工業安全帽抗沖擊性能研究*

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。安全帽能使瞬時沖擊力在短時間內得到緩解和分散，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量問題需引起足夠重視[3]。國內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]深入研究安全帽結構強度。國內外學者從人體工程學角度,分析工業用安全帽佩戴舒適性:張振偉[10]研究安全帽佩戴舒適性優化；李夕兵等[11]從安全帽頭模所受沖擊力峰值出發，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，是安全帽質量是否合格的直觀體現，是安全帽生產廠商首要考察的安全技術指標。

1.1 實驗樣品

實驗用安全帽為建筑工程Y類經典V型安全帽，符合國家安全標準，實驗用安全帽參數見表1。

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

1.2 實驗設計

本文采用落錘沖擊實驗進行研究[13]。鋼錘為外形對稱、材質均勻的45號鋼標準錘，質量10 kg；應變測量系統包括應變儀、橋盒以及超動態應變儀，用于收集和記錄測試數據，應變測量系統選用超動態應變儀NUXI-1004；頭模為仿真人體頭模，頭模材料為ABS樹脂，如圖1所示；將應變片依次黏貼在頭模頂部、側面及頸部，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，根據材質將安全帽分為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，運用應變測試儀記錄頭模所受沖擊應力波。

本文共設置3組對比實驗：不同材質安全帽在相同沖擊力下防護性能；相同材質安全帽在不同沖擊力下對頭模保護效果；預制帽襯裂紋安全帽與新安全帽防護性能對比。安全帽及對應實驗參數見表2。

表2 安全帽及對應實驗參數Table 2 Safety helmets and corresponding test parameters

2 結果分析

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，沖擊載荷向附近區域傳遞，并通過帽襯表面傳遞至人的頭骨，從而使受力點變為受力面，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。基于彈性波理論，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力峰值F與安全帽吸能率η反映。其中，頭模所受應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，由于殼體失效區域與落錘間存在摩擦力，產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，對應實驗結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帽殼不會產生嚴重損壞，安全帽A明顯受損。根據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外部結構已經損壞，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結構良好，仍具備一定保護功能。綜上，3種材質安全帽中C抗沖擊能力最好。

表3 50 J 能量下不同材質安全帽實驗結果與損壞程度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損壞情況如圖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損壞情況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樹脂工業安全帽和玻璃鋼工業安全帽明顯凹陷，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，將測試結果與新安全帽進行對比。預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，一旦發生損壞，應立即將安全帽做報廢處理。

圖6 預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 結論

1)3種材質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種材質安全帽吸能率均大于60%，對應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樹脂與玻璃鋼材質安全帽出現明顯凹陷，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增長，安全帽吸能率呈指數減小。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，玻璃鋼安全帽質量較其他2種材質安全帽更好，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，導致頭部受傷。預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，安全帽帽襯質量與完好情況需引起重視。