張 彤，高樹枚，宋義林

（黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引 言

隨著世界人口老齡化的發(fā)展，老年人不慎摔倒引起的疾病負(fù)擔(dān)越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告指出，2002年全球有39．1萬(wàn)人死于摔倒，＞60歲的老年人占50%左右，＞70歲占40%左右。摔倒會(huì)嚴(yán)重影響老年人的健康水平和生活質(zhì)量，也會(huì)為家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。調(diào)查顯示，日常生活中因摔倒而發(fā)生骨折導(dǎo)致老年人癱瘓是僅次于腦卒中、衰老之后的第三位原因。并且股骨部位特殊，一旦發(fā)生骨折，不易愈合，長(zhǎng)期臥床會(huì)引起老年人全身性的并發(fā)癥，重者甚至危及生命［1］。因此，老年人股骨骨折的預(yù)防是一個(gè)緊要課題。

在老年人股骨骨折預(yù)防措施方面的研究，目前國(guó)內(nèi)外已有了相關(guān)的文獻(xiàn)。例如，巴西的Jose Daniel Diniz Melo等人研發(fā)了一種聚合物復(fù)合材料防護(hù)器［2］；荷蘭的 N．M．van Schoor等人通過(guò)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)硬質(zhì)和軟質(zhì)股骨防護(hù)器的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［3］；芬蘭的Pekka Kannus等人通過(guò)真人實(shí)驗(yàn)的方式檢測(cè)防護(hù)器的有效性［4］；美國(guó)的Tatjana Bulat等人針對(duì)反復(fù)沖擊對(duì)股骨防護(hù)器的防護(hù)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［5］等。在我國(guó)，研究人員也對(duì)硬質(zhì)高分子防護(hù)器［6］、老年人防摔保護(hù)器［7］和自制髖保護(hù)器［8］等開展了相關(guān)研究。這些研究從不同的方面探討了老年人股骨骨折的防護(hù)方式、方法及其防護(hù)的有效性，對(duì)后續(xù)的研究是有益的。特別是上述相關(guān)研究都以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，其結(jié)論對(duì)股骨保護(hù)器的開發(fā)具有實(shí)際意義。但是，這些研究也有一定的局限性。比如，研究中對(duì)所選用防護(hù)器的防護(hù)材料并沒有進(jìn)行更多的探究，只對(duì)特定的防護(hù)器的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。另外，有些實(shí)驗(yàn)由于對(duì)試驗(yàn)者沒有很好的保護(hù)，所以實(shí)驗(yàn)方法上具有一定的危險(xiǎn)性。

本文以老年人不慎摔倒時(shí)的股骨防護(hù)器開發(fā)為目的，以材料的緩沖性能實(shí)驗(yàn)為研究手段，通過(guò)自行開發(fā)的緩沖材料實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)多種海綿材料的緩沖性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了有益的結(jié)果，也為新型股骨防護(hù)器的研制提供了依據(jù)。

1 材料緩沖性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置

有資料表明，老年人自然摔倒時(shí)在股骨附近產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力可達(dá)3 700N［9］，而一般情況下股骨所能承受的負(fù)荷僅為2 100N，老年人因?yàn)楣趋览匣肮琴|(zhì)酥松的程度各不相同，程度高者所能承受的負(fù)荷可能會(huì)更低一些。為了減少因不慎摔倒對(duì)老年人股骨帶來(lái)的傷害，采用防護(hù)器等物理防護(hù)手段減小股骨骨折的發(fā)病率是重要的措施之一。為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)能夠模擬老年人在摔倒時(shí)受力狀況的實(shí)驗(yàn)裝置，并利用此裝置，對(duì)不同緩沖材料的緩沖性能進(jìn)行了測(cè)試、分析與研究。

本研究中開發(fā)的緩沖材料實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。其中，固定座、導(dǎo)軌、移動(dòng)塊和傳感組件是該實(shí)驗(yàn)裝置的主要組成部件。兩條平行導(dǎo)軌通過(guò)固定套與固定座相連，由上固定板與固定套共同保證兩導(dǎo)軌間的距離。移動(dòng)塊由活動(dòng)套、活動(dòng)座和活動(dòng)板共同組成，質(zhì)量為1．437kg，通過(guò)活動(dòng)套在兩導(dǎo)軌間滑動(dòng)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)塊的自由落體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生約3 700N的瞬時(shí)沖擊力。傳感器組件由傳感器座、壓電式力傳感器和有機(jī)玻璃板組成，通過(guò)傳感器座固定在固定座上。將緩沖材料放在有機(jī)玻璃板上，由移動(dòng)塊做自由落體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力作用在緩沖材料上，不同材料對(duì)瞬時(shí)沖擊力的吸收能力不同，進(jìn)而可以測(cè)得它們的緩沖率。

圖1 緩沖材料實(shí)驗(yàn)裝置Fig．1 Structure of the experimental device

1．2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2所示為本研究中所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。主要由自行開發(fā)的緩沖材料實(shí)驗(yàn)裝置、壓電式力傳感器（CL－YD－301，江蘇聯(lián)能生產(chǎn)）、電荷放大器（YE5850B，江蘇聯(lián)能生產(chǎn)）和示波器組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將移動(dòng)塊移置不同高度后做自由落體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生不同大小的瞬時(shí)沖擊力，此沖擊力直接或經(jīng)過(guò)緩沖材料間接作用在壓電傳感器上，引起電荷量的變化，并通過(guò)電荷放大器放大后輸出電壓信號(hào)，再由示波器采集輸出的波形。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig．2 Picture of the measuring system

2 實(shí)驗(yàn)方法與材料

2．1 實(shí)驗(yàn)方法

本文首先定義了材料緩沖率的計(jì)算公式，用于評(píng)價(jià)不同緩沖材料對(duì)瞬時(shí)沖擊力的吸收能力。其公式如下：

老年人在摔倒時(shí)，股骨外側(cè)皮膚會(huì)吸收部分瞬時(shí)沖擊力。因此，實(shí)驗(yàn)前在有機(jī)玻璃板上加一層厚度為5mm的軟硅膠材料用于模擬人體的皮膚。由于在不加其它緩沖材料時(shí)，測(cè)得移動(dòng)塊在不同高度上自由下落時(shí)瞬時(shí)沖擊力的作用時(shí)間約為0．001s，因此可計(jì)算出不同高度下的瞬時(shí)沖擊力的大小。

在本研究中移動(dòng)塊高度分別設(shè)置在100、200、300、340mm等不同情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)瞬時(shí)沖擊力分別為2 012、2 845、3 485N和3 710N。其中，移動(dòng)塊在340mm的高度自由下落時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力與老年人自然摔倒時(shí)股骨處承受的沖擊力近似。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將移動(dòng)塊放在相同的高度上落下，分別測(cè)量加緩沖材料與不加緩沖材料兩種情況下傳遞到壓電傳感器上的沖擊力的大小，由此可計(jì)算出各種緩沖材料的緩沖率，進(jìn)而可對(duì)比它們對(duì)瞬時(shí)沖擊力的吸收能力。實(shí)驗(yàn)方法見圖2。

本研究中，選用了市場(chǎng)上銷售的不同密度和硬度的海綿材料、各種防護(hù)器中的防護(hù)墊等作為實(shí)驗(yàn)材料，并將各海綿材料制成面積為100mm×100 mm、厚度為10mm的樣件。同時(shí)，為了測(cè)量不同厚度下海綿材料緩沖率的變化，還分別對(duì)1層 （10 mm）、2層 （20mm）、3層 （30mm）的各種海綿材料及不同種類的海綿的組合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)反復(fù)做5次，取其平均緩沖率。

因不同溫度和濕度會(huì)影響實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度和實(shí)驗(yàn)材料的性能，本研究在相同的溫度及濕度下對(duì)各種緩沖材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2．2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中選用了由廣州市花都區(qū)恒業(yè)家具材料廠生產(chǎn)的幾種海綿材料作為實(shí)驗(yàn)用緩沖材料，同時(shí)也選用了市場(chǎng)上可購(gòu)買的海綿防護(hù)器及毛氈防護(hù)墊等作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)材料，各種材料的基本性能指標(biāo)見表1。由于購(gòu)買的海綿防護(hù)器并未標(biāo)明性能指標(biāo)，因此只對(duì)其密度進(jìn)行了測(cè)試。

表1 各種海綿材料的性能指標(biāo)Table 1 Basic performance parameters of sponges

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 1層緩沖材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2所示為在不同瞬時(shí)沖擊力作用下，各種緩沖材料1層 （10mm）時(shí)的緩沖率，圖3為各種緩沖材料的緩沖率變化趨勢(shì)曲線。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出對(duì)于同一種材料，在不同的瞬時(shí)沖擊力作用下，緩沖率大致呈下降趨勢(shì)。而不同硬度及彈性的緩沖材料，隨著瞬時(shí)沖擊力的增大，其緩沖率的衰減程度各不相同，其中海綿35中軟機(jī)和毛氈防護(hù)器的衰減速度最快，海綿33A和B30機(jī)次之，而海綿50特硬機(jī)粗、60特硬機(jī)和海綿防護(hù)器衰減程度相對(duì)較平緩。這是由于隨著瞬時(shí)沖擊力的增大，質(zhì)地較軟的緩沖材料如35中軟機(jī) （以下稱之為軟質(zhì)材料）將被瞬間壓實(shí)，失去了彈性，不能再發(fā)生更大的形變，只能吸收一定的能量，而瞬時(shí)沖擊力產(chǎn)生的能量卻不斷增大，傳遞給壓力傳感器的能量也不斷增大，從而導(dǎo)致緩沖率下降較快，并且大致呈線性下降；而硬度較大的緩沖材料如海綿50特硬機(jī)粗、60特硬機(jī) （以下稱之為硬質(zhì)材料）雖然在較大的沖擊力作用下也將其壓實(shí)，導(dǎo)致緩沖率下降，但它們的硬度相對(duì)較大，在瞬時(shí)沖擊力將它們壓實(shí)的過(guò)程中速度較慢，進(jìn)而可吸收的能量較多、承受的瞬時(shí)沖擊力較大。這樣，使得硬質(zhì)材料的緩沖率下降較慢。

表2 1層緩沖材料的緩沖率Table 2 Buffer rates of the materials with thickness 10mm／%

當(dāng)移動(dòng)塊的高度為100mm，瞬時(shí)沖擊力2 012N時(shí)，海綿B30的緩沖率最高 （91．10%），在全部材料中表現(xiàn)出了最好的力學(xué)緩沖性能。而當(dāng)移動(dòng)塊的高度為340mm，瞬時(shí)沖擊力為3 700N時(shí)，海綿B30的緩沖率則明顯低于海綿50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)。這是因?yàn)楫?dāng)作用于海綿材料上的瞬時(shí)沖擊力較小時(shí)，硬度相對(duì)適中的B30發(fā)生較大的形變量，吸收的能量相對(duì)較多；而硬度相對(duì)較小的海綿35中軟機(jī)和33A等材料在較短時(shí)間內(nèi)被壓實(shí)，吸收能量較少；另一方面，硬度相對(duì)較大的海綿50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)發(fā)生的形變量又相對(duì)較小，因而所吸收能量也較少。這樣，硬度較低與較高的材料均表現(xiàn)出較低的緩沖率。但隨著瞬時(shí)沖擊力的增大，在瞬時(shí)沖擊力將海綿材料壓實(shí)的過(guò)程中，硬質(zhì)海綿壓實(shí)的速度慢能夠吸收較多的能量。B30的硬度低于海綿50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)，自然它的緩沖率要低于硬質(zhì)海綿材料。

圖3 1層緩沖材料的緩沖率變化趨勢(shì)曲線Fig．3 Changing trends of materials buffer rates with thickness 10mm

從表2中各材料的緩沖率還可知，在移動(dòng)塊高度為340mm，即瞬時(shí)沖擊力為3 700N時(shí)，海綿50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)的緩沖率最高，可達(dá)＞78%，而本研究中作為對(duì)比材料在市場(chǎng)上購(gòu)買的海綿防護(hù)器為73%，毛氈防護(hù)墊的緩沖性能最差?？梢?，市場(chǎng)銷售的兩種防護(hù)器的緩沖性能并不是最優(yōu)的。

圖4和圖5作為檢測(cè)實(shí)例展示了瞬時(shí)沖擊力大約為3 700N時(shí)對(duì)單層海綿35中軟機(jī)和50特硬機(jī)粗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而得到的瞬時(shí)沖擊力波形。由圖可見，不同的緩沖材料，其緩沖效果大不相同。

3．2 2層緩沖材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于1層緩沖材料在瞬時(shí)沖擊力增大時(shí)均出現(xiàn)了瞬間壓實(shí)的現(xiàn)象，導(dǎo)致了在最大瞬時(shí)沖擊力3 700N時(shí)的緩沖率為最低。為得到更高的材料緩沖率，并考察材料緩沖率與材料厚度之間的關(guān)系，又對(duì)厚度為2層 （20mm）時(shí)的各種緩沖材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。表3所示的是在不同瞬時(shí)沖擊力作用下，各種緩沖材料的緩沖率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6所示為緩沖率的變化趨勢(shì)。

表3 2層緩沖材料的緩沖率Table 3 Buffer rates of the materials with thickness 20mm／%

將表2和表3中各緩沖材料的緩沖率進(jìn)行對(duì)比可知，在移動(dòng)塊高度為340mm時(shí)，2層各緩沖材料的緩沖率均有顯著提高。這是由于在相同瞬時(shí)沖擊力作用下，2層海綿材料較1層海綿材料可發(fā)生更大的形變量，吸收更多的沖擊能量，因而使材料的緩沖率增大。例如，1層時(shí)50特硬機(jī)粗在沖擊力3 700N作用下的緩沖率為78．92%，而同樣條件下2層時(shí)為90．49%，增加率為14．7%，表現(xiàn)出了對(duì)瞬時(shí)沖擊力較好的吸收能力?？梢姴牧系暮穸仁怯绊懢彌_率的重要因素之一。

圖6 2層緩沖材料的緩沖率變化趨勢(shì)曲線Fig．6 Changing trends of materials buffer rates with thickness 20mm

由圖6可見，隨著瞬時(shí)沖擊力的增大各種材料的緩沖率還是出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且在沖擊力為最大值3 700N時(shí)的緩沖率為最小。其中海綿33A與35中軟機(jī)近似于線性下降，這是因?yàn)?層的海綿材料雖然比1層海綿材料發(fā)生形變量較大，但較大的沖擊力仍將硬度較小的海綿材料壓實(shí)，使其失去彈性，導(dǎo)致緩沖率呈線性下降。海綿B30、50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)均呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì)，這是由于硬度相對(duì)較大的緩沖材料在較小的瞬時(shí)沖擊力作用下，發(fā)生的形變量小，吸收的能量較少，使其緩沖率較低；而隨著瞬時(shí)沖擊力的增大，發(fā)生的形變量增大，吸收的能量增多，緩沖率升高；但當(dāng)瞬時(shí)沖擊力增加到一定程度后，硬度較大的材料也將被壓實(shí)，導(dǎo)致緩沖率降低。因而這些硬度較大的材料呈現(xiàn)出了先上升后下降的趨勢(shì)。

此外，在3 700N瞬時(shí)沖擊力時(shí)，2層海綿50特硬機(jī)粗的緩沖率依然高于其他緩沖材料。

3．3 3層緩沖材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步確認(rèn)緩沖材料的緩沖率隨厚度的變化趨勢(shì)，又進(jìn)行了3層 （30mm）緩沖材料的實(shí)驗(yàn)。表4所示的是不同瞬時(shí)沖擊力作用下厚度為3層的各種緩沖材料的緩沖率。圖7所示為材料緩沖率的變化趨勢(shì)。

與圖3、圖6不同，圖7中除軟質(zhì)海綿35中軟機(jī)的緩沖率隨瞬時(shí)沖擊力的增大出現(xiàn)了明顯的下降外，其余材料的緩沖率均呈平穩(wěn)變化，其中海綿B30、50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)表現(xiàn)出了很高的緩沖率，尤其在3 700N瞬時(shí)沖擊力時(shí)均取得了＞92%的緩沖性能。說(shuō)明當(dāng)選用合適的材料厚度時(shí)，如3層總厚度為30mm，在瞬時(shí)沖擊力的作用下，材料可發(fā)生較大的形變，而且形變的過(guò)程相對(duì)較慢，這樣材料就有足夠的時(shí)間吸收能量。但是，材料的硬度仍然有較大的影響。同樣是30mm的厚度，35中軟機(jī)材料依然出現(xiàn)了緩沖率隨沖擊力增大而近似于線性下降的趨勢(shì)，而且在3 700N瞬時(shí)沖擊力時(shí)與其他硬度的材料相比吸收能力相差很大?？梢姡牧系挠捕群秃穸仁菦Q定材料緩沖性能的關(guān)鍵因素。

表4 3層緩沖材料的緩沖率Table 4 Buffer rates of the materials with thickness 30mm／%

圖7 3層緩沖材料的緩沖率變化趨勢(shì)曲線Fig．7 Changing trends of materials buffer rates with thickness 30mm

圖8和圖9為35中軟機(jī)和50特硬機(jī)粗在不同厚度下的緩沖率變化趨勢(shì)曲線。從圖中可以看出隨著厚度的增加，緩沖率呈增加的趨勢(shì)。但是，同樣也可以發(fā)現(xiàn)，軟質(zhì)海綿材料的增加幅度較大，而硬質(zhì)海綿材料在厚度為20mm和30mm時(shí)的增加幅度不大。說(shuō)明隨著厚度增加，材料的緩沖率對(duì)材料厚度的依存性變小。從表4中還可以看到，海綿B30、50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)在一個(gè)相對(duì)較寬的沖擊力范圍內(nèi)都可以得到一個(gè)較高的材料緩沖率，這對(duì)選擇作為老年人股骨防護(hù)的緩沖材料或其他運(yùn)動(dòng)防護(hù)材料等是十分有利的。

3．4 組合緩沖材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由前述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)得到了明確的結(jié)論，材料的硬度不同、厚度不同，在不同的沖擊力下材料的緩沖率大不相同。但前面的實(shí)驗(yàn)主要集中同一種材料的緩沖性能實(shí)驗(yàn)上。為了考察不同材料組合后的緩沖性能，找到最適宜做老年人股骨防護(hù)用的緩沖材料，本文還對(duì)不同硬度的緩沖材料進(jìn)行組合，開展了厚度為2層和3層的材料緩沖率實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中采用35中軟機(jī)、B30機(jī)、50特硬機(jī)粗和60特硬機(jī)這幾種材料組合，分別是1層50特硬機(jī)粗與60特硬機(jī)組合，2層50特硬機(jī)粗與35中軟機(jī)組合，2層50特硬機(jī)粗與B30機(jī)組合，2層50特硬機(jī)粗與60特硬機(jī)組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不管是2層還是3層，不管是相對(duì)質(zhì)軟的材料在上層、還是相對(duì)質(zhì)軟的材料在下層，組合材料均沒有表現(xiàn)出比單種材料更高的材料緩沖率。說(shuō)明在現(xiàn)有材料厚度、硬度、組合的條件下，組合材料對(duì)瞬時(shí)沖擊力的吸收效果并不高于單種材料。

4 結(jié) 論

從以上的實(shí)驗(yàn)研究中，可得出如下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)開發(fā)的緩沖材料實(shí)驗(yàn)裝置，能夠模擬老年人摔倒時(shí)的受力狀態(tài)，能夠有效地完成各種材料的緩沖性能實(shí)驗(yàn)。

2）材料的硬度是影響材料緩沖性能的關(guān)鍵因素之一。在相同厚度下軟質(zhì)緩沖材料在較小的瞬時(shí)沖擊力作用下表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，但隨著瞬時(shí)沖擊力增大，吸收能力下降，緩沖率降低。而硬質(zhì)緩沖材料在較大的瞬時(shí)沖擊力作用下，發(fā)生的形變量大，對(duì)瞬時(shí)沖擊力的吸收效果相對(duì)較好。

3）當(dāng)材料的厚度較小時(shí)，如1層 （10mm），材料的緩沖率對(duì)材料的硬度和瞬時(shí)沖擊力的大小很敏感，同種材料中瞬時(shí)沖擊力的變化或不同種材料間硬度的變化，都會(huì)帶來(lái)材料緩沖率的較大變化。而另一方面，當(dāng)材料的厚度較大時(shí)，如3層 （30 mm），材料的緩沖率對(duì)材料的硬度和瞬時(shí)沖擊力的敏感性變小，同種材料中較大的瞬時(shí)沖擊力范圍或不同種材料中一定的硬度范圍，都可以得到較高的材料緩沖率，這對(duì)選擇作為老年人股骨防護(hù)用的緩沖材料或其他運(yùn)動(dòng)防護(hù)材料等是十分有利的。

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，厚度為3層 （30mm）時(shí)的材料緩沖率高于2層和1層，這為選擇老年人股骨防護(hù)器材料的厚度提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)?？紤]到隨著厚度增加材料的緩沖率對(duì)材料厚度的依存性變小以及由于太厚的股骨防護(hù)器將會(huì)影響穿戴甚至影響正常的行走，因此本研究沒有對(duì)材料厚度＞30mm的情況做深入研究。

5）今后，還將對(duì)股骨防護(hù)器的最佳形狀設(shè)計(jì)與防護(hù)器在瞬時(shí)沖擊力作用下位移變化對(duì)緩沖性能的影響進(jìn)行更深入的探討，為老年人股骨的防護(hù)與防護(hù)器的開發(fā)提供更充分的依據(jù)。

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