吴梦佳 李奕霏 周玉刚 黎英博 董喜斌

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

国家标准GB 2811—2019对安全帽的定义是对使用者头部受坠落物或小型飞溅物体等其他特定因素引起的伤害起防护作用的帽，一般由帽壳、帽衬及配件组成。

目前我国需佩戴安全帽的从业人员达8 000万人以上,每年至少需购帽5 000万顶,每年增幅在10%以上[1]，这其中不乏在森林工作的人员。截至2020年底，我国森林覆盖率已经达到了23%，并且随着时代的发展，人们对森林资源的需求越来越大，越来越需要深入林区，但是林区环境错综复杂，人们常会遇到迷失、蚊虫骚扰等问题。同时，在林区工作的人员还要随时防范由于树枝坠落、树木倒塌所面对的危机。因此，研究一种具备防蚊虫和定位的功能的安全帽具有重要意义。

近年来，国外学者在安全帽的研究上，取得了一定的成就。例如Kirk[2]完善了1987年来不同颜色对安全帽使用年限的影响；Satoru等[3]研究了工业安全帽通风口对蒸发散热的影响；Abderezaei等[4]提出了带缓冲的新技术头盔在安全性能上优于传统头盔。就目前国外研究现状分析，大多研究主要针对安全帽的安全、舒适的性能，有助于保证佩戴者的安全、提高佩戴者的舒适度。但是对防蚊虫功能的研究尚有欠缺。

目前，我国对于安全帽的研究涉及面比较广。在安全性能方面，赵志镇[5]通过安装在帽壳和帽衬之间的顶气囊模块和颈气囊模块的顺序展开，以及帽壳和内衬材料的合理选用，很大程度上减轻了高空坠物对头部和颈部的冲击力，保障了作业人员的生命安全。在舒适性能方面，刘伟胜等[1]设计的改善对流通风的新型安全帽针对头部闷热的问题提供了良好解决办法，通过设置有通风孔以及充电式电池连接可开关的风扇，创造安全帽内舒适透气的环境条件。在智能方面，尹宇肖等[6]团队借助北斗定位技术，在施工人遇到意外情况并发射求救信号时，由接收机监控终端显示其地理位置，以便及时展开救援，通过控制系统供电，很大程度上解决了因电量不足导致安全帽无法完成应有功能的问题。虽然我国对于安全帽的研究涉及面比较广，但是在防蚊虫性能方面，仍是一个空白。

故该文从实际出发，结合常规安全帽的设计，加入了防蚊虫的理念，以达到防蚊虫、安全、舒适和定位的功能。

1 多功能安全帽的基本原理

1.1 安全装置的基本原理

最外层、中间层和最内层一起构成了安全装置，如图1所示。当坠落物坠落至安全帽的最外层时，坠落物与最外层发生非弹性碰撞，机械能损失。同时，弹簧受力，产生形变，机械能转化为弹性势能。在经过上述2个过程的削减后，剩余的能量传递至最内层。在经过最内层的削减后，能量才有可能与帽衬接触，进而传递到人的头部。

1.安全装置 2.安全装置的最外层 3.安全装置的中间层上的减震弹簧4.安全装置的最内层 5.安全装置的最内层上的透气孔图1 多功能安全帽的剖面图

1.2 防蚊虫装置的基本原理

防蚊虫装置的核心结构是面罩，如图2所示。佩戴此种面罩后，可通过物理隔离的方式让体积大于网孔的蚊虫无法接近佩戴者。

图2 夏季防蚊虫装置

1.3 其他装置的基本原理

其他装置主要有定位装置和保暖装置，如图3和图4所示。定位装置是通过北斗系统实现对佩戴者的定位。在佩戴者需要使用其他定位系统进行定位时，可通过更换定位器实现。保暖装置的核心结构是保暖面罩。保暖面罩是由一种保暖舒适的材料构成。当佩戴者需要使用保暖装置时，可以通过位于安全装置最内层的接口实现对接，将保暖装置与安全装置组合在一起。组合成功后佩戴者再佩戴便可实现保暖的作用。

图3 冬季保暖装置

1.定位装置 2.防蚊虫装置的接口图4 多功能安全帽

2 多功能安全帽的方案比选

2.1 安全装置的方案比选

目前，市场上贩卖的安全帽大多只有一层外壳，虽然这种结构能够满足国家标准，但是相比于三层结构的安全帽，其安全性能仍然有所欠缺。采用三层结构安全帽，在重量方面比一层结构的安全帽要重一些，但在材料选用上可以减轻重量。综合考虑林区工人可能遭受树枝坠落、树木倒塌后的危险，最终在设计时，采用了具备三层结构的安全帽。

2.2 防蚊虫装置的方案比选

在设计防蚊虫装置时，对物理方法的声、光、电等手段进行研究。声对应着超声波，将超声波驱蚊虫装置安装在安全帽上后，可以随着佩戴者的移动实现实时驱虫。光、电对应着灯光诱捕、电压击杀。

超声波驱蚊虫与最终选定的通过面罩物理隔离驱蚊虫的方式比较，超声波驱蚊虫存在着效率的问题。首先是森林中的蚊虫多而杂，一种频率的超声波只能驱赶一种或者几种的蚊虫，而面罩可以隔离体积大于网孔的所有蚊虫。其次是面罩可以保证体积大于网孔的蚊虫无法叮咬到佩戴者，但是超声波驱蚊虫无法保证相应频率所驱逐的蚊虫不会靠近并叮咬佩戴者，尤其是当佩戴者离开原作用区域，到达新区域时。

灯光诱捕、电压击杀方法具有相当的局限性。首先是该方法需要先把蚊虫吸引到佩戴者的周围，但是无法保证吸引来的蚊虫不会去叮咬佩戴者。其次该方法只能杀死触碰到释放电压装置的蚊虫。

3 多功能安全帽的设计

设计多功能安全帽的目的在于针对现有安全帽不同时具备安全、防蚊虫、定位和保暖功能这一缺陷，提供一种适用于林区防蚊虫的多功能安全帽。安装在头盔上的装置实现了林区中出现的蚊虫进行物理防治。安装在头盔上的装置同时了实现安全、定位和保暖的功能。

定位装置与多功能安全帽的最内层为组合式固定连接，使用者可根据所需拆卸或者更换定位装置。防蚊虫装置的接口为图2中序号为1的结构，同时也是图3保暖装置的接口。

3.1 安全装置的设计

帽壳，帽衬等结构是安全帽的基础防护装置，而基础防护装置是安全帽的核心结构。因此，设计好安全装置是设计一种新型安全帽的重中之重。为了提高安全帽的安全性能，在安全帽制造材料的选择上，玻璃钢是最优选择[7]。多功能安全帽具有三层结构,如图1所示。最外层为玻璃钢质，图1中序号为2。采用玻璃钢材料可以在确保强度足够的同时，保证重量不会超标。中间层有若干减震弹簧，图1中序号为3。减震弹簧的上端与固定板相连接，固定板的上端面与安全装置的外层相连接，减震弹簧的底端通过黏结板与内层相连接。最内层也为玻璃钢材质，图1中序号为4。最内层也采用玻璃钢材质可以对安全帽的安全性能进一步提高。最内层上分布若干透气孔，透气孔可做成活动式网孔，当头部闷热，需要透气时，可打开网孔；当头部空间温度需要提高时，可关闭网孔，防止热量流失。

3.2 防蚊虫装置的设计

依据GB 2811— 2019《中华人民共和国国家标准安全帽》标准中对安全帽的重量的严格要求，在设计安全帽的防蚊虫装置时，采用与安全装置最内层外沿相结合的方法来设计面罩，在不需要防蚊虫功能时可将防蚊虫装置拆卸或更换为保暖装置，以此来减轻重量或使用其他功能。面罩的材料的选择，可以优先选用轻盈、透气的材料。其作用是保证不会使安全帽的重量超标以及保证佩戴后安全帽内部空气能正常流通。面罩上开有网孔，可进一步确保安全帽内部的空气流动性，确保夏季蚊虫高发期时佩戴安全帽人员的呼吸，同时具有散热功能。面罩上的网孔大小应满足隔离最小体积蚊虫的要求。

3.3 其他装置的设计

定位装置与安全装置的最内层为组合式固定连接。采取这种连接方式，佩戴者可以在不需要定位装置将其拆卸。由于定位装置拆卸后将留有空隙，佩戴者也可以根据自己所需要的精度、定位系统来更换定位器。

多功能安全帽的保暖装置可与安全装置最内层的外沿相结合。通过这种设计可以在不需要保暖功能时将保暖装置拆卸或更换为防蚊虫装置，以此来减轻重量或使用其他功能。保暖装置材料的选择，保证佩戴者安全、舒适为宜。

4 结束语

近年来，随着国家不断深入落实生态文明建设，我国绿植面积正在逐渐恢复，需要深入森林的次数越来越频繁，相应的防护措施也需要升级。该文主要针对现有市场不具备可以防蚊虫的安全帽提供了一种适用于林区防蚊虫的多功能安全帽。设计的安全帽具备更加优异的安全性能，可以有效防护蚊虫，同时具备定位装置与保暖装置。各装置是组合式固定连接，在不需要某些功能时，可以将相应的装置拆卸。具有适用范围广、结构相对简单、防护效果好和应用前景广阔的优点。