新型防冲击鞋的性能测试与评估

李政年,乐秀鸿,柯文棋,周宏元,黄建松

新型防冲击鞋的性能测试与评估

李政年,乐秀鸿,柯文棋,周宏元,黄建松

目的 通过对新型防冲击鞋的抗冲击性能测试,评估其防护效果。方法 在冲击机上模拟2种冲击环境条件,对新型防冲击鞋进行抗冲击性能测试,并以HYS-Ⅱ型防冲击鞋作对照。结果 (1)在低工况(A工况)下:新型防冲击鞋后跟冲击输出脉宽可达34.15～44.05 ms,平均(39.42±4.07)ms,脉宽延长率可达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,加速度衰减率78%～83%,平均(80.33±2.05)%。在高工况(B工况)下:新型防冲击鞋后跟冲击输出脉宽可达30.20～33.35 ms,平均(31.92±1.30)ms,脉宽延长率可达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,加速度衰减率77%～78%,平均(77.33±0.47)%。(2)新型防冲击鞋与HYS-Ⅱ型防冲击鞋比较,在A工况下,2种防冲击鞋脉宽延长率和加速度衰减率接近;在B工况下,脉宽延长率和加速度衰减率,新型防冲击鞋优于HYS-Ⅱ型防冲击鞋。结论 新型防冲击鞋有较好的抗冲击防护效果,在高工况下的抗冲击防护性能优于HYS-Ⅱ型防冲击鞋。

船员;冲击;防冲击鞋;安全性;评估

船舶遭受水下非接触爆炸产生的水下冲击波作用时,可产生剧烈的自下而上的冲击运动,由于水线以下的船体所受的垂向冲击载荷分量是最主要的,因此就船体的整体运动而言,以垂向冲击运动为主[1]。

船舶的冲击运动,除引起船体、设备损坏外,还可导致船员不同程度的冲击损伤。船员的冲击伤是人体结构于极短时间内在巨大爆炸冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程,有明显的动力学特征。当冲击加速度足够大,超过站立人体下肢骨骼的耐受限值时,就会产生下肢骨骼压缩性损伤,以跟骨骨折为多见,严重影响船舶的作业能力[2]。为了预防或减轻船员的下肢冲击损伤,笔者研制出了新型防冲击鞋,并对其抗冲击性能进行了测试与评估。

1 材料与方法

1.1 试验装置 LC-2型落锤式冲击机以及由加速度传感器、电荷放大器和数据采集仪组成的测量系统。

1.2 试验样品 新型防冲击鞋(HKCJ-Ⅰ型)和HYS-Ⅱ型防冲击鞋2种。

1.3 试验工况 分为低工况(A工况)和高工况(B工况),其冲击输入的速度变化量分别约为2.2～2.5 m/s和4.0～4.5 m/s,脉宽5～6 ms。

1.4 试验方法 将新型防冲击鞋(HKCJ-Ⅰ)大底加相同抗冲击鞋垫,安装在作为基础质量的冲击机锤头(安装有加速度传感器)上,并分别在鞋大底的前掌和后跟部位放置压载质块,以模拟中等体形船员双腿直立时一侧下肢前掌和后跟承受的重量,两压载质块上装有加速度传感器。试验前调整好跌落高度和砧台上的橡皮,以满足速度变化量和脉宽的要求。按照A工况和B工况的试验要求将试验装置提升到一定高度后跌落,对新型防冲击鞋的抗冲击性能进行测试。HYS-Ⅱ型防冲击鞋在相同工况条件下进行试验,以比较两者的抗冲击效果。

1.5 统计学处理 在相同工况条件下进行组间比较,所得数据采用χ2检验或t检验。

2 结果

2.1 测试结果 A工况下,2种防冲击鞋脉宽延长率和加速度衰减率接近。在B工况下,脉宽延长率和加速度衰减率, HKCJ-Ⅰ型防冲击鞋均优于HYS-Ⅱ型防冲击鞋。见表1。

2.2 HKCJ-Ⅰ型防冲击鞋的防护效果 依据国军标《水面舰艇冲击对人体作用安全限值(GJB2689-96)》对HKCJ-Ⅰ型防冲击鞋的防护效果进行评估。在A工况下(锤头冲击输入为2.33 m/s),鞋后跟的冲击输出达到由轻伤变为无伤的防护效果;在B工况下(锤头冲击输入为4.03 m/s),鞋后跟的冲击输出达到由重伤变为轻伤的防护效果。见表2。

3 讨论

3.1 基本原理 新型防冲击鞋的防护原理是通过其具有抗冲击作用的抗冲击鞋垫和网格状气囊式抗冲击夹层组成的抗冲击结构,以及根据生物力学原理适当提高鞋后跟高度,以改变脚后跟与前掌的夹角,达到吸收冲击能量和减轻鞋后跟的受力状态,降低作用于人体下肢(特别是脚后跟)的冲击力,并延长冲击作用时间,降低对人体的冲击加速度,起到预防或减轻人体下肢损伤的目的。

表1 2种防冲击鞋样品抗冲击性能测试结果

表2 新型防冲击鞋抗冲击性能测试与人员冲击安全性评估结果

3.2 技术措施 (1)应用生物力学原理,改变鞋后跟的受力状态,降低作用于人体脚后跟的冲击力;(2)鞋大底采用抗冲击结构设计,即保持大底的承重能力,又起到缓冲作用;(3)以试验数据作为优化设计的依据。通过以上防护措施保证新型防冲击鞋的抗冲击防护性能。

3.3 防护效果 船舶冲击运动对人体下肢骨骼的损伤取决于其冲击作用的大小,当作用力超过人体下肢骨骼的耐受限值时就可能会造成损伤。以往的研究结果表明[3],人体下肢骨骼纵向静态压缩平均过载值为20×g,敏感者为(10～15)×g。而在落锤式冲击机上试验时的冲击输入均超过上述平均过载值。国军标[4]对船员损伤程度划分为: (1)轻度损伤。指人员保持基本作业能力,能在30 min内恢复基本功能,不影响其基本作业能力。(2)中度损伤。指人员部分丧失战斗力,在30 min内某些功能不能恢复正常,部分影响其作业能力。(3)重度损伤。指人员基本或完全丧失作业能力,出现严重损伤,甚至危及生命。依据国军标GJB2689-96对新型防冲击鞋的防护效果进行评估(见表2),由于新型防冲击鞋的防护作用,在低工况下鞋后跟的冲击输出由轻伤变为无伤;在高工况下鞋后跟的冲击输出由重伤变为轻伤。2种工况条件下防护效果都明显,而且,在高工况下新型防冲击鞋的抗冲击性能优于HYS-Ⅱ型防冲击鞋。

[1]李政年,柯文棋,乐秀鸿,等.模拟舰艇冲击运动时对兔损伤的实验观察[J].海军医学杂志,2004,25(3):201-203.

[2]柯文棋,乐秀鸿,杨军,等.水雷爆炸对舰船上动物冲击损伤的试验观察与评价[J]. 中华航海医学与高气压医学杂志, 2001,8 (3) : 136 - 140.

[3]柯文棋,乐秀鸿,杨军,等.人体下肢骨骼抗压性能的研究[J].海军医学, 1984, 2 (1) : 43 - 47.

[4]GJB2689- 96.水面舰艇冲击对人体作用安全限值[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)

(本文编辑:王映红)

200433 上海,海军医学研究所舰艇卫生研究室