幼兒園安全地墊en1177沖擊性能測(cè)試儀hs2005 介紹   

                      上海       上海儀器儀表研究所
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1、幼兒園安全地墊測(cè)試儀概述

國(guó)外，每年有成千上萬(wàn)兒童及成年人在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、公共的或私人的運(yùn)動(dòng)設(shè)施上，由于跌倒在不合適的地面而受傷。據(jù)美國(guó)消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年超過(guò)15萬(wàn)人在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地上受傷。澳大利亞每年也有1300名兒童因玩滑梯、秋千等游戲，從高處跌下受傷住院。在標(biāo)準(zhǔn)制定前，雖然由此引訟費(fèi)達(dá)幾百萬(wàn)美元，但是保險(xiǎn)公司仍然拒絕承擔(dān)多種與此有關(guān)險(xiǎn)項(xiàng)的保險(xiǎn)義務(wù)。因此，國(guó)外立法建立限制條例，如美國(guó)制定的ASTM F 1292-2004、歐洲制定的EN 1177:1997和澳大利亞制定的 AS/NZS4422:1999等對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面安全性能檢測(cè)方法及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，以評(píng)估運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面鋪墊的材料是否合格。

國(guó)內(nèi)也有報(bào)道小孩蕩秋千時(shí)，設(shè)施連鉤突然脫鉤，致小孩頭部被摔成頭骨粉碎性骨折的重傷。記者看到出事現(xiàn)場(chǎng)地面沒(méi)有裝保險(xiǎn)墊，也無(wú)防緩沖作用的橡膠地板。事實(shí)上，有很多采用各種吸收沖擊能量的彈性材料作為地面鋪層，可以防止人們跌倒而損傷，特別是頭部損傷。問(wèn)題是彈性材料的特性和鋪墊厚度都與安全有關(guān)，需要有相關(guān)的測(cè)試設(shè)備測(cè)定。

2、有關(guān)術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面(playground surface)，被用于鋪在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)設(shè)施下面一種人工或天然的材料，包括地基、地層、和其他用于抗沖擊的地面材料。

臨界跌落高度（critical fall height，CFH），衡量運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面材料的沖擊衰減性能，由符合標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定的沖擊衰減性能指標(biāo)的地面的*高理論跌落高度來(lái)定義。臨界跌落高度是接近但不希望會(huì)引起威脅生命的頭部傷害的*大高度。

頭部傷害判據(jù)（head injury criterion，HIC），一個(gè)沖擊加速度與時(shí)間關(guān)系的特殊積分，以測(cè)定頭部受到傷害的相關(guān)性。

*大加速度（g-max），當(dāng)模擬頭形落體與地面碰撞時(shí)*大的沖擊加速度，以重力加速度g為單位。

沖擊衰減（impact attenuation），通過(guò)地面局部變形或位移來(lái)減少峰值沖擊力和峰值加速度以吸收沖擊過(guò)程中的能量的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面特性。

3、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)介紹的沖擊測(cè)試方法及設(shè)備

國(guó)外已有不少國(guó)家制定了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面安全性能檢測(cè)的沖擊測(cè)試方法及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，如美國(guó)制定的ASTM F 1292-2004、加拿大制定的CAN/CSA-03、歐洲制定的EN 1177:1997和澳大利亞制定的 AS/NZS4422:1999。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)和歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CENELEC) 聯(lián)合成立的機(jī)構(gòu)“共同的歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織"CEN/CENELEC國(guó)際規(guī)則，英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、丹麥、奧地利等成員國(guó)執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)。如英國(guó)執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1177:1997編號(hào)改為英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1177:1998。下面簡(jiǎn)介典型的二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

3.1  歐洲EN 1177：1997標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（European Committee for Standardization, CEN）為防止人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)場(chǎng)地上活動(dòng)跌倒受傷，特別是頭部受傷，制定了相關(guān)的安全要求和試驗(yàn)方法EN 1177:1997《Impact absorbing playground surfacing – Safety Requirdivents and test methods》。

EN 1177:1997給出了測(cè)試運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面材料特性時(shí)的沖擊試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1）及試驗(yàn)方法、典型的加速度gn與時(shí)間t的試驗(yàn)曲線（見(jiàn)圖2）、典型的HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線（見(jiàn)圖3）及評(píng)估頭部受沖擊傷害程度HIC的計(jì)算公式，從而確定臨界跌落高度（CFH）的*小值。即，人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)場(chǎng)地上活動(dòng)時(shí)跌落高度不大于CFH的*小值，被認(rèn)為滿足標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

圖1 幼兒園安全地墊測(cè)試儀試驗(yàn)裝置

在圖1中，重4.6kg的模擬沖擊頭(headform)②裝有加速度傳感器(accelerometer)⑤，試驗(yàn)時(shí)需多次從不同高度跌落沖擊被測(cè)樣品①，每個(gè)高度對(duì)被測(cè)樣品需進(jìn)行多個(gè)不同位置的試驗(yàn)。加速度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器③放大后，由計(jì)算機(jī)④進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理，*終確定該試驗(yàn)樣品在滿足EN 1177:1997規(guī)定HIC不大于1000的安全評(píng)估指標(biāo)下的臨界跌落高度（CFH）*小值Hc，并給出試驗(yàn)報(bào)告。

圖2 加速度gn與時(shí)間t的試驗(yàn)曲線

圖2是典型的加速度gn與時(shí)間t的試驗(yàn)曲線，EN 1177:1997規(guī)定在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的采樣頻率*小為8,000Hz。

根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)，EN 1177:1997給出了頭部受沖擊傷害判據(jù)HIC的計(jì)算公式：

式中：

  a——加速度，單位g

  t1,t2——沖擊時(shí)間間隔，單位s

對(duì)每個(gè)試驗(yàn)位置，需計(jì)算出不同高度的HIC值，圖3為典型的HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線。根據(jù)曲線擬合求出HIC=1000時(shí)不同高度的臨界跌落高度Hc值，并將該試驗(yàn)樣品所有測(cè)試得到的多個(gè)Hc中取*小的一個(gè)值作為臨界跌落高度（CFH）值。

圖3 HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線

3.2  美國(guó)ASTM F 1292-2004標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society of Testing Materials）制定了ASTM F 1292-2004《Standard Specification for Impact Attenuation of Surfacing Materials Within the Use Zone of Playground Equipment》。1991年制定的ASTM F 1292在1996年被**次修訂，再到1999年的**次修訂版，直至現(xiàn)在*新的2004版從標(biāo)準(zhǔn)題目和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已修訂三次，說(shuō)明了美國(guó)對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面安全性能的重視，也說(shuō)明了對(duì)在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上活動(dòng)的人身安全的重視程度。

ASTM F 1292-2004制定了對(duì)于安裝在運(yùn)動(dòng)設(shè)備周?chē)倪\(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面材料沖擊衰減的*低要求；制定了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面材料沖擊衰減的性能標(biāo)準(zhǔn)，明確了跌落高度臨界值（CFH）；確定了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面材料在實(shí)驗(yàn)室條件下的跌落高度臨界值程序；制定了已安裝地面材料現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試規(guī)程；數(shù)據(jù)采集后的計(jì)算、記錄有二個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)： HIC和g-max；還對(duì)試驗(yàn)樣品尺寸、環(huán)境溫度、測(cè)試時(shí)間等等作出了具體的規(guī)定。

其中，ASTM F 1292-2004第9.5.2條中制定了在測(cè)試運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地地面材料特性時(shí)判定頭部受沖擊傷害的HIC計(jì)算公式：

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中ASTM F 1292-2004推薦采樣頻率不低于20kHz。對(duì)測(cè)量也提出了準(zhǔn)確度要求：加速度傳感器電路g-max的測(cè)量準(zhǔn)確度5％，HIC測(cè)量準(zhǔn)確度10％。與EN 1177:1997標(biāo)準(zhǔn)的要求相比，ASTM F 1292-2004在4.2條中除規(guī)定HIC測(cè)得值不能大于1000外，還規(guī)定g-max測(cè)得值不能大于200g。即，在試驗(yàn)樣品所有測(cè)試得到的多個(gè)HIC所對(duì)應(yīng)的跌落高度Hc值中取*小的一個(gè)，及在試驗(yàn)樣品所有測(cè)試得到的多個(gè)g-max所對(duì)應(yīng)的跌落高度Hc值中取*小的一個(gè)，*后取HIC和g-max所對(duì)應(yīng)的跌落高度Hc值*小的一個(gè)作為臨界跌落高度（CFH）值。因此，ASTM F 1292-2004標(biāo)準(zhǔn)比EN 1177:1997標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)嚴(yán)格。

4、國(guó)內(nèi)引用的標(biāo)準(zhǔn)及沖擊設(shè)備

國(guó)內(nèi)已有不少?gòu)S商生產(chǎn)或銷(xiāo)售三元乙丙橡膠(EPDM)的彈性安全地墊(Rubber Safety Cushion)。我們*近參觀了國(guó)際第九屆地面材料展覽會(huì)（上海）和第20屆中國(guó)國(guó)際體育用品博覽會(huì)（成都）并獲得一些樣品，了解到有些安全地墊生產(chǎn)廠的測(cè)量是按GB/T 14833－1993（塑膠跑道）標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的，也有廠商稱(chēng)其產(chǎn)品符合歐洲EN 1176標(biāo)準(zhǔn)，但是在介紹時(shí)都沒(méi)有提及對(duì)頭部受沖擊傷害程度的HIC進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。EN 1176-1:1998《Playground equipment — Part 1：General safety requirdivents and test methods》至EN 1176-7的七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)器材（如秋千、滑梯、木馬等）的安全要求和試驗(yàn)方法，其中EN 1176-1:1998在4.2.8.4條中特地提到：跌落到兒童運(yùn)動(dòng)地面免受傷害的安全地墊性能試驗(yàn)要根據(jù)EN 1177，測(cè)試通用的沖擊衰減材料以符合臨界跌落高度（CFH）值。

我國(guó)還沒(méi)有測(cè)量評(píng)估運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、兒童游樂(lè)場(chǎng)地HIC的要求，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 19272-2003，《健身器材室外健身器材的安全通用要求》 第5.7.4條規(guī)定：“……天梯、秋千等上下運(yùn)動(dòng)彈跳或可能從空中運(yùn)動(dòng)跌落的器材，其運(yùn)動(dòng)地面應(yīng)為松軟或富有彈性的地面，例如：沙土層、橡塑地板等。若為橡塑地板時(shí)，其地板的結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)不小于25mm；若為沙坑時(shí)，沙層厚度應(yīng)不小于200mm，……" 。而且強(qiáng)調(diào)該標(biāo)準(zhǔn)第5章為強(qiáng)制性條款。

上海浩順科技有限公司研發(fā)成功的HS2005 沖擊強(qiáng)度測(cè)試儀（出口型號(hào)Uniaxe-II Impact Tester ）（見(jiàn)圖4），符合美國(guó)ASTM、澳大利亞AS、歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)的要求，已推向國(guó)際市場(chǎng)，在歐洲和澳洲得到了應(yīng)用。

圖4 

  幼兒園安全地墊en1177沖擊性能測(cè)試儀hs2005

我們從EPDM安全地墊樣品的彈性手感及采用HS2005沖擊強(qiáng)度測(cè)試儀自行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品對(duì)沖擊衰減的特性有較大差異，測(cè)試記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 安全地墊樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注1：試驗(yàn)時(shí)，安全地墊鋪墊在水泥地面或大理石地面上；

注2：該試驗(yàn)數(shù)據(jù)由澳大利亞Acousto-Scan公司提供。

                                                  圖5 序號(hào)6樣品g-max、HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線

圖5顯示的是序號(hào)6樣品三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線,分別顯示在g-max＝200時(shí)對(duì)應(yīng)的跌落高度和顯示HIC＝1000時(shí)對(duì)應(yīng)的跌落高度 。根據(jù)ASTM F 1292-2004標(biāo)準(zhǔn)，取HIC和g-max所對(duì)應(yīng)的跌落高度Hc值*小的一個(gè)作為臨界跌落高度（CFH）值，即CFH值為1.4m。

再分析表1的數(shù)據(jù)?？梢钥吹綇椥允指熊浀陌踩貕|比彈性手感硬的安全地墊有更好的沖擊衰減性能。我們把試驗(yàn)數(shù)據(jù)與英國(guó)Wicksteed公司（www.wicksteed.co.uk）安全地墊產(chǎn)品的厚度與*大自由跌落高度的關(guān)系圖進(jìn)行比較（圖6），可以看到我們?cè)囼?yàn)序號(hào)6和序號(hào)7國(guó)外產(chǎn)品的CFH數(shù)據(jù)與圖6接近，即安全地墊厚50mm時(shí)的CFH＝1.5m左右；而彈性手感較硬的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品CFH明顯低于1.5m，甚至于CFH＝1.1m，這樣的安全地墊的防護(hù)性能能否滿足設(shè)計(jì)要求就需要用測(cè)試設(shè)備來(lái)驗(yàn)證了，當(dāng)然也可以加大安全地墊的厚度來(lái)滿足CFH的要求，但是增加了工程成本。

圖6  Wicksteed公司安全地墊厚度與*大自由跌落高度的關(guān)系

5、結(jié)語(yǔ)

我們注意到國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、兒童游樂(lè)場(chǎng)地的安全不應(yīng)該出了大量事故才重視起來(lái)，“以人為本"、“安全**"不是口號(hào)，我國(guó)政府部門(mén)及社會(huì)各界現(xiàn)在都應(yīng)引起重視，防患于未然，筆者建議：

a) 加強(qiáng)宣傳運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地有沖擊衰減特性的安全要求，盡快制訂國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的或?qū)?yīng)（等效或非等效）于國(guó)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，或補(bǔ)充GB19272-2003的內(nèi)容；

b) 研究運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地安全性能的檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的檢測(cè)設(shè)備；

c) 在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)尚未頒布之前，是否可以參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)（如EN 1177）, 對(duì)安全地墊或其它沖擊衰減材料（如沙灘，沙地）沖擊衰減特性檢測(cè)，以控制安全地墊生產(chǎn)質(zhì)量、控制運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地工程質(zhì)量和驗(yàn)收、定期（如二年）對(duì)場(chǎng)地的安全性能復(fù)測(cè)。

 參考文獻(xiàn)：

1) ASTM F 1292-2004《Standard Specification for Impact Attenuation of Surfacing Materials Within the Use Zone of Playground Equipment》

2) EN 1177:1997《Impact absorbing playground surfacing – Safety Requirdivents and test methods》

3) www.wicksteed.co.uk

4) 閆勝利，等，橡膠彈性鋪面材料沖擊性能試驗(yàn)研究，振動(dòng)與沖擊，Vol.20 No.2 2001

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