兒童游樂場地墊沖擊吸收能力評價測試方法研究

許斌，宋芳，蔡建和，張學(xué)峰，駱海清，王景

(昆山出入境檢驗檢疫局，江蘇 昆山 215300)

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兒童游樂場地墊沖擊吸收能力評價測試方法研究

許斌，宋芳，蔡建和，張學(xué)峰，駱海清，王景

(昆山出入境檢驗檢疫局，江蘇 昆山 215300)

摘要：HIC作為研究頭部傷害的重要參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于包括汽車、航空航天以及游樂設(shè)施等關(guān)系人類生活安全的各個方面。兒童由于認(rèn)知能力相對缺乏，對潛在危險缺乏足夠認(rèn)識，在監(jiān)護人疏忽的情況，極易受到傷害?；贓N 1177-2008沖擊減震游樂場鋪面臨界跌落高度的測定標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，設(shè)計了數(shù)據(jù)處理算法，利用測試數(shù)據(jù)求解被測樣品在對應(yīng)跌落高度的HIC參數(shù)，應(yīng)用3次B樣條曲線擬合了HIC-跌落高度曲線，并最終求解出臨界跌落高度。

關(guān)鍵詞：頭部傷害指標(biāo)；沖擊吸收；臨界跌落高度；測試方法；兒童游樂場

0引言

人體對外力的沖擊有一定的承受能力，但當(dāng)外力超過一定限度時，人體便會受到傷害。表示人體耐沖擊性的物理量，一般采用加(減)速度、負荷、壓力及位移(變形量)。特別是加速度，能準(zhǔn)確地表示沖擊大小的尺度，測量和數(shù)據(jù)處理也比較容易，負荷和位移往往用于表達骨折和挫傷的耐沖擊性。由于人體各部位的構(gòu)造、機能不同，耐沖擊性也各不相同。在傷害案例中，頭部傷害是最重要的傷害形式，其衡量參數(shù)為頭部傷害指標(biāo)(head injury criterion，HIC)。

兒童由于認(rèn)知能力相對的缺乏，可能存在對于潛在危險缺乏足夠認(rèn)識的情況，在監(jiān)護人疏忽的情況，極易受到傷害。在游樂場中，往往存在各種高度落差，兒童在玩耍過程中，會頻繁進行跳下等活動，同時也可能由于各種意外而跌落?？紤]游樂場設(shè)施地墊吸收沖擊的能力，檢測其在特定跌落高度下的HIC，求解臨界跌落高度，并使以此作為產(chǎn)品設(shè)計的特征參數(shù)，對確保產(chǎn)品安全，防止相關(guān)類似傷害的產(chǎn)生具有重要意義。

從國內(nèi)外研究情況來看，關(guān)于頭部傷害的研究集中在汽車工業(yè)。對于兒童娛樂設(shè)施的跌落傷害研究最多的是歐盟，其對應(yīng)的最新歐盟標(biāo)準(zhǔn)是EN 1177-2008《沖擊減震游樂場鋪面.臨界跌落高度的測定》[4]。標(biāo)準(zhǔn)給出了測試設(shè)備的示意圖以及技術(shù)參數(shù)要求，給出了HIC求解方法以及臨界跌落高度手工作圖近似求解方法。其他國家有相應(yīng)的研究，但是未形成標(biāo)準(zhǔn)。我國在這方面基本空缺，缺少安全標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的檢測方法和檢測設(shè)備。

1HIC的本質(zhì)及其分析

HIC是1971年由Versace提出的，是一種對GSI(gadd severity index)標(biāo)準(zhǔn)改進的頭部傷害評價標(biāo)準(zhǔn)，其表達式如下：

(1)

其中：a是頭部重心的加速度值，單位是重力加速度g的倍數(shù)，t1是最大頭部沖擊傷害發(fā)生時間，t2是最大頭部沖擊傷害結(jié)束時間，兩者的差值應(yīng)當(dāng)>3ms。

HIC=1000作為頭部沖擊傷害的安全界限，此時，發(fā)生惡性頭骨骨折的概率相當(dāng)于33%。

當(dāng)兒童在一個高度發(fā)生跌落時候，相當(dāng)于做自由落體運動，當(dāng)頭部接觸地面時，此時頭部具有一定的動量，頭部同地面接觸時，在一定的時間內(nèi)，通過地面對頭部的作用力的沖量抵消該動量。因此，與跌落相關(guān)的參數(shù)可以簡單表達為跌落高度(決定落地瞬間頭部的動量大小)、地面對于頭部的作用力(表達為對頭部持續(xù)的減速度)以及作用時間(作用力時間)相互作用的結(jié)果。

有關(guān)HIC檢測方法的研究，一般是在實驗室環(huán)境或樣品實際使用環(huán)境下，對于確定外形、材質(zhì)的沖擊吸收材料樣品,在不同的跌落高度使用沖擊頭對樣品進行沖擊，并進行沖擊加速度采樣。通過采樣數(shù)據(jù)求解對應(yīng)的HIC值，并通過測試值擬合HIC-跌落高度曲線，最后獲得臨界跌落高度。

因此對于完整的HIC檢測方法而言，應(yīng)包括沖擊測試硬件設(shè)備和軟件算法的研究。

2沖擊測試設(shè)備

在EN 1177-2008中給出了兩種沖擊解決方案：1) 單軸導(dǎo)向沖擊，2) 三軸自由落體沖擊。就適用性而言，三軸沖擊適合在更多的環(huán)境下(三軸沖擊不需要垂直導(dǎo)軌等裝置，設(shè)備可以更加簡便)。本文按照2) 方案，實施沖擊測試。沖擊設(shè)備如圖1所示，設(shè)備主要由采樣控制柜、沖擊頭、跌落高度升降機構(gòu)和夾持釋放系統(tǒng)組成。

圖1　沖擊測試設(shè)備

對于自由落體沖擊而言，由于沖擊頭在釋放后完全不受控制，因此沖擊頭的釋放技術(shù)是自由落體沖擊的最關(guān)鍵因素。

典型的夾持釋放方式有電磁釋放、掛鉤釋放、以及翻板釋放等方式。電磁釋放方式不會造成頭模受力的不均勻，并且響應(yīng)速度較快，結(jié)構(gòu)簡單且可靠，一般應(yīng)用范圍較廣，但是電磁釋放方式因為磁體的磁滯以及殘留磁性等影響，容易對沖擊頭的沖擊初速度存在影響，可能造成沖擊速度偏小，一般需要修正。掛鉤釋放的時候相應(yīng)速度較快，實現(xiàn)相對簡單，但是釋放可能造成沖擊頭旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生自轉(zhuǎn)向心加速度，并且造成沖擊點偏離。一般使用在單軸的導(dǎo)向沖擊測試。翻板釋放最簡單，成本較低，但是翻板機構(gòu)的響應(yīng)速度往往偏慢，以及在釋放瞬間翻板同沖擊頭的摩擦力等因素可能造成沖擊頭模的旋轉(zhuǎn)以及初速度影響，一般應(yīng)用在繞圓周運動的沖擊方式測試。

本文使用雙平板氣缸夾持釋放方式，研制的裝置如圖2所示，該方式采用雙氣缸驅(qū)動的雙垂直平板(帶有V型槽)夾持的方式。氣缸動作較快，并且夾持板和沖擊頭模材料均為鋁合金。鋁合金的強度和硬度較高，在夾持力作用下產(chǎn)生的彈性形變較小，在較快的氣缸回收速度下，沖擊頭模同夾持板的滑動摩擦?xí)r間較短，不會對釋放初速度產(chǎn)生明顯影響。同時由于雙平板由相同材料制造，對沖擊頭模兩邊的作用力基本對稱，不會造成沖擊頭模旋轉(zhuǎn)。這種方法保證了夾持釋放系統(tǒng)對測試的影響較小。

圖2　夾持裝置

沖擊頭采用了勻質(zhì)鋁合金球，確保沖擊頭重心同球心的重合，以防止因為重心偏移導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)。同時，對三軸加速度傳感器，采用球心安裝方式，以進一步減輕可能的自轉(zhuǎn)速度對加速度傳感器的影響。

3采樣數(shù)據(jù)的處理與HIC計算

3.1　采樣數(shù)據(jù)的處理

按照EN 1177-2008要求，沖擊采樣使用安裝在頭模上的加速度傳感器，對被測試樣品進行跌落測試，采樣頻率為1kHz。沖擊加速度測試使用三軸加速度傳感器。由于采用了自由跌落沖擊的方式，因此沖擊時候產(chǎn)生的沖擊加速度相當(dāng)于使用三軸加速度傳感器自有笛卡爾坐標(biāo)系描述的空間向量，又由于最大沖擊一般只存在于沖擊主峰，因此不需要考慮沖擊加速度向量的方向性，只要求取沖擊主峰的向量模即可。計算式為：

式中：ax、ay和az分別為三軸加速度傳感器在三個通道上的加速度分量。

典型的沖擊加速度曲線主峰如圖3所示。

圖3　典型的沖擊加速度曲線主峰

3.2　HIC求解算法

EN1177-2008給出的HIC求解式(1)是一個變上下限積分函數(shù)的極限值求解。

對HIC算法的積分進行離散，設(shè)定采樣時間間隔為Δt，一組沖擊采樣點共有n個采樣點，每個采樣點對應(yīng)的加速度為ai，則HIC求解算法進行離散后可以重新描述為:

其中：k=1,2,3…n-3,j=k+3,k+4…n。

該算法可以看作是確定起始采樣點，對后續(xù)采樣點可能組合的一種遍歷，實現(xiàn)對整個采樣數(shù)據(jù)最大HIC的求解。就計算量而言，這種算法的計算量十分巨大，計算效率不高。

如圖2所示，相對一次沖擊而言，沖擊數(shù)據(jù)可以認(rèn)為近似以峰值為對稱軸的對稱分布。因此離散算法可以進一步進行簡化，認(rèn)為HIC最大值應(yīng)當(dāng)發(fā)生在沿著峰值軸對稱分布的區(qū)域內(nèi)。設(shè)定峰值加速度采樣點在采樣數(shù)據(jù)中的Peak點，以Peak點為中間線，位于Peak點前的采樣點數(shù)量為a，位于Peak點后的采樣點數(shù)量為b，取m=Min(a，b)，則此時HIC求解可以認(rèn)為是以Peak點為中心輪流向兩邊生長的過程(可以認(rèn)為先取右邊一點參與運算，下一次再增加左邊一點參與運算，繼續(xù)再取右邊點的生長運算)。此時HIC的求解可以簡化為：

左右相同數(shù)量采樣點參與計算：

左邊比右邊多一個采樣點參與運算。

其中：k=2,3…m

HIC=max(HIC1,HIC2)。

4臨界跌落高度求解算法

在文獻[1]中給出了一種臨界跌落高度(HIC=1000)的手工繪圖求解的方式。該方式欠精確，同時曲線繪制工作也是一個較為耗費的過程。

針對上述問題，本文使用三次B樣條曲線對采樣點進行曲線擬合，并繪制出HIC-跌落高度曲線，實現(xiàn)臨界跌落高度的自動求解，保證了測試結(jié)果的快速和高精度。

B樣條曲線具有直觀性、局部性、凸包性、保凸性、幾何不變性和變差減少等性質(zhì)，它不僅繼承了Bézier(貝齊埃)曲線的優(yōu)良屬性，又克服了Bézier方法的不足之處，B樣條曲線與特征多邊形相當(dāng)接近，便于局部修改[3]。

三次B樣條基

三次B樣條曲線段：

圖4　三次B樣條曲線段

基于上述三次B樣條曲線的原理，本文使用VC++6.0實現(xiàn)的HIC-跌落高度曲線擬合和臨界跌落高度求解的程序主界面如圖5所示。

圖5　HIC跌落高度曲線擬合和臨界跌落高度求解程序

5結(jié)論

通過對EN 1177-2008標(biāo)準(zhǔn)的研究。實現(xiàn)了HIC沖擊測試設(shè)備的研發(fā)，同時簡化并實現(xiàn)了HIC求解算法，并使用三次B樣條曲線基于VC++6.0完成了HIC-跌落高度曲線的擬合以及臨界跌落高度的求解。

本文的研究內(nèi)容可以幫助充分識別兒童游樂場頭部致傷的潛在風(fēng)險，同時也可以用于兒童娛樂設(shè)施設(shè)計關(guān)鍵安全參數(shù)的導(dǎo)出，對于提升兒童游樂場設(shè)施安全性，加強兒童保護有著明顯的社會價值。

參考文獻:

[1] 王伯雄. 測試技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 陳樹學(xué). LabVIEW寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 施法中. 計算機輔助幾何設(shè)計與非均勻有理B樣條[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

[4] EN 1177-2008,沖擊減震游樂場鋪面. 臨界跌落高度的測定[S]. 歐盟標(biāo)準(zhǔn)，2008.

Study of Test Method of Assessing Impact Attenuation Property of Children Playground Surface

XU Bin，SONG Fang，CAI Jian-he，ZHANG Xue-fen，LUO Hai-qing，WANG Jin

(Kunshan Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Kunshan 215300, China)

Abstract:As the important parameter of the study of head injury, HIC is wildly used for automobile, aviation and facility for playing, which are in relation to the security of human life. Due to the relative lack of children cognitive ability, they can’t understand the potential dangers immediately. so that they may be injured easily because of the guardian’s negligence. Based on the EN 1177-2008(Impact attenuating Playground surfacing- Determination of critical fall height), the article designs the algorithm for data processing, which is used to calculate the HIC corresponding to the certain drop height of sample with the testing data, and the software for simulating the HIC-Drop Height curve, which is used to calculate critical fall height.

Keywords:HIC; impact attenuation; critical fall height; test method; playground for children

中圖分類號：TH123

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0065-03

作者簡介：許斌(1979-)，男，江蘇昆山人，工學(xué)碩士，研究方向：兒童用品、自行車、健身器材檢測技術(shù)。

基金項目：國家質(zhì)檢總局公益性項目(201310059)

收稿日期：2014-11-04