基于有限元仿真的導汗型安全帽研究

馬恒，余虹云，錢科，高義波，劉雯芳

（浙江華電器材檢測研究所（浙江省高處作業(yè)防護技術重點實驗室），杭州310015）

基于有限元仿真的導汗型安全帽研究

馬恒，余虹云，錢科，高義波，劉雯芳

（浙江華電器材檢測研究所（浙江省高處作業(yè)防護技術重點實驗室），杭州310015）

針對工作過程中安全帽內汗水容易流入眼睛的問題，研制了一款導汗型安全帽。通過有限元對安全帽內熱氣流動進行分析，采用單向導濕吸汗速干復合織物吸汗帶+導汗帶的方式，對普通安全帽吸汗帶進行了改造和替換，加入納米抗菌材料實現(xiàn)抑菌效果，并利用自主研發(fā)的排汗模擬裝置對其進行導汗測試，證明了導汗型安全帽具有良好的導汗效果，可有效提升作業(yè)舒適性，保障作業(yè)人員的人身安全。

氣體流動；吸汗帶；導汗型安全帽；抑菌性；排汗模擬裝置

0 引言

隨著電網(wǎng)的擴大和電壓等級的升高，作業(yè)安全防護在電網(wǎng)建設、運行中的作用和地位越來越重要[1]。安全帽作為電力作業(yè)中最基本的防護裝備，可有效保護作業(yè)人員的頭部免受高處物體的墜落沖擊傷害[2]。但是由于安全帽內空氣難以流通，作業(yè)人員在高溫環(huán)境下或長時間作業(yè)時，頭部容易產(chǎn)生大量汗水且難以蒸發(fā)。汗水被安全帽吸汗帶吸收飽和后，往往順著前額流入眼睛，對正常工作造成嚴重影響，存在著一定安全隱患[3]。因此，需要對現(xiàn)有安全帽的排汗部分進行改造，提高排汗效率，最大程度保障人員的安全。

1 有限元仿真

高溫高強度作業(yè)下安全帽內空氣難以流通的現(xiàn)象是多種因素的綜合作用結果，因此有必要對安全帽內的流場進行分析。通過流場的計算，更直觀地了解安全帽內空氣的流動情況，為安全帽導汗性設計打下基礎。

安全帽內的空氣流動為低速流動，符合Bonssinesq假設[4-9]及湍流數(shù)學模型。根據(jù)安全帽的實際尺寸，建立安全帽模型，如圖1所示。并進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖1 安全帽模型

圖2 對模型進行網(wǎng)格劃分

選擇熱氣入口從頭頂流入安全帽內，熱氣出口為安全帽正前方及頂部兩側的通氣孔，選擇標準的k-e湍流模型，湍流動能方程k：

擴散方程e：

式中：Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能。

流體材料為氣體，密度為1.293 g/L，粘度為1.789 4e-5 pa·s，模擬計算結果如圖3所示。

圖3 模擬計算結果

根據(jù)圖3結果可知，由于頭部熱氣多為上升氣體，頭頂兩側通氣孔排出的氣體密度較高，從正前方及頭頂兩側排出的氣體速度較快，而大部分氣體則集中滯留在安全帽與頭頂之間的區(qū)域，難以排出。

根據(jù)圖4氣體流動云圖可知，通氣孔中心熱氣流動較快，而在邊界位置，流動邊界對熱氣具有一定的流動阻力，故熱氣流動減緩，其阻力大小取決于物體的形狀、物體特征長度及物體表面的粗糙度。

分析結果表明，目前普通安全帽的通氣孔仍較難滿足頭部熱氣及時釋放的需求，使作業(yè)人員在工作過程中受地域、溫度、場所、工作時間和工作強度的影響，在頭部形成大量汗水。

目前安全帽內吸汗帶大多采用海綿加布套的方式，吸汗率低、透氣性差，無法充分吸收額頭的汗水。吸汗帶吸收汗水飽和后，汗水順著前額流入作業(yè)人員的眼睛，影響正常工作，甚至出現(xiàn)灼燒、刺痛、紅腫、發(fā)炎等導致視線模糊的情況，存在著嚴重的安全隱患。同時，吸汗帶在長時間使用后，容易產(chǎn)生大量真菌及異味，對人體造成過敏等影響。因此，急需一種能充分導汗的安全帽，提高作業(yè)人員佩戴安全帽時的舒適度，從而有效保障作業(yè)人員的人身安全和設備安全。

圖4 氣體流動云圖

2 安全帽改進方式

此處研制的導汗型安全帽采用單向導濕吸汗速干復合織物吸汗帶+導汗帶的方式，對原有安全帽吸汗帶進行了改造和替換，并加入納米抗菌材料，使其具有良好的抑菌效果。

2.1 單向導濕吸汗帶

單向導濕材料的工作原理是材料內層（接觸皮膚）與外層（接觸空氣）之間形成附加壓力差，附加壓力差在材料的內層和外層之間產(chǎn)生差動毛細效應，這是材料中液態(tài)水自動從內層流到外層的動力。在人體出汗后，汗水可以從皮膚表層迅速向織物外層輸送，織物外層大量吸收水分同時大量蒸發(fā)，汗液不進入纖維內部，在織物表面大面積蒸發(fā)，保持織物內層的干爽[10]。

紗線在織造前進行親水整理或拒水整理，從而改變其性能。纖維越細或纖維的截面形狀越復雜、表面的溝槽和微孔越多，即纖維的異形度越大，形成的毛細管數(shù)量越多，織物的導濕能力也就越強。利用異型化纖原料的毛細差動效應原理，汗液從導濕能力弱的內側向導濕能力相對較強的外側轉移，并在外側蒸發(fā)快干。同時，特殊的網(wǎng)眼立體結構可以促進并加速濕、熱從里層導向外層。里層網(wǎng)眼越大，外層網(wǎng)眼越小，汗液從里向外快速傳導，在外層蒸發(fā)快干。

2.2 導汗帶的應用

目前導汗帶廣泛應用于運動領域，主要利用物理引導的原理將汗水引導頭部的兩側再流下。此處在吸汗帶外部增設導汗帶，使條形天然硅膠帶與吸汗帶連為一體，通過弧形導汗帶將前額汗液導向耳朵兩側，防止汗液滲透后流入眼睛及臉頰。其主要特點是收集并排出汗液，避免汗液進入眼睛造成不適，影響視覺。導汗型安全帽實物結構如圖5所示。

圖5 導汗型安全帽實物結構

2.3 納米抗菌材料的應用

將納米抗菌材料以兩種方式應用于單向導濕吸汗帶中，一種在疏水材料層和導濕材料層中，使用具有抗菌性能的纖維面料，抗菌纖維是在纖維生產(chǎn)過程中，將納米抗菌材料混入到紡絲液中，再經(jīng)過紡絲，就可以得到具有抗菌作用的纖維；還有一種在吸水劑的合成過程中，混入納米抗菌材料，干燥后得到的吸水劑粉末中，就含有納米抗菌材料，從而具有抗菌作用[11]。

依據(jù)GB/T 20944.3-2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》，按標準樣品分別與金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌的菌懸液接觸18 h，試驗結果如圖6所示，其抗菌性能如表1所示。

細菌的繁殖依賴潮濕環(huán)境，單向導濕吸汗帶可以使與皮膚接觸的疏水材料保持相對干燥的環(huán)境，抑制細菌的繁殖。同時疏水材料層和導濕材料層保持比較干燥的環(huán)境，可以抑制細菌的繁殖，避免皮膚出現(xiàn)灼燒、刺痛、紅腫、發(fā)炎等情況。吸水材料層中含有大量汗液，容易滋生細菌，但由于吸水材料中含有納米抗菌材料，可以有效抑制細菌的繁殖，達到抗菌的目的。

圖6 抗菌試驗結果

表1 抗菌性能檢驗結果

3 導汗型安全帽測試

3.1 試驗裝置研發(fā)

為滿足安全帽導汗性能的測試，自主研發(fā)了一套排汗模擬裝置。依據(jù)GB/T 2812-2006《安全帽測試方法》附錄A給定的頭模尺寸及參數(shù)表，設計了具有模擬汗水流動結構的仿真頭模。該頭模固定于水槽底部，頭模頂部開孔并安裝導水管，利用增壓水泵為頭模前額區(qū)域噴水。增壓水泵設有流量水閥及溢流導管，充分保證了2個頭模水流速度及壓力相等，從而模擬人體頭部流汗的情況。排汗模擬裝置如圖7所示。

圖7 排汗模擬裝置

3.2 試驗方法

將普通安全帽與導汗型安全帽佩戴在頭模上，左側為普通安全帽，右側為導汗型安全帽，拉緊下頦帶并鎖緊帽箍，逐步打開2個增壓水閥，10 min后觀察頭模額頭及臉部水流情況。

3.3 試驗結果

如圖8所示，左側佩戴普通安全帽的頭模在打開水閥后額頭及面部有水流流下，隨著水閥壓力的增大，額頭及面部水流流速加快，頭模耳部則未出現(xiàn)水流。

圖8 模擬排汗試驗對比照片

右側佩戴導汗型安全帽的頭模在打開水閥后持續(xù)增大水閥壓力的過程中，額頭及面部均未出現(xiàn)水流，持續(xù)10 min后頭模額頭及面部依然無水流出現(xiàn)，耳朵兩側則有水流流出。

通過安全帽導汗性能比對試驗結果可知，普通安全帽不具備汗水疏導功能，汗液容易順著前額流入眼睛及面部，而導汗型安全帽能有效將汗液導向頭模耳朵兩側，具有良好的導汗性能。

4 結語

新研制的導汗型安全帽解決了工作過程中汗水侵入眼睛的難題，在提升安全帽舒適性的同時，減少了安全事故發(fā)生的機率，有效保障了作業(yè)人員的人身安全。該技術提高了安全工器具的整體水平，具有良好的推廣前景，這標志著“人性化”安全工器具新時代的開始，作業(yè)人員也將擁有更好的作業(yè)防護裝備和作業(yè)環(huán)境。

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（本文編輯：陸瑩）

Research on Sweat Conductivity Safety Helmet Based on Finite Element Simulation

MA Heng，YU Hongyun，QIAN Ke，GAO Yibo，LIU Wenfang
（Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute（Key Laboratory for Protection Technology of High-Rise Operation），Hangzhou 310015,China）

The sweat in helmet is apt to flow into eyes in the work process，thus a sweat conductivity safety helmet is developed.Through analysis on hot air flow in safety helmet by finite element，sweat absorption belt of the ordinary helmet is transformed and replaced by directional water-transfer sweat drying composite fabric sweatband plus sweat conductivity belt；in addition，anti-bacterial nanomaterial is added to achieve the effect of antibacterial and sweat conductivity test is carried out by use of the independently developed sweating simulation device to prove the favorable sweat conductivity of the safety helmet.The sweat conductivity safety helmet can effectively improve the comfort of work and ensure the personal safety of operators.

gas flow；sweatband；sweat conductivity safety helmet；antibacterial；sweating simulation device

10.19585/j.zjdl.201708007

1007-1881（2017）08-0035-04

X924.4

B

2017-02-17

馬恒（1988），男，工程師，從事安全工器具及個人防護器具的檢測技術研究工作。