头盔质量特性高精度测试仪研究

　　1　引　　言

　　头盔是保障佩戴人员(飞行员、战场士兵、赛车手等)生命安全的一种重要装备。理想的头盔应具有优良的防护性、功能性、工效性、通用性、可靠性、维修性和保障性。头盔的工效学性能体现于佩戴的稳定性和舒适性,对工效性的评定可为头盔的研制提供设计与检验的依据[1-5]。

　　头盔的稳定性和舒适性,与其质量特性(质量、质心和转动惯量等)及头部压力的分布密切相关。头盔佩戴不稳或欠舒适,会不同程度地分散佩戴人的注意力,加速疲劳并影响其工作效能。研究表明,头盔越轻,头部偏移时所受惯性力越小,舒适性越好。当质量一定时,如果头盔质心偏离头部重心,易造成头颈部肌肉作用力分布不均衡,从而引起肌肉疲劳甚至伤害,使舒适性降低。一般认为,头盔质心位于两侧耳屏点连线的中点时,稳定性与舒适性最好。当头部转动时,相对同等角加速度,头盔转动惯量越小,头颈部肌肉产生的扭转动态力矩将越小,舒适性越好。另一方面,通信、夜视、观瞄、定位等装置的附加也会改变头盔的原有质量特性,影响其工效性。因此,开展头盔质量特性的高精度测试,对于评价和改善头盔的工效性具有非常重要的意义。

　　目前,国外对头盔工效性的客观、定量评价,主要基于对力学或运动性等指标的测试[1-3]。在国内,有关头盔工效性研究的文献很少,也缺乏相应的检测手段和评价标准[4-8]。为此,本文研究了一种新型的头盔质量特性测试仪。在设计过程中,围绕质心测试台、转动惯量测试台和PC测控系统3个组成部分,充分考虑测试原理、定位机构、运动阻力、数据采集、信号传输、处理算法及系统标定等各项因素,达到了减小系统误差、提高综合测试精度的目标。

　　2　头盔质心测试台的设计

　　2.1　测试台基本构成

　　本文设计的头盔质心测试台具有图1所示的基本结构。测试时,头盔定位的准确性与重复性,由各机械组成部件的加工、处理及装配精度来保证。

　　1)头盔定位机构

　　在图1设计中,头盔佩戴在标准头模上,头模颈部与框架内侧固连,其左右对称面与框架的几何中心线重合。框架为空心六面体结构,由6块轻质铝合金镂空薄板组合而成,为可拆卸装配。测试时,框架通过两侧对称的圆盘状支撑放置在V形支架上。由于采用圆周刀口形状,支撑与支架之间为点接触,确保了支撑点间距的恒定。为实现x/y/z任意轴向的质心测试,支撑被设计为拆卸式,通过螺纹安装在任意一对对称面的几何中心上,并由定位端面保证重复性。

　　在加工和处理时,六面框架材料采用重叠装夹法消除形变,并确保所有面机械特性的一致。