儿童游乐场地垫冲击吸收能力评价测试方法研究

许斌，宋芳，蔡建和，张学峰，骆海清，王景

(昆山出入境检验检疫局，江苏 昆山 215300)



儿童游乐场地垫冲击吸收能力评价测试方法研究

许斌，宋芳，蔡建和，张学峰，骆海清，王景

(昆山出入境检验检疫局，江苏 昆山 215300)

摘要：HIC作为研究头部伤害的重要参数，被广泛应用于包括汽车、航空航天以及游乐设施等关系人类生活安全的各个方面。儿童由于认知能力相对缺乏，对潜在危险缺乏足够认识，在监护人疏忽的情况，极易受到伤害。基于EN 1177-2008冲击减震游乐场铺面临界跌落高度的测定标准测试设备，设计了数据处理算法，利用测试数据求解被测样品在对应跌落高度的HIC参数，应用3次B样条曲线拟合了HIC-跌落高度曲线，并最终求解出临界跌落高度。

关键词：头部伤害指标；冲击吸收；临界跌落高度；测试方法；儿童游乐场

0引言

人体对外力的冲击有一定的承受能力，但当外力超过一定限度时，人体便会受到伤害。表示人体耐冲击性的物理量，一般采用加(减)速度、负荷、压力及位移(变形量)。特别是加速度，能准确地表示冲击大小的尺度，测量和数据处理也比较容易，负荷和位移往往用于表达骨折和挫伤的耐冲击性。由于人体各部位的构造、机能不同，耐冲击性也各不相同。在伤害案例中，头部伤害是最重要的伤害形式，其衡量参数为头部伤害指标(head injury criterion，HIC)。

儿童由于认知能力相对的缺乏，可能存在对于潜在危险缺乏足够认识的情况，在监护人疏忽的情况，极易受到伤害。在游乐场中，往往存在各种高度落差，儿童在玩耍过程中，会频繁进行跳下等活动，同时也可能由于各种意外而跌落。考虑游乐场设施地垫吸收冲击的能力，检测其在特定跌落高度下的HIC，求解临界跌落高度，并使以此作为产品设计的特征参数，对确保产品安全，防止相关类似伤害的产生具有重要意义。

从国内外研究情况来看，关于头部伤害的研究集中在汽车工业。对于儿童娱乐设施的跌落伤害研究最多的是欧盟，其对应的最新欧盟标准是EN 1177-2008《冲击减震游乐场铺面.临界跌落高度的测定》[4]。标准给出了测试设备的示意图以及技术参数要求，给出了HIC求解方法以及临界跌落高度手工作图近似求解方法。其他国家有相应的研究，但是未形成标准。我国在这方面基本空缺，缺少安全标准以及相应的检测方法和检测设备。

1HIC的本质及其分析

HIC是1971年由Versace提出的，是一种对GSI(gadd severity index)标准改进的头部伤害评价标准，其表达式如下：

(1)

其中：a是头部重心的加速度值，单位是重力加速度g的倍数，t1是最大头部冲击伤害发生时间，t2是最大头部冲击伤害结束时间，两者的差值应当>3ms。

HIC=1000作为头部冲击伤害的安全界限，此时，发生恶性头骨骨折的概率相当于33%。

当儿童在一个高度发生跌落时候，相当于做自由落体运动，当头部接触地面时，此时头部具有一定的动量，头部同地面接触时，在一定的时间内，通过地面对头部的作用力的冲量抵消该动量。因此，与跌落相关的参数可以简单表达为跌落高度(决定落地瞬间头部的动量大小)、地面对于头部的作用力(表达为对头部持续的减速度)以及作用时间(作用力时间)相互作用的结果。

有关HIC检测方法的研究，一般是在实验室环境或样品实际使用环境下，对于确定外形、材质的冲击吸收材料样品,在不同的跌落高度使用冲击头对样品进行冲击，并进行冲击加速度采样。通过采样数据求解对应的HIC值，并通过测试值拟合HIC-跌落高度曲线，最后获得临界跌落高度。

因此对于完整的HIC检测方法而言，应包括冲击测试硬件设备和软件算法的研究。

2冲击测试设备

在EN 1177-2008中给出了两种冲击解决方案：1) 单轴导向冲击，2) 三轴自由落体冲击。就适用性而言，三轴冲击适合在更多的环境下(三轴冲击不需要垂直导轨等装置，设备可以更加简便)。本文按照2) 方案，实施冲击测试。冲击设备如图1所示，设备主要由采样控制柜、冲击头、跌落高度升降机构和夹持释放系统组成。

图1　冲击测试设备

对于自由落体冲击而言，由于冲击头在释放后完全不受控制，因此冲击头的释放技术是自由落体冲击的最关键因素。

典型的夹持释放方式有电磁释放、挂钩释放、以及翻板释放等方式。电磁释放方式不会造成头模受力的不均匀，并且响应速度较快，结构简单且可靠，一般应用范围较广，但是电磁释放方式因为磁体的磁滞以及残留磁性等影响，容易对冲击头的冲击初速度存在影响，可能造成冲击速度偏小，一般需要修正。挂钩释放的时候相应速度较快，实现相对简单，但是释放可能造成冲击头旋转，从而产生自转向心加速度，并且造成冲击点偏离。一般使用在单轴的导向冲击测试。翻板释放最简单，成本较低，但是翻板机构的响应速度往往偏慢，以及在释放瞬间翻板同冲击头的摩擦力等因素可能造成冲击头模的旋转以及初速度影响，一般应用在绕圆周运动的冲击方式测试。

本文使用双平板气缸夹持释放方式，研制的装置如图2所示，该方式采用双气缸驱动的双垂直平板(带有V型槽)夹持的方式。气缸动作较快，并且夹持板和冲击头模材料均为铝合金。铝合金的强度和硬度较高，在夹持力作用下产生的弹性形变较小，在较快的气缸回收速度下，冲击头模同夹持板的滑动摩擦时间较短，不会对释放初速度产生明显影响。同时由于双平板由相同材料制造，对冲击头模两边的作用力基本对称，不会造成冲击头模旋转。这种方法保证了夹持释放系统对测试的影响较小。

图2　夹持装置

冲击头采用了匀质铝合金球，确保冲击头重心同球心的重合，以防止因为重心偏移导致旋转。同时，对三轴加速度传感器，采用球心安装方式，以进一步减轻可能的自转速度对加速度传感器的影响。

3采样数据的处理与HIC计算

3.1　采样数据的处理

按照EN 1177-2008要求，冲击采样使用安装在头模上的加速度传感器，对被测试样品进行跌落测试，采样频率为1kHz。冲击加速度测试使用三轴加速度传感器。由于采用了自由跌落冲击的方式，因此冲击时候产生的冲击加速度相当于使用三轴加速度传感器自有笛卡尔坐标系描述的空间向量，又由于最大冲击一般只存在于冲击主峰，因此不需要考虑冲击加速度向量的方向性，只要求取冲击主峰的向量模即可。计算式为：

式中：ax、ay和az分别为三轴加速度传感器在三个通道上的加速度分量。

典型的冲击加速度曲线主峰如图3所示。

图3　典型的冲击加速度曲线主峰

3.2　HIC求解算法

EN1177-2008给出的HIC求解式(1)是一个变上下限积分函数的极限值求解。

对HIC算法的积分进行离散，设定采样时间间隔为Δt，一组冲击采样点共有n个采样点，每个采样点对应的加速度为ai，则HIC求解算法进行离散后可以重新描述为:

其中：k=1,2,3…n-3,j=k+3,k+4…n。

该算法可以看作是确定起始采样点，对后续采样点可能组合的一种遍历，实现对整个采样数据最大HIC的求解。就计算量而言，这种算法的计算量十分巨大，计算效率不高。

如图2所示，相对一次冲击而言，冲击数据可以认为近似以峰值为对称轴的对称分布。因此离散算法可以进一步进行简化，认为HIC最大值应当发生在沿着峰值轴对称分布的区域内。设定峰值加速度采样点在采样数据中的Peak点，以Peak点为中间线，位于Peak点前的采样点数量为a，位于Peak点后的采样点数量为b，取m=Min(a，b)，则此时HIC求解可以认为是以Peak点为中心轮流向两边生长的过程(可以认为先取右边一点参与运算，下一次再增加左边一点参与运算，继续再取右边点的生长运算)。此时HIC的求解可以简化为：

左右相同数量采样点参与计算：

左边比右边多一个采样点参与运算。

其中：k=2,3…m

HIC=max(HIC1,HIC2)。

4临界跌落高度求解算法

在文献[1]中给出了一种临界跌落高度(HIC=1000)的手工绘图求解的方式。该方式欠精确，同时曲线绘制工作也是一个较为耗费的过程。

针对上述问题，本文使用三次B样条曲线对采样点进行曲线拟合，并绘制出HIC-跌落高度曲线，实现临界跌落高度的自动求解，保证了测试结果的快速和高精度。

B样条曲线具有直观性、局部性、凸包性、保凸性、几何不变性和变差减少等性质，它不仅继承了Bézier(贝齐埃)曲线的优良属性，又克服了Bézier方法的不足之处，B样条曲线与特征多边形相当接近，便于局部修改[3]。

三次B样条基

三次B样条曲线段：

图4　三次B样条曲线段

基于上述三次B样条曲线的原理，本文使用VC++6.0实现的HIC-跌落高度曲线拟合和临界跌落高度求解的程序主界面如图5所示。

图5　HIC跌落高度曲线拟合和临界跌落高度求解程序

5结论

通过对EN 1177-2008标准的研究。实现了HIC冲击测试设备的研发，同时简化并实现了HIC求解算法，并使用三次B样条曲线基于VC++6.0完成了HIC-跌落高度曲线的拟合以及临界跌落高度的求解。

本文的研究内容可以帮助充分识别儿童游乐场头部致伤的潜在风险，同时也可以用于儿童娱乐设施设计关键安全参数的导出，对于提升儿童游乐场设施安全性，加强儿童保护有着明显的社会价值。

参考文献:

[1] 王伯雄. 测试技术基础[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

[2] 陈树学. LabVIEW宝典[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[3] 施法中. 计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1994.

[4] EN 1177-2008,冲击减震游乐场铺面. 临界跌落高度的测定[S]. 欧盟标准，2008.

Study of Test Method of Assessing Impact Attenuation Property of Children Playground Surface

XU Bin，SONG Fang，CAI Jian-he，ZHANG Xue-fen，LUO Hai-qing，WANG Jin

(Kunshan Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Kunshan 215300, China)

Abstract:As the important parameter of the study of head injury, HIC is wildly used for automobile, aviation and facility for playing, which are in relation to the security of human life. Due to the relative lack of children cognitive ability, they can’t understand the potential dangers immediately. so that they may be injured easily because of the guardian’s negligence. Based on the EN 1177-2008(Impact attenuating Playground surfacing- Determination of critical fall height), the article designs the algorithm for data processing, which is used to calculate the HIC corresponding to the certain drop height of sample with the testing data, and the software for simulating the HIC-Drop Height curve, which is used to calculate critical fall height.

Keywords:HIC; impact attenuation; critical fall height; test method; playground for children

中图分类号：TH123

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)02-0065-03

作者简介：许斌(1979-)，男，江苏昆山人，工学硕士，研究方向：儿童用品、自行车、健身器材检测技术。

基金项目：国家质检总局公益性项目(201310059)

收稿日期：2014-11-04