автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Проектирование противоударных подшлемников на основе прогнозирования их защитной эффективности

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ ИНВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ГОЛОВЫ ОТ СЛУЧАЙНО ПАДАЮЩИХ ПРЕДМЕТОВ И УДАРОВ-----------------—

1.1. Анализ действующего ассортимента СИЗ головы от механических воздействий. Основные требования к ударозащитным прокладкам

1.2. Анализ методов проектирования ударозащитных прокладок

1.3. Выводы

2. ПЕРЕДАЮЩАЯСЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ СИЛА И ЭНЕРГИЯ УДАРА, ПОГЛОЩАЕМАЯ УДАРОЗАЩИТНОЙ ПРОКЛАДКОЙ

2.1. Сопротивление ударозащитной прокладки удару

2.2. Прогноз передающейся динамической силы

2.3. Расчет деформации, толщины и площади ударозащитной прокладки~

2.4. Поглощаемая часть энергии удара

2.5. Замечания к проектированию величины параметров ударозащитной прокладки

2.6. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОТИВОУДАРНОГО ПОДШЛЕМНИКА

3.1. Исследование физико-механических свойств ударозащитных прокладок из ячеистых заполнителей с макроячейками

3.1.1. Выбор объекта исследований

3.1.2. Постановка задачи и выбор методики проведения эксперимента

3.1.3. Анализ результатов

3.2. Исследование тканей верха подшлемников на ползучесть (восстановление) и релаксацию

3.2.1. Выбор объекта исследований. Изготовление образцов

3.2.2. Исследование тканей на ползучесть(восстановление)

3.2.3. Исследование тканей на релаксацию

3.2.4. Анализ результатов

3.2.4.1. Построение графиков ползучести (восстановления) и релаксации

3.2.4.2. Анализ результатов исследований

3.3. Выводы.-.

4. АНАЛИЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАЗМЕРОВ УДАРОЗАЩИТНЫХ ПРОКЛАДОК ПОДШЛЕМНИКОВ

4.1. Исходные данные для расчета

4.2. Особенности сжатия ударозащитных прокладок подшлемников

4.3. Анализ работоспособности ударозащитной прокладки заданных размеров

4.4. Уточнение площади ударозащитной прокладки при заданной толщине

4.5. Снижение площади ударозащитной прокладки за счет ресурса деформирования

4.6. Сравнительный анализ произведенных расчетов

4.7. Выводы

5. РАЗРАБОТКА ПОДШЛЕМНИКА ПОД КАСКУ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГОЛОВЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ СЛУЧАЙНО ПАДАЮЩИХ ПРЕДМЕТОВ И УДАРОВ

5.1. Выбор исходных данных, материалов и пакетов для подшлемника—

5.2. Проектирование ударозащитной прокладки подшлемника

5.3. Технология изготовления противоударного подшлемника

5.4. Производственные испытания экспериментальных образцов подшлемника под каску.

5.5. Выводы.-.

Актуальность темы. Механический удар является одним из основных источников травм и профессиональных заболеваний в различных областях деятельности человека. При выполнении строительных и монтажных работ, ремонте контактной сети, ремонтных работах в железнодорожных тоннелях и в тоннелях метрополитена, при аварийных и спасательных работах, а также в быту и спорте в холодное время года широко применяются средства индивидуальной защиты головы [СИЗ] человека от механических травм -каска с подшлемником или противоударный подшлемник, основным элементом которых является ударозащитная прокладка.

От того, насколько обоснованно выбраны материалы, пакеты и конструкции ударозащитных подшлемников зависят важнейшие показатели их качества, адекватность условиям эксплуатации ударозащитных и эргономических свойств, материалоёмкость и себестоимость. Однако решение этой проблемы в настоящие время нельзя считать удовлетворительным ввиду отсутствия научно обоснованных, достаточно достоверных и удобных для пользователя методов проектирования ударозащитных подшлемников при заданной величине энергии удара.

Вышеизложенное подтверждает актуальность данной работы, которая направлена на проектирование противоударных подшлемников на основе прогнозирования их работоспособности.

Цель работы состоит в повышении эффективности противоударных подшлемников на основе разработки научно обоснованного метода их проектирования и прогнозирования их работоспособности.

Достижение поставленной цели реализовано путем решения следующих задач:

1) анализ проблем проектирования средств индивидуальной защиты головы от случайно падающих предметов и ударов;

2) разработка теоретических посылок проектирования противоударных подшлемников для защиты головы;

3) экспериментальные исследования и определение параметров ударозащитных прокладок подшлемников;

4) разработка и апробация метода проектирования противоударных подшлемников.

Объектами исследования явились: противоударный подшлемник для защиты головы от случайно падающих предметов и ударов; ударозащитные прокладки подшлемника; объемные прокладочные материалы - ячеистые заполнители с макропрослойками; ткани верха для подшлемника.

Методы и средства исследования. В работе использованы аналитические методы моделирования физических процессов и объектов и прогнозирования их свойств, экспериментальные методы исследования физико-механических свойств материалов и элементов подшлемников, методы математической обработки результатов экспериментальных наблюдений. Расчет и обработка экспериментальных данных выполнены на ЭВМ серии ЕС 1022 и персональном компьютере.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1) предложена конструктивная модель упругого деформирования каски с подшлемником, предохраняющей голову человека от удара;

2) на основе классической энергетической теории линейно-упругого сопротивления удару для предложенной модели составлены уравнения, связывающие возникающую передающуюся динамическую силу (ПДС) с параметрами ударозащитной прокладки (УП) и приведенным модулем упругости прокладочного материала;

3) на основе полученных уравнений составлены формулы для расчета ПДС и переданной энергии удара (ПЭУ) при варьировании параметров УП, либо для расчета параметров УП при заданных значениях ПДС и ПЭУ;

4) показано, что, так как значения ПДС и ПЭУ определяются величиной абсолютной деформации сжатия, значения параметров УП могут быть согласованно снижены за счет использования ресурса относительной деформации сжатия УП;

5) из составленных уравнений состояния и расчетных формул получено, что увеличение площади УП, равно как и её приведенного модуля упругости, приводит к повышению ПДС и уменьшению ПЭУ;

6) разработана конструкция ударозащитной прокладки с улучшенными ударо-тепло и эргономическими свойствам (заявка на изобретение);

7) разработан и апробирован противоударный утепленный безразмерный подшлемник под каску для строителей, работающих на открытом воздухе, новизна которого подтверждена свидетельством Российской Федерации на полезную модель "Каска с подшлемником" №22604.

Практическая значимость. В диссертации предложен и апробирован метод проектирования противоударного подшлемника для защиты головы человека от случайно падающих предметов и ударов. Разработан и апробирован противоударный утепленный безразмерный подшлемник для строителей, работающих на открытом воздухе, строительно-сантехнической производственной компании « Магма - Од » ХХК г. Улан-Батор (Монголия). Социальная эффективность применения предложенного подшлемника выразилась в улучшении условий труда работающих за счет повышения его защитных и эргономических свойств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: научно-технической конференции "Дни - Науки 2001" Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна; научно-технической конференции в МУТИС, г Улан-Батор, 2000г; научно-технической конференции "Вести дней науки-2001" в МУТИС г.Улан-Батор, 2001г.

Публикации. По данной диссертации опубликовано 10 работ, в том числе имеется одной положительное решение по заявке на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов с выводами, общих выводов, списка использованной литературы (77 наименования) и 7 приложений. Работа выполнена на 193 страницах, содержит 46 рисунка, 28 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена расчетная схема ударозащнтной каски с применением линейно-упругого варианта расчета сопротивления удару падающего груза.

2. Предложено математическое моделирование сопротивления сжатию пористого полимерного материала, заключающееся в определении приведенных значений деформаций и модуля упругости по экспериментально получаемой диаграмме сжатия.

3. С помощью расчетной схемы (п.1) и моделирования (п.2) получен комплект расчетных формул для толщины и площади ударозащитной прокладки.

4. Получено экспериментальное подтверждение предложенных расчетных формул.

5. Установлены качественные и экономические преимущества понижения передаваемой динамической силы, сопровождающиеся повышением поглощаемой энергии удара, за счет использования ресурса сжимаемости ударозащитной прокладки.

6. Предложены новые конструкции ударозащитных прокладок из многослойных пакетов выполненных на основе ячеистых заполнителей с макроячейками.

7. Проведены испытания материалов верха противоударных подшлемников в режиме изотермической ползучести с последующим восстановлениям в зоне неразрушающего механического воздействия на трех уровнях: слабом, среднем и высоком. Выбраны материалы с наибольшими значениями параметров полноты упругости.

8. На основе произведенных расчетов (п.п.1-5) разработан противоударный утепленный универсальный "безразмерный" подшлемник под каску. Изготовленная опытная партия подшлемников успешно прошла апробацию посредством испытаний на амортизацию и опытной носки в натурных условиях.

9. Разработаны ТУ и технологический процесс изготовления противоударных утепленных "безразмерных" подшлемников для условий предприятия массового производства одежды, которые рекомендованы к использованию при серийном изготовлении.

10. Предложенный подход может быть использован при проектировании других видов швейных изделий для защиты от случайно падающих предметов и ударов и оценке их работоспособности в зоне неразрушающие нагружения.

1. Пат. Р.Ф на пром. обр. № 23626. Шлем утепленный /Князева К.В., Романов В.Е., Ефимов С.Н

2. Ж.Алгаа БНМАУ-ын ХААУ хогжилт хэтийн толов. УБ.: Улсын хэвлэлийн газар. 1988.-120х

3. А.Олзийхутаг БНМАУ-ын бэсрэг болон нам улсын бусэд оршин суугч уугуул хун амын цусны эргэлт, амьсгал, цусны эмнэл зуй -физифлогийн онцлог. Дисс. док. мед. наук. М.: 1990.-135с

4. Р.Ф. Афанасьева. Гигиенические основы проектирования одежды для защиты от холода: М.: "Легкая индустрия", 1977.135с

5. ВЦСПС, Всесоюзный научно-исследовательский институт охраны труда в г. Свердловске. Промышленные защитные каски. Альбом-патолог, Свердловск, 1981.,

6. Васеха Л.П. Разработка методов обеспечения, оценки и прогнозирования показателей надежности изделий специальной одежды: Дисс. канд. техн. наук, -Л., 1988-247с

7. ГОСТ 12.4.087-84 Каски строительные. Технические условия 9с

8. Проблемы прочности в биомеханические. М.: Медицина, 1979.-275 с

9. ГОСТ 12.4.128-83. Каски защитные. Общие технические требования и методы испытаний. -12с.

10. ГОСТ 12.4.091-80. Каски шахтерские пластмассовые. Общие технические условия -22с.

11. ЕПВЗ. N 0217996, А 42 ВЗ \00 on 15.04.87.

12. А.С. N1391584, СССР, А42 В3\00 on 30.03.8813. ОСТ 39-124-18114. ТУ 17-887-7215. ТУ 17-153-70

13. Многослойный пакет. Князева К.В. Пат. Р.Ф. №1496759 БИ №28 1989141

14. Каска с подшлемником. Патент РФ № 2085095. Бюл. №21 от 27.07.97 с.12

15. ОСТ 17739-78 "Изделия швейные, "Метод определения разрывной нагрузки и удлинения ниточных швов"

16. Кобляков А.И., Соловьев А.Н., и др. Текстильное материаловедение -М.: Легпромбытиздат, 1992.- 272с.

17. Богомолов К.Л. Разработка методов проектирования и изготовления спецодежды с ячеистыми заполнителями. Дисс. канд. техн. наук -Ленинград: 1990 343с

18. Справочник. Средства индивидуальной защиты. Под общей редакцией С.Л. Каменского. Ленинград, "Химия", Ленинградские отделение, 1989.-399с

19. ГОСТ БДД. Шлемы для мотоциклистов. ГОСТ 26584-85, ГОС Ком СССР по стандартам, Москва

20. Разработка средств индивидуальной защиты работающих при выполнении дробеструйных работ: Отчет о НИР (Заключит) / ЛИТЛП.-№ГР. 918700937785, Инв. №02890067123.-Л., 1989.-136 с

21. Богомолов К. Л., Князева К.В., Фомина В.Г. Спецодежда для выполнения дробеструйных работ //ИЗВ. вузов. Технология легкой промьшшеююсти.-1990-№6.-с.114-115.

22. Богомолов К.Л. Расчет протекторных элементов спецодежды для защиты от ударных воздействий //ИЗВ. вузов Технология легкой промышленности. 1992- №1.-с.68-71.

23. ГОСТ 12.4.0382786 ССБТ. Одежда специальная для защиты от механических воздействий, воды и изделий. Костюмы мужеские. Технические условия.

24. ГОСТ 12.4.100-80. ССБТ. Комбинезоны мужские для защиты от нетоксичных веществ, механических воздействий и общих производственных загрязнение. Технические условия.

25. Средства индивидуальной защиты работающие на производстве: Каталог-справочник // Под, ред. В.Н. Ардасенова, М: Профиздат, 1988-176с.

26. Заявка 1503488 Великобритания Амортизирующее приспособление / P. W. Bothvell./ Опубл. 08.03.78.

27. Пат. 4453271 США. Защитная одежда / В.A. Donzis. Опубл. 12.06.84

28. Пат. 408906: США. Одежда для защиты от телесных повреждений в результате сильных ударов / М.Н. Megee. Опубл. 16.05.78.

29. Пат. 4737994 США. Приспособление для защита от переломов // П.А. Golten.- Опубл. 19.04.88.

30. Заявка 3530397 ФРГ. Мягкая подушечка, защищающая от ударов / A.Gleich. Опубл. 05.03.87.

31. Заявка 2594653 Франции. Способ и устройство для травматологической и тепловой защиты / A. Mark. Опубл. 28.08.87.

32. Дубска Ж.В. Проектирование спецодежды с локальной защитой от ударных механических воздействий: Дисс. канд. техн. наук -Ленинград ., 1992.-190 с

33. Пат. 2040649 Р.Ф Способ изготовления прокладок / К.В. Князева, И.В. Мирошниченко - Опубл. 27.07.95 Бюл №21.

34. А.С. 1253586. Многослойный пакет. / Князева К.В. и Князева В.Н. -Опубл. 30.08.86 Бюл №3239.42,43,44