乘员头盔质量检测及不合格原因分析

张若尘　李海涛　任焕焕

摘要：乘员头盔是目前国家强制要求骑行摩托车、电动自行车必须佩戴的机动车零部件之一。国家标准GB 811-2022《摩托車、电动自行车乘员头盔》中对乘员头盔的各项力学指标均有明确规定。摩托车乘员头盔可显著减低交通事故中的死亡率。文中对不同厂家不同规格的头盔进行数据统计，旨在充分反映当前摩托车乘员头盔的质量。发现不合格的项目主要分布在佩戴装置强度，吸收碰撞能量，及耐穿透性能试验中。文中对不合格的项目分析不合格原因，提出整改意见。

关键词：乘员头盔；吸收碰撞能量；佩戴装置强度；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，全国开展了“一盔一带” 安全守护行动。市场监管部门加强管理，严格监督不佩戴头盔等不文明行为。因此，近两年市场上对头盔的需求量有所增加。乘员头盔的质量和骑手的生命安全息息相关。现行国家标准GB 811-2022《摩托车、电动自行车乘员头盔》中，对摩托车乘员头盔参数有详细的检测要求，同时增加了电动自行车头盔检测要求。

乘员头盔分为A类盔和B类盔。其中A类盔适合摩托车乘员、电动自行车乘员用，根据是否具有护目镜和舒适衬垫分成A1、A2、A3盔，B类盔适合电动自行车乘员使用，根据是否具有护目镜和舒适衬垫分为B1、B2、B3类盔。头盔由壳体、缓冲层、舒适衬垫、佩戴装置、护目镜组成。现行国标中测试项目见表1[1]。

A类盔和B类盔的测试区别有两点。第一，固定装置稳定性测试A类盔移动的角度为不大于30°，B类盔的要求是不从头模上脱落。第二，A类盔和B类盔在其他测试项目的标准限值及测试次数略有不同。文中统计了一年维度周期内的头盔试验结果作为参考。一同测试了35个批次的头盔，每批次6只样本，一共210只头盔。32个批次头盔合格，3个批次头盔不合格，不合格率8.5%。不合格样品主要体现在佩戴装置强度、吸收碰撞能量及耐穿透性能试验三项试验内，这三项标准数据限值和旧标准GB 811-2010《摩托车乘员头盔》内限值基本无区别。文中将对摩托车乘员头盔的佩戴装置强度、吸收碰撞能量及耐穿透性能试验进行介绍，并统计测试数据，对不合格的原因进行简要分析。

1佩戴装置强度

佩戴装置强度主要对绑带的材质，绑带与头盔的连接件强度进行考核。将头盔放置在绑带拉伸试验机上，根据头盔厂家提供的型号，选取相应头模进行安装固定并系紧绑带。如果是A1、A2型盔，配重225±5N的初载荷，则选取1333±10N的试验载荷进行试验；如果是A1、A2、B1、B2型盔，配重147±5N的初载荷，则选取882±10N的试验载荷进行试验。进行试验时，进行30s的预加载进行基准定位，随后在30～60s内将载荷加至规定的试验载荷后，保持2min，读出绑带伸长量，绑带伸长量超过25mm，或连接件断裂、脱落，则试验不合格[1]。

对头盔进行佩戴装置强度测试后，发现部分头盔存在绑带拉伸伸长量超限值和搭扣断裂的问题，绑带伸长量结果测试如图1所示。其中6只头盔绑带伸长量超过限值，1只头盔在拉伸过程中发现搭扣断裂，如图2所示。

由图1可以看出，各个头盔绑带在佩戴装置强度试验后伸长量结果呈现均匀分布，证明目前的头盔各生产厂家选用绑带质量有较大不同。实验结果最好的绑带伸长量9.89mm，最差的绑带伸长量为27.35mm，中位数伸长量为17.98mm。

进一步将绑带的拉伸伸长量和绑带宽度进行比较，将绑带测量宽度作为纵坐标，佩戴装置强度试验后的拉伸伸长量作为横坐标进行统计，如图3所示。

从散点图可以看出，绑带宽度在24mm以上，绑带拉伸伸长量得以有效控制在20mm以下。绑带宽度在24mm以下，对绑带拉伸伸长量和绑带宽度的数据用CORREL函数计算其相关性，得出绑带伸长量与绑带宽度的相关性为0.34，为弱正相关。理论上，绑带的宽度和伸长量数据应为负相关，因为各家材质选用不同，试验结果并不符合负相关的假设预期，可以得出在拉伸过程中，绑带的性能因素对伸长量试验的影响大于材料的宽度因素带来的影响。从图上可以看到部分绑带宽度在21～22mm之间，为绑带拉伸测试结果不合格的样品；也可以从图中看到部分绑带宽度为20mm，但是绑带拉伸伸长量能有效控制在14～25mm之间的样品。

头盔绑带的原材料基本都是以丙纶原料或丙纶复合原料构成。各绑带之间伸长量与材质的构成、编织的方式、系带的宽度三种影响因素相关。在材质的构成中，绑带是由单一丙纶材质还是丙纶复合材料构成，对抗拉强度有一定影响；若使用复合材料构成，材料内部各纤维之间的比例也会对抗拉强度有一定影响。编织的方式一般为单一材料有斜纹织法、平纹织法、缎纹织法。复合材料一般为包缠织法和网络织法[2]。国家标准规定的宽度限值为大于20mm，一般企业的织带宽度在20～25mm之间。同材质下织物宽度与伸长量成反比。企业应选择韧性强，伸缩率低的材质作为头盔绑带的原料，尽管搭扣断裂现象比较少见，企业也应重视选用强度高的塑料连接件。

2头盔吸收碰撞能量

头盔吸收碰撞能量主要模拟骑手在行驶过程中发生碰撞后，头盔能否吸收冲击力，起到保护颅骨的作用。试验规定A1、A2类盔符合加速度峰值不超过300g；加速度超过150g的作用时间小于4ms。A1、A2、B1、B2类盔符合加速度峰值不超过400g；加速度超过200g的作用时间小于2ms，加速度超过150g的作用时间小于4ms。试验需要对6顶头盔进行测试，分别进行高温、低温预处理和水浸处理后，进行碰撞吸能和耐穿透试验。头盔经过吸收碰撞能量试验后，A类头盔和B类头盔每批次头盔平均加速度结果如图4、图5所示。

由图4和图5可以看出，无论A类和B类盔，绝大多数头盔可以把撞击加速度控制在200g以下。只有图4中的1号样本，6只全头型头盔加速度有2只测试失败，皆为300g以上。失败的原因在于预处理温度为低温时，头盔材料内部发生变化，无法抵御撞击力。该头盔外部材质为ABS塑料，内衬材质为EPP/PU-FOAM（发泡海绵）+绦纶，见表2。

头盔在能量碰撞吸收试验之前的低温预处理，是模拟头盔长期在低温环境下，性能不会退化，受到撞击后仍能保持对颅骨的保护。我国东三省地区的冬日温度常低于-20℃，同时气温会随着海拔增加而降低，每升高百米气温降低0.6℃，因此在高海拔地区使用的物体也要考虑低温对功能的影响。头盔的低温预处理试验模拟在极北气候和高原高山气候的佩戴头盔。低温头盔的机理失效模式为材料硬化和材料脆化导致机械强度降低，特别是抗冲击强度会大大降低。在标准上低温的预存储期时间为4～6h。因为低温试验设计时存储时间4h一般用于与生命非相关产品的考核[3]。通常情况建议按6h进行预存储。

同时，头盔的内衬对于加速度也有一定影响。头盔的内衬材料基本以EPS和EPP为主。其中两者的吸能机理有所不同，EPS材料以自身结构破坏来起到缓冲，EPP材料通过材料收缩来起到缓冲作用。通常，EPP相对于EPS，具有价格低廉、能重复利用的优势，对食品包装运输、EPP在汽车零部件方面起到辅助吸能的作用。但是对摩托车头盔能量碰撞吸收这种要求较高的试验而言，EPS起到的缓冲能力较差。EPP材料相对缓冲能力较优[4]。

最后，从表2可以看出，未通过的测试点都位于头盔通风孔附近。可以推测通风孔的存在降低了头盔整体的性能。建议厂家在保证头盔安全的前提下，再进一步追求头盔的舒适型和美观型。

3头盔耐穿透试验

头盔耐穿透试验主要模拟头盔在运动过程中与尖锐物体接触，能否承受冲击力，阻碍尖锐物体穿刺头部。试验用一规定尺寸的尖锥从规定高度落下，要求不得穿透头盔与头型产生接触。规定A1、A2类头盔在3000mm高度，进行两次穿透，A1、A2、B1、B2类头盔在1000mm高度，进行两次穿透。其中两次试验间距不小于75mm[1]。为了确保试验的一致性，本次所有样品均在23℃的环境温度下进行试验。试验不合格结果见表3。

头盔的通风口可以改善骑手的佩戴体验，在网上各大摩托车论坛内，头盔有无通风口也是骑友们区别“高端”或“低端”头盔标准之一。设立通风口也是企业顺应目前消费者需求的选择，但是通风口会降低头盔整体强度，厂家对通风口的设定，应该在满足标准的前提下进行。

玻璃纤维头盔在造价上远高于ABS材料的头盔，但是在穿刺试验过程中，玻璃纤维头盔没有特别的优越性。相反，不合格的头盔集中在玻璃纤维复合材质上。对于GF/EP复合材料，王启强等[5] 的研究表明玻璃纤维含量达到30%，GF/EP力学性能最佳，如图8所示。吴海亮的[6]研究表明在玻璃纤维为定量时，树脂的含量在28%～32%之间力学强度达到最大值，见表4。同时，玻璃纤维的编织方式也分为平纹、斜纹、锻纹。不同的编织方式对其穿刺性能也会产生较大影响。

头盔的正中处穿刺全部满足要求，但前脑、后脑处出现不合格现象。目前，标准规定对试验区内所有区域皆可以进行穿刺测试，厂家应对规定的整体测试区域进行受力设计。在内部测试中对测试区域所有点进行测试。目前，国家标准中没有具体表明测试点，而在ECE头盔标准和Snell头盔认证标准中均有具体的测试点要求，企业可以参考上述两个标准进行内部测试。

4结语

通过对上述头盔不合格数据的统计，可以发现头盔制造企业在质量方面仍有较大的提升空间。企业在制造头盔过程中，应当对标准有深入的了解。在设计及工艺上，内部的品控应符合甚至超过标准要求，这样才能生产出符合标准要求、满足消费者安全防护要求的头盔。其中，材质为碳纤维或玻璃纤维及复合纤维的头盔，不应只考虑产品的美观与轻便性，更应重视头盔的穿刺性能。最后，企业应对自身的产品进行定期内部检查，促进产品的一致性趋于稳定，最终提供给消费者符合国家标准的乘员头盔。

參考文献

[1]全国道路交通管理标准化技术委员会.摩托车、电动自行车乘员头盔：GB 811-2022[S].北京： 中国标准出版社，2022.

[2]刘双双.玄武岩玻纤/丙纶复合线、机织物和复合材料制备及其力学性能研究[D].浙江理工大学，2014.

[3]王树荣，季凡渝.环境试验技术［M］.北京：电子工业出版社.2016.

[4]钱辉，姚永伟.运动头盔产品质量分析及提升合格率的途径[J].中国测试，2017，43（S1）：158-160.

[5]王启强，彭龙贵．玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能研究[J].化工时刊，2016，30（7）：4-7．

[6]吴海亮.树脂含量对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响[J].天津科技，2017，44（07）：21-22+26.DOI：10.14099/j.cnki.tjkj.2017.07.007.