乘員頭盔質量檢測及不合格原因分析

張若塵　李海濤　任煥煥

摘要：乘員頭盔是目前國家強制要求騎行摩托車、電動自行車必須佩戴的機動車零部件之一。國家標準GB 811-2022《摩托車、電動自行車乘員頭盔》中對乘員頭盔的各項力學指標均有明確規定。摩托車乘員頭盔可顯著減低交通事故中的死亡率。文中對不同廠家不同規格的頭盔進行數據統計，旨在充分反映當前摩托車乘員頭盔的質量。發現不合格的項目主要分布在佩戴裝置強度，吸收碰撞能量，及耐穿透性能試驗中。文中對不合格的項目分析不合格原因，提出整改意見。

關鍵詞：乘員頭盔；吸收碰撞能量；佩戴裝置強度；耐穿透性能

Test for Helmet for Motorcycl and Analysis of Unqualified Reasons

ZHANG Ruochen， LI Haitao， REN Huanhuan

（CCIC West Testing Co.， Ltd. Xi'an 721300，Shanxi，China）

Abstract： Helmet for is one of the motor vehicle parts that the government currently requires? motorcycle and electric bicycle urers to be worn. The National Standard "GB811-2022 Helmet for motorcycle and electric bicycle urers" has clear provisions on the mechanical indexes of occupant helmet. Helmet for motorcyclists can significantly reduce the death rate of traffic accidents. In this paper， we statistical different manufacturers of different specifications of the helmet data statistics， aim to fully reflect the quality of the current helmet for motorcyclists . The unqualified items were mainly distributed in the Wear device test， Absorbing collision energy performance test ， and Resistant to puncture test. In this paper， analyze the causes of nonconforming items and rectification suggestions are put forward.

Key Words： Motorcycle helmet; Absorbing collision energy performance; Device strength; Penetration resistance

0引言

2020年6月1日起，全國開展了“一盔一帶” 安全守護行動。市場監管部門加強管理，嚴格監督不佩戴頭盔等不文明行為。因此，近兩年市場上對頭盔的需求量有所增加。乘員頭盔的質量和騎手的生命安全息息相關。現行國家標準GB 811-2022《摩托車、電動自行車乘員頭盔》中，對摩托車乘員頭盔參數有詳細的檢測要求，同時增加了電動自行車頭盔檢測要求。

乘員頭盔分為A類盔和B類盔。其中A類盔適合摩托車乘員、電動自行車乘員用，根據是否具有護目鏡和舒適襯墊分成A1、A2、A3盔，B類盔適合電動自行車乘員使用，根據是否具有護目鏡和舒適襯墊分為B1、B2、B3類盔。頭盔由殼體、緩沖層、舒適襯墊、佩戴裝置、護目鏡組成。現行國標中測試項目見表1[1]。

A類盔和B類盔的測試區別有兩點。第一，固定裝置穩定性測試A類盔移動的角度為不大于30°，B類盔的要求是不從頭模上脫落。第二，A類盔和B類盔在其他測試項目的標準限值及測試次數略有不同。文中統計了一年維度周期內的頭盔試驗結果作為參考。一同測試了35個批次的頭盔，每批次6只樣本，一共210只頭盔。32個批次頭盔合格，3個批次頭盔不合格，不合格率8.5%。不合格樣品主要體現在佩戴裝置強度、吸收碰撞能量及耐穿透性能試驗三項試驗內，這三項標準數據限值和舊標準GB 811-2010《摩托車乘員頭盔》內限值基本無區別。文中將對摩托車乘員頭盔的佩戴裝置強度、吸收碰撞能量及耐穿透性能試驗進行介紹，并統計測試數據，對不合格的原因進行簡要分析。

1佩戴裝置強度

佩戴裝置強度主要對綁帶的材質，綁帶與頭盔的連接件強度進行考核。將頭盔放置在綁帶拉伸試驗機上，根據頭盔廠家提供的型號，選取相應頭模進行安裝固定并系緊綁帶。如果是A1、A2型盔，配重225±5N的初載荷，則選取1333±10N的試驗載荷進行試驗；如果是A1、A2、B1、B2型盔，配重147±5N的初載荷，則選取882±10N的試驗載荷進行試驗。進行試驗時，進行30s的預加載進行基準定位，隨后在30～60s內將載荷加至規定的試驗載荷后，保持2min，讀出綁帶伸長量，綁帶伸長量超過25mm，或連接件斷裂、脫落，則試驗不合格[1]。

對頭盔進行佩戴裝置強度測試后，發現部分頭盔存在綁帶拉伸伸長量超限值和搭扣斷裂的問題，綁帶伸長量結果測試如圖1所示。其中6只頭盔綁帶伸長量超過限值，1只頭盔在拉伸過程中發現搭扣斷裂，如圖2所示。

由圖1可以看出，各個頭盔綁帶在佩戴裝置強度試驗后伸長量結果呈現均勻分布，證明目前的頭盔各生產廠家選用綁帶質量有較大不同。實驗結果最好的綁帶伸長量9.89mm，最差的綁帶伸長量為27.35mm，中位數伸長量為17.98mm。

進一步將綁帶的拉伸伸長量和綁帶寬度進行比較，將綁帶測量寬度作為縱坐標，佩戴裝置強度試驗后的拉伸伸長量作為橫坐標進行統計，如圖3所示。

從散點圖可以看出，綁帶寬度在24mm以上，綁帶拉伸伸長量得以有效控制在20mm以下。綁帶寬度在24mm以下，對綁帶拉伸伸長量和綁帶寬度的數據用CORREL函數計算其相關性，得出綁帶伸長量與綁帶寬度的相關性為0.34，為弱正相關。理論上，綁帶的寬度和伸長量數據應為負相關，因為各家材質選用不同，試驗結果并不符合負相關的假設預期，可以得出在拉伸過程中，綁帶的性能因素對伸長量試驗的影響大于材料的寬度因素帶來的影響。從圖上可以看到部分綁帶寬度在21～22mm之間，為綁帶拉伸測試結果不合格的樣品；也可以從圖中看到部分綁帶寬度為20mm，但是綁帶拉伸伸長量能有效控制在14～25mm之間的樣品。

頭盔綁帶的原材料基本都是以丙綸原料或丙綸復合原料構成。各綁帶之間伸長量與材質的構成、編織的方式、系帶的寬度三種影響因素相關。在材質的構成中，綁帶是由單一丙綸材質還是丙綸復合材料構成，對抗拉強度有一定影響；若使用復合材料構成，材料內部各纖維之間的比例也會對抗拉強度有一定影響。編織的方式一般為單一材料有斜紋織法、平紋織法、緞紋織法。復合材料一般為包纏織法和網絡織法[2]。國家標準規定的寬度限值為大于20mm，一般企業的織帶寬度在20～25mm之間。同材質下織物寬度與伸長量成反比。企業應選擇韌性強，伸縮率低的材質作為頭盔綁帶的原料，盡管搭扣斷裂現象比較少見，企業也應重視選用強度高的塑料連接件。

2頭盔吸收碰撞能量

頭盔吸收碰撞能量主要模擬騎手在行駛過程中發生碰撞后，頭盔能否吸收沖擊力，起到保護顱骨的作用。試驗規定A1、A2類盔符合加速度峰值不超過300g；加速度超過150g的作用時間小于4ms。A1、A2、B1、B2類盔符合加速度峰值不超過400g；加速度超過200g的作用時間小于2ms，加速度超過150g的作用時間小于4ms。試驗需要對6頂頭盔進行測試，分別進行高溫、低溫預處理和水浸處理后，進行碰撞吸能和耐穿透試驗。頭盔經過吸收碰撞能量試驗后，A類頭盔和B類頭盔每批次頭盔平均加速度結果如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，無論A類和B類盔，絕大多數頭盔可以把撞擊加速度控制在200g以下。只有圖4中的1號樣本，6只全頭型頭盔加速度有2只測試失敗，皆為300g以上。失敗的原因在于預處理溫度為低溫時，頭盔材料內部發生變化，無法抵御撞擊力。該頭盔外部材質為ABS塑料，內襯材質為EPP/PU-FOAM（發泡海綿）+絳綸，見表2。

頭盔在能量碰撞吸收試驗之前的低溫預處理，是模擬頭盔長期在低溫環境下，性能不會退化，受到撞擊后仍能保持對顱骨的保護。我國東三省地區的冬日溫度常低于-20℃，同時氣溫會隨著海拔增加而降低，每升高百米氣溫降低0.6℃，因此在高海拔地區使用的物體也要考慮低溫對功能的影響。頭盔的低溫預處理試驗模擬在極北氣候和高原高山氣候的佩戴頭盔。低溫頭盔的機理失效模式為材料硬化和材料脆化導致機械強度降低，特別是抗沖擊強度會大大降低。在標準上低溫的預存儲期時間為4～6h。因為低溫試驗設計時存儲時間4h一般用于與生命非相關產品的考核[3]。通常情況建議按6h進行預存儲。

同時，頭盔的內襯對于加速度也有一定影響。頭盔的內襯材料基本以EPS和EPP為主。其中兩者的吸能機理有所不同，EPS材料以自身結構破壞來起到緩沖，EPP材料通過材料收縮來起到緩沖作用。通常，EPP相對于EPS，具有價格低廉、能重復利用的優勢，對食品包裝運輸、EPP在汽車零部件方面起到輔助吸能的作用。但是對摩托車頭盔能量碰撞吸收這種要求較高的試驗而言，EPS起到的緩沖能力較差。EPP材料相對緩沖能力較優[4]。

最后，從表2可以看出，未通過的測試點都位于頭盔通風孔附近。可以推測通風孔的存在降低了頭盔整體的性能。建議廠家在保證頭盔安全的前提下，再進一步追求頭盔的舒適型和美觀型。

3頭盔耐穿透試驗

頭盔耐穿透試驗主要模擬頭盔在運動過程中與尖銳物體接觸，能否承受沖擊力，阻礙尖銳物體穿刺頭部。試驗用一規定尺寸的尖錐從規定高度落下，要求不得穿透頭盔與頭型產生接觸。規定A1、A2類頭盔在3000mm高度，進行兩次穿透，A1、A2、B1、B2類頭盔在1000mm高度，進行兩次穿透。其中兩次試驗間距不小于75mm[1]。為了確保試驗的一致性，本次所有樣品均在23℃的環境溫度下進行試驗。試驗不合格結果見表3。

頭盔的通風口可以改善騎手的佩戴體驗，在網上各大摩托車論壇內，頭盔有無通風口也是騎友們區別“高端”或“低端”頭盔標準之一。設立通風口也是企業順應目前消費者需求的選擇，但是通風口會降低頭盔整體強度，廠家對通風口的設定，應該在滿足標準的前提下進行。

玻璃纖維頭盔在造價上遠高于ABS材料的頭盔，但是在穿刺試驗過程中，玻璃纖維頭盔沒有特別的優越性。相反，不合格的頭盔集中在玻璃纖維復合材質上。對于GF/EP復合材料，王啟強等[5] 的研究表明玻璃纖維含量達到30%，GF/EP力學性能最佳，如圖8所示。吳海亮的[6]研究表明在玻璃纖維為定量時，樹脂的含量在28%～32%之間力學強度達到最大值，見表4。同時，玻璃纖維的編織方式也分為平紋、斜紋、鍛紋。不同的編織方式對其穿刺性能也會產生較大影響。

頭盔的正中處穿刺全部滿足要求，但前腦、后腦處出現不合格現象。目前，標準規定對試驗區內所有區域皆可以進行穿刺測試，廠家應對規定的整體測試區域進行受力設計。在內部測試中對測試區域所有點進行測試。目前，國家標準中沒有具體表明測試點，而在ECE頭盔標準和Snell頭盔認證標準中均有具體的測試點要求，企業可以參考上述兩個標準進行內部測試。

4結語

通過對上述頭盔不合格數據的統計，可以發現頭盔制造企業在質量方面仍有較大的提升空間。企業在制造頭盔過程中，應當對標準有深入的了解。在設計及工藝上，內部的品控應符合甚至超過標準要求，這樣才能生產出符合標準要求、滿足消費者安全防護要求的頭盔。其中，材質為碳纖維或玻璃纖維及復合纖維的頭盔，不應只考慮產品的美觀與輕便性，更應重視頭盔的穿刺性能。最后，企業應對自身的產品進行定期內部檢查，促進產品的一致性趨于穩定，最終提供給消費者符合國家標準的乘員頭盔。

參考文獻

[1]全國道路交通管理標準化技術委員會.摩托車、電動自行車乘員頭盔：GB 811-2022[S].北京：?中國標準出版社，2022.

[2]劉雙雙.玄武巖玻纖/丙綸復合線、機織物和復合材料制備及其力學性能研究[D].浙江理工大學，2014.

[3]王樹榮，季凡渝.環境試驗技術［M］.北京：電子工業出版社.2016.

[4]錢輝，姚永偉.運動頭盔產品質量分析及提升合格率的途徑[J].中國測試，2017，43（S1）：158-160.

[5]王啟強，彭龍貴．玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的力學性能研究[J].化工時刊，2016，30（7）：4-7．

[6]吳海亮.樹脂含量對玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料力學性能的影響[J].天津科技，2017，44（07）：21-22+26.DOI：10.14099/j.cnki.tjkj.2017.07.007.