电弧防护服人体工效学研究

黄 圳 唐 虹 张成蛟

（南通大学，江苏南通，226019）

随着科技的进步和工业的快速发展，带电的作业场所急剧增加，电弧伤害事故不断增多，电弧防护服的开发与应用也引起广泛关注。我国电弧防护服研制方面还处在摸索阶段，电弧防护服质量也参差不齐，而且缺少对电弧防护服的热湿舒适性及人体工效性方面的系统性研究［1-2］。本文以最常用两款等级为Ⅰ级和Ⅱ级的电弧防护服为研究对象［3］，通过暖体假人方式研究其热湿舒适性，通过真人试穿方式对其服用舒适性及工效性进行评价，为后续新型电弧防护服装的设计及相关服用性能研究提供理论基础和科学依据。

1 试验服装的设计及制作

通过对国内63家电弧防护服生产企业的网络调查，按照基本电弧防护服上下分体式款式，设计制作了两种同款同尺寸的电弧防护服，型号标准均为170/88A，如图1所示。

两款电弧防护服分别用试样1和试样2表示，原料均为芳纶+兰精FR纤维，单位面积质量分别为180 g/m2和230 g/m2，电弧热防护性能值ATPV分 别 为25.95 J/cm2和36.84 J/cm2，材 料破裂阈值Ebt分别为62.79 J/cm2和87.90 J/cm2，防电弧等级分别为Ⅰ级和Ⅱ级，克罗值分别为0.240 83 clo和0.242 52 clo。

图1 电弧防护服款式及成衣图

2 试验

2.1 暖体假人试验

2.1.1 试验器材

在人工气候室内使用Newton暖体假人测量，假人测试区段如图2所示。各个区段温度独立控制，测试静态或动态下服装整体和局部的热阻以及湿阻［4］。

图2 假人测试区段

2.1.2 试验环境

试验中将暖体假人按部位分区，如图2所示。红色区域为服装整体部分，浅蓝区域为手臂部位，深蓝区域为躯干部位，绿色部分为下肢部位。图3为暖体假人热阻和湿阻测试过程图。其中，热阻测试采用ISO 15831—2004《The International Organization for Standardization.Clothing—Physiological Effects—Measurement of Thermal Insulation by Means of a Thermal Manikin》［5］，湿阻测试采用ASTM F2370—16—2016《Standard Test Method for Measuring the Evaporative Resistance of Clothing Using a Sweating Maniki》［6］。人工气候室试验环境指标如下。

图3 暖体假人测试过程

2.2 真人试穿试验

2.2.1 试验内容

生理指标测量皮肤温度、前胸相对湿度、心率、新陈代谢，测试仪器为COSMED K5型便携式人体运动气体代谢遥测仪和MSR 145型温湿度记录器。

皮肤温度测量包括前胸温度、上臂温度、大腿温度、小腿温度。采用四点法测平均皮肤温度，测量点分别为胸部、上臂、大腿、小腿。平均皮肤温度的计算式为：平均皮肤温度=0.3×前胸温度+0.3×上臂温度+0.2×大腿温度+0.2×小腿温度，单位为℃［7］。

选择前胸位置测量相对湿度，因为前胸出汗量适中，适合观察相对湿度变化［8］。

2.2.2 试验人员选择

真人试穿试验有5名志愿者，体重在（60±5）kg，身高在（170±3）cm，年龄在（21±2）岁。试验中试验者均穿着纯棉T恤和纯棉内裤。

2.2.3 试验流程

真人试验环境温度（23±1）℃，相对湿度（60±5）%。模拟电力系统工人中度劳动强度工作，测量其生理指标和主观感受［9］。

准备阶段时间为20 min，包括试验仪器的调试、试验者服装的穿着和佩戴。

正式试验阶段为65 min，有3个阶段。阶段1：进行5 min准备心肺测试；阶段2：以5 km/h的速率步行40 min，并在试验进行20 min时进行心肺测试；阶段3：静坐休息20 min。

2.2.4主观评价标尺

主观指标有冷暖感、闷湿感、灵活感和软硬感，按5级评价标尺评价［10］，见表1。

表1 主观评价标尺

2.3 数据分析方法

试验数据除了局部热阻和湿阻数据是平均值以外，其他数据都是平均值正负标准差。

把假人穿着衣物各部位分为全身、手臂、躯干、腿部。通过单因素方差分析，比较两个不同防护等级和不同部位对服装湿阻和热阻的影响。通过配对样本t检验、平均皮肤温度、平均前胸相对湿度、心率进行分析。通过wilcoxon秩合分析对真人试穿的主观感受进行对比分析。

采用SPSS对试验数据进行对比分析，以显著性水平P为衡量指标，设为0.05。

3 试验结果与分析

3.1 暖体假人试验结果与分析

计算试样1和试样2在相同工况下穿着时不同部位的热阻［11］。试样1和试样2的全身热阻分别是1.38 clo和1.43 clo，手臂热阻分别是1.33 clo和1.33 clo，躯干热阻分别是1.48 clo和1.53 clo，腿部热阻分别是1.17 clo和1.25 clo。从结果可以看出，两个不同防护等级的电弧防护服热阻不存在显著差异（P＞0.05）。但防护服各部位热阻之间存在差异，躯干部位的热阻与全身热阻（P<0.05）、手臂热阻（P<0.01）、腿部热阻（P<0.01）均存在显著差异。腿部热阻与全身热阻（P<0.05）、手臂热阻（P<0.05）、躯干热阻（P<0.01）均存在显著差异。手臂热阻与全身热阻之间不存在显著性差异（P＞0.05）。因此可以得出，在服装覆盖的区域中，腿部的热阻最小，躯干的热阻最大，其原因是躯干部位是人体和服装的核心部位，远离服装通风口，不利于热量的散湿。李佳怡等对防寒服的热阻测量中也得到了腿部热阻相对于上半身低的结果［12］。

计算试样1和试样2在相同工况下穿着时不同部位的湿阻。试样1和试样2的全身湿阻分别为35.41 m2·Pa/W和36.15 m2·Pa/W，手臂湿阻分别为28.15 m2·Pa/W和29.09 m2·Pa/W，躯干湿阻分别为36.28 m2·Pa/W和33.32 m2·Pa/W，腿部湿阻分别为35.92 m2·Pa/W和39.73 m2·Pa/W。从结果可以看出，两个不同防护等级电弧防护服各部位的湿阻不存在显著差异（P＞0.05）。但防护服各部位湿阻之间存在差异，手臂湿阻与全身湿阻（P<0.05）、躯干湿阻（P<0.05）、腿部湿阻（P<0.01）存在显著差异。全身湿阻、躯干湿阻、腿部湿阻三者之间不存在显著差异（P＞0.05）。因此可以得出，服装覆盖的区域中手臂湿阻最小，腿部湿阻最大，躯干与全身的湿阻相近。

3.2 真人试穿试验结果与分析

3.2.1 皮肤温度

真人试穿时平均皮肤温度变化如图4所示。

图4 试验人员平均皮肤温度变化

从图4中可以看出，穿着两件电弧防护服的试验人员皮肤温度都经历了相似的过程。阶段1：前5 min，试验人员皮肤温度保持平稳。阶段2：在5 min～13 min期间，试验人员皮肤温度下降迅速，穿试样1的试验人员皮肤温度从32.4℃下降到31.9℃，穿试样2的试验人员皮肤温度从32.3℃下降 到31.8℃，均 下 降 了0.5℃；在14 min～33 min期间，试验人员皮肤温度缓慢上升，穿着试样1和试样2的试验人员皮肤温度分别上升了0.1℃和0.3℃；在34 min～45 min期间，试验人员皮肤温度都缓慢下降了0.1℃。其原因是运动使得人与空气相对运动，导致热量散失，运动使人体产生热量，皮肤温度上升，随后由于汗液蒸发散热导致皮肤温度下降。阶段3：从46 min开始，穿着试样1和试样2的试验人员皮肤温度分别迅速上升了0.8℃和0.9℃；从50 min以后，试验人员的皮肤温度趋于平稳；原因是停止运动后人体产生的热量仍处于较高水平，但缺少了运动时相对空气流动，导致试验人员皮肤温度迅速上升。其温度变化规律在运动阶段与文献［4］对运动服的研究相近。

3.2.2 前胸相对湿度

真人试穿时平均前胸相对湿度变化如图5所示。

图5 试验人员平均前胸相对湿度变化

从图5可以看出，穿着两件电弧防护服的试验人员前胸相对湿度都经历了相似的变化过程。阶段1：前5 min，前胸相对湿度相对平稳。阶段2：在5 min～13 min期间，试样1前胸相对湿度从50%降到了47%，试样2前胸相对湿度从55%降到了52%，其原因是运动导致空气流速增加，利于散湿；在14 min～33 min期间，试样1和试样2前胸相对湿度分别上升了23%和18%，相对湿度都达到了70%；在34 min～45 min期间，相对湿度都上升了4%，速度放缓，原因是出汗使得皮肤温度下降，出汗随之放缓。阶段3：在46 min～50 min期间，前胸相对湿度加速上升，试样1和试样2前胸相对湿度分别上升了3%和6%，其原因是停止运动导致散热能力下降，皮肤出汗增加；50 min到试验结束，试样1和试样2前胸相对湿度分别下降了13%和11%。

通过配对样本t检验，在试验的3个阶段，穿着试样1的前胸相对湿度都低于试样2（P<0.01）。由此也可看出，在相同的条件下，试样1的透湿能力更加出色。

3.2.3 人体新陈代谢率和心率

穿着试样1和试样2静坐时，试验人员的人体 新 陈 代 谢 率 分 别 为（1.43±0.19）met和（1.62±0.21）met，步行时人体新陈代谢率分别为（5.59±1.07）met和（5.78±0.78）met。穿着试样2时静态和动态人体新陈代谢率都高于试样1（P<0.05），说明穿着试样1工作能耗更小。

试验人员平均心率变化如图6所示。从图6可以看出，通过配对样本t检验，在静态情况下，穿着试样1和试样2，试验人员平均心率无显著差异（P＞0.05）。在动态情况下，穿着试样1的心率略高于穿着试样2的心率（P<0.05）。

图6 试验人员平均心率变化

3.2.4 真人试穿主观评价

试验人员主观评价值情况如图7所示。从图7可以看出，整个试验过程中，冷暖感和闷湿感都在步行试验的过程中增强，在休息20 min后显著降低；而灵活感和软硬感变化不明显。

在试验刚开始时，试验者评价试样1比试样2穿着更灵活（P<0.05），柔软；试验进行20 min和40 min时（步行试验期间），试样1比试样2穿着更灵活（P<0.05），穿着试样2的过程中试验者热感更明显，且觉得试样1更柔软；在试验进行60 min时，试验者均感觉试样1比试样2凉快、灵活、柔软。

图7 试验人员主观评价值

4 结论

（1）暖体假人测试中，Ⅰ、Ⅱ级两个防电弧等级对服装各部位热阻和湿阻的影响没有显著差异；在服装覆盖的区域中腿部的热阻最小，躯干的热阻最大，手臂与全身的热阻相近；在服装覆盖的区域中手臂的湿阻最小，腿部的湿阻最大，躯干与全身的湿阻相近。

（2）真人试穿生理评价中，试样1和试样2的散热方面没有显著差异，但试样1的透湿能力优于试样2；穿着试样1的试验人员新陈代谢率更低；主观感受上，穿着试样1散热好、灵活、柔软。

（3）电弧防护服电弧防护等级的差异会导致其穿着舒适性的区别，在实际应用中，相应的场合选用合适的防护等级服装十分重要。在未来的研究中，一方面可以从电弧防护等级的跨度考虑，研究电弧防护值差别较大的服装对比；另一方面，关于主观评价中评价标尺的划分可以更加细分一些，利于实际分析。