一種分離式可降溫安全帽設(shè)計

王海順 白雙星 黃俊傳 許 銘講師 葉 凱高級工程師

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083；2.北京市石景山區(qū)安全生產(chǎn)協(xié)會,北京 100041)

0 引言

安全帽是最常見、最重要的勞動防護(hù)用品之一，與安全網(wǎng)、安全帶一起被建筑業(yè)譽(yù)為建筑工人“三寶”[1-3]。GB 2811-2007《安全帽》主要規(guī)定了安全帽的結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度等要求，對透氣性能沒有硬性規(guī)定[4]。在外界環(huán)境溫度為34.6℃時高勞動強(qiáng)度作業(yè)，安全帽內(nèi)部微環(huán)境積熱嚴(yán)重，30min時最高可達(dá)56℃[5]。《安全帽》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定安全帽通氣孔總面積為150～450mm2，若塑料材質(zhì)安全帽、玻璃鋼材質(zhì)安全帽開4個透氣孔，則通氣孔直徑最大不超過11.9mm，因此到了夏季或者高溫環(huán)境下難以起到明顯的散熱作用[4-5]。夏季戶外作業(yè)或者高溫作業(yè)中佩戴安全帽非常辛苦，嚴(yán)重影響正常工作，職工佩戴意愿不高[6-7]。因此，設(shè)計可降溫安全帽，提高安全帽的散熱性能，改善安全帽佩戴舒適性，對于增強(qiáng)職工佩戴安全帽的積極性，促進(jìn)作業(yè)安全具有重要意義。

目前改進(jìn)安全帽散熱性能主要有兩種嘗試。一類是在安全帽殼內(nèi)表面粘裝冰袋等冷媒吸收熱量降溫[8-9]；另一類是在安全帽頂上、后部或前部打100mm左右的孔，在孔上加裝葉片式風(fēng)扇和電源，以向頭部吹風(fēng)或從頭部吸風(fēng)方式降溫[10-11]。兩種方式都能起到一定降溫作用，但同時產(chǎn)生新的問題。一是增加了安全帽的質(zhì)量，冷媒大約增加一倍質(zhì)量；風(fēng)扇、蓄電池、太陽能電池板等也增加不少質(zhì)量。安全帽本身比較重，再增加質(zhì)量會嚴(yán)重影響佩戴舒適性，長期佩戴對頭頸部產(chǎn)生的影響不容忽視。此外，冷媒會在表面凝結(jié)水珠，掉落到頭部和臉部不僅造成不適，還會影響作業(yè)安全。加裝風(fēng)扇可能會嚴(yán)重破壞安全帽的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，影響安全帽的防護(hù)功能。風(fēng)扇還會產(chǎn)生噪聲、振動和電磁輻射，這些職業(yè)危害因素緊貼頭部，可能對人的健康和安全造成新的威脅。冷媒還需要增加冰箱等支持設(shè)備，需要頻繁更換，后期成本較高，操作不便。

針對上述問題，本研究提出一種分離式可降溫安全帽的設(shè)計思路，在實(shí)現(xiàn)降溫的同時，不破壞安全帽的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，不增加安全帽的質(zhì)量，不產(chǎn)生噪聲、振動和輻射。

1 安全帽內(nèi)溫度場數(shù)學(xué)模型

安全帽內(nèi)的空氣流動為低速流動，可將空氣看成不可壓縮流體，空氣溫度為外界環(huán)境溫度且變化不大，即密度變化不大，因此可認(rèn)為空氣流動符合Boussinesq假設(shè)[5]。這一假設(shè)由3部分組成：流體中的粘性耗散忽略不計；除密度外其他物性為常數(shù)；對密度僅考慮動量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)，其余各項(xiàng)中的密度亦作為常數(shù)。空氣的粘性不能忽略，所以空氣流動通常都是湍流流動。同時，模擬流動物理量(如溫度、速度等)不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)流動。綜上所述，空氣流動的物理模型可簡化如下：常溫、低速、不可壓縮流體流動氣體且符合Boussinesq假設(shè)；湍流；穩(wěn)態(tài)。

氣體流動模型遵循質(zhì)量、動量和能量3大守恒定律[12-13]。符合湍流模型，使用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型進(jìn)行求解溫度場，K-ε方程如式(4)、式(5)[5,14]。

質(zhì)量方程：

(1)

式中：

u、v、w—x、y、z3個方向的速度分量，m/s；

t—時間，s；

ρ—密度，kg/m2。

動量方程(x方向)：

(2)

式中：

pxx—粘性應(yīng)力分量，Pa；

Fx—3個方向的單位質(zhì)量力，m/s2。

忽略粘性耗散作用的穩(wěn)態(tài)低速不可壓縮流體，能量方程可以簡化：

(3)

式中：

T—溫度，K；

cp—比熱容，J/(kg·K)；

k—流體的傳熱系數(shù)，W/m2·K；

Sh—單位體積內(nèi)熱源。

湍流脈動動能方程(K方程)：

(4)

湍流脈動動能耗散率方程(ε方程)：

(5)

(6)

式中：

ρ—空氣密度，kg/m3；

μi—速度矢量，m/s；

K—湍流脈動動能，m2/s2；

μ—層流動力粘性系數(shù)，Pa·S；

μt—湍流粘性系數(shù)，Pa·S；

ε—湍流能量耗散率，m2/s3。

式中6個經(jīng)驗(yàn)常數(shù)一般取值如下：

cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，στ=0.9～1.0

2 積熱數(shù)值模擬

2.1 安全帽積熱區(qū)域物理建模

根據(jù)實(shí)際測量，安全帽帽襯與帽殼間隙可看作外徑220mm、內(nèi)徑185mm的半球殼。對該空間用ANSYS ICEM CFD軟件以1mm方形網(wǎng)格進(jìn)行物理建模，如圖1。

圖1 安全帽內(nèi)環(huán)境物理建模

2.2 確定模擬邊界條件

頭部肌肉組織占比較少，大腦是主要熱源。當(dāng)作業(yè)人員在高溫作業(yè)下進(jìn)行高強(qiáng)度勞動時，頭部產(chǎn)熱量主要來自于基礎(chǔ)代謝，頭部各組織層產(chǎn)熱量，見表1，計算得到頭部發(fā)熱速率為17.42 J/s[5]。

表1 頭部各組織層產(chǎn)熱量及發(fā)熱速率

據(jù)此，模擬邊界條件，見表2。

表2 積熱模擬邊界條件

2.3 模擬結(jié)果

(1)普通安全帽。

對無降溫設(shè)計的普通安全帽進(jìn)行工況模擬，使用1800s、3600s、5400s時長帽殼內(nèi)部溫度分布結(jié)果,如圖2。

其中最高溫度主要集中在帽頂區(qū)域，溫度隨時間增長情況，如圖3。大體上與使用時長成正比，使用時長越長，安全帽內(nèi)部溫度越高，其趨勢線擬合為：

y=0.0018x+35.8

式中：

x—時間，s；

y—溫度，℃。

(2)可降溫安全帽。

Kerlake認(rèn)為，對人體起熱交換作用的風(fēng)速要高于0.2m/s[5]。吹到頭部的風(fēng)速過大會造成不適，因此本研究參照1級風(fēng)，將吹氣速度控制在0.3～1.5m/s之內(nèi)。圖4顯示了0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s三種風(fēng)速下5400s時長的模擬結(jié)果。

模擬顯示當(dāng)風(fēng)速為1.5m/s時，帽內(nèi)溫度在35～37℃之間，頂部積熱現(xiàn)象已基本消失。故本研究設(shè)計風(fēng)速設(shè)定為1.5m/s。

圖2 不同時長的溫度場分布圖

圖3 安全帽內(nèi)部最高溫度變化

圖4 不同風(fēng)速下使用5400s時長安全帽內(nèi)溫度場

3 可降溫安全帽設(shè)計

分離式可降溫安全帽由安全帽、出風(fēng)口、風(fēng)管、風(fēng)機(jī)、電源、開關(guān)以及控制盒組成，如圖5。

圖5 分離式可降溫安全帽產(chǎn)品簡圖

安全帽選用普通塑料材質(zhì)安全帽。風(fēng)管采用塑料軟管且分為兩段，第一段風(fēng)管內(nèi)徑為3mm，完全位于安全帽內(nèi)部且盤繞固定在帽壁上，其上設(shè)置有出風(fēng)口；第二段風(fēng)管為內(nèi)徑8mm，是連接第一段風(fēng)管和風(fēng)機(jī)之間的風(fēng)管；第一段風(fēng)管與第二段風(fēng)管之間可拆卸，實(shí)現(xiàn)了安全帽與風(fēng)機(jī)可分離。出風(fēng)口為5個直徑3mm的洞，其中第一段風(fēng)管上設(shè)置4個出氣口，沿圓周方向均勻分布，位于安全帽頂部中心的第一段風(fēng)管末端亦形成1個出風(fēng)口。風(fēng)機(jī)選用額定功率為60W，額定電壓為24V，額定電流為3A，風(fēng)量為3.6m3/min，噪聲為65分貝，大小為9cm×9cm×1.8cm的小型離心風(fēng)機(jī)。電池選用24V/3A、電池含量為15000mA的鋰電池。線路上安裝開關(guān)控制啟動和關(guān)閉狀態(tài)。風(fēng)機(jī)、電源和開關(guān)設(shè)置在控制盒里，掛在腰帶上。風(fēng)機(jī)的風(fēng)通過風(fēng)管輸送到出氣口，向頭部吹風(fēng)移除聚集的高溫氣體。

4 積熱實(shí)驗(yàn)研究

在室內(nèi)溫度35℃、濕度65%的環(huán)境下，每次實(shí)驗(yàn)開始前，受試者在該室內(nèi)環(huán)境下靜坐10min，隨后分別佩戴普通安全帽和可降溫安全帽負(fù)重15kg在室內(nèi)環(huán)境快步疾走模擬高溫作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。將溫度傳感器固定在帽襯條上，佩戴時溫度傳感器位于頭部與安全帽中形成的高溫潮濕微小氣候中。佩戴普通安全帽和分離式可降溫安全帽運(yùn)動不同時長時的溫度變化情況，見表3。

表3顯示可降溫安全帽可有效消除安全帽內(nèi)部的積熱。同時，由于該產(chǎn)品是分離式的，因此不用破壞安全帽的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，測得兩段塑料管約為45g，幾乎不增加安全帽的質(zhì)量；風(fēng)機(jī)、電源和開關(guān)掛在腰部，因此不會對頭頸部增加質(zhì)量，不會對頭部帶來噪聲、振動和輻射。實(shí)驗(yàn)表明，這種設(shè)計效果好、構(gòu)造簡單，具有很好的市場前景。

表3 佩戴不同安全帽溫度變化情況

5 結(jié)論

(1)模擬結(jié)果顯示，普通安全帽內(nèi)最高溫度主要集中在帽頂區(qū)域，溫度隨使用時長呈線性增長。

(2)安全帽內(nèi)風(fēng)速為1.5m/s時散熱效果最優(yōu)，帽內(nèi)積熱現(xiàn)象基本消失。

(3)設(shè)計了一款分離式降溫安全帽，可有效消除高溫作業(yè)下安全帽內(nèi)部的積熱。該設(shè)計不破壞安全帽的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，不會對頭部產(chǎn)生噪聲、振動和輻射。

(4)該設(shè)計思路亦可應(yīng)用于工作服等勞保產(chǎn)品，例如將送風(fēng)管線埋置在工作服內(nèi)部，以對作業(yè)人員的體溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。