美式橄榄球头盔改进型落塔冲击测试

摘要

本文提出了一种评估美式橄榄球头盔性能特征的新技术，该技术在NOCSAE标准跌落测试中纳入了面罩。此外，还建议在NOCSAE认证中增加两个新的冲击位置。

摘要

本文介绍了一种改进的美国国家运动设备标准委员会（NOCSAE）测试方法，用于美式足球头盔跌落冲击测试标准，该方法通过在头盔上安装面罩，可更准确地评估头盔在实际比赛中的抗冲击性能。本研究提出将面罩与头盔测试标准相结合。通过比较在改进的NOCSAE标准落锤测试条件下，不同头盔在不同冲击位置下的头部损伤准则（HIC）、严重性指数（SI）和峰值加速度值的代表性结果，强调了建立更完善、系统的足球头盔测试流程的必要性。这些对比性跌落测试结果表明，面罩为头盔壳体增加了刚性运动约束，从而降低了头盔整体的能量吸收能力。现有的NOCSAE标准测试方法可通过在头盔上安装面罩，并增加两个新的头盔冲击位置（前上方和前上方凸缘）来改进，以更真实地模拟赛场上的头盔撞击情况。所提出的足球头盔测试方法能更准确地反映头盔的实际性能及其缓解赛场冲击的能力，有助于推动更安全的足球头盔的设计与应用。

引言

研究动机
本改进型落塔测试方法的主要目标是更真实地模拟美式橄榄球头盔系统在实际比赛中的冲击情况，从而推动更严格的安全标准。该测试方法能够提供头盔系统响应特性的相关知识，有助于有效开发出更先进的护具以预防脑震荡。脑震荡的发生在美式橄榄球等身体对抗性运动中长期存在。仅在美国，每年估计发生160万至380万例与运动相关的脑震荡。¹ 一名橄榄球运动员每个赛季可能遭受超过1,500次头部撞击。^2,3 尽管大多数撞击的强度可能低于引发脑震荡的阈值，但这些撞击的累积效应可能导致长期脑损伤，其原因是一种由反复冲击引发的神经退行性疾病，称为慢性创伤性脑病（CTE）。⁴ CTE与大脑中tau蛋白的积聚有关，可导致记忆力减退、行为与性格改变、帕金森综合征以及言语和步态异常，有时甚至引发自杀。⁵ 在过去15年中，橄榄球头盔虽已取得一定技术进步，但即便是当今最先进的头盔也无法完全消除作用在头盔上的冲击力，因此运动员仍会发生脑震荡。Bartsch 等进行的一项研究⁶表明，在许多情况下，佩戴传统皮质头盔时的头部冲击剂量和脑损伤风险与佩戴广泛使用的21^世纪头盔时相当，这说明美式橄榄球头盔的设计和测试标准亟需改进....

方案

注意：本测试方法的协议参考以下 NOCSAE 文件（可在 http://nocsae.org/ 获取）：NOCSAE DOC.002-13m13：“新制造美式足球头盔的性能标准规范”¹⁸；NOCSAE DOC.011-13m14d：“根据 NOCSAE 标准进行产品抽样测试的制造商程序指南”²⁴；NOCSAE DOC.087-12m14：“美式足球面罩冲击测试的标准方法及性能要求”²⁵；NOCSAE DOC.100-96m14：“测试设备与冲击测试故障排除指南”²⁶；NOCSAE DOC.101-00m14a：“设备校准程序”²⁷

1. 测试设置

1. 按照NOCSAE DOC. 001第15.1节的规定，构建NOCSAE双线坠落载具组件。¹⁸ 如图所示 图5. 确认组装的各个部件均已牢固连接。
2. 将“大型”NOCSAE头模固定到落锤装置上，方法是将头模法兰与头模旋转调节器上的预定位置对齐，并拧紧头模螺纹锁紧环。
   注意：如果头型模型为新的或经过修复，请参阅 NOCSAE DOC. 100 的第 5 节。²⁶<....

结果

Rush 等.^(已投稿) 对该方法的结果进行了详细的定量分析。通过使用 Rawlings Quantum Plus、Riddell 360、Schutt Ion 4D 和 Xenith X2 头盔作为示例，展示了耦合面罩-壳体头盔测试方法的结果概要及其相关有效性，这些结果体现在落锤测试中。每种尺寸为“大号”的头盔在安装面罩后，其表现结果与未安装面罩时有所不同。图3 对比展示了在冲击速度为 5.46 m/s 时，Front Top、Front Top Boss、Top、Side、Rear 和 Rear Boss 六个冲击位置下，各示例头盔在有无面罩情况下的严重性指数（SI）值。尽管每次连续三次冲击（间隔 90 ± 15 秒）的平均 SI 值均远低于 NOCSAE 规定的 1,200 SI 阈值，但每种头盔在加装面罩后均表现出与位置相关的独特响应特征。表2 进一步通过展示有无面罩配置下头损伤准则（HIC）、严重性指数（SI）和峰值合加速度（G's）的均值差异（MD）及均.......

讨论

报道的方法结合了NOCSAE足球头盔和面罩跌落冲击测试，提供了一种独特的技术，用于评估现代足球头盔更优的性能特征。评估现代足球头盔这一更优性能特征最关键的步骤如下：1）正确设置机械测试装置；2）准确执行校准程序；3）将头盔/面罩正确安装到头模上。

该方法需要正确的测试设置和校准程序。由于制造工艺的限制（包括聚合物材料的孔隙率），每个NOCSAE头模之间均存在固有的变异性。为应对这种独特的变异性，NOCSAE通过使用每年重新认证的校准MEP垫片对头模进行校准，实施归一化处理。因此，确保机械测试装置得到正确且牢固的维护，避免引入额外的变异，显得尤为重要。测试前，必须检查螺纹头模卡环、头模旋转器以及落锤装置的螺栓，并确保其牢固拧紧。每次落锤测试前，应检查头盔与头模的定位以及下颌带的贴合情况。在冲击过程中，头盔可能发生位移，这种情况可以接受，但可能需要进行调整。

除了测试装置和校准程序外，冲击测试还需要对头盔进行适当的准备。面罩的选择以及头盔/面罩与头模的正确安装是测试程序中的关键步骤。对于常规头盔测试，应选择一种基准型号的面罩，并使.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
PCB 三轴加速度计	PCB	型号 353B17
TDAS2 数据采集系统	Diversified Technical Systems, Inc.	TDAS2	或同等性能的数据采集系统
电流源（放大器）	Dytran Instruments, Inc.	4114B1	或同等产品
速度门与挡片	CADEX	SB203	或同等测速仪
选定的足球头盔/面罩组件		包括下巴带和面罩硬件
高度规
扭矩扳手	Snap-on	QD21000	量程至少达到 200 in/lb，精度 ±5%
双线导轨组件
下落滑车	SIRC	1001
1/2" MEP 测试垫	SIRC	1006
1/8" 面罩测试垫	SIRC	1007
3" MEP 校准垫	SIRC	1005	包含年度 NOCSAE 校准垫资格报告
3/8" 带钩眼的花篮螺栓	SIRC	1043	锻钢材质，收紧行程为 6"
1/8" 钢丝绳套环	SIRC	1044
1/8" 弹簧用音乐钢丝	SIRC	1045
1/8" 钢丝绳、舵柄绳夹、青铜材质	SIRC	1046
3/8" 16 x 3“ 吊环螺栓	SIRC	1041
3/8" 锻造吊环螺栓	SIRC	1040
直角直流提升电机	SIRC	2000
单槽滑轮（滑车），3 ¾"	SIRC	2002
顶部安装板	SIRC	2003
18" 顶部槽型支架	SIRC	2004
壁挂式槽型支架，4' x 1 5/8"	SIRC	2005
机械释放系统	SIRC	2006
提升钢缆，钢丝绳，20' 盘卷	SIRC	2007
砧板基座	SIRC	2010
砧板	SIRC	2011
头型调节器	SIRC	2012
头型旋转杆	SIRC	2013
头型螺纹锁环	SIRC	2016
头型卡环	SIRC	2014
尼龙衬套	SIRC	1803
小型头型	SIRC	1100
中型头型	SIRC	1101
大型头型	SIRC	1102
锥形定位螺栓
直流电机调速控制器（可逆）	SIRC	2001