乘員頭盔質(zhì)量檢測(cè)及不合格原因分析

張若塵　李海濤　任煥煥

摘要：乘員頭盔是目前國(guó)家強(qiáng)制要求騎行摩托車、電動(dòng)自行車必須佩戴的機(jī)動(dòng)車零部件之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 811-2022《摩托車、電動(dòng)自行車乘員頭盔》中對(duì)乘員頭盔的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均有明確規(guī)定。摩托車乘員頭盔可顯著減低交通事故中的死亡率。文中對(duì)不同廠家不同規(guī)格的頭盔進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，旨在充分反映當(dāng)前摩托車乘員頭盔的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)不合格的項(xiàng)目主要分布在佩戴裝置強(qiáng)度，吸收碰撞能量，及耐穿透性能試驗(yàn)中。文中對(duì)不合格的項(xiàng)目分析不合格原因，提出整改意見。

關(guān)鍵詞：乘員頭盔；吸收碰撞能量；佩戴裝置強(qiáng)度；耐穿透性能

Test for Helmet for Motorcycl and Analysis of Unqualified Reasons

ZHANG Ruochen， LI Haitao， REN Huanhuan

（CCIC West Testing Co.， Ltd. Xi'an 721300，Shanxi，China）

Abstract： Helmet for is one of the motor vehicle parts that the government currently requires? motorcycle and electric bicycle urers to be worn. The National Standard "GB811-2022 Helmet for motorcycle and electric bicycle urers" has clear provisions on the mechanical indexes of occupant helmet. Helmet for motorcyclists can significantly reduce the death rate of traffic accidents. In this paper， we statistical different manufacturers of different specifications of the helmet data statistics， aim to fully reflect the quality of the current helmet for motorcyclists . The unqualified items were mainly distributed in the Wear device test， Absorbing collision energy performance test ， and Resistant to puncture test. In this paper， analyze the causes of nonconforming items and rectification suggestions are put forward.

Key Words： Motorcycle helmet; Absorbing collision energy performance; Device strength; Penetration resistance

0引言

2020年6月1日起，全國(guó)開展了“一盔一帶” 安全守護(hù)行動(dòng)。市場(chǎng)監(jiān)管部門加強(qiáng)管理，嚴(yán)格監(jiān)督不佩戴頭盔等不文明行為。因此，近兩年市場(chǎng)上對(duì)頭盔的需求量有所增加。乘員頭盔的質(zhì)量和騎手的生命安全息息相關(guān)?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 811-2022《摩托車、電動(dòng)自行車乘員頭盔》中，對(duì)摩托車乘員頭盔參數(shù)有詳細(xì)的檢測(cè)要求，同時(shí)增加了電動(dòng)自行車頭盔檢測(cè)要求。

乘員頭盔分為A類盔和B類盔。其中A類盔適合摩托車乘員、電動(dòng)自行車乘員用，根據(jù)是否具有護(hù)目鏡和舒適襯墊分成A1、A2、A3盔，B類盔適合電動(dòng)自行車乘員使用，根據(jù)是否具有護(hù)目鏡和舒適襯墊分為B1、B2、B3類盔。頭盔由殼體、緩沖層、舒適襯墊、佩戴裝置、護(hù)目鏡組成?，F(xiàn)行國(guó)標(biāo)中測(cè)試項(xiàng)目見表1[1]。

A類盔和B類盔的測(cè)試區(qū)別有兩點(diǎn)。第一，固定裝置穩(wěn)定性測(cè)試A類盔移動(dòng)的角度為不大于30°，B類盔的要求是不從頭模上脫落。第二，A類盔和B類盔在其他測(cè)試項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)限值及測(cè)試次數(shù)略有不同。文中統(tǒng)計(jì)了一年維度周期內(nèi)的頭盔試驗(yàn)結(jié)果作為參考。一同測(cè)試了35個(gè)批次的頭盔，每批次6只樣本，一共210只頭盔。32個(gè)批次頭盔合格，3個(gè)批次頭盔不合格，不合格率8.5%。不合格樣品主要體現(xiàn)在佩戴裝置強(qiáng)度、吸收碰撞能量及耐穿透性能試驗(yàn)三項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)，這三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)限值和舊標(biāo)準(zhǔn)GB 811-2010《摩托車乘員頭盔》內(nèi)限值基本無區(qū)別。文中將對(duì)摩托車乘員頭盔的佩戴裝置強(qiáng)度、吸收碰撞能量及耐穿透性能試驗(yàn)進(jìn)行介紹，并統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)不合格的原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1佩戴裝置強(qiáng)度

佩戴裝置強(qiáng)度主要對(duì)綁帶的材質(zhì)，綁帶與頭盔的連接件強(qiáng)度進(jìn)行考核。將頭盔放置在綁帶拉伸試驗(yàn)機(jī)上，根據(jù)頭盔廠家提供的型號(hào)，選取相應(yīng)頭模進(jìn)行安裝固定并系緊綁帶。如果是A1、A2型盔，配重225±5N的初載荷，則選取1333±10N的試驗(yàn)載荷進(jìn)行試驗(yàn)；如果是A1、A2、B1、B2型盔，配重147±5N的初載荷，則選取882±10N的試驗(yàn)載荷進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行30s的預(yù)加載進(jìn)行基準(zhǔn)定位，隨后在30～60s內(nèi)將載荷加至規(guī)定的試驗(yàn)載荷后，保持2min，讀出綁帶伸長(zhǎng)量，綁帶伸長(zhǎng)量超過25mm，或連接件斷裂、脫落，則試驗(yàn)不合格[1]。

對(duì)頭盔進(jìn)行佩戴裝置強(qiáng)度測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)部分頭盔存在綁帶拉伸伸長(zhǎng)量超限值和搭扣斷裂的問題，綁帶伸長(zhǎng)量結(jié)果測(cè)試如圖1所示。其中6只頭盔綁帶伸長(zhǎng)量超過限值，1只頭盔在拉伸過程中發(fā)現(xiàn)搭扣斷裂，如圖2所示。

由圖1可以看出，各個(gè)頭盔綁帶在佩戴裝置強(qiáng)度試驗(yàn)后伸長(zhǎng)量結(jié)果呈現(xiàn)均勻分布，證明目前的頭盔各生產(chǎn)廠家選用綁帶質(zhì)量有較大不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好的綁帶伸長(zhǎng)量9.89mm，最差的綁帶伸長(zhǎng)量為27.35mm，中位數(shù)伸長(zhǎng)量為17.98mm。

進(jìn)一步將綁帶的拉伸伸長(zhǎng)量和綁帶寬度進(jìn)行比較，將綁帶測(cè)量寬度作為縱坐標(biāo)，佩戴裝置強(qiáng)度試驗(yàn)后的拉伸伸長(zhǎng)量作為橫坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。

從散點(diǎn)圖可以看出，綁帶寬度在24mm以上，綁帶拉伸伸長(zhǎng)量得以有效控制在20mm以下。綁帶寬度在24mm以下，對(duì)綁帶拉伸伸長(zhǎng)量和綁帶寬度的數(shù)據(jù)用CORREL函數(shù)計(jì)算其相關(guān)性，得出綁帶伸長(zhǎng)量與綁帶寬度的相關(guān)性為0.34，為弱正相關(guān)。理論上，綁帶的寬度和伸長(zhǎng)量數(shù)據(jù)應(yīng)為負(fù)相關(guān)，因?yàn)楦骷也馁|(zhì)選用不同，試驗(yàn)結(jié)果并不符合負(fù)相關(guān)的假設(shè)預(yù)期，可以得出在拉伸過程中，綁帶的性能因素對(duì)伸長(zhǎng)量試驗(yàn)的影響大于材料的寬度因素帶來的影響。從圖上可以看到部分綁帶寬度在21～22mm之間，為綁帶拉伸測(cè)試結(jié)果不合格的樣品；也可以從圖中看到部分綁帶寬度為20mm，但是綁帶拉伸伸長(zhǎng)量能有效控制在14～25mm之間的樣品。

頭盔綁帶的原材料基本都是以丙綸原料或丙綸復(fù)合原料構(gòu)成。各綁帶之間伸長(zhǎng)量與材質(zhì)的構(gòu)成、編織的方式、系帶的寬度三種影響因素相關(guān)。在材質(zhì)的構(gòu)成中，綁帶是由單一丙綸材質(zhì)還是丙綸復(fù)合材料構(gòu)成，對(duì)抗拉強(qiáng)度有一定影響；若使用復(fù)合材料構(gòu)成，材料內(nèi)部各纖維之間的比例也會(huì)對(duì)抗拉強(qiáng)度有一定影響。編織的方式一般為單一材料有斜紋織法、平紋織法、緞紋織法。復(fù)合材料一般為包纏織法和網(wǎng)絡(luò)織法[2]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的寬度限值為大于20mm，一般企業(yè)的織帶寬度在20～25mm之間。同材質(zhì)下織物寬度與伸長(zhǎng)量成反比。企業(yè)應(yīng)選擇韌性強(qiáng)，伸縮率低的材質(zhì)作為頭盔綁帶的原料，盡管搭扣斷裂現(xiàn)象比較少見，企業(yè)也應(yīng)重視選用強(qiáng)度高的塑料連接件。

2頭盔吸收碰撞能量

頭盔吸收碰撞能量主要模擬騎手在行駛過程中發(fā)生碰撞后，頭盔能否吸收沖擊力，起到保護(hù)顱骨的作用。試驗(yàn)規(guī)定A1、A2類盔符合加速度峰值不超過300g；加速度超過150g的作用時(shí)間小于4ms。A1、A2、B1、B2類盔符合加速度峰值不超過400g；加速度超過200g的作用時(shí)間小于2ms，加速度超過150g的作用時(shí)間小于4ms。試驗(yàn)需要對(duì)6頂頭盔進(jìn)行測(cè)試，分別進(jìn)行高溫、低溫預(yù)處理和水浸處理后，進(jìn)行碰撞吸能和耐穿透試驗(yàn)。頭盔經(jīng)過吸收碰撞能量試驗(yàn)后，A類頭盔和B類頭盔每批次頭盔平均加速度結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，無論A類和B類盔，絕大多數(shù)頭盔可以把撞擊加速度控制在200g以下。只有圖4中的1號(hào)樣本，6只全頭型頭盔加速度有2只測(cè)試失敗，皆為300g以上。失敗的原因在于預(yù)處理溫度為低溫時(shí)，頭盔材料內(nèi)部發(fā)生變化，無法抵御撞擊力。該頭盔外部材質(zhì)為ABS塑料，內(nèi)襯材質(zhì)為EPP/PU-FOAM（發(fā)泡海綿）+絳綸，見表2。

頭盔在能量碰撞吸收試驗(yàn)之前的低溫預(yù)處理，是模擬頭盔長(zhǎng)期在低溫環(huán)境下，性能不會(huì)退化，受到撞擊后仍能保持對(duì)顱骨的保護(hù)。我國(guó)東三省地區(qū)的冬日溫度常低于-20℃，同時(shí)氣溫會(huì)隨著海拔增加而降低，每升高百米氣溫降低0.6℃，因此在高海拔地區(qū)使用的物體也要考慮低溫對(duì)功能的影響。頭盔的低溫預(yù)處理試驗(yàn)?zāi)M在極北氣候和高原高山氣候的佩戴頭盔。低溫頭盔的機(jī)理失效模式為材料硬化和材料脆化導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低，特別是抗沖擊強(qiáng)度會(huì)大大降低。在標(biāo)準(zhǔn)上低溫的預(yù)存儲(chǔ)期時(shí)間為4～6h。因?yàn)榈蜏卦囼?yàn)設(shè)計(jì)時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間4h一般用于與生命非相關(guān)產(chǎn)品的考核[3]。通常情況建議按6h進(jìn)行預(yù)存儲(chǔ)。

同時(shí)，頭盔的內(nèi)襯對(duì)于加速度也有一定影響。頭盔的內(nèi)襯材料基本以EPS和EPP為主。其中兩者的吸能機(jī)理有所不同，EPS材料以自身結(jié)構(gòu)破壞來起到緩沖，EPP材料通過材料收縮來起到緩沖作用。通常，EPP相對(duì)于EPS，具有價(jià)格低廉、能重復(fù)利用的優(yōu)勢(shì)，對(duì)食品包裝運(yùn)輸、EPP在汽車零部件方面起到輔助吸能的作用。但是對(duì)摩托車頭盔能量碰撞吸收這種要求較高的試驗(yàn)而言，EPS起到的緩沖能力較差。EPP材料相對(duì)緩沖能力較優(yōu)[4]。

最后，從表2可以看出，未通過的測(cè)試點(diǎn)都位于頭盔通風(fēng)孔附近?？梢酝茰y(cè)通風(fēng)孔的存在降低了頭盔整體的性能。建議廠家在保證頭盔安全的前提下，再進(jìn)一步追求頭盔的舒適型和美觀型。

3頭盔耐穿透試驗(yàn)

頭盔耐穿透試驗(yàn)主要模擬頭盔在運(yùn)動(dòng)過程中與尖銳物體接觸，能否承受沖擊力，阻礙尖銳物體穿刺頭部。試驗(yàn)用一規(guī)定尺寸的尖錐從規(guī)定高度落下，要求不得穿透頭盔與頭型產(chǎn)生接觸。規(guī)定A1、A2類頭盔在3000mm高度，進(jìn)行兩次穿透，A1、A2、B1、B2類頭盔在1000mm高度，進(jìn)行兩次穿透。其中兩次試驗(yàn)間距不小于75mm[1]。為了確保試驗(yàn)的一致性，本次所有樣品均在23℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)不合格結(jié)果見表3。

頭盔的通風(fēng)口可以改善騎手的佩戴體驗(yàn)，在網(wǎng)上各大摩托車論壇內(nèi)，頭盔有無通風(fēng)口也是騎友們區(qū)別“高端”或“低端”頭盔標(biāo)準(zhǔn)之一。設(shè)立通風(fēng)口也是企業(yè)順應(yīng)目前消費(fèi)者需求的選擇，但是通風(fēng)口會(huì)降低頭盔整體強(qiáng)度，廠家對(duì)通風(fēng)口的設(shè)定，應(yīng)該在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下進(jìn)行。

玻璃纖維頭盔在造價(jià)上遠(yuǎn)高于ABS材料的頭盔，但是在穿刺試驗(yàn)過程中，玻璃纖維頭盔沒有特別的優(yōu)越性。相反，不合格的頭盔集中在玻璃纖維復(fù)合材質(zhì)上。對(duì)于GF/EP復(fù)合材料，王啟強(qiáng)等[5] 的研究表明玻璃纖維含量達(dá)到30%，GF/EP力學(xué)性能最佳，如圖8所示。吳海亮的[6]研究表明在玻璃纖維為定量時(shí)，樹脂的含量在28%～32%之間力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到最大值，見表4。同時(shí)，玻璃纖維的編織方式也分為平紋、斜紋、鍛紋。不同的編織方式對(duì)其穿刺性能也會(huì)產(chǎn)生較大影響。

頭盔的正中處穿刺全部滿足要求，但前腦、后腦處出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。目前，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有區(qū)域皆可以進(jìn)行穿刺測(cè)試，廠家應(yīng)對(duì)規(guī)定的整體測(cè)試區(qū)域進(jìn)行受力設(shè)計(jì)。在內(nèi)部測(cè)試中對(duì)測(cè)試區(qū)域所有點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中沒有具體表明測(cè)試點(diǎn)，而在ECE頭盔標(biāo)準(zhǔn)和Snell頭盔認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中均有具體的測(cè)試點(diǎn)要求，企業(yè)可以參考上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試。

4結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上述頭盔不合格數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)頭盔制造企業(yè)在質(zhì)量方面仍有較大的提升空間。企業(yè)在制造頭盔過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有深入的了解。在設(shè)計(jì)及工藝上，內(nèi)部的品控應(yīng)符合甚至超過標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣才能生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求、滿足消費(fèi)者安全防護(hù)要求的頭盔。其中，材質(zhì)為碳纖維或玻璃纖維及復(fù)合纖維的頭盔，不應(yīng)只考慮產(chǎn)品的美觀與輕便性，更應(yīng)重視頭盔的穿刺性能。最后，企業(yè)應(yīng)對(duì)自身的產(chǎn)品進(jìn)行定期內(nèi)部檢查，促進(jìn)產(chǎn)品的一致性趨于穩(wěn)定，最終提供給消費(fèi)者符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的乘員頭盔。

參考文獻(xiàn)

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