運動場地安全地墊*大沖擊強度gmax測試儀  運動場地安全地墊*大沖擊強度gmax測試儀  運動場地安全地墊*大沖擊強度gmax測試儀  運動場地安全地墊*大沖擊強度gmax測試儀

上海       上海儀器儀表研究所
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1、概述

國外，每年有成千上萬兒童及成年人在運動場地、公共的或私人的運動設施上，由于跌倒在不合適的地面而受傷。據美國消費者產品安全委員會統計，美國每年超過15萬人在運動場地上受傷。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美元，但是保險公司仍然拒絕承擔多種與此有關險項的保險義務。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等對運動場地地面安全性能檢測方法及設備的標準或規范，以評估運動場地地面鋪墊的材料是否合格。

國內也有報道小孩蕩秋千時，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。記者看到出事現場地面沒有裝保險墊，也無防緩沖作用的橡膠地板。事實上，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。問題是彈性材料的特性和鋪墊厚度都與安全有關，需要有相關的測試設備測定。

2、有關術語簡介

運動場地地面(playground surface)，被用于鋪在運動場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），衡量運動場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*高理論跌落高度來定義。臨界跌落高度是接近但不希望會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），一個沖擊加速度與時間關系的特殊積分，以測定頭部受到傷害的相關性。

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

沖擊衰減（impact attenuation），通過地面局部變形或位移來減少峰值沖擊力和峰值加速度以吸收沖擊過程中的能量的運動場地地面特性。

3、國外標準介紹的沖擊測試方法及設備

國外已有不少國家制定了運動場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(CEN)和歐洲電工標準化委員會(CENELEC) 聯合成立的機構“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。下面簡介典型的二個標準：

3.1  歐洲EN 1177：1997標準簡介

歐洲標準化委員會（European Committee for Standardization, CEN）為防止人們在運動場地上活動跌倒受傷，特別是頭部受傷，制定了相關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給出了測試運動場地地面材料特性時的沖擊試驗裝置（見圖1）及試驗方法、典型的加速度gn與時間t的試驗曲線（見圖2）、典型的HIC與跌落高度H的試驗曲線（見圖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，人們在運動場地上活動時跌落高度不大于CFH的*小值，被認為滿足標準的安全要求。

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，試驗時需多次從不同高度跌落沖擊被測樣品①，每個高度對被測樣品需進行多個不同位置的試驗。加速度傳感器的輸出信號經電荷放大器③放大后，由計算機④進行數據采集、存儲和處理，*終確定該試驗樣品在滿足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與時間t的試驗曲線

圖2是典型的加速度gn與時間t的試驗曲線，EN 1177:1997規定在數據采集過程中的采樣頻率*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——沖擊時間間隔，單位s

對每個試驗位置，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。根據曲線擬合求出HIC=1000時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Hc中取*小的一個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

3.2  美國ASTM F 1292-2004標準簡介

美國材料試驗協會（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，說明了美國對運動場地地面安全性能的重視，也說明了對在運動場上活動的人身安全的重視程度。

ASTM F 1292-2004制定了對于安裝在運動設備周圍的運動場地地面材料沖擊衰減的*低要求；制定了運動場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）；確定了運動場地地面材料在實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的測試規程；數據采集后的計算、記錄有二個評價指標： HIC和g-max；還對試驗樣品尺寸、環境溫度、測試時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場地地面材料特性時判定頭部受沖擊傷害的HIC計算公式：

在數據采集過程中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HIC所對應的跌落高度Hc值中取*小的一個，及在試驗樣品所有測試得到的多個g-max所對應的跌落高度Hc值中取*小的一個，*后取HIC和g-max所對應的跌落高度Hc值*小的一個作為臨界跌落高度（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

國內已有不少廠商生產或銷售三元乙丙橡膠(EPDM)的彈性安全地墊(Rubber Safety Cushion)。我們*近參觀了國際第九屆地面材料展覽會（上海）和第20屆中國國際體育用品博覽會（成都）并獲得一些樣品，了解到有些安全地墊生產廠的測量是按GB/T 14833－1993（塑膠跑道）標準檢測的，也有廠商稱其產品符合歐洲EN 1176標準，但是在介紹時都沒有提及對頭部受沖擊傷害程度的HIC進行測量評估。EN 1176-1:1998《Playground equipment — Part 1：General safety requirements and test methods》至EN 1176-7的七個標準是針對運動場器材（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。

我國還沒有測量評估運動場地、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、秋千等上下運動彈跳或可能從空中運動跌落的器材，其運動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，其地板的結構厚度應不小于25mm；若為沙坑時，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，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現，國內外的產品對沖擊衰減的特性有較大差異，測試記錄數據見表1。

表1 安全地墊樣品試驗數據

注1：試驗時，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

圖5顯示的是序號6樣品三組試驗數據的曲線,分別顯示在g-max＝200時對應的跌落高度和顯示HIC＝1000時對應的跌落高度 。根據ASTM F 1292-2004標準，取HIC和g-max所對應的跌落高度Hc值*小的一個作為臨界跌落高度（CFH）值，即CFH值為1.4m。

再分析表1的數據。可以看到彈性手感軟的安全地墊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）安全地墊產品的厚度與*大自由跌落高度的關系圖進行比較（圖6），可以看到我們試驗序號6和序號7國外產品的CFH數據與圖6接近，即安全地墊厚50mm時的CFH＝1.5m左右；而彈性手感較硬的國內產品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足設計要求就需要用測試設備來驗證了，當然也可以加大安全地墊的厚度來滿足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系

5、結語

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

a) 加強宣傳運動場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）于國外的有關標準，或補充GB19272-2003的內容；

b) 研究運動場地安全性能的檢測技術，研發有自己知識產權的檢測設備；

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質量、控制運動場地工程質量和驗收、定期（如二年）對場地的安全性能復測。

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，振動與沖擊，Vol.20 No.2 2001

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