针对高空抛物的安全帽的结构设计

引言

随着城市化进程的发展,建筑工地逐渐增多,建筑工地的安全事故数量也在日趋增加,其中高空坠物所引发的事故占据着相当大的比重。而普通安全帽结构简单,仅依靠其支撑结构和材料形变并不能很好地保护施工人员,即使普通安全帽保护到了施工人员的头部,也未必能够保护受到坠物的巨大冲击而弯曲的颈部,如此一来,伤害依旧存在。因此,有必要针对高空坠物研发一款安全帽,使其能够很好地保护头顶与颈部。

1安全帽的各模块设计

该安全帽设计时满足《头部防护安全帽》(GB2811一2019)要求,主要由帽壳、帽衬、顶气囊模块、颈气囊模块构成,如图1所示。

图1 安全帽各气囊模块展示图

帽壳、帽衬提供最基础的力学保护,且为顶气囊模块、颈气囊模块提供附着位点。帽衬位于帽壳之下,由于在受到冲击时帽壳会凹陷,且安全气囊的气体发生器附着在帽壳内壁,安全气囊打开也需要一定的空间,因此帽衬与帽壳之间会留有一定的空隙。

顶气囊模块有7个感应激发器和7个气囊,分布位点如图2(a)标记点处所示,在处任意个感应激发器感受到坠物的冲击时,便会引起相对应的一个顶部气囊迅速弹开以给予头顶一块区域缓冲,剩下的气囊再有顺序地分批扩散式弹开,从而与应力的传播方向相符,给头顶以保护,减轻头顶的应力,降低挫伤、颅骨骨折的风险。

如图2(b)所示,在冲击力到达颈部的峰值之前,会弹开一个类似U型枕的颈部大气囊,快速包裹住颈部,削弱颈部受到的冲击力,且U型枕状气囊能够给颈部提供一个侧向力的支撑,相对固定颈部的位置,从而极大地降低强大的冲击力致使受力前后仰所造成的肌肉韧带拉伤、骨折、神经受损的风险。

2安全帽主要结构

2.1帽壳、帽衬

对于安全帽来说,在发生坠物时,帽壳首当其冲,需抵抗重物冲击时对帽壳产生的凹陷形变,而帽衬直接接触着佩戴者的头顶,需产生一定的形变以吸收经过安全气囊吸收所剩下的冲击,所以应要求制造它们的材料具有相应的力学性能。且建筑施工场所往往环境较为恶劣,所以要求材料能够在较高和较低温度下仍然保持稳定的化学性能和力学性能,再综合价格成本等因素考虑,使用HDPE制成帽壳,HDPE与LDPE共混材料制成顶衬。帽壳与帽衬之间存在空隙。

2.2顶气囊模块

安全帽的顶气囊模块为安全帽提供头顶部的缓冲,位于帽衬和帽壳之间的空隙中,依附在帽壳的内壁之上,由感应激发器、气体发生器、气囊组成。

感应激发器共有7个,位于帽壳外侧,于帽壳外侧的分布及编号情况如图3所示。感应激发器主要由叩击结构、两块压电陶瓷、一块磷钢片和两根高压引线(一正一负)组成,其各部分竖向排列,从帽壳内侧引出的两根高压引线接于相近的气体发生器上。

图3 安全帽顶气囊模块感应激发器分布及编号展示图

顶气囊模块的气体发生器共有7个,附着在帽壳内侧,在安全帽中的分布情况如图4所示,其被已折叠的气囊包裹在内,下方是帽衬与帽壳内壁的空隙。气体发生器由固定座、金属滤网、叩击装置、高压引线、金属尖头、压电陶瓷和固体膨胀剂等结构构成。其中,固体膨胀剂通常为叠氮化钠粉末:高压引线有许多对,分为输入型和输出型。

图4 安全帽顶气囊模块气体发生器分布及编号展示图

顶气囊模块的气囊为全成型织物安全气囊,共有7个,气囊弹开时分布呈龟甲状,其编号一一对应于顶气囊模块的气体发生器编号。安全气囊弹开时的形状类似于浴霸灯泡状,从气体发生器处为起点开始弹开,体积膨胀后将会触及帽衬:气囊的体积也各不相同,中间的7号气囊体积最大,前后两个即3号和6号次之,侧边的1、2、4、5号四个体积最小。

2.3颈气囊模块

安全帽的颈气囊模块为颈部提供缓冲与侧向力的支撑,位于安全帽的后帽檐处,共计1个气囊和3个气体发生器,组成及部件编号情况如图5所示。3个气体发生器的高压引线为并联关系,也就是说在气囊弹开时,3个气体发生器会在同一时间内产生气体,撑开气囊。当该气囊弹开时形状类似U型枕,能将人的颈部完全包裹,从而避免人颈部在受冲击时出现过度弯曲的情况[8]。

图5 安全帽颈气囊模块位置关系及气体发生器编号展示图

其3个气体发生器附着在帽檐下,被折叠的颈部大气囊包裹,由固体膨胀剂、金属滤网、叩击装置、压电陶瓷、固定座、高压引线、金属尖头构成。需要注意的是,由于颈部大气囊容积更大,所以3个气体发生器共同为一个大气囊充入气体,且每个固体膨胀器中的叠氮化钠粉末的剂量会更多。安全帽颈部模块的气囊与顶部模块的气囊使用同一种材质制造而成。

3安全帽的工作过程

在平时,安全帽处于待命状态,当一块重物从高处落下,击中安全帽佩戴者的头顶时,安全帽的工作状态有以下5种情况,分别是:①重物落在1或5号感应激发器上,②重物落在2或4号感应激发器上,③重物落在6号感应激发器上,④重物落在7号感应激发器上,⑤重物落在3号感应激发器上。

(1)安全帽工作的第一步都是类似的:来自头顶的冲击力会直接传递到最近的感应激发器上,当对安全帽的冲击力越来越大时,触发感应激发器上的叩击结构,叩击结构以极高的速度撞击内部的压电陶瓷,使压电陶瓷两端的电压瞬间从0V变成4000~6000V,为感应激发器的输出电压信号。

(2)这个超高电压信号通过上文提到的高压引线传导到气体发生器中,为气体发生器的输入电压信号,并从金属尖头处产生放电现象,出现的电火花温度可达3000~6000℃,里面的固体膨胀剂会受到高温高压的瞬间冲击,发生如下化学反应:

产生的大量氮气会以极快的速度通过金属滤网过滤后将气囊迅速从折叠状态鼓气成为充气状态,最后弹射出去,先触碰到帽衬,再如同车载安全气囊一样在头顶受到的冲击力还未达到峰值前给予气囊所处附近的一片头顶区域一定的缓冲。

(3)上述两步在不同情况下,安全帽的工作步骤会有所不同。设定各个气囊的弹开是有顺序地分批次扩散式弹开,以情况①为例:当情况①发生时,坠物冲击的是1号感应激发器,相应的1号顶气囊弹开,气囊弹开时,会冲击气体发生器中的叩击装置,叩击装置撞击压电陶瓷,进而又产生一个高电压,为1号气体发生器的输出电压信号。下一步的设定是扩散式传播至周围一圈气囊,此情况即1号气体发生器的输出电压信号再作为输入电压信号输入到2、6、7号顶气囊的气体发生器中,2、6、7号气囊再弹开,再度产生输出电压信号:再下一步是输出电压信号再作为输入电压信号传导到3、4、5号气囊的气体发生器中,3、4、5号气囊都弹射开,最后由3号气体发生器产生的输出电压信号传导到颈气囊模块中,分布在帽檐上的3个气体发生器同时接收到输入电压信号,并弹开颈部大气囊,结束安全帽工作流程(图6)。由于5号气囊与1号是对称关系,所以流程中气囊弹开的步骤也是相对称的,步骤为:5→(4、6、7)→(1、2、3)→颈部大气囊。

其他情况下步骤也极其类似,只有些许不同。

4结语

本文介绍了一款针对高空抛物的安全帽的设计,其核心技术是通过气囊在不同的触发情况下按指定顺序弹开得以对头顶和颈部进行缓冲保护。

越复杂、精密的结构在危机发生时出现故障的概率就越大,在工业设计中,往往"大道至简",越简单越可靠。

本文所述设计绝大部分是机械结构,因而更能适应例如极寒、极热、极大温差、曝晒、潮湿、干燥、粉尘等环境并不友好的施工现场,从而达到较长的使用寿命。综上所述,该安全帽具有广阔的应用前景。

图6 情况①坠物冲击1号感应激发器时安全帽的工作流程