科大首次在港进行安全帽使用及防护研究

建筑业是香港最主要的工业之一，也是最危险的行业之一。据香港政府劳工处统计，高空坠落物引致的事故是本港地盘工人死亡的一个主要原因。为改善香港建筑地盘的作业安全，保障从业人员的生命，在职业安全健康局的委托及资助下，香港科技大学机械工程系余同希教授和吴景深博士对香港建筑地盘常用安全帽品牌的防护功能进行了详细考察和研究。在全面市场和地盘调查的基础上，他们选择了三种最典型最常用品牌的安全帽（分别称[**]、B和C）进行了全面的冲击试验和评估，其中包括首次在香港进行的安全帽对颈部的防护作用研究。他们亦对安全帽使用、选购及标准方面提出多项有用的建议。

一切从调查开始

研究人员利用访谈、邮件和传真的方式，对本港的各个地盘使用的安全帽的制造厂商、工艺标准、采购依据、更换程序、事故情况，以及本地最常用的品牌和安全帽最常见的缺陷进行了调查。

研究人员发现，香港的建筑业有两大特点，一是高层建筑和高脚手架特别多，高空坠落物对工人生命的威胁很大；二是光照强烈、气候酷热而潮湿，对塑料制造的安全帽影响很大。调查还发现，尽管在现行工厂暨工业经营（建筑地盘）的安全规例，以及职业安全健康条例中的"一般性责任"条款中都对安全训练及安全帽的使用有明确要求，但大多数地盘工人仍缺乏正确使用安全帽的训练，对安全帽的保养和定期更换等知识更是贫乏。例如，有的工人为了透气，在安全帽上钻孔，根本不知道会因此降低安全帽的抗冲击强度，带来严重后果。

七大类冲击试验探索安全帽性能

"小小安全帽，蕴藏大道理"。塑性力学及冲击动力学专家余同希教授认为，别看安全帽平淡无奇，可是研究中所用到的理论和实验方法与研究太空中高速碎片与航天器的碰撞等高深课题，在本质上都是类似的。当高空堕落的物体撞击到安全帽上时，帽壳与头箍可能发生复杂的受力和变形，必须通过实验测出受力和变形的动态过程，建立正确的力学模型、进行理论分析及计算，才可以对安全帽的性能和保障能力有全面了解。为此，研究人员精心设计并进行了七类不同的冲击试验，包括：

★中心冲击试验

★偏心冲击试验

★贯穿试验

★已有微小损伤的安全帽的冲击试验

★因气候影响导致材料老化的安全帽的冲击试验

★脉冲力的延时试验

★颈部损伤试验

用于安全帽冲击实验的Dynatup冲击试验辄机（图略）。

在冲击试验中，除了使用各国所规定的50焦耳标准冲击能量外，为了评估安全帽的安全系数，研究人员特地将测试范围加以扩展，对安全帽进行了超载试验。

根据ISO3873-1977安全标准，当冲击能量为50焦耳时，如果安全帽所受到的最大冲击力超过5000牛顿，或者当冲击后安全帽破裂时，安全帽就不再具有保护头部安全的功能。实验发现，所有安全帽都能顺利通过标准冲击试验。但是，在100焦耳的冲击能量下，[**]和B安全帽所传送的最大冲击力分别超过7千牛顿和8千牛顿，尽管从帽壳上看不出损坏，它亦失去部份保护作用。然而，同样情况下，C安全帽的峰值力还保持在3000牛顿以下，仍对头部有可靠的保护作用。因而，从抗冲击的角度考虑，C安全帽为最优。

研究人员也观察到帽箍的损坏。帽箍是安全帽的一个关键部份，它能够延迟并减小传送到头部和颈部的压力。更重要的是，它可以吸收由撞击带来的大部份能量。在实验中，当帽箍上有微小裂纹存在时，即使只对安全帽施加50焦耳的标准冲击能量，有些帽箍都会断裂。因此，我们应当高度重视帽箍的损伤。

研究人员也测试了经人工环境处理的新安全帽和在实际环境中老化的旧安全帽。实验表明，虽然在地盘上使用过两年的安全帽亦能够通过标准冲击试验，可是只要轻微增加冲击能量（60焦耳），这些旧安全帽所传递的最大冲击力就接近导致头部损伤的临界值。因此，定期更换安全帽绝对必要。

首次在香港进行颈部损伤评估

以往的安全帽防护标准都没有提及颈部损伤标准。ISO标准所提出的最大力不超过5000牛顿的要求，是用于防止人脑的损伤，不一定适用于颈部的损伤。为此，科大研究人员首次在香港进行了安全帽与颈部损伤的相关性研究。

生物力学和医学研究表明，产生过度挤压和弯曲造成颈部永久性损伤的临界轴向压力为1800牛顿，而临界弯曲力矩为10牛顿米，这些情形在安全帽受到中心冲击和偏心冲击时都可能发生。科大研究人员首次将这些数据用于对安全帽的定性研究。

研究表明，在冲击能量低，而且安全帽没有损坏时，在至少两年的使用期间内，大多数安全帽均能对使用者的头部和颈部同时提供有效的保护。不容忽视的是，当冲击能量轻微升高时，安全帽传递的最大冲击力就会随使用时间而增加。使用了两年半的安全帽，其峰值力相当接近临界值，在颈部的数据也相似。

值得注意的是，对[**]这种在香港使用非常普遍的安全帽，当冲击能量稍高于50焦耳时，就可能引起颈锥骨损伤。由于香港高层建筑和高脚手架的特点，就连小小的坠落物，其冲击能量都可能超过50焦耳。为此，研究人员建议，在选用安全帽时，[**]品牌不应当成为首选。

安全帽材料测试

针对香港的环境特点，研究人员用强烈紫外光和不同温度来处理安全帽材料，然后对处理过的样品进行单轴拉伸和冲击试验。他们发现，C安全帽外壳材料[**]BS树脂对环境条件极为敏感，而其机械特性会急剧降低。因此，如果选用C安全帽，其更换频率应当比其它品牌为高。

研究人员还对安全帽材料进行了差热分析及电镜分析，结果说明材料受环境影响后，其晶体结构发生变化，材料变脆，容易断裂。专长于塑料材料研究的吴景深博士表示，对安全帽材料进行的一系列研究，不仅可以了解现行安全帽的性能和使用期限，也有助于改进现有材料及开发新型塑料材料，以便从根本上提高安全帽的防护能力。

塑料安全帽的材料测试

全新安全帽的扫描电镜图片：冲击后，材料发生大范围的塑性变形，说明大量的冲击能量被安全帽吸收。

气候老化安全帽的扫描电镜图片：老化材料的晶体结构发生变化，冲击后，只发生小变形，吸收冲击能量的能力下降，不能对使用者提供有效保护。

改进安全帽使用的建议

三年来，余同希教授与吴景深博士带领着硕士生陈小伟和十多位高年级本科学生，通过对上百个安全帽的冲击测试和材料试验，圆满地完成了香港职业安全健康局的委托。

在严谨的科学实验和数据分析基础上，研究人员提出多项建议，其中包括：

★选购安全帽时，参考在更换周期及安全性核查方面较为严格的GB（中国国标）标准；

★要求安全帽不仅能通过标准测试，还要有不小于2的安全系数；

★定期更换安全帽及帽箍、每次使用前必须检查；

★建议加强安全教育，落实安全条例，提供相关训练。

这些研究成果将有助于改善香港建筑业的施工安全，协助职安局对选择和使用安全帽制定适当的指引，令香港的地盘安全防护得到更大的保障。

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