深度解析安全帽的工作原理

深度解析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、改变冲击力的方向、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、帽衬的弹性形变，延长冲击力的作用时间，使瞬时冲击力下降。计算可参照动量守恒定律：F×△T=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字公式表达，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。塑料帽壳以帽壳的弹性形变为主，玻璃钢帽壳以帽衬弹性形变和永久变形为主。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量出帽衬被明显拉长。通过透光可以看到帽壳也有明显的变形余量。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表面和近乎流线型的外形。当击打物接触帽壳时，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在传递到寰椎、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到3KN不等，国标的保护界限是4.9KN，ISO的保护界限是5.0KN，产生区别的原因是单位换算系数的不同。保护界限同时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、坠落速度减为零。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，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。所以在目前可以件到的研究报告大多是针对寰椎或颅底进行的承受能力研究。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。