工業安全帽的抗沖擊性能

李夕兵，杜晶，洪亮

(中南大學 資源與安全工程學院，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作用[1]。安全帽由帽殼、帽襯、下顎帶及其他附件組成。當作業人員頭部受到墜落物的沖擊時，利用安全帽先將沖擊力分解到頭蓋骨的整個面積上，將大部分沖擊力吸收，使最后作用到作業人員頭部的沖擊力降低，從而起到保護作業人員的作用。高空落物是引起嚴重事故的主要原因之一。安全帽對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中，要求佩戴能抵御一定沖擊力的質量合格的安全帽[2]。近年來，我國由于安全帽質量問題引發的事故越來越多[3]，為此，國家質檢總局等有關部門曾先后對安全帽進行質量抽查，合格率只有50%～80%。抽查結果顯示安全帽質量亟待提高[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量差的主要原因。事實上，有關安全帽的防護性能早已引起國內外廣泛關注，人們對工業安全帽的熱性能等進行了深入的研究[7-10]。另外，國外有許多學者對摩托車安全帽的抗沖擊性能進行了研究。Mills等[11-14]對安全帽的外殼的變形進行了實驗研究。Hanssen等[15]對安全帽的結構進行了更深入的實驗研究。本文作者利用落錘裝置進行了3組對比實驗，即同一能量下不同材質安全帽沖擊性能對比；同一材質不同能量下安全帽沖擊性能對比；老化、帽襯損壞的安全帽與新的安全帽性能對比。通過實驗研究揭示影響安全帽抗沖擊防護性能的主要因素，以便為相關行業安全帽的生產、經營與造型提供科學依據。

1 安全帽抗沖擊性能試驗

1.1 試驗設計

考慮到絕大部分廠礦企業使用的安全帽多是根據GB 2811—89生產的，實驗裝置參考GB 2812—89要求，采用落錘沖擊實驗臺進行[16]。沖擊臺架是一臺能提升和釋放鋼錘，并能使之自由或加速向下落的試驗臺架。 鋼錘的外形要求對稱均勻，材質為45號鋼，質量為11 kg。數據的采集記錄采用應變測量系統由應變片、超動態應變儀、瞬態記錄儀和計算機等組成。本試驗使用的超動態應變儀型號為CS-1D。應變片型號為 BX120-2AA，靈敏系數為(2.08±1.00)%，柵長和柵寬分別為2 mm和1 mm。試驗用頭部模型為根據GB 2812—89的參數用木料制作而成。自制頭部模型實體圖如圖1所示。應變片分別粘貼在該頭部模型的上、中、下3個部分(圖1)，以便能分別測試模擬頭頂、側面和靠近頸部的應力。

1.2 試驗方案

本次試驗所使用的樣品是分別從不同工礦企業收集的由不同廠家生產的不同材質安全帽。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)。根據生產廠家不同，分別把安全帽分為6種，用A，B，C，D，E和F表示，具體參數見表1。

所有的沖擊實驗均在落錘沖擊臺上完成。試驗時將頭模垂直固定在基座上，安全帽的帽襯調至適當位置后帶到頭模上，鋼錘自由下落沖擊安全帽。鋼錘重心運動軌跡與頭模中心線重合，通過應變測量系統記錄顯示頭模所受的沖擊應力波[17]。

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

表1 試驗樣品參數Table 1 Experiment parameters of helmets

為了測定安全帽的性能，本文進行了3組對比試驗：同一能量下不同材質安全帽沖擊性能對比；同一材質不同能量下安全帽沖擊性能對比；老化、帽襯損壞的與新安全帽性能對比。安全帽及其對應的試驗參數見表2。

表2 安全帽及其對應的試驗參數Table 2 Test specimen and its corresponding parameters

2 結果與分析

落錘碰撞安全帽過程中，能量被分為3個部分：一部分能量E1以應力波的形式反射進入落錘；另一部分能量E2被安全帽吸收；最后一部分能量E3進入頭部模型。進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。

進入頭部模型的能量E3為：

根據式(1)可知：E1和E2越大，E3就越小。

在試驗中通過粘貼在頭部模型上的應變片測量頭部模型的應變，通過動態測試系統記錄的應力波得出。應力波的瞬時能量密度為w[16,18]：

式中：σ為應力；δ為質點位移；ρ為介質密度；v為質點速度；E為彈性模量。

由此可見：在應力波所具有的能量中，質點的彈性應變能(σδ)和運動的動能(ρv2)各占一半，并且與應力幅值的平方成正比。在沒有衰減的傳遞中，應力的幅值不變，即能量不變。

應力波的能量E為：

式中：A為應力波振幅；c0為波速。

試驗中記錄的波形圖的橫坐標、縱坐標為時間和電壓，在示波器記錄儀上設定介質微應變(με)為1 000時電壓為0.25 V，假設試驗的應力波傳遞過程中沒有衰減。即

其中：εS為頭部模型的應變。又因為

故

由此可知：應力σ與電壓U成正比。應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[18]。

2.1 同一能量下不同材質安全帽沖擊性能對比

為了評估安全帽的性能，篩選安全系數較高的材質，落錘撞擊點選擇在安全帽頂部，落錘的質量為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。經去噪后由應變片1和2測得的試驗結果如圖2所示，對應的安全帽破壞情況如表3所示。

試驗結果表明：在超載沖擊試驗中，所有A和D型號的新安全帽都可承受55 J的沖擊，未發生嚴重的外殼損傷；而B和C型號的安全帽在55 J的沖擊能下，均發生了不同程度的損壞。根據安全帽的安全標準，當峰值力超過4.9 kN時，或者當沖擊后安全帽發生破裂時，安全帽就不再具有保護頭部安全的功能。根據式(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頭部模型的受到沖擊最大，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外部結構損壞，它們都已經失去了保護作用。這時，安全帽必須立即更換。然而，在同等情況下，安全帽D還保持在完好的結構，仍對頭部具有保護能力。從抗沖擊的因素考慮，安全帽D的質量最優。

圖2 試驗記錄的不同材質安全帽應力波形Fig.2 Recorded stress waves of different materials

表3 55 J能量下不同型號安全帽的試驗結果Table 3 Test results of different helmets under 55 J

2.2 同一材質安全帽在不同沖擊能量下的性能對比

為了測試不同能量下安全帽的防護性能，本文進行了同一個材質的安全帽在不同沖擊能量下的沖擊試驗。分別將落錘升高40，50和60 cm，落錘對應的沖擊能量分別為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的沖擊試驗中，只是在其帽頂由兩道裂痕。當沖擊能量增加到55 J超載時，安全帽發生了外殼破裂，但錐形落錘并未觸及頭模；當能量達到66 J時安全帽穿洞，并且落錘直接接觸頭部模型，這時安全帽完全喪失了保護頭部的作用。

2.3 老化、帽襯損壞安全帽與新安全帽性能對比

為了評估帽殼或者帽箍上具有微小裂紋的舊安全帽的安全性能，試驗之前先在新安全帽上用刀片在帽箍上預置裂紋，且靠近連接孔。對這些試樣進行中心沖擊試驗，并將其試驗結果與在實際環境中老化的安全帽以及新的安全帽的結果進行對比。F1是實際環境中老化的安全帽，F2是模仿微小裂紋而預制帽襯裂紋的安全帽，F3是新的安全帽。頭頂應變片測量到的去噪后的應變信號如圖4所示，安全帽破壞情況見圖5。

實驗表明：雖然使用過2 a的安全帽亦能夠通過標準沖擊試驗，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，不能起到保護頭部的作用。由此可見，定期更換安全帽絕對必要。

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的能量而不發生大的損壞，但是通道2的電壓波動相當明顯，電壓幅值比同組實驗樣品的大。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，作為安全帽的一個關鍵部分，帽箍的損壞應當被看成是整個安全帽的破壞，這在實用中常常被忽略，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 同一型號不同沖擊能量后的試驗結果Table 4 Test results of same materials of helmets under different energies

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

3 結論

(1) 國內主要材質的新安全帽均能順利通過標準沖擊測試，但當將沖擊能量增加到55 J時，有些材質的安全帽出現裂紋甚至穿洞，對頭部失去保護作用。而同一材質的安全帽承受沖擊能量是有限的，當沖擊能量超過55 J時，將會失去保護作用。

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頭部。實驗發現帽箍具有不可忽視的防護功能，帽箍的脫落或斷裂也可引起安全帽的整體失效，而導致致命傷害。帽箍有裂紋的安全帽吸收沖擊能量減小，它的防護性能明顯下降。因此，應當對帽箍的質量及完好狀況給予更多重視。

(3) 氣候和作業環境對安全帽影響極大。在環境中老化的安全帽由于受到強烈紫外線照射、高溫、高濕度引致塑料材料變脆，從而使沖擊強度降低。因此，經過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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