李政年,樂秀鴻,柯文棋,周宏元,黃建松

新型防沖擊鞋的性能測試與評估

李政年,樂秀鴻,柯文棋,周宏元,黃建松

目的 通過對新型防沖擊鞋的抗沖擊性能測試,評估其防護效果。方法 在沖擊機上模擬2種沖擊環(huán)境條件,對新型防沖擊鞋進行抗沖擊性能測試,并以HYS-Ⅱ型防沖擊鞋作對照。結(jié)果 (1)在低工況(A工況)下:新型防沖擊鞋后跟沖擊輸出脈寬可達34.15～44.05 ms,平均(39.42±4.07)ms,脈寬延長率可達489%～680%,平均(580.66±78.16)%,平均加速度降至(6.9～9.8)×g,平均(8.07±1.25)×g,加速度衰減率78%～83%,平均(80.33±2.05)%。在高工況(B工況)下:新型防沖擊鞋后跟沖擊輸出脈寬可達30.20～33.35 ms,平均(31.92±1.30)ms,脈寬延長率可達470%～529%,平均(500.33 ±24.12)%,平均加速度降至(16.8～18.3)×g,平均(17.53±0.61)×g,加速度衰減率77%～78%,平均(77.33±0.47)%。(2)新型防沖擊鞋與HYS-Ⅱ型防沖擊鞋比較,在A工況下,2種防沖擊鞋脈寬延長率和加速度衰減率接近;在B工況下,脈寬延長率和加速度衰減率,新型防沖擊鞋優(yōu)于HYS-Ⅱ型防沖擊鞋。結(jié)論 新型防沖擊鞋有較好的抗沖擊防護效果,在高工況下的抗沖擊防護性能優(yōu)于HYS-Ⅱ型防沖擊鞋。

船員;沖擊;防沖擊鞋;安全性;評估

船舶遭受水下非接觸爆炸產(chǎn)生的水下沖擊波作用時,可產(chǎn)生劇烈的自下而上的沖擊運動,由于水線以下的船體所受的垂向沖擊載荷分量是最主要的,因此就船體的整體運動而言,以垂向沖擊運動為主[1]。

船舶的沖擊運動,除引起船體、設(shè)備損壞外,還可導(dǎo)致船員不同程度的沖擊損傷。船員的沖擊傷是人體結(jié)構(gòu)于極短時間內(nèi)在巨大爆炸沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程,有明顯的動力學(xué)特征。當(dāng)沖擊加速度足夠大,超過站立人體下肢骨骼的耐受限值時,就會產(chǎn)生下肢骨骼壓縮性損傷,以跟骨骨折為多見,嚴重影響船舶的作業(yè)能力[2]。為了預(yù)防或減輕船員的下肢沖擊損傷,筆者研制出了新型防沖擊鞋,并對其抗沖擊性能進行了測試與評估。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置 LC-2型落錘式?jīng)_擊機以及由加速度傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀組成的測量系統(tǒng)。

1.2 試驗樣品 新型防沖擊鞋(HKCJ-Ⅰ型)和HYS-Ⅱ型防沖擊鞋2種。

1.3 試驗工況 分為低工況(A工況)和高工況(B工況),其沖擊輸入的速度變化量分別約為2.2～2.5 m/s和4.0～4.5 m/s,脈寬5～6 ms。

1.4 試驗方法 將新型防沖擊鞋(HKCJ-Ⅰ)大底加相同抗沖擊鞋墊,安裝在作為基礎(chǔ)質(zhì)量的沖擊機錘頭(安裝有加速度傳感器)上,并分別在鞋大底的前掌和后跟部位放置壓載質(zhì)塊,以模擬中等體形船員雙腿直立時一側(cè)下肢前掌和后跟承受的重量,兩壓載質(zhì)塊上裝有加速度傳感器。試驗前調(diào)整好跌落高度和砧臺上的橡皮,以滿足速度變化量和脈寬的要求。按照A工況和B工況的試驗要求將試驗裝置提升到一定高度后跌落,對新型防沖擊鞋的抗沖擊性能進行測試。HYS-Ⅱ型防沖擊鞋在相同工況條件下進行試驗,以比較兩者的抗沖擊效果。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 在相同工況條件下進行組間比較,所得數(shù)據(jù)采用χ2檢驗或t檢驗。

2 結(jié)果

2.1 測試結(jié)果 A工況下,2種防沖擊鞋脈寬延長率和加速度衰減率接近。在B工況下,脈寬延長率和加速度衰減率, HKCJ-Ⅰ型防沖擊鞋均優(yōu)于HYS-Ⅱ型防沖擊鞋。見表1。

2.2 HKCJ-Ⅰ型防沖擊鞋的防護效果 依據(jù)國軍標(biāo)《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值(GJB2689-96)》對HKCJ-Ⅰ型防沖擊鞋的防護效果進行評估。在A工況下(錘頭沖擊輸入為2.33 m/s),鞋后跟的沖擊輸出達到由輕傷變?yōu)闊o傷的防護效果;在B工況下(錘頭沖擊輸入為4.03 m/s),鞋后跟的沖擊輸出達到由重傷變?yōu)檩p傷的防護效果。見表2。

3 討論

3.1 基本原理 新型防沖擊鞋的防護原理是通過其具有抗沖擊作用的抗沖擊鞋墊和網(wǎng)格狀氣囊式抗沖擊夾層組成的抗沖擊結(jié)構(gòu),以及根據(jù)生物力學(xué)原理適當(dāng)提高鞋后跟高度,以改變腳后跟與前掌的夾角,達到吸收沖擊能量和減輕鞋后跟的受力狀態(tài),降低作用于人體下肢(特別是腳后跟)的沖擊力,并延長沖擊作用時間,降低對人體的沖擊加速度,起到預(yù)防或減輕人體下肢損傷的目的。

表1 2種防沖擊鞋樣品抗沖擊性能測試結(jié)果

表2 新型防沖擊鞋抗沖擊性能測試與人員沖擊安全性評估結(jié)果

3.2 技術(shù)措施 (1)應(yīng)用生物力學(xué)原理,改變鞋后跟的受力狀態(tài),降低作用于人體腳后跟的沖擊力;(2)鞋大底采用抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計,即保持大底的承重能力,又起到緩沖作用;(3)以試驗數(shù)據(jù)作為優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。通過以上防護措施保證新型防沖擊鞋的抗沖擊防護性能。

3.3 防護效果 船舶沖擊運動對人體下肢骨骼的損傷取決于其沖擊作用的大小,當(dāng)作用力超過人體下肢骨骼的耐受限值時就可能會造成損傷。以往的研究結(jié)果表明[3],人體下肢骨骼縱向靜態(tài)壓縮平均過載值為20×g,敏感者為(10～15)×g。而在落錘式?jīng)_擊機上試驗時的沖擊輸入均超過上述平均過載值。國軍標(biāo)[4]對船員損傷程度劃分為: (1)輕度損傷。指人員保持基本作業(yè)能力,能在30 min內(nèi)恢復(fù)基本功能,不影響其基本作業(yè)能力。(2)中度損傷。指人員部分喪失戰(zhàn)斗力,在30 min內(nèi)某些功能不能恢復(fù)正常,部分影響其作業(yè)能力。(3)重度損傷。指人員基本或完全喪失作業(yè)能力,出現(xiàn)嚴重損傷,甚至危及生命。依據(jù)國軍標(biāo)GJB2689-96對新型防沖擊鞋的防護效果進行評估(見表2),由于新型防沖擊鞋的防護作用,在低工況下鞋后跟的沖擊輸出由輕傷變?yōu)闊o傷;在高工況下鞋后跟的沖擊輸出由重傷變?yōu)檩p傷。2種工況條件下防護效果都明顯,而且,在高工況下新型防沖擊鞋的抗沖擊性能優(yōu)于HYS-Ⅱ型防沖擊鞋。

[1]李政年,柯文棋,樂秀鴻,等.模擬艦艇沖擊運動時對兔損傷的實驗觀察[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志,2004,25(3):201-203.

[2]柯文棋,樂秀鴻,楊軍,等.水雷爆炸對艦船上動物沖擊損傷的試驗觀察與評價[J]. 中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué)雜志, 2001,8 (3) : 136 - 140.

[3]柯文棋,樂秀鴻,楊軍,等.人體下肢骨骼抗壓性能的研究[J].海軍醫(yī)學(xué), 1984, 2 (1) : 43 - 47.

[4]GJB2689- 96.水面艦艇沖擊對人體作用安全限值[S].

Test and evaluation of performance of a new type of shock-resistant shoes

L I Zheng-nian,LE X iu-hong,KE W en-qi,ZHOU Hong-yuan,HUANG Jian-song

(NavalM edical Research Institute,Shanghai 200433,China)

O bjective To test shock-resistant performance of a new type of shock-resistant shoes and to evaluate its protective effect.Methods The shock-resistant perfor mance of the new type of shock-resistant shoes was tested on the shock machine simulating two shock conditions and was compared with the performance of the type-Ⅱof shock-resistant shoes.Results (1)Under the condition A, the output pulse duration of the heel of the new type of shock-resistant shoes varied bet ween 34.15 to 44.05 ms,the elongation rate of the pulse duration was between percent 489 to percent 680,the average acceleration decreased to 6.9 to 9.8×g,and the attenuation rate of the acclerationwas between percent78 to percent83.Under the conditionB,the outputpulse duration of the heelof the new type of shockresistant shoes varied between 30.20 to 33.35 ms,the elongation rate of the pulse duration was between percent 470 to percent 529,the average acceleration decreased to 16.8 to 18.3×g,and the attenuation rate of the acclerationwas between percent 77 to percent 78.(2) The elongation rate of the pulse duration and the accleration attenuation rate of the new type of anti-shock shoes and the HYS-Ⅱtype of anti-shock shoeswere similar to under the condition A.The elongation rate of the pulse duration and the accleration attenuation rate of the new type of shock-resistant shoeswere better than those of the HYS-Ⅱtype of shock-resistant shoes under the condition B.Conclusion The performance of the new type of shock-resistant shoeswas better than the HYS-Ⅱtype of shock-resistant shoes under the condition B.

Crew;Shock;Shock-resistant shoes;Safety;Evaluation

R82

A

1009-0754(2010)02-0130-03

2010-02-17)

(本文編輯:王映紅)

200433 上海,海軍醫(yī)學(xué)研究所艦艇衛(wèi)生研究室