，E和F表示，具體參數(shù)見表1。

所有的沖擊實(shí)驗(yàn)均在落錘沖擊臺(tái)上完成。試驗(yàn)時(shí)將頭模垂直固定在基座上，安全帽的帽襯調(diào)至適當(dāng)位置后帶到頭模上，鋼錘自由下落沖擊安全帽。鋼錘重心運(yùn)動(dòng)軌跡與頭模中心線重合，通過應(yīng)變測量系統(tǒng)記錄顯示頭模所受的沖擊應(yīng)力波[17]。

圖1 自制頭部模型實(shí)體圖Fig.1 Self-made head model

表1 試驗(yàn)樣品參數(shù)Table 1 Experiment parameters of helmets

為了測定安全帽的性能，本文進(jìn)行了3組對(duì)比試驗(yàn)：同一能量下不同材質(zhì)安全帽沖擊性能對(duì)比；同一材質(zhì)不同能量下安全帽沖擊性能對(duì)比；老化、帽襯損壞的與新安全帽性能對(duì)比。安全帽及其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 安全帽及其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Test specimen and its corresponding parameters

2 結(jié)果與分析

落錘碰撞安全帽過程中，能量被分為3個(gè)部分：一部分能量E1以應(yīng)力波的形式反射進(jìn)入落錘；另一部分能量E2被安全帽吸收；最后一部分能量E3進(jìn)入頭部模型。進(jìn)入頭部模型的這部分能量反映了安全帽沖擊性能，即E3越小，E1越大，說明安全帽性能越好。

進(jìn)入頭部模型的能量E3為：

根據(jù)式(1)可知：E1和E2越大，E3就越小。

在試驗(yàn)中通過粘貼在頭部模型上的應(yīng)變片測量頭部模型的應(yīng)變，通過動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)記錄的應(yīng)力波得出。應(yīng)力波的瞬時(shí)能量密度為w[16,18]：

式中：σ為應(yīng)力；δ為質(zhì)點(diǎn)位移；ρ為介質(zhì)密度；v為質(zhì)點(diǎn)速度；E為彈性模量。

由此可見：在應(yīng)力波所具有的能量中，質(zhì)點(diǎn)的彈性應(yīng)變能(σδ)和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能(ρv2)各占一半，并且與應(yīng)力幅值的平方成正比。在沒有衰減的傳遞中，應(yīng)力的幅值不變，即能量不變。

應(yīng)力波的能量E為：

式中：A為應(yīng)力波振幅；c0為波速。

試驗(yàn)中記錄的波形圖的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)為時(shí)間和電壓，在示波器記錄儀上設(shè)定介質(zhì)微應(yīng)變(με)為1 000時(shí)電壓為0.25 V，假設(shè)試驗(yàn)的應(yīng)力波傳遞過程中沒有衰減。即

其中：εS為頭部模型的應(yīng)變。又因?yàn)?/p>

故

由此可知：應(yīng)力σ與電壓U成正比。應(yīng)力波的能量與電壓的幅值的平方成正比。所以，通道2測得的電壓幅值越小，說明安全帽吸收能量的能力越強(qiáng)[18]。

2.1 同一能量下不同材質(zhì)安全帽沖擊性能對(duì)比

為了評(píng)估安全帽的性能，篩選安全系數(shù)較高的材質(zhì)，落錘撞擊點(diǎn)選擇在安全帽頂部，落錘的質(zhì)量為11 kg，提升50 cm高度，總的沖擊能量為55 J，分別作用在安全帽A，B，C和D上。經(jīng)去噪后由應(yīng)變片1和2測得的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，對(duì)應(yīng)的安全帽破壞情況如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在超載沖擊試驗(yàn)中，所有A和D型號(hào)的新安全帽都可承受55 J的沖擊，未發(fā)生嚴(yán)重的外殼損傷；而B和C型號(hào)的安全帽在55 J的沖擊能下，均發(fā)生了不同程度的損壞。根據(jù)安全帽的安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)峰值力超過4.9 kN時(shí)，或者當(dāng)沖擊后安全帽發(fā)生破裂時(shí)，安全帽就不再具有保護(hù)頭部安全的功能。根據(jù)式(3)和(5)可知：電壓越大，頭部模型受到的沖擊力就越大。從圖2可以看出：頭部模型受力由小到大依次為C，B，A和D，說明在55 J的沖擊下，安全帽 C頭部模型的受到?jīng)_擊最大，安全帽D受到的沖擊最小。這與表 3給出的安全帽受沖擊后的破壞情況是一致的。由表3可見：安全帽B和C外部結(jié)構(gòu)損壞，它們都已經(jīng)失去了保護(hù)作用。這時(shí)，安全帽必須立即更換。然而，在同等情況下，安全帽D還保持在完好的結(jié)構(gòu)，仍對(duì)頭部具有保護(hù)能力。從抗沖擊的因素考慮，安全帽D的質(zhì)量最優(yōu)。

圖2 試驗(yàn)記錄的不同材質(zhì)安全帽應(yīng)力波形Fig.2 Recorded stress waves of different materials

表3 55 J能量下不同型號(hào)安全帽的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of different helmets under 55 J

2.2 同一材質(zhì)安全帽在不同沖擊能量下的性能對(duì)比

為了測試不同能量下安全帽的防護(hù)性能，本文進(jìn)行了同一個(gè)材質(zhì)的安全帽在不同沖擊能量下的沖擊試驗(yàn)。分別將落錘升高40，50和60 cm，落錘對(duì)應(yīng)的沖擊能量分別為44，55和66 J。安全帽的破壞情況如圖3所示，其相應(yīng)的沖擊后安全帽狀況描述見表4。

由表4可知：新安全帽在44 J的沖擊試驗(yàn)中，只是在其帽頂由兩道裂痕。當(dāng)沖擊能量增加到55 J超載時(shí)，安全帽發(fā)生了外殼破裂，但錐形落錘并未觸及頭模；當(dāng)能量達(dá)到66 J時(shí)安全帽穿洞，并且落錘直接接觸頭部模型，這時(shí)安全帽完全喪失了保護(hù)頭部的作用。

2.3 老化、帽襯損壞安全帽與新安全帽性能對(duì)比

為了評(píng)估帽殼或者帽箍上具有微小裂紋的舊安全帽的安全性能，試驗(yàn)之前先在新安全帽上用刀片在帽箍上預(yù)置裂紋，且靠近連接孔。對(duì)這些試樣進(jìn)行中心沖擊試驗(yàn)，并將其試驗(yàn)結(jié)果與在實(shí)際環(huán)境中老化的安全帽以及新的安全帽的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。F1是實(shí)際環(huán)境中老化的安全帽，F(xiàn)2是模仿微小裂紋而預(yù)制帽襯裂紋的安全帽，F(xiàn)3是新的安全帽。頭頂應(yīng)變片測量到的去噪后的應(yīng)變信號(hào)如圖4所示，安全帽破壞情況見圖5。

實(shí)驗(yàn)表明：雖然使用過2 a的安全帽亦能夠通過標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)，可是只要輕微增加沖擊能量，增加到55 J，這些舊安全帽就被穿孔，不能起到保護(hù)頭部的作用。由此可見，定期更換安全帽絕對(duì)必要。

除了外殼損壞外，也觀察到帽箍損壞情況。由圖4和圖5(b)可以看出：雖然新安全帽的帽襯損壞之后，帽殼能夠承受55 J的能量而不發(fā)生大的損壞，但是通道2的電壓波動(dòng)相當(dāng)明顯，電壓幅值比同組實(shí)驗(yàn)樣品的大。說明帽襯損壞后安全帽吸收沖擊能量的性能顯著降低，很容易對(duì)人體頭部造成大的直接傷害。原因在于帽箍能延遲并減小傳送到頭部和頸部的壓力。更重要的是，它可以吸收一部分沖擊能量。因此，作為安全帽的一個(gè)關(guān)鍵部分，帽箍的損壞應(yīng)當(dāng)被看成是整個(gè)安全帽的破壞，這在實(shí)用中常常被忽略，必須引起安全帽使用單位的足夠重視。

圖3 同一材質(zhì)安全帽在不同沖擊能量下的破壞情況Fig.3 Destruction of same materials of helmets under different energies

表4 同一型號(hào)不同沖擊能量后的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of same materials of helmets under different energies

圖4 不同使用環(huán)境(F組)安全帽在頭模上的實(shí)測信號(hào)Fig.4 Strain signal measured on models of type F used in different environments

3 結(jié)論

(1) 國內(nèi)主要材質(zhì)的新安全帽均能順利通過標(biāo)準(zhǔn)沖擊測試，但當(dāng)將沖擊能量增加到55 J時(shí)，有些材質(zhì)的安全帽出現(xiàn)裂紋甚至穿洞，對(duì)頭部失去保護(hù)作用。而同一材質(zhì)的安全帽承受沖擊能量是有限的，當(dāng)沖擊能量超過55 J時(shí)，將會(huì)失去保護(hù)作用。

圖5 F組安全帽破壞情況Fig.5 Destruction of helmets F

(2) 帽箍利用變形來吸收能量并保護(hù)頭部。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帽箍具有不可忽視的防護(hù)功能，帽箍的脫落或斷裂也可引起安全帽的整體失效，而導(dǎo)致致命傷害。帽箍有裂紋的安全帽吸收沖擊能量減小，它的防護(hù)性能明顯下降。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)帽箍的質(zhì)量及完好狀況給予更多重視。

(3) 氣候和作業(yè)環(huán)境對(duì)安全帽影響極大。在環(huán)境中老化的安全帽由于受到強(qiáng)烈紫外線照射、高溫、高濕度引致塑料材料變脆，從而使沖擊強(qiáng)度降低。因此，經(jīng)過2～3 a的使用，安全帽的外殼材料明顯褪色老化，其沖擊強(qiáng)度也明顯下降，難以確保使用者的安全，必須定期變換。

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