李啟月，王靖博，王宏偉，曾海登，楊曉梟，劉玉豐

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

0 引言

安全帽是最常見(jiàn)的頭部保護(hù)裝備，與人類生命安全息息相關(guān)。安全帽能使瞬時(shí)沖擊力在短時(shí)間內(nèi)得到緩解和分散，減小瞬時(shí)沖擊力，降低頭部沖擊損傷程度[1]。近年來(lái)，因安全帽質(zhì)量不合格造成的安全隱患不斷增加[2]。對(duì)安全帽做隨機(jī)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)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(wèn)題需引起足夠重視[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)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(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從人體工程學(xué)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(duì)安全帽抗沖擊能力的影響，分析安全帽保護(hù)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(duì)3種安全帽抗沖擊性能的影響。通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)，測(cè)試3種不同材料安全帽在不同沖擊載荷下力學(xué)性能與吸能率，以及預(yù)制帽襯裂紋安全帽力學(xué)性能與吸能率，并記錄其破損情況，驗(yàn)證影響安全帽防護(hù)能力因素以及安全帽內(nèi)部襯里對(duì)安全帽防護(hù)性能強(qiáng)弱的影響。

1 安全帽抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)

安全帽通過(guò)抗沖擊性能減少?zèng)_擊載荷對(duì)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(biāo)。

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)用安全帽為建筑工程Y類經(jīng)典V型安全帽，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)用安全帽參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用安全帽參數(shù)Table 1 Parameters of testing safety helmets

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究[13]。鋼錘為外形對(duì)稱、材質(zhì)均勻的45號(hào)鋼標(biāo)準(zhǔn)錘，質(zhì)量10 kg；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)包括應(yīng)變儀、橋盒以及超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，用于收集和記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)選用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀NUXI-1004；頭模為仿真人體頭模，頭模材料為ABS樹(shù)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(shí)人體頭部與頸部受力。

圖1 頭部模型Fig.1 Head model

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為測(cè)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(cè)試均在落錘沖擊平臺(tái)完成：測(cè)試過(guò)程中，將頭模固定在落錘沖擊平臺(tái)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(yùn)動(dòng)軌跡重合，運(yùn)用應(yīng)變測(cè)試儀記錄頭模所受沖擊應(yīng)力波。

本文共設(shè)置3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)：不同材質(zhì)安全帽在相同沖擊力下防護(hù)性能；相同材質(zhì)安全帽在不同沖擊力下對(duì)頭模保護(hù)效果；預(yù)制帽襯裂紋安全帽與新安全帽防護(hù)性能對(duì)比。安全帽及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 安全帽及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Safety helmets and corresponding test parameters

2 結(jié)果分析

安全帽保護(hù)作用原理是當(dāng)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(duì)人體頭部傷害。當(dāng)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(guò)帽襯表面?zhèn)鬟f至人的頭骨，從而使受力點(diǎn)變?yōu)槭芰γ?，有效避免沖擊力集中于外殼表面某一點(diǎn)，減小單位面積受力大小。

落錘沖擊測(cè)試過(guò)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(guò)帽襯作用于頭模?；趶椥圆ɡ碚摚踩蔽漳芰縀S如式(1)所示：

ES=EI-ER-ET

(1)

落錘沖擊測(cè)試由裝載到卸載過(guò)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(shí)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(hù)性能

抗沖擊與防護(hù)性能可通過(guò)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(hù)能力成反比，吸能率與安全帽防護(hù)能力成正比。通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)，得到頭模所受沖擊力與吸能率隨時(shí)間變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，安全帽落錘沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果為典型沖擊變化曲線，包括以下5個(gè)階段：

圖2 頭模所受沖擊力與吸能率隨時(shí)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(shí)間達(dá)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(hù)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(kāi)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(dòng)階段。頭模自由振動(dòng)一段時(shí)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(duì)比

以安全帽頂部中心作為落錘沖擊點(diǎn)，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(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與安全帽損壞程度見(jiàn)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，安全帽A明顯受損。根據(jù)安全帽使用安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)作用于頭部最大沖擊力大于4.9 kN或安全帽破裂時(shí)，安全帽將失去保護(hù)功能。由表3可知，頭模受力大小依次為A>B>C，說(shuō)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(hù)作用，必須立即進(jìn)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(hù)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(shí)驗(yàn)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(duì)比

為研究安全帽在不同能量條件下的防護(hù)能力，對(duì)同種材質(zhì)安全帽在不同能量條件下進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。當(dāng)落錘分別上升到300,400,500,600,700 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)沖擊能量分別為30，40，50，60，70 J。安全帽抗沖擊和防護(hù)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(dāng)落錘高度為300 mm時(shí)，HDPE安全帽頭模受沖擊力峰值為1.9 kN，吸能率61%；ABS樹(shù)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(dāng)落錘高度為700 mm時(shí)，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(shù)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(shù)脂安全帽和玻璃鋼安全帽。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)4.9 kN。當(dāng)落錘高度超過(guò)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(hù)功能；當(dāng)落錘高度為700 mm時(shí)，ABS樹(shù)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(shí)，頭模受沖擊力峰值大于4.9 kN，ABS樹(shù)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(shù)脂安全帽。

2.4 預(yù)制裂紋安全帽與新安全帽性能對(duì)比

安全帽使用過(guò)程中，受磨損會(huì)產(chǎn)生微小裂紋，為測(cè)試舊安全帽安全性能，測(cè)試前用刀片在安全帽帽襯靠近連接孔處劃幾道裂縫，并進(jìn)行沖擊測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與新安全帽進(jìn)行對(duì)比。預(yù)制裂紋安全帽與新安全帽防護(hù)性能對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)落錘高度為300 mm時(shí)，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(shí)，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(hù)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(bào)廢處理。

圖6 預(yù)制裂紋安全帽與新安全帽防護(hù)性能對(duì)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(dá)到國(guó)標(biāo)要求。當(dāng)落錘高度為300 mm時(shí)，3種材質(zhì)安全帽吸能率均大于60%，對(duì)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(hù)能力迅速下降;當(dāng)落錘高度為 700 mm時(shí)，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(hù)功能，ABS樹(shù)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(zhǎng)，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(shù)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(qiáng)。

3)帽襯通過(guò)變形吸收能量來(lái)保護(hù)頭部安全，是安全帽重要組成部分，帽襯破損會(huì)使安全帽喪失保護(hù)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(hù)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。