吳夢佳 李奕霏 周玉剛 黎英博 董喜斌

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2811—2019對安全帽的定義是對使用者頭部受墜落物或小型飛濺物體等其他特定因素引起的傷害起防護(hù)作用的帽，一般由帽殼、帽襯及配件組成。

目前我國需佩戴安全帽的從業(yè)人員達(dá)8 000萬人以上,每年至少需購帽5 000萬頂,每年增幅在10%以上[1]，這其中不乏在森林工作的人員。截至2020年底，我國森林覆蓋率已經(jīng)達(dá)到了23%，并且隨著時代的發(fā)展，人們對森林資源的需求越來越大，越來越需要深入林區(qū)，但是林區(qū)環(huán)境錯綜復(fù)雜，人們常會遇到迷失、蚊蟲騷擾等問題。同時，在林區(qū)工作的人員還要隨時防范由于樹枝墜落、樹木倒塌所面對的危機(jī)。因此，研究一種具備防蚊蟲和定位的功能的安全帽具有重要意義。

近年來，國外學(xué)者在安全帽的研究上，取得了一定的成就。例如Kirk[2]完善了1987年來不同顏色對安全帽使用年限的影響；Satoru等[3]研究了工業(yè)安全帽通風(fēng)口對蒸發(fā)散熱的影響；Abderezaei等[4]提出了帶緩沖的新技術(shù)頭盔在安全性能上優(yōu)于傳統(tǒng)頭盔。就目前國外研究現(xiàn)狀分析，大多研究主要針對安全帽的安全、舒適的性能，有助于保證佩戴者的安全、提高佩戴者的舒適度。但是對防蚊蟲功能的研究尚有欠缺。

目前，我國對于安全帽的研究涉及面比較廣。在安全性能方面，趙志鎮(zhèn)[5]通過安裝在帽殼和帽襯之間的頂氣囊模塊和頸氣囊模塊的順序展開，以及帽殼和內(nèi)襯材料的合理選用，很大程度上減輕了高空墜物對頭部和頸部的沖擊力，保障了作業(yè)人員的生命安全。在舒適性能方面，劉偉勝等[1]設(shè)計的改善對流通風(fēng)的新型安全帽針對頭部悶熱的問題提供了良好解決辦法，通過設(shè)置有通風(fēng)孔以及充電式電池連接可開關(guān)的風(fēng)扇，創(chuàng)造安全帽內(nèi)舒適透氣的環(huán)境條件。在智能方面，尹宇肖等[6]團(tuán)隊借助北斗定位技術(shù)，在施工人遇到意外情況并發(fā)射求救信號時，由接收機(jī)監(jiān)控終端顯示其地理位置，以便及時展開救援，通過控制系統(tǒng)供電，很大程度上解決了因電量不足導(dǎo)致安全帽無法完成應(yīng)有功能的問題。雖然我國對于安全帽的研究涉及面比較廣，但是在防蚊蟲性能方面，仍是一個空白。

故該文從實際出發(fā)，結(jié)合常規(guī)安全帽的設(shè)計，加入了防蚊蟲的理念，以達(dá)到防蚊蟲、安全、舒適和定位的功能。

1 多功能安全帽的基本原理

1.1 安全裝置的基本原理

最外層、中間層和最內(nèi)層一起構(gòu)成了安全裝置，如圖1所示。當(dāng)墜落物墜落至安全帽的最外層時，墜落物與最外層發(fā)生非彈性碰撞，機(jī)械能損失。同時，彈簧受力，產(chǎn)生形變，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈性勢能。在經(jīng)過上述2個過程的削減后，剩余的能量傳遞至最內(nèi)層。在經(jīng)過最內(nèi)層的削減后，能量才有可能與帽襯接觸，進(jìn)而傳遞到人的頭部。

1.安全裝置 2.安全裝置的最外層 3.安全裝置的中間層上的減震彈簧4.安全裝置的最內(nèi)層 5.安全裝置的最內(nèi)層上的透氣孔圖1 多功能安全帽的剖面圖

1.2 防蚊蟲裝置的基本原理

防蚊蟲裝置的核心結(jié)構(gòu)是面罩，如圖2所示。佩戴此種面罩后，可通過物理隔離的方式讓體積大于網(wǎng)孔的蚊蟲無法接近佩戴者。

圖2 夏季防蚊蟲裝置

1.3 其他裝置的基本原理

其他裝置主要有定位裝置和保暖裝置，如圖3和圖4所示。定位裝置是通過北斗系統(tǒng)實現(xiàn)對佩戴者的定位。在佩戴者需要使用其他定位系統(tǒng)進(jìn)行定位時，可通過更換定位器實現(xiàn)。保暖裝置的核心結(jié)構(gòu)是保暖面罩。保暖面罩是由一種保暖舒適的材料構(gòu)成。當(dāng)佩戴者需要使用保暖裝置時，可以通過位于安全裝置最內(nèi)層的接口實現(xiàn)對接，將保暖裝置與安全裝置組合在一起。組合成功后佩戴者再佩戴便可實現(xiàn)保暖的作用。

圖3 冬季保暖裝置

1.定位裝置 2.防蚊蟲裝置的接口圖4 多功能安全帽

2 多功能安全帽的方案比選

2.1 安全裝置的方案比選

目前，市場上販賣的安全帽大多只有一層外殼，雖然這種結(jié)構(gòu)能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，但是相比于三層結(jié)構(gòu)的安全帽，其安全性能仍然有所欠缺。采用三層結(jié)構(gòu)安全帽，在重量方面比一層結(jié)構(gòu)的安全帽要重一些，但在材料選用上可以減輕重量。綜合考慮林區(qū)工人可能遭受樹枝墜落、樹木倒塌后的危險，最終在設(shè)計時，采用了具備三層結(jié)構(gòu)的安全帽。

2.2 防蚊蟲裝置的方案比選

在設(shè)計防蚊蟲裝置時，對物理方法的聲、光、電等手段進(jìn)行研究。聲對應(yīng)著超聲波，將超聲波驅(qū)蚊蟲裝置安裝在安全帽上后，可以隨著佩戴者的移動實現(xiàn)實時驅(qū)蟲。光、電對應(yīng)著燈光誘捕、電壓擊殺。

超聲波驅(qū)蚊蟲與最終選定的通過面罩物理隔離驅(qū)蚊蟲的方式比較，超聲波驅(qū)蚊蟲存在著效率的問題。首先是森林中的蚊蟲多而雜，一種頻率的超聲波只能驅(qū)趕一種或者幾種的蚊蟲，而面罩可以隔離體積大于網(wǎng)孔的所有蚊蟲。其次是面罩可以保證體積大于網(wǎng)孔的蚊蟲無法叮咬到佩戴者，但是超聲波驅(qū)蚊蟲無法保證相應(yīng)頻率所驅(qū)逐的蚊蟲不會靠近并叮咬佩戴者，尤其是當(dāng)佩戴者離開原作用區(qū)域，到達(dá)新區(qū)域時。

燈光誘捕、電壓擊殺方法具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。首先是該方法需要先把蚊蟲吸引到佩戴者的周圍，但是無法保證吸引來的蚊蟲不會去叮咬佩戴者。其次該方法只能殺死觸碰到釋放電壓裝置的蚊蟲。

3 多功能安全帽的設(shè)計

設(shè)計多功能安全帽的目的在于針對現(xiàn)有安全帽不同時具備安全、防蚊蟲、定位和保暖功能這一缺陷，提供一種適用于林區(qū)防蚊蟲的多功能安全帽。安裝在頭盔上的裝置實現(xiàn)了林區(qū)中出現(xiàn)的蚊蟲進(jìn)行物理防治。安裝在頭盔上的裝置同時了實現(xiàn)安全、定位和保暖的功能。

定位裝置與多功能安全帽的最內(nèi)層為組合式固定連接，使用者可根據(jù)所需拆卸或者更換定位裝置。防蚊蟲裝置的接口為圖2中序號為1的結(jié)構(gòu)，同時也是圖3保暖裝置的接口。

3.1 安全裝置的設(shè)計

帽殼，帽襯等結(jié)構(gòu)是安全帽的基礎(chǔ)防護(hù)裝置，而基礎(chǔ)防護(hù)裝置是安全帽的核心結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計好安全裝置是設(shè)計一種新型安全帽的重中之重。為了提高安全帽的安全性能，在安全帽制造材料的選擇上，玻璃鋼是最優(yōu)選擇[7]。多功能安全帽具有三層結(jié)構(gòu),如圖1所示。最外層為玻璃鋼質(zhì)，圖1中序號為2。采用玻璃鋼材料可以在確保強(qiáng)度足夠的同時，保證重量不會超標(biāo)。中間層有若干減震彈簧，圖1中序號為3。減震彈簧的上端與固定板相連接，固定板的上端面與安全裝置的外層相連接，減震彈簧的底端通過黏結(jié)板與內(nèi)層相連接。最內(nèi)層也為玻璃鋼材質(zhì)，圖1中序號為4。最內(nèi)層也采用玻璃鋼材質(zhì)可以對安全帽的安全性能進(jìn)一步提高。最內(nèi)層上分布若干透氣孔，透氣孔可做成活動式網(wǎng)孔，當(dāng)頭部悶熱，需要透氣時，可打開網(wǎng)孔；當(dāng)頭部空間溫度需要提高時，可關(guān)閉網(wǎng)孔，防止熱量流失。

3.2 防蚊蟲裝置的設(shè)計

依據(jù)GB 2811— 2019《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)安全帽》標(biāo)準(zhǔn)中對安全帽的重量的嚴(yán)格要求，在設(shè)計安全帽的防蚊蟲裝置時，采用與安全裝置最內(nèi)層外沿相結(jié)合的方法來設(shè)計面罩，在不需要防蚊蟲功能時可將防蚊蟲裝置拆卸或更換為保暖裝置，以此來減輕重量或使用其他功能。面罩的材料的選擇，可以優(yōu)先選用輕盈、透氣的材料。其作用是保證不會使安全帽的重量超標(biāo)以及保證佩戴后安全帽內(nèi)部空氣能正常流通。面罩上開有網(wǎng)孔，可進(jìn)一步確保安全帽內(nèi)部的空氣流動性，確保夏季蚊蟲高發(fā)期時佩戴安全帽人員的呼吸，同時具有散熱功能。面罩上的網(wǎng)孔大小應(yīng)滿足隔離最小體積蚊蟲的要求。

3.3 其他裝置的設(shè)計

定位裝置與安全裝置的最內(nèi)層為組合式固定連接。采取這種連接方式，佩戴者可以在不需要定位裝置將其拆卸。由于定位裝置拆卸后將留有空隙，佩戴者也可以根據(jù)自己所需要的精度、定位系統(tǒng)來更換定位器。

多功能安全帽的保暖裝置可與安全裝置最內(nèi)層的外沿相結(jié)合。通過這種設(shè)計可以在不需要保暖功能時將保暖裝置拆卸或更換為防蚊蟲裝置，以此來減輕重量或使用其他功能。保暖裝置材料的選擇，保證佩戴者安全、舒適為宜。

4 結(jié)束語

近年來，隨著國家不斷深入落實生態(tài)文明建設(shè)，我國綠植面積正在逐漸恢復(fù)，需要深入森林的次數(shù)越來越頻繁，相應(yīng)的防護(hù)措施也需要升級。該文主要針對現(xiàn)有市場不具備可以防蚊蟲的安全帽提供了一種適用于林區(qū)防蚊蟲的多功能安全帽。設(shè)計的安全帽具備更加優(yōu)異的安全性能，可以有效防護(hù)蚊蟲，同時具備定位裝置與保暖裝置。各裝置是組合式固定連接，在不需要某些功能時，可以將相應(yīng)的裝置拆卸。具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)相對簡單、防護(hù)效果好和應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)點(diǎn)。