Przemysłowe hełmy ochronne a zabezpieczenie przed uderzeniem bocznym
BEZPIECZEŃSTWO PRACY 5/2002 dr inż. KRZYSZTOF BASZCZYŃSKI Centralny Instytut Ochrony Pracy Przemysłowe hełmy ochronne a zabezpieczenie głowy przed uderzeniami bocznymi Badania przeprowadzone w latach W związku z tym rodzi się pytanie, jak osiemdziesiątych w Wielkiej Brytanii [1] zmieniają się parametry przemysłowych Praca wykonana w ramach programu i Stanach Zjednoczonych [2] pozwoliły na hełmów ochronnych, stosowanych po- wieloletniego (b. SPR-1) pn. Bezpieczeń- opracowanie statystycznego rozkładu wszechnie w Polsce, w przypadku prze- stwo i ochrona zdrowia człowieka w Sro- uderzeń w hełm ochronny podczas wy- suwania uderzenia w kierunku obrzeża dowisku pracy dofinansowanego przez padków przy pracy. Dane te przedstawio- skorupy. W celu udzielenia odpowiedzi na Komitet Badań Naukowych no w tabeli. tak postawione pytanie w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy podjęto Tabela w 1999 r. odpowiednie badania laborato- ateriały statystyczne opraco- MIEJSCE UDERZENIA W HEŁM OCHRONNY PODCZAS WYPADKÓW PRZY PRACY ryjne. Prezentowany artykuł stanowi frag- wywane corocznie przez GUS ment uzyskanych wyników. wskazują, że skutkiem wielu wypadków w Srodowisku pracy są urazy Metody badań głowy. Przykładowo w latach 1996-99 zarejestrowano następujące liczby wypad- W celu oceny własnoSci ochronnych ków, których skutkiem były urazy głowy: hełmów poddawanych uderzeniom nastę- w górnictwie i kopalnictwie 1706 pującym z różnych kierunków, wytypo- w budownictwie 1618 wano dwa podstawowe parametry: w transporcie, gospodarce magazy- zdolnoSć amortyzacji nowej i łącznoSci 1127 odpornoSć na przebicie. w zaopatrzeniu w energię elektrycz- Rozważając ten problem należy dodat- Parametry te najpełniej okreSlają ce- ną, gaz i wodę 370 kowo wziąć pod uwagę fakt, że odpor- chy ochronne hełmów z punktu widzenia w handlu hurtowym i detalicznym, noSć głowy człowieka na urazy mecha- bezpieczeństwa użytkowników, a zara- naprawach pojazdów, sprzętu domowe- niczne, będące następstwem sił i przyspie- zem stanowią podstawę oceny własnoSci go 922. szeń działających z kierunków bocznych, mechanicznych (w przypadku uderzeń Urazy te dotyczyły skóry głowy, koSci jest mniejsza niż z kierunku pionowego centralnych) według obowiązującej nor- czaszki, mózgu oraz kręgów szyi i cha- (wzdłuż osi kręgosłupa) [3 10]. my PN-EN 397:1997 [11]. rakteryzowały się różnym stopniem cięż- Rozważane zagadnienia znalazły prak- W celu okreSlenia tych wielkoSci w od- koSci. tyczne odbicie w normie PN-EN niesieniu do różnych kierunków uderzeń, Podstawowym Srodkiem ochrony in- 443:1999 Hełmy strażackie [13]. Norma opracowano metodę wyznaczania punk- dywidualnej zabezpieczającym pracow- ta wymaga, aby zdolnoSć amortyzacji tów pomiarowych na skorupach hełmów ników przed urazami głowy są przemy- hełmu była okreSlana w pięciu punktach przeznaczonych do badań. Założono, że słowe hełmy ochronne, których głównym skorupy. Pierwszy punkt pokrywa się uderzenia w hełm będą realizowane zadaniem jest ochrona głowy użytkow- z wierzchołkiem hełmu, a cztery następ- w dwóch wzajemnie prostopadłych płasz- nika przed urazami mechanicznymi po- ne są usytuowane z przodu, z tyłu i na czyznach: chodzącymi zarówno od spadających obydwu bokach skorupy hełmu. płaszczyxnie symetrii głowy z nało- przedmiotów, jak i uderzeń o wystające żonym hełmem elementy stanowiska pracy. Dostępne płaszczyxnie prostopa- Obowiązująca obecnie w Polsce i stosowana w krajach polskie dane statystyczne nie precyzują Unii Europejskiej norma PN-EN 397:1997 Przemysło- dłej do płaszczyzny symetrii niestety dostatecznie dokładnie, jaka częSć we hełmy ochronne [11] wymaga jedynie okreSlania pod- głowy z nałożonym hełmem, głowy jest najczęSciej narażona na dzia- stawowych parametrów ochronnych hełmów, którymi przechodzącej przez wierz- łanie czynnika mechanicznego podczas są zdolnoSć amortyzacji i odpornoSć na przebicie, chołek skorupy, które prze- wypadku. w przypadku uderzenia centralnego, czyli następujące- cinając skorupę hełmu wy- go wzdłuż pionowej osi przechodzącej przez wierzcho- Z dostępnych danych literaturowych pochodze- znaczają dwie krzywe. Prze- łek hełmu i zawartej w płaszczyxnie symetrii makiety nia zagranicznego wynika, że większoSć uderzeń głowy. Badania takie nie dostarczają informacji na te- cięcie obu krzywych wyzna- w głowę człowieka podczas wypadków w Srodo- mat parametrów ochronnych hełmu podczas uderzeń cza punkt wierzchołkowy wisku pracy następuje z kierunków bocznych. bocznych, czyli niecentralnych. skorupy, a uderzenie w nie- 10 BEZPIECZEŃSTWO PRACY 5/2002 go skierowane jest uderzeniem central- " odpornoSć na przebicie: nym. Stosując kryterium równego podzia- odpornoSć na przebicie jest okreSla- łu długoSci fragmentów krzywych pomię- na na podstawie oceny skutku uderzenia dzy punktem wierzchołkowym 1. a brze- przebijaka w hełm założony na makietę Rys. 1. Schemat rozmieszczenia punktów pomia- rowych na skorupie hełmu giem skorupy hełmu, dzielono je następ- głowy; jest sprawdzane czy nastąpiło ze- nie na pięć odcinków, wyznaczając punk- tknięcie przebijaka z makietą głowy poddano siedem typów przemysłowych ty pomiarowe od 2. do 5. Przykład wy- uderzenie przebijaka w hełm nastę- hełmów ochronnych, które charakteryzo- znaczenia punktów pomiarowych na sko- puje w kierunku normalnym do po- wały się różnymi rozwiązaniami kon- rupie hełmu przedstawiono na rys.1. wierzchni skorupy w danym punkcie strukcyjnymi, a ich skorupy były wyko- Wprowadzony system wyznaczania przebijak uderzający w hełm ma nane z polietylenu, ABS-u lub laminatów punktów pomiarowych zmniejszył przy- masę 3 kg, a jego droga swobodnego spa- poliestrowo-szklanych. Wspólną cechą padkowoSć pomiarów i umożliwił ich jed- dania przed uderzeniem wynosi 1m konstrukcyjną przebadanych hełmów, co nolite prowadzenie w odniesieniu do tych konstrukcja przebijaka spełnia wy- miało bardzo duże znaczenie z punktu samych typów hełmów ochronnych. magania normy PN-EN 397:1997 [11] widzenia uzyskanych wyników, było W prowadzonych badaniach zdolno- w badaniach jest stosowana makieta mocowanie do skorupy, w pobliżu jej Sci amortyzacji i odpornoSci na przebicie głowy typ G , według normy PN-EN obrzeża, cztero- lub szeSciopunktowej hełmów podczas uderzeń bocznych przy- 960:1998 [12]. więxby. jęto założenie o zastosowaniu identycz- Powyższe założenia zrealizowano Wstępne badania zdolnoSci amortyza- nych parametrów wymuszenia, jak ma to w praktyce, wykorzystując stanowisko cji wykazały, że uderzenia w najniżej po- miejsce w przypadku uderzeń centralnych badawcze do badań dynamicznych prze- łożone punkty pomiarowe, to znaczy 4. wymaganych przez normę PN-EN mysłowych hełmów ochronnych, spełnia- i 5., wywołuje generowanie sił działają- 397:1997 [11]. Założenie takie pozwoli- jące wymagania normy PN-EN 397:1997 cych na makietę głowy o znacznych war- ło na przeSledzenie zmian parametrów [11], istniejące w Zakładzie Ochron Oso- toSciach zagrażających stosowanej apa- ochronnych hełmów wraz ze zmianą bistych Centralnego Instytutu Ochrony raturze pomiarowej. Z tego względu punktu uderzenia. W badaniach przyjęto Pracy. Najważniejszymi modyfikacjami w niektórych przypadkach zadecydowa- następujące szczegółowe założenia odno- wprowadzonymi do istniejącego stanowi- no o odstępstwie od przyjętej metody ba- szące się do metodyki pomiarów: ska były: przystawka umożliwiająca po- dawczej i zmniejszeniu o połowę energii " zdolnoSć amortyzacji: chylanie makiety głowy o zadany kąt, uderzającego w te punkty bijaka. zdolnoSć amortyzacji jest okreSlona w celu umożliwienia uderzenia w punkt Przykładowe wyniki badań zdolnoSci przez maksymalną wartoSć siły działają- pomiarowy z kierunku normalnego do amortyzacji przedstawiono w formie gra- cej na makietę głowy podczas uderzenia powierzchni skorupy oraz system pomia- ficznej na rys. 2, 3 i 4. Na rysunkach tych bijakiem w hełm rowy umożliwiający okreSlanie zdolno- zastosowano następujące oznaczenia: maksymalna wartoSć siły działającej Sci amortyzacji hełmu na podstawie prze- punkt na wierzchołku skorupy hełmu na makietę głowy jest okreSlana na pod- biegu czasowego przyspieszenia bijaka. punkt z przodu skorupy hełmu stawie zarejestrowanego przebiegu cza- (energia uderzenia E = 49 J) sowego przyspieszenia bijaka Wyniki badań punkt z przodu skorupy hełmu uderzenie bijaka w hełm następuje zdolnoSci amortyzacji (energia uderzenia E = 24,5 J) w kierunku normalnym do powierzchni punkt na boku skorupy hełmu i odpornoSci na przebicie skorupy w danym punkcie (energia uderzenia E = 49 J) bijak uderzający w hełm ma masę Obiektami przeprowadzonych badań punkt na boku skorupy hełmu 5 kg, a jego droga swobodnego spadania zdolnoSci amortyzacji i odpornoSci na (energia uderzenia E = 24,5 J) przed uderzeniem wynosi 1m przebicie były przemysłowe hełmy punkt z tyłu skorupy hełmu kształt bijaka spełnia wymagania ochronne powszechnie używane w Pol- (energia uderzenia E = 49 J) normy PN-EN 397:1997 [11] sce w 1999 r. Wszystkie hełmy posiadały punkt z tyłu skorupy hełmu w badaniach jest stosowana makieta ważne certyfikaty na znak bezpieczeństwa (energia uderzenia E = 24,5 J) głowy typ G , według normy PN-EN B i pochodziły zarówno od polskich jak F [kN] maksymalna wartoSć siły przeka- 960:1998 [12]; i zagranicznych producentów. Badaniom zana podczas uderzenia na makietę głowy 11 BEZPIECZEŃSTWO PRACY 5/2002 Analizując przedstawione wyniki, Podsumowanie wyników można zauważyć, że: wszystkie przebadane hełmy wyka- Wyniki przeprowadzonych badań wy- zały wymaganą amortyzację podczas ude- kazują, że skutecznoSć ochrony przeba- rzenia w punkt pomiarowy 1. (maksymal- danych hełmów, charakteryzowana przez zdolnoSć amortyzacji i odpornoSć na prze- na wartoSć siły przekazanej na makietę głowy jest mniejsza od 5 kN, co jest z god- bicie, maleje wraz z obniżaniem punktu uderzenia w kierunku brzegu skorupy. ne z wymaganiami normy PN-EN Główną przyczyną tego zjawiska jest kon- 397:1997 [11]) strukcja omawianych przemysłowych zdolnoSć amortyzacji przebadanych hełmów ochronnych, to znaczy mocowa- hełmów w punkcie pomiarowym 2. nie nie cztero- lub szeSciopunktowej więxby różni się w istotny sposób od wyników Rys. 2. Wyniki badań zdolnoSci amortyzacji hełmu w okolicach brzegu skorupy. Konstrukcja ochronnego pochodzenia zagranicznego wyposa- w punkcie 1. (z wyjątkiem jednego typu żonego w skorupę wykonaną z ABS-u taka, w przypadku uderzeń następujących hełmu) w miarę obniżania, punktu uderze- z kierunków zbliżonych do osi przecho- dzącej przez wierzchołek hełmu i zawar- nia na skorupach przebadanych hełmów obserwowany jest istotny wzrost siły prze- tej w płaszczyxnie symetrii makiety gło- wy i hełmu (punkty pomiarowe 1. i 2.), kazywanej na makietę głowy umożliwia rozłożenie działającej siły na w przypadku punktu pomiarowego taSmy więxby oraz skuteczne ogranicze- 3., w większoSci przebadanych hełmów najlepsza zdolnoSć amortyzacji występu- nie jej wartoSci maksymalnej. W przypad- je w odniesieniu do uderzeń z przodu sko- ku uderzeń w niżej zlokalizowane punk- ty pomiarowe, taSmy więxby przestają rupy w przypadku uderzeń w punkty po- przenosić obciążenie, a skorupa hełmów zostaje dobita do makiety głowy, co miarowe 4. i 5., niezależnie od tego czy powoduje gwałtowny wzrost siły w ba- następują w przód, tył, czy bok skorupy, daniu zdolnoSci amortyzacji oraz zetknię- wszystkie przebadane hełmy wykazują cie przebijaka z makietą głowy podczas bardzo niską zdolnoSć amortyzacji. badania odpornoSci na przebicie. Dodat- Stosując przedstawioną wczeSniej metodykę, przeprowadzono badania prze- kową przyczyną obserwowanego zjawi- mysłowych hełmów ochronnych w zakre- ska, wynikającą również z cech konstruk- cyjnych, jest zmniejszanie się w miarę sie odpornoSci na przebicie. Analizując Rys. 3. Wyniki badań zdolnoSci amortyzacji hełmu ochronnego polskiej produkcji wyposażonego uzyskane wyniki, można zauważyć nastę- obniżania punktu uderzenia odległoSci w skorupę wykonaną z laminatu poliestrowo-szkla- między wewnętrzną powierzchnią skoru- pujące zależnoSci: nego wszystkie przebadane hełmy wyka- py hełmu a makietą głowy. OdległoSć ta charakteryzuje wolną przestrzeń niezbęd- zały prawidłową odpornoSć na przebicie w przypadku uderzenia w punkt pomia- ną do wydłużenia więxby oraz deforma- rowy 1. (nie nastąpiło zetknięcie przebi- cji skorupy pod wpływem uderzenia. jaka z makietą głowy co jest zgodne z wy- Przedstawione zjawisko tłumaczy rów- nież pogarszanie się odpornoSci na prze- maganiami normy PN-EN 397:1997 [11]) bicie, gdyż w przypadku niewystarczają- uderzenia w punkt pomiarowy 2. nie cej zdolnoSci amortyzacji materiał skoru- wywołały również zetknięcia przebijaka py hełmu nie jest w stanie zapobiec jej z makietą głowy w przypadku wszystkich przebiciu. przebadanych hełmów uderzenia w punkt pomiarowy 3., tylko w przypadku trzech typów hełmów Przedstawione wyniki badań wykazują, że (spoSród siedmiu), nie wywołały zetknię- dotychczas stosowane przemysłowe heł- cia przebijaka z makietą głowy my ochronne nie we wszystkich niebez- piecznych sytuacjach, mogących wystą- w przypadku wszystkich przebada- pić w Srodowisku pracy, stanowią wystar- nych typów hełmów (z wyjątkiem jedne- czającą ochronę dla ich użytkowników. go typu hełmu uderzanego w punkt 4. położony z przodu skorupy) uderzenia Rys. 4. Wyniki badań zdolnoSci amortyzacji hełmu w punkty pomiarowe 4. i 5. wywołały ze- Niebezpiecznymi sytuacjami, z tego ochronnego polskiej produkcji wyposażonego w skorupę wykonaną z polietylenu tknięcie przebijaka z makietą głowy. punktu widzenia, mogą być uderzenia 12 BEZPIECZEŃSTWO PRACY 5/2002 w pochyloną głowę, boczne uderzenia przez poruszające się obiekty materialne (szczególnie o ostrych krawędziach) oraz uderzenia głową o wystające elementy konstrukcyjne stanowiska pracy. Propozycja nowej konstrukcji hełmu Jednym z możliwych rozwiązań przed- stawionego problemu jest zastosowanie w hełmach ochronnych dodatkowych ele- Rys. 6. Wyniki badań zdolnoSci amortyzacji hełmu mentów tłumiących energię uderzenia, Rys. 5. Widok hełmu ochronnego typ PROSNA wy- ochronnego typ PROSNA wyposażonego w styro- wspomagających swym działaniem układ posażonego w styropianową wykładzinę amortyzu- pianową wykładzinę amortyzującą jącą skorupa-więxba. Elementy te mogą mieć postać wykładzin o odpowiednich kształ- PIRMIENNICTWO Wskazują one na znaczne obniżenie tach i charakterystykach siła-odkształce- [1] Hickling E. M. An ivestigation on construc- wartoSci siły przekazywanej na makietę tion sites of factors affected the acceptability nie, gwarantujących skuteczne pochłania- głowy podczas uderzeń bocznych, co było and wear of safety helmets. Institute for Con- nie energii uderzenia. głównym celem modyfikacji konstrukcji sumer Ergonomics, University of Technology, W 2000 r. w Centralnym Instytucie hełmu. Z omawianego wykresu wynika Loughborough. England, 1985 Ochrony Pracy opracowano teoretyczny również, że najsłabsza zdolnoSć amorty- [2] U.S. Department of Labour. Accidents in- model konstrukcji hełmu o podwyższo- volving head injuries. Bureau of Labour Stati- zacji dotyczy uderzeń następujących stics, Report 605, 1980 nych parametrach ochronnych w zakre- w płaszczyxnie zaczepów mocujących sie uderzeń bocznych. Model ten opierał [3] Barnes K., Bell N., Vassiliou D., Firth J.L. więxbę do skorupy hełmu. Zjawisko to jest Medical aspects of head protection at work. się na założeniu wprowadzenia między wywołane, wymuszoną przez konstruk- Journal of Occupational Accidents, 8, Novem- więxbę a skorupę hełmu, wykładziny po- cję hełmu, mniejszą gruboScią wykładzi- ber 1986 chłaniającej energię uderzenia. Przepro- ny styropianowej w miejscach połączenia [4] Coleman V. P. Occupational head injury wadzone badania laboratoryjne wykaza- skorupy z więxbą. Badania odpornoSci na accidents in Great Britain. Journal of Occupa- ły, że jednym z najlepszych materiałów tional Accidents, 8, November 1986 przebicie wykazały, że tylko w jednym na tak pomySlaną wykładzinę jest styro- przypadku uderzenia w punkt nr 5 poło- [5] Gilchrist A., Mills N. J. Improved side, front pian o wysokiej gęstoSci. Charakteryzuje and back impact protection for industrial hel- żony na boku skorupy nastąpiło zetknię- mets. School of Metallurgy and Materials, się on małą masą właSciwą oraz odpo- cie przebijaka z makietą głowy, co nale- University of Birmingham, bez daty wiednią charakterystyką siła-odkształce- ży odnotować jako znaczącą poprawę [6] Mills N. J., Gilchrist A. Proposals for side- nie podczas Sciskania. Z tego też powodu w stosunku do wyników osiąganych impact and retention tests for industrial hel- jest podstawowym surowcem do produk- w odniesieniu do standardowych hełmów. mets. School of Metallurgy and Materials, cji kasków dla rowerzystów. Bazując na Hełmy PROSNA z amortyzującą wy- University of Birmingham, 1990 modelu teoretycznym, zaprojektowano kładziną styropianową poddano również [7] Proctor T. D. A review of research relating nową konstrukcję wykorzystującą skoru- to industrial helmet design. Journal of Occu- badaniom na zgodnoSć z podstawowymi pational Accidents, 8, November 1986 pę i więxbę hełmu typ PROSNA produko- wymaganiami normy PN-EN 397:1997 [8] Proctor T. D., Rowland F. J. Development wanego dotychczas przez Kaliskie Zakła- [11], które zakończyły się pozytywnym of standards for industrial safety helmets the dy Przemysłu Terenowego. W konsekwen- wynikiem. Efekty te upoważniły do wy- state of art. Journal of Occupational Accidents, cji tych działań doprowadzono do wypro- produkowania serii informacyjnej heł- 8, November 1986 dukowania serii prototypowej nowego heł- mów i przekazania ich do badań użytko- [9] Rowland F. J. Research on safety helmets mu, który przedstawiono na rys. 5. wych, które są obecnie prowadzone. Pla- at the health and safety executive of the Uni- W hełmie tym, za tłumienie energii ted Kingdom. Health and Safety Executive, nowane jest, że po zakończeniu badań Research and Laboratory Services Division, uderzenia centralnego odpowiada skoru- użytkowych hełmy wejdą do seryjnej pro- bez daty pa i więxba, a w przypadku uderzenia nie- dukcji w Kaliskich Zakładach Przemysłu [10] Development of criteria for industrial and centralnego (bocznego) skorupa i wykła- Terenowego. Hełmy Prosna z wykładzi- firefighter s head protective devices. NIOSH dzina styropianowa. ną amortyzującą powinny stanowić uzu- Research Report, Januar 1975 Zgodnie z wczeSniej przedstawioną pełnienie dotychczasowego asortymentu [11] PN-EN 397:1997 Przemysłowe hełmy metodyką przeprowadzono badania zdol- hełmów obecnych na polskim rynku i zna- ochronne noSci amortyzacji i odpornoSci na prze- lexć zastosowanie na stanowiskach pra- [12] PN-EN 960:1998 Makiety głowy do ba- bicie. Wyniki badań zdolnoSci amortyza- cy, gdzie ludzie są szczególnie narażeni dań hełmów ochronnych cji przedstawiono na rys. 6. na urazy mechaniczne głowy. [13] PN-EN 443:1999 Hełmy strażackie 13