墜落防護(hù)安全帶的研究進(jìn)展探析*

何澤波 王新厚 劉瑞強 朱 林

1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；

2.山東魯普科技有限公司，山東 泰安 271000

安全帶，GB/T 6095—2009[1]中將其定義為防止高處作業(yè)人員發(fā)生墜落或墜落發(fā)生后將作業(yè)人員安全懸掛的個人防護(hù)裝備。

高處作業(yè)是電力、建筑等行業(yè)各種基建項目、設(shè)備檢修維護(hù)項目中常見的作業(yè)形式。GB/T 3608—2008[2]中將高處作業(yè)定義為在距墜落高度基準(zhǔn)面2 m或2 m以上有可能墜落的高處進(jìn)行的作業(yè)。高處作業(yè)具有難度系數(shù)大、危險因素多、勞動強度高等特點，極易發(fā)生高處墜落事故[3]。

據(jù)統(tǒng)計，2010—2018年，美國因高處墜落導(dǎo)致的事故占施工事故總數(shù)的37%[4]；2017年，英國因高處墜落導(dǎo)致的事故占事故總數(shù)的48%[5]；2018年，在我國房屋市政工程中，發(fā)生安全事故734起，其中高處墜落事故383起，占比 52.2%[6]?？梢?，因高處墜落導(dǎo)致的事故率在全世界范圍內(nèi)均處于較高的水平。

為降低高處墜落事故的發(fā)生率，保障高處作業(yè)人員的人身安全，《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》中明文規(guī)定，高處作業(yè)人員需正確佩戴和使用勞動防護(hù)用品，包括腳穿防滑鞋，頭戴安全帽，腰系安全帶等，以從根本上防止或制止高處墜落事故的發(fā)生[7-8]。

1 墜落防護(hù)系統(tǒng)的基本組成

墜落防護(hù)系統(tǒng)是指保護(hù)高處作業(yè)人員不受到高空墜落威脅或在發(fā)生墜落后保護(hù)高處作業(yè)人員不受到進(jìn)一步傷害的系統(tǒng)，其包括安全帶、安全繩(系索)、緩沖器、錨固裝置、減速裝置及連接器[9]等。其中錨固裝置、連接器和安全帶是墜落防護(hù)系統(tǒng)的3個基本組成部分[10]。

1.1 錨固裝置

錨固裝置是墜落防護(hù)系統(tǒng)的基本組成部分，包含錨固點和導(dǎo)軌，它的主要作用是將墜落防護(hù)裝備與工作現(xiàn)場的附著物如腳手架、墻、地面等固定設(shè)施連接。BS EN 795-2012[11]指出，錨固裝置可設(shè)有一個或多個錨固點。錨固裝置通常分為5類，不同類型的錨固裝置有不同的裝配和性能要求。

1.2 連接器

GB/T 23469—2009[12]對連接器的定義：可以將兩種或兩種以上元件連接在一起，具有常閉活門的環(huán)狀零件。不同場所使用的連接器需具備不同的性能，如用于墜落防護(hù)安全帶時，要求帶有自鎖功能的連接器在活門關(guān)閉時自動上鎖，在上鎖狀態(tài)下必須經(jīng)兩個以上動作才能打開，從而達(dá)到雙保險的目的。

1.3 安全帶

安全帶是防墜落系統(tǒng)中與人體直接接觸的部件。在墜落過程中，安全帶可以將墜落制動力轉(zhuǎn)移到人體各部分，起到分散作用力的作用[13]。

高處作業(yè)用安全帶按作業(yè)類別和使用條件可分為3類：圍桿作業(yè)安全帶、區(qū)域限制安全帶和墜落懸掛安全帶[14]。

1.3.1 圍桿作業(yè)安全帶

圍桿作業(yè)安全帶是指利用繩或織帶，通過圍繞的方式將人體綁定在附近固定構(gòu)件上，以解放作業(yè)人員的雙手，使其可以進(jìn)行其他操作的一種安全帶(圖1)。

圖1 圍桿作業(yè)安全帶[1]9

1.3.2 區(qū)域限制安全帶

區(qū)域限制安全帶在普通安全帶的基礎(chǔ)上增設(shè)了定位裝置，用以限制作業(yè)人員的活動范圍，避免其進(jìn)入存在墜落風(fēng)險的區(qū)域(圖2)。

圖2 區(qū)域限制安全帶[1]10

1.3.3 墜落懸掛安全帶

墜落懸掛安全帶主要適用于高處作業(yè)和登高作業(yè)，其主要作用是防止高處墜落事故的發(fā)生或在發(fā)生墜落后將人體安全懸掛，為人體提供一定的支撐(圖3)。墜落懸掛安全帶又分為半身式安全帶和全身式安全帶兩種。半身式安全帶的負(fù)荷關(guān)鍵點在人體腰部，發(fā)生墜落時人體腰部將承受巨大的沖擊力，易造成傷害；全身式安全帶可將沖擊力均勻分散至人體各部位，相對而言更安全。因此，電力行業(yè)中高處作業(yè)人員通常使用全身式安全帶。全身式安全帶按照其結(jié)構(gòu)，還可分為簡易型和標(biāo)準(zhǔn)型兩類[15]。兩者各具優(yōu)缺點，簡易型全身式安全帶易穿戴、輕巧、操作簡便，但安全帶的帶體纖細(xì)，負(fù)荷關(guān)鍵點少，發(fā)生墜落時易造成作業(yè)人員的肩部和腿部被勒緊，產(chǎn)生受壓迫等不適感；標(biāo)準(zhǔn)型全身式安全帶更舒適，且發(fā)生墜落后能更有效減小直接作用于人體的沖擊力，但標(biāo)準(zhǔn)型安全帶整體較重，會增加高處作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)。

圖3 墜落懸掛安全帶[1]10

2 墜落防護(hù)安全帶的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于安全帶的研究主要聚焦在安全帶安全性提升，舒適性改進(jìn)，以及根據(jù)不同作業(yè)場所實現(xiàn)安全帶不同功能性等方面，對安全帶作用于人體各部位的壓力分布情況的研究相對較少，因此基于人體各部位的受力情況對安全帶進(jìn)行壓力舒適性的研究也缺乏系統(tǒng)性。

2.1.1 安全性方面

墜落防護(hù)安全帶作為一種墜落防護(hù)用品，其主要作用是保障使用者的安全，因此其安全性能通常排在第一位。周航衛(wèi)[16]設(shè)計的高強型高空作業(yè)安全帶，可在作業(yè)人員墜落后，通過齒輪齒條緩沖單元、控制器和安全氣囊實現(xiàn)自動防護(hù)，同時實現(xiàn)了安全帶主要承重點的均勻分布，從而避免因沖擊力聚集在某一部位而對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。在選用安全帶時，還需考慮其穩(wěn)定性。基于此，馮銘[17]針對安全帶穩(wěn)定性不高的問題展開研究，在安全帶的連接扣與腰帶上設(shè)置了多個鋁環(huán)掛點，高處作業(yè)時可通過鋁環(huán)掛點將人體固定于附近的建筑物或腳手架上，使施工更加平穩(wěn)、安全。

2.1.2 舒適性方面

安全帶的舒適性主要涉及穿戴方便、減重和使用舒適性等方面。全身式安全帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易調(diào)整，因此穿戴麻煩、容易出錯?；诖?，邵偉放等[18]通過改變帶體間的連接方式與增設(shè)其他輔帶，使安全帶穿戴便捷。李鵬[19]則通過改變安全帶的結(jié)構(gòu)，將腰帶和肩帶縫入透氣馬甲中，實現(xiàn)了安全帶的快速穿脫。陳建安[20]將壓力傳感器應(yīng)用于電動鎖扣中，通過各部位的壓力感應(yīng)來自動調(diào)整安全帶各部分的松緊程度，不僅操作簡便，還能夠有效提升安全帶的舒適性。謝琨等[21]針對傳統(tǒng)安全帶拆卸不便，人體墜落時受力不勻的問題，開發(fā)出一種帶前胸護(hù)墊且可拆卸的安全帶，這種安全帶通過增加受力面積緩解人體墜落時的受力不勻問題，并且前胸護(hù)墊與腰帶拆卸方便，便于攜帶，安裝使用也方便，實現(xiàn)了安全帶的便捷式穿戴。

安全帶的主要作用是支撐人體，安全帶本身的重量也影響人體的舒適性?；诖?，安全帶應(yīng)盡可能輕質(zhì)，以降低執(zhí)行任務(wù)時對人體動作的限制，減少壓力所引起的不適感。然而，市面上的大部分安全帶為達(dá)到安全、舒適的目的，一味地拓寬安全帶的護(hù)墊或使用重質(zhì)掛環(huán)，造成安全帶整體質(zhì)量增加，導(dǎo)致作業(yè)人員認(rèn)為佩戴安全帶成為他們的一種“負(fù)擔(dān)”，間接造成作業(yè)人員產(chǎn)生了不愿意佩戴安全帶的心理。針對這一現(xiàn)象，如何在確保安全、舒適的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)安全帶的輕量化已成為當(dāng)前的研究熱點。韋宏權(quán)[22]從減重、散熱、靈便3個角度對全身式安全帶進(jìn)行改進(jìn)，采用高強度纖維材料代替原先常用的纖維材料，使織帶質(zhì)量、圍桿繩的直徑均減小，從而降低了安全帶使用者的負(fù)擔(dān)，減少疲勞作業(yè)，提高了安全系數(shù)。

使用舒適性也是選擇安全帶的一個重要因素。傳統(tǒng)安全帶的受力點大都設(shè)計在人體腿根部和腰部，容易因懸掛時間過長而造成懸掛綜合征,進(jìn)而對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。張穎[23]將安全帶中的承重帶分為臀帶、肩帶和腰帶3種，并將這3種承重帶相互連接，達(dá)到共同分擔(dān)人體質(zhì)量，使受力點分布均勻，進(jìn)而提升安全帶使用舒適性的目的。陳明治[24]從使用者本身的感受出發(fā)，基于不同的使用需求，對安全帶的護(hù)腰帶部位做不同的改進(jìn)，通過在護(hù)腰帶上增加防水層、軟綿層或保暖層，保障作業(yè)人員在雨天或低溫等惡劣天氣環(huán)境下作業(yè)時的舒適度。針對安全帶在使用過程中與人體接觸部位的透氣性差，無法及時散熱的問題，張亞迪[25]在安全帶與人體接觸的部位安裝透氣片，實現(xiàn)安全帶佩戴舒適度的提升。李瑞[26]指出，護(hù)腰帶的優(yōu)化設(shè)計尺寸為腰背部寬80～110 mm，腰側(cè)部寬40～50 mm，且護(hù)腰帶長度大于600 mm。此外，護(hù)腰帶應(yīng)與腰帶配合使用，且護(hù)腰帶的整體硬挺度應(yīng)不小于腰帶的硬挺度，而舒適的護(hù)腿環(huán)寬度以60～80 mm為宜。

2.1.3 功能性方面

適用于不同場所的安全帶需具備不同的功能，如用于高溫作業(yè)場所的安全帶，應(yīng)滿足耐高溫、耐老化的性能要求；用于平均氣溫≤5 ℃的低溫或作業(yè)場所有冰、雪、霜、水等的極端環(huán)境條件下的安全帶，通常要求具有防水、耐氣候功能，甚至要求具有溫度自調(diào)節(jié)功能，以維持安全帶和人體之間微環(huán)境的溫濕度平衡；用于電力作業(yè)的安全帶，需具有防靜電、防電弧灼燒、阻燃等功能。

在330 kV超高壓環(huán)境下帶電作業(yè)是電力系統(tǒng)作業(yè)的常態(tài)，為使作業(yè)人員達(dá)到等電位，避免電流流經(jīng)作業(yè)人員身體，需使用電位轉(zhuǎn)移棒進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移。然而，這種電位轉(zhuǎn)移方法容易造成空氣擊穿產(chǎn)生放電、放熱現(xiàn)象，使電流屏蔽服受到灼傷，威脅作業(yè)人員安全。基于此，李德興[27]開發(fā)出帶電作業(yè)電位轉(zhuǎn)移安全帶，將帶狀的導(dǎo)電銅線曲折往返排布在安全帶的腰帶上，通過增加導(dǎo)電銅線與安全帶的接觸面積，避免瞬時電流的產(chǎn)生，提高安全性。另外，在10 kV配網(wǎng)帶電作業(yè)中，電力作業(yè)人員會直接接觸帶電設(shè)備，觸電風(fēng)險較大，這要求使用的防護(hù)設(shè)備需具備良好的絕緣保護(hù)性能。常規(guī)的電力用安全帶力學(xué)性能足夠，但絕緣性能較差，作業(yè)人員接觸到不同帶電體時易造成電傷害。葉凌等[28]研究開發(fā)的安全帶絕緣護(hù)套，可解決上述問題。

電力工人在作業(yè)時需攜帶多種工具，這不僅增加了作業(yè)難度，還易造成手忙腳亂的情況，大幅增加墜落風(fēng)險。劉寶鋼[29]將安全帶與防靜電服有機結(jié)合，朱曄暉[30]在安全帶上配備拉力監(jiān)測器、聲光報警器及GPS定位器，以解決上述問題。姜潤喜等[31]針對雨天與潮濕環(huán)境下帶電、配電作業(yè)易出現(xiàn)的問題，如常規(guī)安全帶在170 kV高壓下會發(fā)生擊穿斷裂，在相對濕度大于85%時安全帶無法正常使用，開發(fā)出帶電作業(yè)用防墜落安全帶。這種防墜落安全帶的主體織帶采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于85%的桑蠶絲與化纖長絲混紡而成，并在織帶表面涂覆防水涂層。這種安全帶可在220 kV的高壓環(huán)境下工作，且具有一定的防水性，但由于安全帶的防水功能主要通過表面涂層實現(xiàn)，因此不具有永久性。馮銘[32]研究開發(fā)出一種主要由防水材料制成的防水安全帶，這種安全帶具有較好的防水性能，但其功能性較單一?；谏鲜鰡栴}，毛亦紅[33]設(shè)計制作的阻燃防水防污防油功能安全帶，進(jìn)一步拓展了安全帶的適用環(huán)境，降低了其使用時的安全隱患?？傮w而言，實現(xiàn)安全帶的多功能化，使其滿足復(fù)雜場所的使用要求，已成為一種發(fā)展趨勢。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

國外研究者主要從影響安全帶防護(hù)性能的因素和高處墜落過程的理論研究2個方面對安全帶的防護(hù)作用進(jìn)行論證。但在基于人因工程學(xué)等理論對安全帶結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)方面還存在欠缺。

2.2.1 影響安全帶防護(hù)性能的因素分析

Huang 等[34]的研究表明，一些人為因素會導(dǎo)致墜落風(fēng)險的提升，如高處作業(yè)人員沒有掌握防護(hù)裝備的操作要領(lǐng)，或作業(yè)時個人防護(hù)裝備使用不當(dāng)?shù)?，都是常見的易?dǎo)致風(fēng)險發(fā)生的因素。其中，不恰當(dāng)、不充分使用墜落防護(hù)設(shè)備導(dǎo)致的墜落事故，占總墜落事故的30%以上。Chi等[35]分析了621例高處墜落事故，從中總結(jié)出高處作業(yè)人員從腳手架上墜落的主要原因：缺乏合適的腳手架、身體活動幅度太大、個人防護(hù)裝備使用不當(dāng)、作業(yè)人員過度勞累以及使用不安全的工具。Hsu等[36]的研究表明，作業(yè)人員若缺乏安全感，將導(dǎo)致在高處作業(yè)過程中產(chǎn)生恐懼、緊張等不良心理；惡劣的工作環(huán)境及視覺方面的問題，也會造成作業(yè)者精神壓力增大，進(jìn)而導(dǎo)致墜落事故發(fā)生率增加。

高處作業(yè)通常發(fā)生在戶外，因此很多戶外因素會對安全帶的防護(hù)性能產(chǎn)生很大的影響。Baszczynski等[37]對影響安全帶整體防護(hù)性能的因素如大氣條件(溫濕度變化)、陽光(尤其是紫外輻射)、機械損傷(織帶或縫線受切割或摩擦作用)及織帶內(nèi)纖維受塵土侵害等進(jìn)行了探討。Bartkowiak等[38]認(rèn)為，在選擇安全帶時，應(yīng)考慮工作現(xiàn)場的環(huán)境，因為使用環(huán)境中的一些因素如明火、化學(xué)物質(zhì)腐蝕及極端氣候條件等，會對安全帶的防護(hù)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

如何判定所使用的安全帶是否合格？Vasily等[39]列舉了常見的安全帶不合格情況，如織帶被化學(xué)品腐蝕、掛點磨損、金屬錨固件變形及縫紉線損壞等，并詳細(xì)說明了檢查個人防護(hù)裝備是否符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的方法，同時指出在個人防護(hù)裝備的標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)條例中引入“指標(biāo)”這一定義有助于確定產(chǎn)品是否適合使用。因此，安全帶生產(chǎn)廠家應(yīng)提供安全帶的使用壽命和報廢條件，使用者在使用安全帶前，也應(yīng)仔細(xì)檢查安全帶，減少墜落事故的發(fā)生。

2.2.2 理論研究

高處墜落過程是一個復(fù)雜的過程，其中涉及各種能量的轉(zhuǎn)化和相關(guān)紡織構(gòu)件的滑移、變形等。

Baszczynski[40]采用假人研究了從1.3 m高度墜落后，安全帶各部分調(diào)節(jié)扣處織帶的滑移，以及墜落制動力和墜落后肩帶是否存在勒脖子或頭部的現(xiàn)象，提出應(yīng)將安全帶背部掛點處的位移限制在50 mm左右;為使沖擊力均勻分布，應(yīng)將其他部位的織帶滑移限制在約20 mm。此外，他還對個人防護(hù)裝備中的動力繩，緩沖器中的織帶進(jìn)行了動、靜態(tài)測試，獲得各紡織元件的載荷-伸長率特性，并提出基于Maxwell-Kelvin-Viogit 模型開發(fā)的適合防墜落系統(tǒng)的非線性黏彈性模型，并用線性微分方程對該模型進(jìn)行數(shù)值分析，再對實際測試值與數(shù)值模擬值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)紡織元件的延伸率變化范圍為0.6%～9.5%，理論制動力與實測制動力的差值不超過350 N[41-42]。高處墜落的過程非常復(fù)雜，Hino[43]探究了人體分別以頭朝下、腿朝下、身體與地面平行3種姿勢墜落時的能量轉(zhuǎn)移與受力情況，并通過測量人體的受力情況，發(fā)現(xiàn)墜落過程中人體頸部的能量變化明顯，尤其是以身體與地面平行的姿勢墜落時，人體頸部會經(jīng)歷前屈和后彎兩種狀態(tài)，易造成頸椎脫位和脊柱損傷。

綜上，基于人因工程學(xué)等理論優(yōu)化個人防護(hù)裝備，減小作用于人體各部位的沖擊力，將是個人防護(hù)裝備未來發(fā)展的趨勢。

3 結(jié)語

高處墜落事故時有發(fā)生，墜落防護(hù)安全帶作為高處作業(yè)者人員最重要的安全防線之一，若安全性和舒適性不佳，則對高處作業(yè)人員的生命安全與健康狀態(tài)有很大的影響。若不能精確掌握墜落防護(hù)安全帶作用于人體各部位的受力情況，則無法進(jìn)一步改善墜落防護(hù)安全帶的使用體驗。然而，目前基于人因工程學(xué)等理論來優(yōu)化墜落防護(hù)安全帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計還無法達(dá)到用戶需求。因此，基于人體受力情況與舒適度對安全帶進(jìn)行優(yōu)化，不僅是當(dāng)前的研究重點，也是墜落防護(hù)安全帶未來的發(fā)展方向之一。