針對高空拋物的安全帽的結構設計

摘要：為有針對性地解決建筑施工現(xiàn)場高空拋物的安全問題，設計了一款帶氣囊的著重用以保護頭頂與頸部的安全帽。在墜物落下觸碰到安全帽之時，能在極短的時間內打開兩組（共計8個）氣囊，覆蓋頭頂部和頸部，依托力敏傳感激發(fā)技術和化學高效彈射充氣氣囊技術，通過彈性材料的形變吸能緩沖，有效減緩墜物對頭頂和頸部的沖擊，從而保障施工人員的生命安全。

關鍵詞：安全帽;氣囊;墜物

中圖分類號：TU714.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）04-0033-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.010

0? ? 引言

隨著城市化進程的發(fā)展，建筑工地逐漸增多，建筑工地的安全事故數(shù)量也在日趨增加，其中高空墜物所引發(fā)的事故占據(jù)著相當大的比重。而普通安全帽結構簡單，僅依靠其支撐結構和材料形變并不能很好地保護施工人員，即使普通安全帽保護到了施工人員的頭部，也未必能夠保護受到墜物的巨大沖擊而彎曲的頸部，如此一來，傷害依舊存在。因此，有必要針對高空墜物研發(fā)一款安全帽，使其能夠很好地保護頭頂與頸部。

1? ? 安全帽的各模塊設計

該安全帽設計時滿足《頭部防護 安全帽》（GB 2811—2019）[1]要求，主要由帽殼、帽襯、頂氣囊模塊、頸氣囊模塊[2-3]構成，如圖1所示。

帽殼、帽襯提供最基礎的力學保護，且為頂氣囊模塊、頸氣囊模塊提供附著位點。帽襯位于帽殼之下，由于在受到沖擊時帽殼會凹陷，且安全氣囊的氣體發(fā)生器附著在帽殼內壁，安全氣囊打開也需要一定的空間，因此帽襯與帽殼之間會留有一定的空隙。

頂氣囊模塊有7個感應激發(fā)器和7個氣囊，分布位點如圖2（a）標記點處所示，在任意某個感應激發(fā)器感受到墜物的沖擊時，便會引起相對應的一個頂部氣囊迅速彈開以給予頭頂一塊區(qū)域緩沖，剩下的氣囊再有順序地分批擴散式彈開，從而與應力的傳播方向相符，給頭頂以保護，減輕頭頂?shù)膽?，降低挫傷、顱骨骨折的風險。

如圖2（b）所示，在沖擊力到達頸部的峰值之前，會彈開一個類似U型枕的頸部大氣囊，快速包裹住頸部，削弱頸部受到的沖擊力，且U型枕狀氣囊能夠給頸部提供一個側向力的支撐，相對固定頸部的位置，從而極大地降低強大的沖擊力致使受力前后仰所造成的肌肉韌帶拉傷、骨折、神經受損的風險。

2? ? 安全帽主要結構

2.1? ? 帽殼、帽襯

對于安全帽來說，在發(fā)生墜物時，帽殼首當其沖，需抵抗重物沖擊時對帽殼產生的凹陷形變，而帽襯直接接觸著佩戴者的頭頂，需產生一定的形變以吸收經過安全氣囊吸收所剩下的沖擊，所以應要求制造它們的材料具有相應的力學性能。且建筑施工場所往往環(huán)境較為惡劣，所以要求材料能夠在較高和較低溫度下仍然保持穩(wěn)定的化學性能和力學性能，再綜合價格成本等因素考慮，使用HDPE制成帽殼，HDPE與LDPE共混材料制成頂襯[4]。帽殼與帽襯之間存在空隙。

2.2? ? 頂氣囊模塊

安全帽的頂氣囊模塊為安全帽提供頭頂部的緩沖，位于帽襯和帽殼之間的空隙中，依附在帽殼的內壁之上，由感應激發(fā)器、氣體發(fā)生器、氣囊組成[5]。

感應激發(fā)器共有7個，位于帽殼外側，于帽殼外側的分布及編號情況如圖3所示。感應激發(fā)器主要由叩擊結構、兩塊壓電陶瓷、一塊磷鋼片和兩根高壓引線（一正一負）組成，其各部分豎向排列，從帽殼內側引出的兩根高壓引線接于相近的氣體發(fā)生器上。

頂氣囊模塊的氣體發(fā)生器共有7個，附著在帽殼內側，在安全帽中的分布情況如圖4所示，其被已折疊的氣囊包裹在內，下方是帽襯與帽殼內壁的空隙。氣體發(fā)生器由固定座、金屬濾網、叩擊裝置、高壓引線、金屬尖頭、壓電陶瓷和固體膨脹劑等結構構成。其中，固體膨脹劑通常為疊氮化鈉粉末;高壓引線有許多對，分為輸入型和輸出型。

頂氣囊模塊的氣囊為全成型織物安全氣囊[6-7]，共有7個，氣囊彈開時分布呈龜甲狀，其編號一一對應于頂氣囊模塊的氣體發(fā)生器編號。安全氣囊彈開時的形狀類似于浴霸燈泡狀，從氣體發(fā)生器處為起點開始彈開，體積膨脹后將會觸及帽襯;氣囊的體積也各不相同，中間的7號氣囊體積最大，前后兩個即3號和6號次之，側邊的1、2、4、5號四個體積最小。

2.3? ? 頸氣囊模塊

安全帽的頸氣囊模塊為頸部提供緩沖與側向力的支撐，位于安全帽的后帽檐處，共計1個氣囊和3個氣體發(fā)生器，組成及部件編號情況如圖5所示。3個氣體發(fā)生器的高壓引線為并聯(lián)關系，也就是說在氣囊彈開時，3個氣體發(fā)生器會在同一時間內產生氣體，撐開氣囊。當該氣囊彈開時形狀類似U型枕，能將人的頸部完全包裹，從而避免人頸部在受沖擊時出現(xiàn)過度彎曲的情況[8]。

其3個氣體發(fā)生器附著在帽檐下，被折疊的頸部大氣囊包裹，由固體膨脹劑、金屬濾網、叩擊裝置、壓電陶瓷、固定座、高壓引線、金屬尖頭構成。需要注意的是，由于頸部大氣囊容積更大，所以3個氣體發(fā)生器共同為一個大氣囊充入氣體，且每個固體膨脹器中的疊氮化鈉粉末的劑量會更多。安全帽頸部模塊的氣囊與頂部模塊的氣囊使用同一種材質制造而成。

3? ? 安全帽的工作過程

在平時，安全帽處于待命狀態(tài)，當一塊重物從高處落下，擊中安全帽佩戴者的頭頂時，安全帽的工作狀態(tài)有以下5種情況，分別是：①重物落在1或5號感應激發(fā)器上，②重物落在2或4號感應激發(fā)器上，③重物落在6號感應激發(fā)器上，④重物落在7號感應激發(fā)器上，⑤重物落在3號感應激發(fā)器上。

（1）安全帽工作的第一步都是類似的：來自頭頂?shù)臎_擊力會直接傳遞到最近的感應激發(fā)器上，當對安全帽的沖擊力越來越大時，觸發(fā)感應激發(fā)器上的叩擊結構，叩擊結構以極高的速度撞擊內部的壓電陶瓷，使壓電陶瓷兩端的電壓瞬間從0 V變成4 000～6 000 V，為感應激發(fā)器的輸出電壓信號。

（2）這個超高電壓信號通過上文提到的高壓引線傳導到氣體發(fā)生器中，為氣體發(fā)生器的輸入電壓信號，并從金屬尖頭處產生放電現(xiàn)象，出現(xiàn)的電火花溫度可達3 000～6 000 ℃，里面的固體膨脹劑會受到高溫高壓的瞬間沖擊，發(fā)生如下化學反應：

產生的大量氮氣會以極快的速度通過金屬濾網過濾后將氣囊迅速從折疊狀態(tài)鼓氣成為充氣狀態(tài)，最后彈射出去，先觸碰到帽襯，再如同車載安全氣囊一樣在頭頂受到的沖擊力還未達到峰值前給予氣囊所處附近的一片頭頂區(qū)域一定的緩沖。

（3）上述兩步在不同情況下，安全帽的工作步驟會有所不同。設定各個氣囊的彈開是有順序地分批次擴散式彈開，以情況①為例：當情況①發(fā)生時，墜物沖擊的是1號感應激發(fā)器，相應的1號頂氣囊彈開，氣囊彈開時，會沖擊氣體發(fā)生器中的叩擊裝置，叩擊裝置撞擊壓電陶瓷，進而又產生一個高電壓，為1號氣體發(fā)生器的輸出電壓信號。下一步的設定是擴散式傳播至周圍一圈氣囊，此情況即1號氣體發(fā)生器的輸出電壓信號再作為輸入電壓信號輸入到2、6、7號頂氣囊的氣體發(fā)生器中，2、6、7號氣囊再彈開，再度產生輸出電壓信號;再下一步是輸出電壓信號再作為輸入電壓信號傳導到3、4、5號氣囊的氣體發(fā)生器中，3、4、5號氣囊都彈射開，最后由3號氣體發(fā)生器產生的輸出電壓信號傳導到頸氣囊模塊中，分布在帽檐上的3個氣體發(fā)生器同時接收到輸入電壓信號，并彈開頸部大氣囊，結束安全帽工作流程（圖6）。由于5號氣囊與1號是對稱關系，所以流程中氣囊彈開的步驟也是相對稱的，步驟為：5→（4、6、7）→（1、2、3）→頸部大氣囊。

其他情況下步驟也極其類似，只有些許不同。

4? ? 結語

本文介紹了一款針對高空拋物的安全帽的設計，其核心技術是通過氣囊在不同的觸發(fā)情況下按指定順序彈開得以對頭頂和頸部進行緩沖保護。

越復雜、精密的結構在危機發(fā)生時出現(xiàn)故障的概率就越大，在工業(yè)設計中，往往“大道至簡”，越簡單越可靠。

本文所述設計絕大部分是機械結構，因而更能適應例如極寒、極熱、極大溫差、曝曬、潮濕、干燥、粉塵等環(huán)境并不友好的施工現(xiàn)場，從而達到較長的使用壽命。綜上所述，該安全帽具有廣闊的應用前景。

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收稿日期：2021-11-17

作者簡介：趙志鎮(zhèn)（2001—），男，江西景德鎮(zhèn)人，研究方向：機器人工程。

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