李 強(qiáng)

（江西聯(lián)創(chuàng)電聲有限公司，江西 南昌 330096）

頭盔是保護(hù)各類相關(guān)領(lǐng)域人員生命安全的重要裝備，據(jù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)的報(bào)告表明：每年進(jìn)行各類運(yùn)動(dòng)、駕駛過(guò)程中，受傷或死亡的人數(shù)有98%未戴頭盔，而在撞擊事故中未佩戴頭盔人員，產(chǎn)生撞擊時(shí)，沖擊力直接作用在人員頭部，頭部是人身體最重要的器官，運(yùn)動(dòng)和駕駛過(guò)程必然會(huì)使其處于危險(xiǎn)之中。與其他形式的外部物理?yè)p傷相比，腦損傷會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的影響，有時(shí)甚至是不可逆的。因此，頭部佩戴防護(hù)裝備十分重要。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中佩戴頭盔，由于頭盔結(jié)構(gòu)造型一般為光滑的半球形，此結(jié)構(gòu)形式能快速分散并吸收沖擊力，且在受到撞擊過(guò)程中，頭盔會(huì)產(chǎn)生形變，也可吸收一部分能量，加之安全頭盔內(nèi)的緩沖裝置，進(jìn)一步吸收沖擊能量，通過(guò)這種多層抵消沖擊的設(shè)計(jì)，大大降低了人員頭部受到傷害的程度。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，佩戴頭盔可使人員頭部受重傷的危險(xiǎn)系數(shù)減少85%以上，另外佩戴頭盔可以提升運(yùn)動(dòng)或駕駛參與者的整體美感，能為運(yùn)動(dòng)或駕駛帶來(lái)更大的樂(lè)趣。

1 現(xiàn)有頭盔造型

現(xiàn)階段，隨著各種輔助設(shè)計(jì)軟件及工具的使用，頭盔結(jié)構(gòu)可謂五彩繽紛，五花八門(mén)，但很多頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往過(guò)度重視美觀性，而忽視了安全性。例如頭盔盔體大量使用各類筋條結(jié)構(gòu)；盔體放棄圓滑半球結(jié)構(gòu)，采用異型多邊結(jié)構(gòu)；盔體上設(shè)置過(guò)多的凸起結(jié)構(gòu)或通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)，以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確實(shí)在一定程度上增加了頭盔的美觀性。但是對(duì)頭盔安全性產(chǎn)生的利弊，未被充分考慮及進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)分析，文章針對(duì)盔體表面各類筋條結(jié)構(gòu)，在受到?jīng)_擊時(shí)，傳遞到頭盔內(nèi)部的力，展開(kāi)研究，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參核。見(jiàn)圖1。

圖1 典型圓滑半球面頭盔及筋條結(jié)構(gòu)頭盔

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)大量分析現(xiàn)有頭盔盔體筋條結(jié)構(gòu)，并選擇兩種典型的筋條結(jié)構(gòu)，將其移植到一型頭盔的盔體上，通過(guò)對(duì)比兩種典型筋條結(jié)構(gòu)與頭盔圓滑面在受到?jīng)_擊后的透過(guò)力數(shù)據(jù)，分析此類筋條結(jié)構(gòu)的抗沖擊優(yōu)劣性。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)頭盔構(gòu)成

頭盔由盔體、緩沖裝置、佩戴裝置構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如下圖2：

圖2 試驗(yàn)用頭盔結(jié)構(gòu)

（1）盔體：

盔體結(jié)構(gòu)：一型具備兩種典型筋條結(jié)構(gòu)及圓滑曲面結(jié)構(gòu)的頭盔盔體?？w材料：尼龍；厚度：2 mm；重量：310 g。

圖3 試驗(yàn)用頭盔結(jié)構(gòu)

（2）緩沖裝置：

緩沖裝置結(jié)構(gòu)：與盔體內(nèi)表面曲面特征一致，各個(gè)部位厚度均一。

材料：聚苯乙烯；厚度：14 mm；重量：80±3 g。

（3）佩戴裝置結(jié)構(gòu)：風(fēng)帶、解脫扣、固定裝置。

主體材料：尼龍；重量：65±3 g。

（4）結(jié)構(gòu)組合說(shuō)明：緩沖裝置通過(guò)膠黏劑粘貼在頭盔內(nèi)表面，佩戴裝置通過(guò)螺釘安裝在盔體下邊緣。

2.2.2 主要試驗(yàn)裝置

由落錘試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)頭模、落錘測(cè)力傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，滿足以下要求：落錘試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)落錘在一定高度范圍內(nèi)的自由升降、釋放和定向沖擊；落錘應(yīng)為鋼質(zhì)圓柱形，沖擊端面為半球形，直徑為48±1 mm，質(zhì)量為5±0.05 kg；試驗(yàn)頭模固定在落錘試驗(yàn)機(jī)上；測(cè)力傳感器為動(dòng)態(tài)力傳感器，測(cè)量范圍為0N~20 000 N頻率響應(yīng)應(yīng)大于等于5 kHz；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測(cè)量精度±25%。

2.2.3 檢驗(yàn)步驟

頭盔按正常使用狀態(tài)將佩戴系統(tǒng)調(diào)至最緊，將頭盔佩戴在相應(yīng)的試驗(yàn)頭模上，保證緩沖裝置與頭模的接觸為自然佩戴狀態(tài)且穩(wěn)定；調(diào)整落錘的軸線同傳感器的軸線重合及頭盔預(yù)定沖擊位置重合；調(diào)整落錘的高度為1 000±5 mm；釋放落錘記錄沖擊力值精確到1 N。

對(duì)一頂頭盔標(biāo)定的圓滑曲面、典型筋條結(jié)構(gòu)一、典型筋條結(jié)構(gòu)二，各進(jìn)行一次沖擊，記錄沖擊能量為49 J時(shí)，傳遞到試驗(yàn)頭模上的力。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性分析

對(duì)試驗(yàn)頭盔進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，在保留抗沖擊結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化其他裝置，可以最大限度剔除無(wú)關(guān)因素的影響，即在佩戴裝置固定后，盔體和緩沖裝置構(gòu)成了一組抗沖擊體系，在外界相同沖擊能量作用下，同種緩沖裝置的抗沖擊能力一致，如果這時(shí)，出現(xiàn)抗沖擊性能差異，那將是盔體結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致。

同時(shí)，試驗(yàn)嚴(yán)格依據(jù)沖量守恒定律：

F＊S=mV1-mV2

在其他構(gòu)件一致的情況下，盔體結(jié)構(gòu)差異將是影響沖擊裝置速度變化或作用時(shí)間的唯一因素，也決定了最終沖擊力F的數(shù)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)果對(duì)比分析

采用三頂結(jié)構(gòu)一致，同一批次生產(chǎn)的頭盔進(jìn)行試驗(yàn)。保證工藝穩(wěn)定性，每頂頭盔沖擊點(diǎn)位中心位置誤差±5mm，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表1，圖4。

表1 三種典型結(jié)構(gòu)沖擊力測(cè)試結(jié)果

圖4 三種典型結(jié)構(gòu)沖擊力測(cè)試結(jié)果折線圖

5 數(shù)據(jù)分析

測(cè)試結(jié)果表明：圓滑曲面結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊有更佳的消減作用，同種材料，同樣的沖擊能量下，半球形圓弧面頭盔的安全性更好。筋條結(jié)構(gòu)凸起越高，對(duì)沖擊的抵消作用越差，這符合此類結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生引力集中的特性。同種材料，同樣的沖擊能量下，筋條結(jié)構(gòu)的沖擊力都超過(guò)5 000 N，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，傳遞到試驗(yàn)頭模上的力超過(guò)4 900 N，將會(huì)對(duì)人員頭部產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。

試驗(yàn)后各個(gè)頭盔沖擊點(diǎn)位的狀態(tài)：圓滑曲面位置沖擊后結(jié)構(gòu)完整，僅有輕微摩擦劃痕。典型筋條結(jié)構(gòu)一沖擊后三頂頭盔該位置結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯壓潰。典型筋條結(jié)構(gòu)二沖擊后一頂頭盔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)形變性破裂。典型筋條結(jié)構(gòu)一傳遞到頭模上的最大沖擊力是圓滑曲面結(jié)構(gòu)傳遞到頭模上的最大沖擊力的1.5倍以上。見(jiàn)圖5。

圖5 沖擊后結(jié)構(gòu)損傷圖

6 結(jié)論

頭盔盔體在設(shè)計(jì)中采用的筋條結(jié)構(gòu)，一般情況下，除過(guò)提升美觀性外，對(duì)頭盔安全性并無(wú)實(shí)質(zhì)性增強(qiáng)，由試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，往往會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致頭盔抗沖擊性能下降；同時(shí)，由于筋條結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致此部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在生產(chǎn)過(guò)程中，此位置易產(chǎn)生工藝缺陷，導(dǎo)致在沖擊過(guò)程中，筋條結(jié)構(gòu)無(wú)法很好地保證完整性，容易產(chǎn)生二次傷害；因此，筋條結(jié)構(gòu)應(yīng)用在頭盔結(jié)構(gòu)上，要十分慎重，需要配合大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，必須要使用時(shí)，也應(yīng)該規(guī)避相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)定的頭盔防護(hù)區(qū)域，保證頭盔抗沖擊性能及人員安全。