沖擊減震游樂(lè )場(chǎng)鋪面臨界跌落高度的測定儀

上海       上海儀器儀表研究所
                            上海浩順科技有限公司 銷(xiāo)售部
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1、概述

國外，每年有成千上萬(wàn)兒童及成年人在運動(dòng)場(chǎng)地、公共的或私人的運動(dòng)設施上，由于跌倒在不合適的地面而受傷。據美國消費者產(chǎn)品安全委員會(huì )統計，美國每年超過(guò)15萬(wàn)人在運動(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。在標準制定前，雖然由此引訟費達幾百萬(wàn)美元，但是保險公司仍然拒絕承擔多種與此有關(guān)險項的保險義務(wù)。因此，國外立法建立限制條例，如美國制定的ASTM F 1292-2004、歐洲制定的EN 1177:1997和澳大利亞制定的 AS/NZS4422:1999等對運動(dòng)場(chǎng)地地面安全性能檢測方法及設備的標準或規范，以評估運動(dòng)場(chǎng)地地面鋪墊的材料是否合格。

國內也有報道小孩蕩秋千時(shí)，設施連鉤突然脫鉤，致小孩頭部被摔成頭骨粉碎性骨折的重傷。記者看到出事現場(chǎng)地面沒(méi)有裝保險墊，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)的測試設備測定。

2、有關(guān)術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

運動(dòng)場(chǎng)地地面(playground surface)，被用于鋪在運動(dòng)場(chǎng)設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），衡量運動(dòng)場(chǎng)地地面材料的沖擊衰減性能，由符合標準具體規定的沖擊衰減性能指標的地面的*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（head injury criterion，HIC），一個(gè)沖擊加速度與時(shí)間關(guān)系的特殊積分，以測定頭部受到傷害的相關(guān)性。

*大加速度（g-max），當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)程中的能量的運動(dòng)場(chǎng)地地面特性。

3、國外標準介紹的沖擊測試方法及設備

國外已有不少?lài)抑贫诉\動(dòng)場(chǎng)地地面安全性能檢測的沖擊測試方法及設備的標準或規范，如美國制定的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。根據歐洲標準化委員會(huì )(CEN)和歐洲電工標準化委員會(huì )(CENELEC) 聯(lián)合成立的機構“共同的歐洲標準化組織"CEN/CENELEC國際規則，英國、德國、法國、丹麥、奧地利等成員國執行歐洲標準。如英國執行歐洲標準EN 1177:1997編號改為英國標準BS EN 1177:1998。下面簡(jiǎn)介典型的二個(gè)標準：

3.1  歐洲EN 1177：1997標準簡(jiǎn)介

歐洲標準化委員會(huì )（European Committee for Standardization, CEN）為防止人們在運動(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)的安全要求和試驗方法EN 1177:1997《Impact absorbing playground surfacing – Safety Requirements and test methods》。

EN 1177:1997給出了測試運動(dòng)場(chǎng)地地面材料特性時(shí)的沖擊試驗裝置（見(jiàn)圖1）及試驗方法、典型的加速度gn與時(shí)間t的試驗曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2）、典型的HIC與跌落高度H的試驗曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）及評估頭部受沖擊傷害程度HIC的計算公式，從而確定臨界跌落高度（CFH）的*小值。即，人們在運動(dòng)場(chǎng)地上活動(dòng)時(shí)跌落高度不大于CFH的*小值，被認為滿(mǎn)足標準的安全要求。

圖1 沖擊試驗裝置

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，試驗時(shí)需多次從不同高度跌落沖擊被測樣品①，每個(gè)高度對被測樣品需進(jìn)行多個(gè)不同位置的試驗。加速度傳感器的輸出信號經(jīng)電荷放大器③放大后，由計算機④進(jìn)行數據采集、存儲和處理，*終確定該試驗樣品在滿(mǎn)足EN 1177:1997規定HIC不大于1000的安全評估指標下的臨界跌落高度（CFH）*小值Hc，并給出試驗報告。

圖2 加速度gn與時(shí)間t的試驗曲線(xiàn)

圖2是典型的加速度gn與時(shí)間t的試驗曲線(xiàn)，EN 1177:1997規定在數據采集過(guò)程中的采樣頻率*小為8,000Hz。

根據上述采集到的數據，EN 1177:1997給出了頭部受沖擊傷害判據HIC的計算公式：

式中：

  a——加速度，單位g

  t1,t2——沖擊時(shí)間間隔，單位s

對每個(gè)試驗位置，需計算出不同高度的HIC值，圖3為典型的HIC與跌落高度H的試驗曲線(xiàn)。根據曲線(xiàn)擬合求出HIC=1000時(shí)不同高度的臨界跌落高度Hc值，并將該試驗樣品所有測試得到的多個(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的試驗曲線(xiàn)

3.2  美國ASTM F 1292-2004標準簡(jiǎn)介

美國材料試驗協(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，直至現在*新的2004版從標準題目和標準內容已修訂三次，說(shuō)明了美國對運動(dòng)場(chǎng)地地面安全性能的重視，也說(shuō)明了對在運動(dòng)場(chǎng)上活動(dòng)的人身安全的重視程度。

ASTM F 1292-2004制定了對于安裝在運動(dòng)設備周?chē)倪\動(dòng)場(chǎng)地地面材料沖擊衰減的*低要求；制定了運動(dòng)場(chǎng)地地面材料沖擊衰減的性能標準，明確了跌落高度臨界值（CFH）；確定了運動(dòng)場(chǎng)地地面材料在實(shí)驗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場(chǎng)的測試規程；數據采集后的計算、記錄有二個(gè)評價(jià)指標： HIC和g-max；還對試驗樣品尺寸、環(huán)境溫度、測試時(shí)間等等作出了具體的規定。

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

在數據采集過(guò)程中ASTM F 1292-2004推薦采樣頻率不低于20kHz。對測量也提出了準確度要求：加速度傳感器電路g-max的測量準確度5％，HIC測量準確度10％。與EN 1177:1997標準的要求相比，ASTM F 1292-2004在4.2條中除規定HIC測得值不能大于1000外，還規定g-max測得值不能大于200g。即，在試驗樣品所有測試得到的多個(gè)HIC所對應的跌落高度Hc值中取*小的一個(gè)，及在試驗樣品所有測試得到的多個(gè)g-max所對應的跌落高度Hc值中取*小的一個(gè)，*后取HIC和g-max所對應的跌落高度Hc值*小的一個(gè)作為臨界跌落高度（CFH）值。因此，ASTM F 1292-2004標準比EN 1177:1997標準相對嚴格。

4、國內引用的標準及沖擊設備

國內已有不少廠(chǎng)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(guān)了國際第九屆地面材料展覽會(huì )（上海）和第20屆中國國際體育用品博覽會(huì )（成都）并獲得一些樣品，了解到有些安全地墊生產(chǎn)廠(chǎng)的測量是按GB/T 14833－1993（塑膠跑道）標準檢測的，也有廠(chǎng)商稱(chēng)其產(chǎn)品符合歐洲EN 1176標準，但是在介紹時(shí)都沒(méi)有提及對頭部受沖擊傷害程度的HIC進(jìn)行測量評估。EN 1176-1:1998《Playground equipment — Part 1：General safety requirements and test methods》至EN 1176-7的七個(gè)標準是針對運動(dòng)場(chǎng)器材（如秋千、滑梯、木馬等）的安全要求和試驗方法，其中EN 1176-1:1998在4.2.8.4條中特地提到：跌落到兒童運動(dòng)地面免受傷害的安全地墊性能試驗要根據EN 1177，測試通用的沖擊衰減材料以符合臨界跌落高度（CFH）值。

我國還沒(méi)有測量評估運動(dòng)場(chǎng)地、兒童幼兒園地HIC的要求，國家標準GB 19272-2003，《健身器材室外健身器材的安全通用要求》 第5.7.4條規定：“……天梯、秋千等上下運動(dòng)彈跳或可能從空中運動(dòng)跌落的器材，其運動(dòng)地面應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)，其地板的結構厚度應不小于25mm；若為沙坑時(shí)，沙層厚度應不小于200mm，……" 。而且強調該標準第5章為強制性條款。

上海浩順科技有限公司研發(fā)成功的hs2005幼兒園安全地墊hic沖擊測試儀執行標準[GB30228-2013]（出口型號Uniaxe-II Impact Tester ）（見(jiàn)圖4），符合美國ASTM、澳大利亞AS、歐洲EN標準的要求，已推向國際市場(chǎng)，在歐洲和澳洲得到了應用。

圖4 沖擊強度測試儀

我們從EPDM安全地墊樣品的彈性手感及采用HS2005沖擊強度測試儀自行試驗研究發(fā)現，國內外的產(chǎn)品對沖擊衰減的特性有較大差異，測試記錄數據見(jiàn)表1。

表1 安全地墊樣品試驗數據

注1：試驗時(shí)，安全地墊鋪墊在水泥地面或大理石地面上；

注2：該試驗數據由澳大利亞Acousto-Scan公司提供。

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

圖5顯示的是序號6樣品三組試驗數據的曲線(xiàn),分別顯示在g-max＝200時(shí)對應的跌落高度和顯示HIC＝1000時(shí)對應的跌落高度 。根據ASTM F 1292-2004標準，取HIC和g-max所對應的跌落高度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的數據?？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。我們把試驗數據與英國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），可以看到我們試驗序號6和序號7國外產(chǎn)品的CFH數據與圖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內產(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性能能否滿(mǎn)足設計要求就需要用測試設備來(lái)驗證了，當然也可以加大安全地墊的厚度來(lái)滿(mǎn)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、結語(yǔ)

我們注意到國內運動(dòng)場(chǎng)地、兒童幼兒園地的安全不應該出了大量事故才重視起來(lái)，“以人為本"、“安全**"不是口號，我國政府部門(mén)及社會(huì )各界現在都應引起重視，防患于未然，筆者建議：

a) 加強宣傳運動(dòng)場(chǎng)地有沖擊衰減特性的安全要求，盡快制訂國內標準的或對應（等效或非等效）于國外的有關(guān)標準，或補充GB19272-2003的內容；

b) 研究運動(dòng)場(chǎng)地安全性能的檢測技術(shù)，研發(fā)有自己知識產(chǎn)權的檢測設備；

c) 在國內標準尚未頒布之前，是否可以參考國外標準（如EN 1177）, 對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，以控制安全地墊生產(chǎn)質(zhì)量、控制運動(dòng)場(chǎng)地工程質(zhì)量和驗收、定期（如二年）對場(chǎng)地的安全性能復測。

參考文獻：

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 Requirements 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研究，振動(dòng)與沖擊，Vol.20 No.2 2001

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