李啟月，王靖博，王宏偉，曾海登，楊曉梟，劉玉豐

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

安全帽是最常見的頭部保護裝備，與人類生命安全息息相關(guān)。安全帽能使瞬時沖擊力在短時間內(nèi)得到緩解和分散，減小瞬時沖擊力，降低頭部沖擊損傷程度[1]。近年來，因安全帽質(zhì)量不合格造成的安全隱患不斷增加[2]。對安全帽做隨機檢驗，檢驗結(jié)果顯示：安全帽合格率僅50%～80%。因此,佩戴合格安全帽以及安全帽質(zhì)量問題需引起足夠重視[3]。國內(nèi)外學者在安全帽散熱性方面取得一定成就[4-7]。此外，Mills等[8]研究安全帽外殼變形原因；Hanssen等[9]深入研究安全帽結(jié)構(gòu)強度。國內(nèi)外學者從人體工程學角度,分析工業(yè)用安全帽佩戴舒適性:張振偉[10]研究安全帽佩戴舒適性優(yōu)化；李夕兵等[11]從安全帽頭模所受沖擊力峰值出發(fā)，研究安全帽抗沖擊性能；馬舒淇等[12]綜合考量沖擊力峰值與吸能率對安全帽抗沖擊能力的影響，分析安全帽保護性能。本文選取3種常用材質(zhì)安全帽，綜合分析吸能率與沖擊力峰值對3種安全帽抗沖擊性能的影響。通過落錘實驗，測試3種不同材料安全帽在不同沖擊載荷下力學性能與吸能率，以及預(yù)制帽襯裂紋安全帽力學性能與吸能率，并記錄其破損情況，驗證影響安全帽防護能力因素以及安全帽內(nèi)部襯里對安全帽防護性能強弱的影響。

1 安全帽抗沖擊性能實驗

安全帽通過抗沖擊性能減少沖擊載荷對人體傷害，是安全帽質(zhì)量是否合格的直觀體現(xiàn)，是安全帽生產(chǎn)廠商首要考察的安全技術(shù)指標。

1.1 實驗樣品

實驗用安全帽為建筑工程Y類經(jīng)典V型安全帽，符合國家安全標準，實驗用安全帽參數(shù)見表1。

表1 實驗用安全帽參數(shù)Table 1 Parameters of testing safety helmets

1.2 實驗設(shè)計

本文采用落錘沖擊實驗進行研究[13]。鋼錘為外形對稱、材質(zhì)均勻的45號鋼標準錘，質(zhì)量10 kg；應(yīng)變測量系統(tǒng)包括應(yīng)變儀、橋盒以及超動態(tài)應(yīng)變儀，用于收集和記錄測試數(shù)據(jù)，應(yīng)變測量系統(tǒng)選用超動態(tài)應(yīng)變儀NUXI-1004；頭模為仿真人體頭模，頭模材料為ABS樹脂，如圖1所示；將應(yīng)變片依次黏貼在頭模頂部、側(cè)面及頸部，方便模擬安全帽受沖擊時人體頭部與頸部受力。

圖1 頭部模型Fig.1 Head model

1.3 實驗方案

為測定安全帽抗沖擊性能，根據(jù)材質(zhì)將安全帽分為A、B、C3組。沖擊測試均在落錘沖擊平臺完成：測試過程中，將頭模固定在落錘沖擊平臺中央，調(diào)整安全帽佩戴在頭模上，落錘自由落體沖擊安全帽，頭模中心線與錘體重心運動軌跡重合，運用應(yīng)變測試儀記錄頭模所受沖擊應(yīng)力波。

本文共設(shè)置3組對比實驗：不同材質(zhì)安全帽在相同沖擊力下防護性能；相同材質(zhì)安全帽在不同沖擊力下對頭模保護效果；預(yù)制帽襯裂紋安全帽與新安全帽防護性能對比。安全帽及對應(yīng)實驗參數(shù)見表2。

表2 安全帽及對應(yīng)實驗參數(shù)Table 2 Safety helmets and corresponding test parameters

2 結(jié)果分析

安全帽保護作用原理是當安全帽受沖擊載荷，外殼發(fā)生彈性形變，以緩沖和分散沖擊載荷對人體頭部傷害。當重物作用于安全帽外殼，沖擊載荷向附近區(qū)域傳遞，并通過帽襯表面?zhèn)鬟f至人的頭骨，從而使受力點變?yōu)槭芰γ?，有效避免沖擊力集中于外殼表面某一點，減小單位面積受力大小。

落錘沖擊測試過程中，總能量EI主要包括3部分：少部分能量ER被安全帽反射回落錘，安全帽吸收一部分能量ES，剩余能量ET通過帽襯作用于頭模?；趶椥圆ɡ碚?，安全帽吸收能量ES如式(1)所示：

ES=EI-ER-ET

(1)

落錘沖擊測試由裝載到卸載過程中，入射波εI(t)，反射波εR(t)和透射波εT(t)持有能量如式(2)所示：

(2)

式中：Ei(t)入射波、透射波以及反射波攜帶能量,J；I,R,T分別表示入射波，反射波及透射波；t為沖擊波脈沖作用時間,μs；E為帽殼彈性模量，GPa;A為落錘與帽殼接觸面積，m2;C為彈性波速，m/s。

安全帽吸能率如式(3)所示:

η(t)=ES(t)/EI(t)×100%

(3)

安全帽頭模承受沖擊載荷如式(4)所示:

F(t)=ES[εI(t)+εR(t)]

(4)

2.1 安全帽保護性能

抗沖擊與防護性能可通過頭模所受應(yīng)力峰值F與安全帽吸能率η反映。其中，頭模所受應(yīng)力峰值與安全帽防護能力成反比，吸能率與安全帽防護能力成正比。通過落錘實驗，得到頭模所受沖擊力與吸能率隨時間變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，安全帽落錘沖擊實驗結(jié)果為典型沖擊變化曲線，包括以下5個階段：

圖2 頭模所受沖擊力與吸能率隨時間變化曲線Fig.2 Curves of force and energy absorption rate against time for head model of safety helmet

1)初始加載階段。落錘以較快速度沖擊安全帽表面，沖擊力急劇增大，短時間達到峰值，安全帽受到最大沖擊力為1 763 N。

2)初始卸載階段。沖擊速度繼續(xù)增大，增幅減小，沖擊力迅速降低，主要因帽殼受沖擊部分破損，安全帽防護性能降低。

3)恒速階段。頭模沖擊速度等于殼體沖擊速度，沖擊力較小。由圖2可知，安全帽能量吸收率約60%。

4)減速階段。沖擊速度迅速減小,落錘離開帽殼，由于殼體失效區(qū)域與落錘間存在摩擦力，產(chǎn)生較小的拉力與回彈力。由于落錘與帽殼分離以及落錘反射部分能量，使安全帽能量吸收率降低。

5)振動階段。頭模自由振動一段時間趨于靜止。

2.2 同一能量下不同材質(zhì)安全帽沖擊性能對比

以安全帽頂部中心作為落錘沖擊點，落錘質(zhì)量10 kg，落錘高度500 mm，總沖擊能量50 J，依次作用于安全帽A、B、C，對應(yīng)實驗結(jié)果與安全帽損壞程度見表3。

由表3可知，在50 J沖擊載荷下，安全帽B和C帽殼不會產(chǎn)生嚴重損壞，安全帽A明顯受損。根據(jù)安全帽使用安全標準，當作用于頭部最大沖擊力大于4.9 kN或安全帽破裂時，安全帽將失去保護功能。由表3可知，頭模受力大小依次為A>B>C，說明在50 J沖擊載荷下，安全帽C受影響最小，安全帽A受影響最大，與表3中安全帽損壞情況相符，安全帽A外部結(jié)構(gòu)已經(jīng)損壞，失去防護作用，必須立即進行更換。但相同作用力下，安全帽B和C結(jié)構(gòu)良好，仍具備一定保護功能。綜上，3種材質(zhì)安全帽中C抗沖擊能力最好。

表3 50 J 能量下不同材質(zhì)安全帽實驗結(jié)果與損壞程度Table 3 Test results and damage degree of safety helmets with different materials under 50 J energy

2.3 不同沖擊能量下的安全帽的性能對比

為研究安全帽在不同能量條件下的防護能力，對同種材質(zhì)安全帽在不同能量條件下進行沖擊實驗。當落錘分別上升到300,400,500,600,700 mm時，對應(yīng)沖擊能量分別為30，40，50，60，70 J。安全帽抗沖擊和防護能力如圖3～4所示，HDPE安全帽在不同沖擊能量下?lián)p壞情況如圖5所示。

圖3 安全帽頭模沖擊力最大峰值-沖擊能量曲線Fig.3 Curves of peak impact force against impact energy for head model of safety helmet

圖4 安全帽能量吸收率-沖擊能量曲線Fig.4 Curves of energy absorption rate against impact energy of safety helmets

圖5 HDPE安全帽在不同沖擊能量下?lián)p壞情況Fig.5 Damage situation of HDPE safety helmets under different impact energies

由圖3～4可知，當落錘高度為300 mm時，HDPE安全帽頭模受沖擊力峰值為1.9 kN，吸能率61%；ABS樹脂工業(yè)安全帽的頭模受沖擊力峰值為1.3 kN，比HDPE安全帽低31.6%，吸能率64%；玻璃鋼工業(yè)安全帽頭模受沖擊力峰值為1.1 kN，吸能率67%。當落錘高度為700 mm時，HDPE工業(yè)安全帽已損壞，頭模受沖擊力峰值約5.6 kN，吸能率降低至28%；ABS樹脂工業(yè)安全帽和玻璃鋼工業(yè)安全帽明顯凹陷，頭模受沖擊力峰值分別為4.6，4.1 kN，吸能率分別為38%，43%。HDPE安全帽頭模所受沖擊力峰值明顯大于ABS樹脂安全帽和玻璃鋼安全帽。

根據(jù)國家標準，為保證安全帽佩戴者生命安全，安全帽受沖擊力最大值不能超過4.9 kN。當落錘高度超過600 mm，HDPE安全帽頭模受沖擊力峰值大于4.9 kN，安全帽已經(jīng)失去保護功能；當落錘高度為700 mm時，ABS樹脂安全帽和玻璃鋼安全帽頭模受沖擊力峰值小于4.9 kN，沖擊力峰值隨沖擊能量增大呈指數(shù)增大。因此，落錘高度大于700 mm時，頭模受沖擊力峰值大于4.9 kN，ABS樹脂安全帽最大承載力約70 J，玻璃鋼安全帽最大承載力高于ABS樹脂安全帽。

2.4 預(yù)制裂紋安全帽與新安全帽性能對比

安全帽使用過程中，受磨損會產(chǎn)生微小裂紋，為測試舊安全帽安全性能，測試前用刀片在安全帽帽襯靠近連接孔處劃幾道裂縫，并進行沖擊測試，將測試結(jié)果與新安全帽進行對比。預(yù)制裂紋安全帽與新安全帽防護性能對比如圖6所示。由圖6可知，當落錘高度為300 mm時，預(yù)制裂紋安全帽頭模受沖擊力峰值為1.5 kN，吸能率59%；落錘高度為700 mm時，預(yù)制裂紋安全帽頭模受沖擊力峰值高于4.9 kN，安全帽喪失保護功能。結(jié)果表明：帽襯破損后，吸能率明顯低于新安全帽，給頭部造成直接損傷。因此，帽襯作為安全帽重要組成部分，一旦發(fā)生損壞，應(yīng)立即將安全帽做報廢處理。

圖6 預(yù)制裂紋安全帽與新安全帽防護性能對比Fig.6 Comparison of protective performance between prefabricated cracked safety helmet and new safety helmet

3 結(jié)論

1)3種材質(zhì)安全帽安全性能均能達到國標要求。當落錘高度為300 mm時，3種材質(zhì)安全帽吸能率均大于60%，對應(yīng)頭模沖擊力峰值均小于4.9 kN；隨沖擊能量不斷增大，安全帽防護能力迅速下降;當落錘高度為 700 mm時，HDPE安全帽頭模受沖擊力峰值大于4.9 kN，安全帽穿孔并失去保護功能，ABS樹脂與玻璃鋼材質(zhì)安全帽出現(xiàn)明顯凹陷，吸能率為40%。

2)隨落錘高度增加，沖擊能量增大，頭模受沖擊力峰值呈指數(shù)增長，安全帽吸能率呈指數(shù)減小。HDPE安全帽頭模受沖擊力峰值明顯高于ABS樹脂安全帽和玻璃鋼安全帽。因此，玻璃鋼安全帽質(zhì)量較其他2種材質(zhì)安全帽更好，抗沖擊能力更強。

3)帽襯通過變形吸收能量來保護頭部安全，是安全帽重要組成部分，帽襯破損會使安全帽喪失保護功能，導(dǎo)致頭部受傷。預(yù)制裂紋安全帽頭模受沖擊力明顯增大，安全帽抗沖擊性能降低，保護能力明顯下降。因此，安全帽帽襯質(zhì)量與完好情況需引起重視。