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安全帽工作原理
来源: AnyBody | 日期: 2018-06-21 | 点击: 1041 | 打印本页 | 返回列表  
  帽壳是半椭圆球的薄壳结构,在薄壳基础上附加有帽檐(舌)、帽沿、透气孔、帽衬连接结构、缓冲垫、矿灯插座、防撞块、反光条(板)、近电报警装置连接结构、防噪声装置连接结构、护目镜装置连接结构、加强筋。帽壳是头部防护的第一道防线,也是安全帽的主体结构,帽壳的好坏直接关系到安全帽性能的实现。
  帽壳的材料主要有:基于玻璃纤维和树脂的玻璃钢壳、基于维伦丝和树脂的玻璃钢壳、基于丙伦无纺布和树脂的玻璃钢壳、聚碳酸酯塑料壳、ABS塑料壳、超高分子聚乙烯塑料壳、高压或低压聚乙烯塑料壳、改性聚丙烯塑料壳、胶布壳、纸胶壳、植物枝条编制壳(竹、藤、柳)、金属壳(铝、铁)。
  目前市场用量最大的是玻璃钢壳和塑料壳,原因是成形比较容易、适合大批量生产、质量控制到位、价格比较适合中国国情等优点。
  植物枝条编制壳因为产量有限、用人工较多、且质量不稳定等原因,产量及用量已大幅减少。但是在气候炎热地区,由于编制帽壳得天独厚的通气性,现在还有一定的生命力。近年,中国南方的某厂曾为海湾市场开发了塑料条编制的安全帽壳,整体质量能够达到GB2811的要求。
  胶布壳主要用在矿工帽上,由于近年塑料防静电添加剂技术应用在安全帽制造上已逐渐成熟,胶布壳正在逐步被塑料壳取代。
  纸胶帽壳目前基本被淘汰,在市场已经很难见到。它是由造纸木浆和添加剂模压制成。具有寿命长、适应性广、使用天然原料等优点。在强调环保、可持续发展等理念的今天,利用再生纸资源是否会使纸胶帽壳东山再起,应该只是时间问题。
  金属壳安全帽是南昌某厂的长线产品但限于钢铁材料,重量比较大,有一定的缺点。2003年后国内某些厂商按国外订单试制铝合金帽壳,在福建龙鼎安全设备厂取得了成功,并达到了一定出口量,由于价格较高,在国内取得认同和推广估计还要有一定时间。
  帽壳材料同使用环境密切相关。塑料帽壳样式多样,采用塑料壳的安全帽轻巧、美观,价格也比较便宜,一般在10~20元,由于材料本身的特性对使用环境较敏感如ABS帽壳低温性能差、聚丙烯帽壳高温性能差、大部分塑料帽壳大多不耐有机溶剂,所以塑料帽壳主要适用于:林业、电力、建筑施工、井下、涉及机械操作、地质、交通的一般工作环境。由于塑料帽壳属于薄壳结构,在高温下极易变形导致功能丧失,在连续高温环境下不宜使用塑料帽壳。塑料帽壳的颜色取决于添加色母的颜色,原生料添加色母后的制成品一般比较透亮,使用回料的帽壳则颜色晦暗大都颜色较深。
  玻璃钢帽壳一般是盔式,其他样式极少见。这种材料具有导热系数低、具有良好的耐高温、耐低温、电绝缘、耐腐蚀、耐燃烧等特点,适用于高温冶金、玻璃热加工、锻造、焊接、有强烈热辐射、低温寒冷作业、存在有机溶剂(液态或气雾)的场所,在常温工作场所,由于材料的导热性不好,散热性能差,除非预设有效的降温措施,一般场所不必使用。防寒安全帽一般应使用玻璃钢帽壳。玻璃钢帽壳另一个特点是比较厚重导致成品重量超标。玻璃钢帽壳的颜色取决于烤漆的颜色,烤漆对玻璃钢安全帽的特殊功能(电绝缘、静电、导电)有影响,特别是当使用烤漆达到某种功能时,一定要注意烤漆的质量。
  胶布帽壳用于矿井、隧道等不见阳光的场所,一般档次比较低,现在逐渐被淘汰。颜色由于材料的限制,只有黑色。
  铝壳安全帽在国内由于价格较高导致用量极少,国外零售价格一般超过100美元,他的特殊性在于在普通安全帽基础上的附加性能,国外主要用于带电作业中的等电位作业的屏蔽保护、静电极度敏感(包括海上钻井平台等高价值装备)场所、易发生摔倒的场所、存在强烈热辐射的场所。现在市场上占主导地位的塑料或玻璃钢壳均大量采用石油产品,今后在石油资源紧张的情况下,大量采用铝制帽壳是有可能的。
  帽衬是由一组织带或塑料条组成的构件,正常使用应隐藏在帽壳内,并使帽壳在头顶浮动。由于帽衬同皮肤或头发直接接触,所以首先要求它必须满足无毒、无味、无刺激、不会引发过敏反应、可清洗等条件。
  帽衬是由帽箍、吸汗带、缓冲垫、衬带组成。材料主要有塑料、棉织带、化纤织带几种。塑料衬有不透气、不贴实的缺点,棉织带衬有不耐洗、不耐汗的缺点,化纤带衬有费人工的缺点。几种材料各有优缺点,但好在缺点不是安全帽的主要矛盾,完全可以根据用户的喜好进行选择。
  帽衬的形式多种多样,在国家标准管理的范围内注重的是安全性能,对帽衬没有过多的描述与要求。但是在实际工作中用户、生产商对帽衬则十分重视,他涉及产品的工艺、成本、结构寿命等诸多因素。目前还没有一个统一的对帽衬进行描述的标准语言,只能用约定俗成的词汇进行描述。
  以帽衬同帽壳的联接方式分类有:
  插接:帽壳上有插座,帽衬制成插头形式。用于塑料帽,具有更换方便的特点,但结构比较复杂。
  拴接:帽壳有孔,通过穿过孔的绳把帽衬同帽壳连接在一起,常见于橡胶帽壳。
  铆接:使用铆钉把帽衬同帽壳连接在一起,一般不可拆卸。不利于安全帽的清洗。需整体报废。常见于玻璃钢壳安全帽、防寒安全帽。
  挂接:帽壳上有孔或凸出物,帽衬的对应部位有形状相符的孔,通过穿钉或凸出物,把帽衬挂在帽壳上。常见于玻璃钢壳安全帽,也可见于塑料壳安全帽。
  栓接:使用金属螺栓联接,用量较少。
  以帽衬同帽壳的联结点分类有:
  四点:用于化纤织带衬;六点:用于棉织带衬、塑料衬;八点:用于塑料衬。
  帽衬的网状结构比较常见的有
  对称点直通;多点栓绳;塑料整衬;双层塑料衬。
  帽箍的调节机构有:
  栓绳:用于低挡安全帽,操作不方便,使用中一次系好以后不再调整。
  齿条、棘轮:调整方便、耐用。
  齿条、卡扣:成本低、调整略麻烦。
  下颏带国外一般叫下巴带,用于辅助固定安全帽。
  安全帽与人的生理结构 
  外观及结构是涉及到佩戴者能否舒服地、主观不反对戴安全帽的因素。它包括帽壳的大小、帽壳与帽箍间隙的大小、佩带高度、垂直间隙、视野、耳朵、吸汗、夹头发、散热或保温。



如图四。

  生物力学因素包括力学性能和重量两方面。
  抵挡、缓冲、分散打击力量是安全帽的重要功能。当坠物或飞来物打击帽壳时,通过帽壳将集中力分散开,避免轻则皮肉、重则颅脑的损伤。
  强烈冲击造成的人体损伤
  强烈冲击可造成颈椎压缩性骨折,严重者可能立即死亡,非正中的冲击同时造成甩鞭样损伤。台湾学者的研究报告显示,佩戴安全帽后,头颅损伤大幅减少,但颈椎伤害则大幅提高。所以现在研究安全帽保护的工作很大部分是在研究颈椎的生理极限。
  穿刺造成的人体损伤
  穿刺主要是打击物,穿透帽壳,接触头顶造成颅骨刺穿伤。

如图五

  长期负荷造成的慢性损伤
  由于近年安全帽材料的变化,某些安全帽重量超标,使颈椎长期额外受力,可能造成慢性损伤。由于现场工人大部分岁数年轻,身体条件好,而且时间也仅有不到10年的时间,所以慢性损伤一时还难以显现。
  安全帽的工作原理
  安全帽受打击时缓冲、卸力的过程包括:力的缓冲、冲击能量的吸收、改变冲击力方向、力的传递等几个过程。
  力的缓冲是通过帽壳头顶区、帽顶附近区域、帽衬的弹性变形,延长冲击力的作用时间,使瞬时冲击力下降。计算可以参照动量守恒定律:F×ΔT=M×V,冲击与缓冲过程是时间很短暂的过程,即使缓冲很好的安全帽,明显的冲击力作用时间也不超过15ms。安全帽的弹性缓冲过程不宜用一个数学公式表达,因为其测试数据不仅涉及到力的变化过程还涉及到时间过程,即上述几个过程可能是同步的,也可能是按一定次序发生的。塑料壳帽以帽壳弹性变形为主,玻璃钢壳帽以帽衬弹性和永久变形为主。
  冲击能量的吸收是通过帽衬或帽壳的永久变形来消除冲击的作用,受过严重冲击的安全帽一般可以测出帽衬被明显拉长。通过透光可以看到帽壳也有明显的变形残余。
  改变冲击力的方向可以参考军用钢盔的作用来理解,帽壳大多具有光滑的外表和近乎流线型的外形。当打击物接触帽壳时,打击物在帽壳上不能保持平衡,产生滑动和翻滚,并以尽可能接近接触速度的速度离开。在这里保护效果的考核应以坠落物动能的变化为依据,在保护过程中使坠落物释放到人头上的能量越小越好。力的传递是经过以上的保护过程,最终传递到人头颅骨再传递到寰椎、颈椎逐步消散。
  安全帽的保护界限是以人的承受能力加一定的安全系数得来。头部防护帽受冲击时的保护界限各行业从8kn~3kn不等,本标准提出的保护界限是4.9KN,ISO提出的是5.0KN,产生区别的原因是单位换算系数的不同。保护界限同可能发生伤害的数值区间存在不低于3~5KN的安全余量,用于人员个体差异造成危险数值的不同、检验方法的差异如头模形状的不同导致检验结果的差异等等。
  最严酷的冲击情况是帽顶正中冲击,整个力的传递过程依次为接触、帽顶变形、帽壳变形、帽衬拉长、颅骨受力、颅底受力、寰椎受力、其余颈椎受力、坠物速度减为零。
  在整个冲击过程中,颅骨受力、颅底受力、寰椎受力、其余颈椎受力、脊柱受力是涉及到人体可能发生损伤的过程。具体到安全帽产品,由于头带的分散作用,在受冲击时,颅骨上、侧面受到的局部冲击力并不大,但经过颅骨后会通过颅底骨骼集中到寰椎再到颈椎。医学界认为在带安全帽受暴力打击时人体骨骼的脆弱程度依次为寰椎、其他颈椎、颅底、脊柱、颅骨。所以目前可以见到的研究报告大多是针对寰椎或颅底进行承受能力研究。
  部队在对飞行员的保护进行研究时检测发现当作用力持续时间在30ms左右颅底可以承受11kn, 没有发生骨折,随作用力持续时间上升颅底的承受能力可能下降到3kn左右。根据检验结果的统计,佩戴安全帽后发生冲击的全部作用时间一般不超过20ms,瞬时冲击受力过程大约10~12ms。多方的研究结果表明冲击发生时瞬间骨骼的承受能力在现有的保护界限内。
  安全帽主要结构与零件的功能
  帽壳:承受打击,使坠落物同人体隔开。
  头箍:使安全帽保持在头上一个确定的位置,
  顶带:分散冲击力,保持帽壳的浮动。
  后箍:头箍的锁紧装置。
  下颏带:辅助保持安全帽的姿态。
  吸汗带:吸汗。
  缓冲垫:发生冲击时,减少冲击力。
  佩带高度:反映了前额到头顶的高度差,大了干涉眼睛、耳朵及佩戴物。小了安全帽的头箍脱离额头部分,系紧部分形不成封闭,不能保证在头上具有一定姿态。
  垂直间隙:反映了帽壳内部与头顶之间的间隙。小了通风不畅,大了帽壳重心上升,在头上不稳定。
  水平间距:在冲击存在侧向力时,提供缓冲空间。同时也是散热通道。

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