基于有限元仿真的导汗型安全帽研究

马恒，余虹云，钱科，高义波，刘雯芳

（浙江华电器材检测研究所（浙江省高处作业防护技术重点实验室），杭州310015）

基于有限元仿真的导汗型安全帽研究

马恒，余虹云，钱科，高义波，刘雯芳

（浙江华电器材检测研究所（浙江省高处作业防护技术重点实验室），杭州310015）

针对工作过程中安全帽内汗水容易流入眼睛的问题，研制了一款导汗型安全帽。通过有限元对安全帽内热气流动进行分析，采用单向导湿吸汗速干复合织物吸汗带+导汗带的方式，对普通安全帽吸汗带进行了改造和替换，加入纳米抗菌材料实现抑菌效果，并利用自主研发的排汗模拟装置对其进行导汗测试，证明了导汗型安全帽具有良好的导汗效果，可有效提升作业舒适性，保障作业人员的人身安全。

气体流动；吸汗带；导汗型安全帽；抑菌性；排汗模拟装置

0 引言

随着电网的扩大和电压等级的升高，作业安全防护在电网建设、运行中的作用和地位越来越重要[1]。安全帽作为电力作业中最基本的防护装备，可有效保护作业人员的头部免受高处物体的坠落冲击伤害[2]。但是由于安全帽内空气难以流通，作业人员在高温环境下或长时间作业时，头部容易产生大量汗水且难以蒸发。汗水被安全帽吸汗带吸收饱和后，往往顺着前额流入眼睛，对正常工作造成严重影响，存在着一定安全隐患[3]。因此，需要对现有安全帽的排汗部分进行改造，提高排汗效率，最大程度保障人员的安全。

1 有限元仿真

高温高强度作业下安全帽内空气难以流通的现象是多种因素的综合作用结果，因此有必要对安全帽内的流场进行分析。通过流场的计算，更直观地了解安全帽内空气的流动情况，为安全帽导汗性设计打下基础。

安全帽内的空气流动为低速流动，符合Bonssinesq假设[4-9]及湍流数学模型。根据安全帽的实际尺寸，建立安全帽模型，如图1所示。并进行网格划分，如图2所示。

图1 安全帽模型

图2 对模型进行网格划分

选择热气入口从头顶流入安全帽内，热气出口为安全帽正前方及顶部两侧的通气孔，选择标准的k-e湍流模型，湍流动能方程k：

扩散方程e：

式中：Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb是由浮力产生的湍流动能。

流体材料为气体，密度为1.293 g/L，粘度为1.789 4e-5 pa·s，模拟计算结果如图3所示。

图3 模拟计算结果

根据图3结果可知，由于头部热气多为上升气体，头顶两侧通气孔排出的气体密度较高，从正前方及头顶两侧排出的气体速度较快，而大部分气体则集中滞留在安全帽与头顶之间的区域，难以排出。

根据图4气体流动云图可知，通气孔中心热气流动较快，而在边界位置，流动边界对热气具有一定的流动阻力，故热气流动减缓，其阻力大小取决于物体的形状、物体特征长度及物体表面的粗糙度。

分析结果表明，目前普通安全帽的通气孔仍较难满足头部热气及时释放的需求，使作业人员在工作过程中受地域、温度、场所、工作时间和工作强度的影响，在头部形成大量汗水。

目前安全帽内吸汗带大多采用海绵加布套的方式，吸汗率低、透气性差，无法充分吸收额头的汗水。吸汗带吸收汗水饱和后，汗水顺着前额流入作业人员的眼睛，影响正常工作，甚至出现灼烧、刺痛、红肿、发炎等导致视线模糊的情况，存在着严重的安全隐患。同时，吸汗带在长时间使用后，容易产生大量真菌及异味，对人体造成过敏等影响。因此，急需一种能充分导汗的安全帽，提高作业人员佩戴安全帽时的舒适度，从而有效保障作业人员的人身安全和设备安全。

图4 气体流动云图

2 安全帽改进方式

此处研制的导汗型安全帽采用单向导湿吸汗速干复合织物吸汗带+导汗带的方式，对原有安全帽吸汗带进行了改造和替换，并加入纳米抗菌材料，使其具有良好的抑菌效果。

2.1 单向导湿吸汗带

单向导湿材料的工作原理是材料内层（接触皮肤）与外层（接触空气）之间形成附加压力差，附加压力差在材料的内层和外层之间产生差动毛细效应，这是材料中液态水自动从内层流到外层的动力。在人体出汗后，汗水可以从皮肤表层迅速向织物外层输送，织物外层大量吸收水分同时大量蒸发，汗液不进入纤维内部，在织物表面大面积蒸发，保持织物内层的干爽[10]。

纱线在织造前进行亲水整理或拒水整理，从而改变其性能。纤维越细或纤维的截面形状越复杂、表面的沟槽和微孔越多，即纤维的异形度越大，形成的毛细管数量越多，织物的导湿能力也就越强。利用异型化纤原料的毛细差动效应原理，汗液从导湿能力弱的内侧向导湿能力相对较强的外侧转移，并在外侧蒸发快干。同时，特殊的网眼立体结构可以促进并加速湿、热从里层导向外层。里层网眼越大，外层网眼越小，汗液从里向外快速传导，在外层蒸发快干。

2.2 导汗带的应用

目前导汗带广泛应用于运动领域，主要利用物理引导的原理将汗水引导头部的两侧再流下。此处在吸汗带外部增设导汗带，使条形天然硅胶带与吸汗带连为一体，通过弧形导汗带将前额汗液导向耳朵两侧，防止汗液渗透后流入眼睛及脸颊。其主要特点是收集并排出汗液，避免汗液进入眼睛造成不适，影响视觉。导汗型安全帽实物结构如图5所示。

图5 导汗型安全帽实物结构

2.3 纳米抗菌材料的应用

将纳米抗菌材料以两种方式应用于单向导湿吸汗带中，一种在疏水材料层和导湿材料层中，使用具有抗菌性能的纤维面料，抗菌纤维是在纤维生产过程中，将纳米抗菌材料混入到纺丝液中，再经过纺丝，就可以得到具有抗菌作用的纤维；还有一种在吸水剂的合成过程中，混入纳米抗菌材料，干燥后得到的吸水剂粉末中，就含有纳米抗菌材料，从而具有抗菌作用[11]。

依据GB/T 20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》，按标准样品分别与金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的菌悬液接触18 h，试验结果如图6所示，其抗菌性能如表1所示。

细菌的繁殖依赖潮湿环境，单向导湿吸汗带可以使与皮肤接触的疏水材料保持相对干燥的环境，抑制细菌的繁殖。同时疏水材料层和导湿材料层保持比较干燥的环境，可以抑制细菌的繁殖，避免皮肤出现灼烧、刺痛、红肿、发炎等情况。吸水材料层中含有大量汗液，容易滋生细菌，但由于吸水材料中含有纳米抗菌材料，可以有效抑制细菌的繁殖，达到抗菌的目的。

图6 抗菌试验结果

表1 抗菌性能检验结果

3 导汗型安全帽测试

3.1 试验装置研发

为满足安全帽导汗性能的测试，自主研发了一套排汗模拟装置。依据GB/T 2812-2006《安全帽测试方法》附录A给定的头模尺寸及参数表，设计了具有模拟汗水流动结构的仿真头模。该头模固定于水槽底部，头模顶部开孔并安装导水管，利用增压水泵为头模前额区域喷水。增压水泵设有流量水阀及溢流导管，充分保证了2个头模水流速度及压力相等，从而模拟人体头部流汗的情况。排汗模拟装置如图7所示。

图7 排汗模拟装置

3.2 试验方法

将普通安全帽与导汗型安全帽佩戴在头模上，左侧为普通安全帽，右侧为导汗型安全帽，拉紧下颏带并锁紧帽箍，逐步打开2个增压水阀，10 min后观察头模额头及脸部水流情况。

3.3 试验结果

如图8所示，左侧佩戴普通安全帽的头模在打开水阀后额头及面部有水流流下，随着水阀压力的增大，额头及面部水流流速加快，头模耳部则未出现水流。

图8 模拟排汗试验对比照片

右侧佩戴导汗型安全帽的头模在打开水阀后持续增大水阀压力的过程中，额头及面部均未出现水流，持续10 min后头模额头及面部依然无水流出现，耳朵两侧则有水流流出。

通过安全帽导汗性能比对试验结果可知，普通安全帽不具备汗水疏导功能，汗液容易顺着前额流入眼睛及面部，而导汗型安全帽能有效将汗液导向头模耳朵两侧，具有良好的导汗性能。

4 结语

新研制的导汗型安全帽解决了工作过程中汗水侵入眼睛的难题，在提升安全帽舒适性的同时，减少了安全事故发生的机率，有效保障了作业人员的人身安全。该技术提高了安全工器具的整体水平，具有良好的推广前景，这标志着“人性化”安全工器具新时代的开始，作业人员也将拥有更好的作业防护装备和作业环境。

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（本文编辑：陆莹）

Research on Sweat Conductivity Safety Helmet Based on Finite Element Simulation

MA Heng，YU Hongyun，QIAN Ke，GAO Yibo，LIU Wenfang
（Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute（Key Laboratory for Protection Technology of High-Rise Operation），Hangzhou 310015,China）

The sweat in helmet is apt to flow into eyes in the work process，thus a sweat conductivity safety helmet is developed.Through analysis on hot air flow in safety helmet by finite element，sweat absorption belt of the ordinary helmet is transformed and replaced by directional water-transfer sweat drying composite fabric sweatband plus sweat conductivity belt；in addition，anti-bacterial nanomaterial is added to achieve the effect of antibacterial and sweat conductivity test is carried out by use of the independently developed sweating simulation device to prove the favorable sweat conductivity of the safety helmet.The sweat conductivity safety helmet can effectively improve the comfort of work and ensure the personal safety of operators.

gas flow；sweatband；sweat conductivity safety helmet；antibacterial；sweating simulation device

10.19585/j.zjdl.201708007

1007-1881（2017）08-0035-04

X924.4

B

2017-02-17

马恒（1988），男，工程师，从事安全工器具及个人防护器具的检测技术研究工作。