工业安全帽抗冲击性能研究*

李启月，王靖博，王宏伟，曾海登，杨晓枭，刘玉丰

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

安全帽是最常见的头部保护装备，与人类生命安全息息相关。安全帽能使瞬时冲击力在短时间内得到缓解和分散，减小瞬时冲击力，降低头部冲击损伤程度[1]。近年来，因安全帽质量不合格造成的安全隐患不断增加[2]。对安全帽做随机检验，检验结果显示：安全帽合格率仅50%～80%。因此,佩戴合格安全帽以及安全帽质量问题需引起足够重视[3]。国内外学者在安全帽散热性方面取得一定成就[4-7]。此外，Mills等[8]研究安全帽外壳变形原因；Hanssen等[9]深入研究安全帽结构强度。国内外学者从人体工程学角度,分析工业用安全帽佩戴舒适性:张振伟[10]研究安全帽佩戴舒适性优化；李夕兵等[11]从安全帽头模所受冲击力峰值出发，研究安全帽抗冲击性能；马舒淇等[12]综合考量冲击力峰值与吸能率对安全帽抗冲击能力的影响，分析安全帽保护性能。本文选取3种常用材质安全帽，综合分析吸能率与冲击力峰值对3种安全帽抗冲击性能的影响。通过落锤实验，测试3种不同材料安全帽在不同冲击载荷下力学性能与吸能率，以及预制帽衬裂纹安全帽力学性能与吸能率，并记录其破损情况，验证影响安全帽防护能力因素以及安全帽内部衬里对安全帽防护性能强弱的影响。

1 安全帽抗冲击性能实验

安全帽通过抗冲击性能减少冲击载荷对人体伤害，是安全帽质量是否合格的直观体现，是安全帽生产厂商首要考察的安全技术指标。

1.1 实验样品

实验用安全帽为建筑工程Y类经典V型安全帽，符合国家安全标准，实验用安全帽参数见表1。

表1 实验用安全帽参数Table 1 Parameters of testing safety helmets

1.2 实验设计

本文采用落锤冲击实验进行研究[13]。钢锤为外形对称、材质均匀的45号钢标准锤，质量10 kg；应变测量系统包括应变仪、桥盒以及超动态应变仪，用于收集和记录测试数据，应变测量系统选用超动态应变仪NUXI-1004；头模为仿真人体头模，头模材料为ABS树脂，如图1所示；将应变片依次黏贴在头模顶部、侧面及颈部，方便模拟安全帽受冲击时人体头部与颈部受力。

图1 头部模型Fig.1 Head model

1.3 实验方案

为测定安全帽抗冲击性能，根据材质将安全帽分为A、B、C3组。冲击测试均在落锤冲击平台完成：测试过程中，将头模固定在落锤冲击平台中央，调整安全帽佩戴在头模上，落锤自由落体冲击安全帽，头模中心线与锤体重心运动轨迹重合，运用应变测试仪记录头模所受冲击应力波。

本文共设置3组对比实验：不同材质安全帽在相同冲击力下防护性能；相同材质安全帽在不同冲击力下对头模保护效果；预制帽衬裂纹安全帽与新安全帽防护性能对比。安全帽及对应实验参数见表2。

表2 安全帽及对应实验参数Table 2 Safety helmets and corresponding test parameters

2 结果分析

安全帽保护作用原理是当安全帽受冲击载荷，外壳发生弹性形变，以缓冲和分散冲击载荷对人体头部伤害。当重物作用于安全帽外壳，冲击载荷向附近区域传递，并通过帽衬表面传递至人的头骨，从而使受力点变为受力面，有效避免冲击力集中于外壳表面某一点，减小单位面积受力大小。

落锤冲击测试过程中，总能量EI主要包括3部分：少部分能量ER被安全帽反射回落锤，安全帽吸收一部分能量ES，剩余能量ET通过帽衬作用于头模。基于弹性波理论，安全帽吸收能量ES如式(1)所示：

ES=EI-ER-ET

(1)

落锤冲击测试由装载到卸载过程中，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、透射波以及反射波携带能量,J；I,R,T分别表示入射波，反射波及透射波；t为冲击波脉冲作用时间,μs；E为帽壳弹性模量，GPa;A为落锤与帽壳接触面积，m2;C为弹性波速，m/s。

安全帽吸能率如式(3)所示:

η(t)=ES(t)/EI(t)×100%

(3)

安全帽头模承受冲击载荷如式(4)所示:

F(t)=ES[εI(t)+εR(t)]

(4)

2.1 安全帽保护性能

抗冲击与防护性能可通过头模所受应力峰值F与安全帽吸能率η反映。其中，头模所受应力峰值与安全帽防护能力成反比，吸能率与安全帽防护能力成正比。通过落锤实验，得到头模所受冲击力与吸能率随时间变化曲线，如图2所示。由图2可知，安全帽落锤冲击实验结果为典型冲击变化曲线，包括以下5个阶段：

图2 头模所受冲击力与吸能率随时间变化曲线Fig.2 Curves of force and energy absorption rate against time for head model of safety helmet

1)初始加载阶段。落锤以较快速度冲击安全帽表面，冲击力急剧增大，短时间达到峰值，安全帽受到最大冲击力为1 763 N。

2)初始卸载阶段。冲击速度继续增大，增幅减小，冲击力迅速降低，主要因帽壳受冲击部分破损，安全帽防护性能降低。

3)恒速阶段。头模冲击速度等于壳体冲击速度，冲击力较小。由图2可知，安全帽能量吸收率约60%。

4)减速阶段。冲击速度迅速减小,落锤离开帽壳，由于壳体失效区域与落锤间存在摩擦力，产生较小的拉力与回弹力。由于落锤与帽壳分离以及落锤反射部分能量，使安全帽能量吸收率降低。

5)振动阶段。头模自由振动一段时间趋于静止。

2.2 同一能量下不同材质安全帽冲击性能对比

以安全帽顶部中心作为落锤冲击点，落锤质量10 kg，落锤高度500 mm，总冲击能量50 J，依次作用于安全帽A、B、C，对应实验结果与安全帽损坏程度见表3。

由表3可知，在50 J冲击载荷下，安全帽B和C帽壳不会产生严重损坏，安全帽A明显受损。根据安全帽使用安全标准，当作用于头部最大冲击力大于4.9 kN或安全帽破裂时，安全帽将失去保护功能。由表3可知，头模受力大小依次为A>B>C，说明在50 J冲击载荷下，安全帽C受影响最小，安全帽A受影响最大，与表3中安全帽损坏情况相符，安全帽A外部结构已经损坏，失去防护作用，必须立即进行更换。但相同作用力下，安全帽B和C结构良好，仍具备一定保护功能。综上，3种材质安全帽中C抗冲击能力最好。

表3 50 J 能量下不同材质安全帽实验结果与损坏程度Table 3 Test results and damage degree of safety helmets with different materials under 50 J energy

2.3 不同冲击能量下的安全帽的性能对比

为研究安全帽在不同能量条件下的防护能力，对同种材质安全帽在不同能量条件下进行冲击实验。当落锤分别上升到300,400,500,600,700 mm时，对应冲击能量分别为30，40，50，60，70 J。安全帽抗冲击和防护能力如图3～4所示，HDPE安全帽在不同冲击能量下损坏情况如图5所示。

图3 安全帽头模冲击力最大峰值-冲击能量曲线Fig.3 Curves of peak impact force against impact energy for head model of safety helmet

图4 安全帽能量吸收率-冲击能量曲线Fig.4 Curves of energy absorption rate against impact energy of safety helmets

图5 HDPE安全帽在不同冲击能量下损坏情况Fig.5 Damage situation of HDPE safety helmets under different impact energies

由图3～4可知，当落锤高度为300 mm时，HDPE安全帽头模受冲击力峰值为1.9 kN，吸能率61%；ABS树脂工业安全帽的头模受冲击力峰值为1.3 kN，比HDPE安全帽低31.6%，吸能率64%；玻璃钢工业安全帽头模受冲击力峰值为1.1 kN，吸能率67%。当落锤高度为700 mm时，HDPE工业安全帽已损坏，头模受冲击力峰值约5.6 kN，吸能率降低至28%；ABS树脂工业安全帽和玻璃钢工业安全帽明显凹陷，头模受冲击力峰值分别为4.6，4.1 kN，吸能率分别为38%，43%。HDPE安全帽头模所受冲击力峰值明显大于ABS树脂安全帽和玻璃钢安全帽。

根据国家标准，为保证安全帽佩戴者生命安全，安全帽受冲击力最大值不能超过4.9 kN。当落锤高度超过600 mm，HDPE安全帽头模受冲击力峰值大于4.9 kN，安全帽已经失去保护功能；当落锤高度为700 mm时，ABS树脂安全帽和玻璃钢安全帽头模受冲击力峰值小于4.9 kN，冲击力峰值随冲击能量增大呈指数增大。因此，落锤高度大于700 mm时，头模受冲击力峰值大于4.9 kN，ABS树脂安全帽最大承载力约70 J，玻璃钢安全帽最大承载力高于ABS树脂安全帽。

2.4 预制裂纹安全帽与新安全帽性能对比

安全帽使用过程中，受磨损会产生微小裂纹，为测试旧安全帽安全性能，测试前用刀片在安全帽帽衬靠近连接孔处划几道裂缝，并进行冲击测试，将测试结果与新安全帽进行对比。预制裂纹安全帽与新安全帽防护性能对比如图6所示。由图6可知，当落锤高度为300 mm时，预制裂纹安全帽头模受冲击力峰值为1.5 kN，吸能率59%；落锤高度为700 mm时，预制裂纹安全帽头模受冲击力峰值高于4.9 kN，安全帽丧失保护功能。结果表明：帽衬破损后，吸能率明显低于新安全帽，给头部造成直接损伤。因此，帽衬作为安全帽重要组成部分，一旦发生损坏，应立即将安全帽做报废处理。

图6 预制裂纹安全帽与新安全帽防护性能对比Fig.6 Comparison of protective performance between prefabricated cracked safety helmet and new safety helmet

3 结论

1)3种材质安全帽安全性能均能达到国标要求。当落锤高度为300 mm时，3种材质安全帽吸能率均大于60%，对应头模冲击力峰值均小于4.9 kN；随冲击能量不断增大，安全帽防护能力迅速下降;当落锤高度为 700 mm时，HDPE安全帽头模受冲击力峰值大于4.9 kN，安全帽穿孔并失去保护功能，ABS树脂与玻璃钢材质安全帽出现明显凹陷，吸能率为40%。

2)随落锤高度增加，冲击能量增大，头模受冲击力峰值呈指数增长，安全帽吸能率呈指数减小。HDPE安全帽头模受冲击力峰值明显高于ABS树脂安全帽和玻璃钢安全帽。因此，玻璃钢安全帽质量较其他2种材质安全帽更好，抗冲击能力更强。

3)帽衬通过变形吸收能量来保护头部安全，是安全帽重要组成部分，帽衬破损会使安全帽丧失保护功能，导致头部受伤。预制裂纹安全帽头模受冲击力明显增大，安全帽抗冲击性能降低，保护能力明显下降。因此，安全帽帽衬质量与完好情况需引起重视。