針對高空拋物的安全帽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,建筑工地逐漸增多,建筑工地的安全事故數(shù)量也在日趨增加,其中高空墜物所引發(fā)的事故占據(jù)著相當(dāng)大的比重。而普通安全帽結(jié)構(gòu)簡單,僅依靠其支撐結(jié)構(gòu)和材料形變并不能很好地保護(hù)施工人員,即使普通安全帽保護(hù)到了施工人員的頭部,也未必能夠保護(hù)受到墜物的巨大沖擊而彎曲的頸部,如此一來,傷害依舊存在。因此,有必要針對高空墜物研發(fā)一款安全帽,使其能夠很好地保護(hù)頭頂與頸部。

1安全帽的各模塊設(shè)計

該安全帽設(shè)計時滿足《頭部防護(hù)安全帽》(GB2811一2019)要求,主要由帽殼、帽襯、頂氣囊模塊、頸氣囊模塊構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 安全帽各氣囊模塊展示圖

帽殼、帽襯提供最基礎(chǔ)的力學(xué)保護(hù),且為頂氣囊模塊、頸氣囊模塊提供附著位點。帽襯位于帽殼之下,由于在受到?jīng)_擊時帽殼會凹陷,且安全氣囊的氣體發(fā)生器附著在帽殼內(nèi)壁,安全氣囊打開也需要一定的空間,因此帽襯與帽殼之間會留有一定的空隙。

頂氣囊模塊有7個感應(yīng)激發(fā)器和7個氣囊,分布位點如圖2(a)標(biāo)記點處所示,在處任意個感應(yīng)激發(fā)器感受到墜物的沖擊時,便會引起相對應(yīng)的一個頂部氣囊迅速彈開以給予頭頂一塊區(qū)域緩沖,剩下的氣囊再有順序地分批擴(kuò)散式彈開,從而與應(yīng)力的傳播方向相符,給頭頂以保護(hù),減輕頭頂?shù)膽?yīng)力,降低挫傷、顱骨骨折的風(fēng)險。

如圖2(b)所示,在沖擊力到達(dá)頸部的峰值之前,會彈開一個類似U型枕的頸部大氣囊,快速包裹住頸部,削弱頸部受到的沖擊力,且U型枕狀氣囊能夠給頸部提供一個側(cè)向力的支撐,相對固定頸部的位置,從而極大地降低強(qiáng)大的沖擊力致使受力前后仰所造成的肌肉韌帶拉傷、骨折、神經(jīng)受損的風(fēng)險。

2安全帽主要結(jié)構(gòu)

2.1帽殼、帽襯

對于安全帽來說,在發(fā)生墜物時,帽殼首當(dāng)其沖,需抵抗重物沖擊時對帽殼產(chǎn)生的凹陷形變,而帽襯直接接觸著佩戴者的頭頂,需產(chǎn)生一定的形變以吸收經(jīng)過安全氣囊吸收所剩下的沖擊,所以應(yīng)要求制造它們的材料具有相應(yīng)的力學(xué)性能。且建筑施工場所往往環(huán)境較為惡劣,所以要求材料能夠在較高和較低溫度下仍然保持穩(wěn)定的化學(xué)性能和力學(xué)性能,再綜合價格成本等因素考慮,使用HDPE制成帽殼,HDPE與LDPE共混材料制成頂襯。帽殼與帽襯之間存在空隙。

2.2頂氣囊模塊

安全帽的頂氣囊模塊為安全帽提供頭頂部的緩沖,位于帽襯和帽殼之間的空隙中,依附在帽殼的內(nèi)壁之上,由感應(yīng)激發(fā)器、氣體發(fā)生器、氣囊組成。

感應(yīng)激發(fā)器共有7個,位于帽殼外側(cè),于帽殼外側(cè)的分布及編號情況如圖3所示。感應(yīng)激發(fā)器主要由叩擊結(jié)構(gòu)、兩塊壓電陶瓷、一塊磷鋼片和兩根高壓引線(一正一負(fù))組成,其各部分豎向排列,從帽殼內(nèi)側(cè)引出的兩根高壓引線接于相近的氣體發(fā)生器上。

圖3 安全帽頂氣囊模塊感應(yīng)激發(fā)器分布及編號展示圖

頂氣囊模塊的氣體發(fā)生器共有7個,附著在帽殼內(nèi)側(cè),在安全帽中的分布情況如圖4所示,其被已折疊的氣囊包裹在內(nèi),下方是帽襯與帽殼內(nèi)壁的空隙。氣體發(fā)生器由固定座、金屬濾網(wǎng)、叩擊裝置、高壓引線、金屬尖頭、壓電陶瓷和固體膨脹劑等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中,固體膨脹劑通常為疊氮化鈉粉末:高壓引線有許多對,分為輸入型和輸出型。

圖4 安全帽頂氣囊模塊氣體發(fā)生器分布及編號展示圖

頂氣囊模塊的氣囊為全成型織物安全氣囊,共有7個,氣囊彈開時分布呈龜甲狀,其編號一一對應(yīng)于頂氣囊模塊的氣體發(fā)生器編號。安全氣囊彈開時的形狀類似于浴霸燈泡狀,從氣體發(fā)生器處為起點開始彈開,體積膨脹后將會觸及帽襯:氣囊的體積也各不相同,中間的7號氣囊體積最大,前后兩個即3號和6號次之,側(cè)邊的1、2、4、5號四個體積最小。

2.3頸氣囊模塊

安全帽的頸氣囊模塊為頸部提供緩沖與側(cè)向力的支撐,位于安全帽的后帽檐處,共計1個氣囊和3個氣體發(fā)生器,組成及部件編號情況如圖5所示。3個氣體發(fā)生器的高壓引線為并聯(lián)關(guān)系,也就是說在氣囊彈開時,3個氣體發(fā)生器會在同一時間內(nèi)產(chǎn)生氣體,撐開氣囊。當(dāng)該氣囊彈開時形狀類似U型枕,能將人的頸部完全包裹,從而避免人頸部在受沖擊時出現(xiàn)過度彎曲的情況[8]。

圖5 安全帽頸氣囊模塊位置關(guān)系及氣體發(fā)生器編號展示圖

其3個氣體發(fā)生器附著在帽檐下,被折疊的頸部大氣囊包裹,由固體膨脹劑、金屬濾網(wǎng)、叩擊裝置、壓電陶瓷、固定座、高壓引線、金屬尖頭構(gòu)成。需要注意的是,由于頸部大氣囊容積更大,所以3個氣體發(fā)生器共同為一個大氣囊充入氣體,且每個固體膨脹器中的疊氮化鈉粉末的劑量會更多。安全帽頸部模塊的氣囊與頂部模塊的氣囊使用同一種材質(zhì)制造而成。

3安全帽的工作過程

在平時,安全帽處于待命狀態(tài),當(dāng)一塊重物從高處落下,擊中安全帽佩戴者的頭頂時,安全帽的工作狀態(tài)有以下5種情況,分別是:①重物落在1或5號感應(yīng)激發(fā)器上,②重物落在2或4號感應(yīng)激發(fā)器上,③重物落在6號感應(yīng)激發(fā)器上,④重物落在7號感應(yīng)激發(fā)器上,⑤重物落在3號感應(yīng)激發(fā)器上。

(1)安全帽工作的第一步都是類似的:來自頭頂?shù)臎_擊力會直接傳遞到最近的感應(yīng)激發(fā)器上,當(dāng)對安全帽的沖擊力越來越大時,觸發(fā)感應(yīng)激發(fā)器上的叩擊結(jié)構(gòu),叩擊結(jié)構(gòu)以極高的速度撞擊內(nèi)部的壓電陶瓷,使壓電陶瓷兩端的電壓瞬間從0V變成4000~6000V,為感應(yīng)激發(fā)器的輸出電壓信號。

(2)這個超高電壓信號通過上文提到的高壓引線傳導(dǎo)到氣體發(fā)生器中,為氣體發(fā)生器的輸入電壓信號,并從金屬尖頭處產(chǎn)生放電現(xiàn)象,出現(xiàn)的電火花溫度可達(dá)3000~6000℃,里面的固體膨脹劑會受到高溫高壓的瞬間沖擊,發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):

產(chǎn)生的大量氮氣會以極快的速度通過金屬濾網(wǎng)過濾后將氣囊迅速從折疊狀態(tài)鼓氣成為充氣狀態(tài),最后彈射出去,先觸碰到帽襯,再如同車載安全氣囊一樣在頭頂受到的沖擊力還未達(dá)到峰值前給予氣囊所處附近的一片頭頂區(qū)域一定的緩沖。

(3)上述兩步在不同情況下,安全帽的工作步驟會有所不同。設(shè)定各個氣囊的彈開是有順序地分批次擴(kuò)散式彈開,以情況①為例:當(dāng)情況①發(fā)生時,墜物沖擊的是1號感應(yīng)激發(fā)器,相應(yīng)的1號頂氣囊彈開,氣囊彈開時,會沖擊氣體發(fā)生器中的叩擊裝置,叩擊裝置撞擊壓電陶瓷,進(jìn)而又產(chǎn)生一個高電壓,為1號氣體發(fā)生器的輸出電壓信號。下一步的設(shè)定是擴(kuò)散式傳播至周圍一圈氣囊,此情況即1號氣體發(fā)生器的輸出電壓信號再作為輸入電壓信號輸入到2、6、7號頂氣囊的氣體發(fā)生器中,2、6、7號氣囊再彈開,再度產(chǎn)生輸出電壓信號:再下一步是輸出電壓信號再作為輸入電壓信號傳導(dǎo)到3、4、5號氣囊的氣體發(fā)生器中,3、4、5號氣囊都彈射開,最后由3號氣體發(fā)生器產(chǎn)生的輸出電壓信號傳導(dǎo)到頸氣囊模塊中,分布在帽檐上的3個氣體發(fā)生器同時接收到輸入電壓信號,并彈開頸部大氣囊,結(jié)束安全帽工作流程(圖6)。由于5號氣囊與1號是對稱關(guān)系,所以流程中氣囊彈開的步驟也是相對稱的,步驟為:5→(4、6、7)→(1、2、3)→頸部大氣囊。

其他情況下步驟也極其類似,只有些許不同。

4結(jié)語

本文介紹了一款針對高空拋物的安全帽的設(shè)計,其核心技術(shù)是通過氣囊在不同的觸發(fā)情況下按指定順序彈開得以對頭頂和頸部進(jìn)行緩沖保護(hù)。

越復(fù)雜、精密的結(jié)構(gòu)在危機(jī)發(fā)生時出現(xiàn)故障的概率就越大,在工業(yè)設(shè)計中,往往"大道至簡",越簡單越可靠。

本文所述設(shè)計絕大部分是機(jī)械結(jié)構(gòu),因而更能適應(yīng)例如極寒、極熱、極大溫差、曝曬、潮濕、干燥、粉塵等環(huán)境并不友好的施工現(xiàn)場,從而達(dá)到較長的使用壽命。綜上所述,該安全帽具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 情況①墜物沖擊1號感應(yīng)激發(fā)器時安全帽的工作流程