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方法文章

美式橄榄球头盔改进型落塔冲击测试

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DOI：

10.3791/53929

⸱

2017年2月19日

 ,  ,  ,  , 
1Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 2Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University, 3Rush Sport Medical, 4Mechanical Engineering, Mississippi State University

本文内容

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。特别是，NOCSAE认证7在头盔落塔测试中并未要求包含面罩。而面罩与头盔连接后所增加的刚度将显著改变头盔整体的力学响应。本研究提出一种方法，旨在建立更严格的头盔安全标准，从而推动更安全头盔设计的发展。

背景
头部损伤指标
与脑震荡相关的精确生物学机制仍不明确。尽管已有大量研究试图通过多种损伤指标来量化头部损伤的耐受限度，但生物医学界对这些标准仍存在争议。这些损伤机制被认为与以下几个因素相关：线性加速度、旋转加速度、冲击持续时间和冲量。8,9,10,11 已有多种损伤标准用于通过线性加速度来定义脑震荡。韦恩州立大学耐受曲线（WSTC）12,13,14 通过定义线性加速度与冲击持续时间之间的阈值曲线边界，用于预测正面碰撞事故中汽车乘员颅骨骨折风险的WSTC（头部伤害标准）被开发出来。WSTC已成为其他损伤判据（如严重度指数，SI）的基础。11 以及头部损伤判据（HIC），15 这两个是最常用的评估标准。SI和HIC均基于线性加速度-时间曲线的加权积分来衡量冲击严重程度。尽管这些标准定义了线性加速度的阈值，但已有其他标准被提出以考虑旋转加速度的影响，例如头部冲击功率指数。8,10,16 当前头盔测试标准通常采用基于韦恩州立大学耐受曲线（即HIC或SI）的损伤判据，或峰值加速度判据，或在某些情况下两者兼用。尽管需要进行一些修改以将角加速度纳入标准性能判据中，但基于线性加速度的判据仍占主导地位。

本研究中用于评估每顶头盔相对安全性的指标包括峰值合加速度、冲击指数（SI）和头部损伤判据（HIC）值。在这些指标中，目前美国运动设备标准国家操作委员会（NOCSAE）的足球头盔标准仅采用SI进行评估。SI基于以下公式：

静态积分公式，SI=∫(0 到 T) A^2.5 dt，方程。     (1)

其中 A 为头部质心（CG）的平移加速度，t 为加速度持续时间。11,17 冲击严重度指数（SI）根据 NOCSAE 标准18 计算，计算时对合成加速度曲线施加 4 G 的阈值限制。头部损伤判据（HIC）值通过以下公式计算：

头部损伤标准（HIC）公式，用于说明冲击损伤评估的计算方法。     (2)

其中 a 是头部质心的平移加速度，以及 t1 和 t2 分别为HIC达到最大值的时间区间内的初始时间和最终时间。本研究中计算的所有HIC值均为HIC36，其中时间间隔的持续时间被限制在36 ms。

NOCSAE 足球头盔测试标准
NOCSAE 概述
1969年，NOCSAE 成立，旨在为美式足球头盔/面罩及其他体育器材制定性能标准，以减少与运动相关的伤害。17 NOCSAE 足球头盔标准由韦恩州立大学的 Voigt Hodgson 博士9 制定，通过规定头盔/面罩的抗冲击性和结构完整性的要求，以降低头部损伤风险。这些足球头盔标准包括头盔的认证测试以及年度重新认证程序。2015年，NOCSAE 实施了一项质量保证计划，要求使用经美国国家标准学会（ANSI）认可的特定机构进行头盔认证。

NOCSAE 测试方法
NOCSAE 足球头盔标准未包含带面罩头盔的测试，因其要求在进行头盔跌落测试前拆除面罩。NOCSAE 头盔测试标准17采用双线悬挂跌落冲击装置，依靠重力将头模与头盔组合体加速至规定的冲击速度。NOCSAE 头模在其质心位置安装有三轴加速度计。随后，将头模与头盔组合体以特定速度跌落至一块钢制砧板上，砧板表面覆盖有厚度为 12.7 mm 的硬橡胶模块化弹性体编程垫（Modular Elastomer Programmer, MEP）。冲击瞬间的加速度被记录下来，并据此计算冲击指标（SI）值。这些 SI 值需在多种规定的冲击位置和速度条件下，以及常温和高温两种温度环境下，与通过/不通过判定标准进行比较。若任一次冲击产生的 SI 值超过阈值，则该头盔无法通过测试。

足球面罩认证采用独立的标准测试方法。NOCSAE 足球面罩标准包括对面罩、下颌带及其连接系统的结构完整性分析和冲击衰减性能评估。根据 NOCSAE 标准规定，每次冲击测量值必须低于 1,200 SI，且不得有任何面部接触或任何部件的机械失效，方可通过测试。19

目前提出了一项额外的NOCSAE测试（线性冲击器（LI））20，该测试包含带有面罩的头盔，但由于无法接受顶部冲击，因此不适用于橄榄球头盔的认证。LI测试使用气动冲头撞击头盔，头盔安装在配备混合III型假人颈部的NOCSAE头模上，该头模固定于线性导轨平台上，以产生角加速度。因此，LI测试是对当前双线悬挂式NOCSAE落锤测试程序的补充，而非替代方法。20,21 我们建议不采用LI测试，而是简单地在现有的双线悬挂式落锤测试程序中增加两个新的测试场景。

目前，NOCSAE用于足球头盔认证的标准测试方法包括六个规定撞击位置和一个随机撞击位置。规定的撞击位置包括以下部位：前部（F）、前部凸缘（FB）、侧面（S）、后部（R）、后部凸缘（RB）和顶部（T）。随机撞击位置测试可从头盔定义的可接受撞击区域内的任意点选取区域。我们改进的NOCSAE落锤测试中的撞击位置，是将原先定义的前部和前部凸缘撞击位置替换为新命名的前顶部（FT）和前顶部凸缘（FTB）撞击位置。我们的前顶部和前顶部凸缘撞击位置与NOCSAE对长曲棍球头盔标准中的前部和右前部凸缘撞击位置完全相同，后者在落锤测试中也包含面罩部分。22 头盔壳体的撞击位置（包括被替换的前部和前部凸缘位置）如图1所示。 此外，本研究中改进的头盔测试方法还包括两个面罩撞击位置，分别命名为FG前部（FG Front）和FG底部（FG Bottom）。这两个面罩撞击位置与当前NOCSAE面罩认证程序所要求的撞击位置完全一致。本研究中改进的NOCSAE撞击测试的八个撞击位置如图2所示。

用于测量的头部位置示意图，包含冠状面和正中面等角度与平面。
图1：足球头盔的近似冲击位置。 当前NOCSAE规定的六种落锤测试头盔冲击位置，分别为前部（F）、前部凸缘（FB）、侧面（S）、顶部（T）、后部（R）和后部凸缘（RB），以及本研究中提出的两个新增冲击位置：前上部（FT）和前上部凸缘（FTB）。注意：NOCSAE防护头盔标准测试方法中并未包含前上部和前上部凸缘冲击位置（以红色文字标示），在本研究中这两个位置替代了前部和前部凸缘冲击位置。（图像改编自NOCSAE DOC. 001-13m15b） 请点击此处查看该图的放大版本。

头盔冲击测试示意图，显示不同冲击角度和位置。
图 2： 改进的NOCSAE落锤测试装置，显示八个冲击位置。前上方、前上方凸台、侧面、面罩（FG）前方、后方、后方凸台、顶部和面罩底部（FB）。注意：NOCSAE标准不包含面罩附件，此处前上方和前上方凸台取代了标准中的前方和前方凸台冲击位置。（图片改编自NOCSAE DOC. 002-11m12） 请点击此处查看此图的放大版本。

在过去十年中，头盔设计不断演变，而美国国家业余体育协会标准（NOCSAE）的橄榄球头盔标准在评估头盔性能指标时始终未将面罩与头盔整体纳入考量。尽管近期已作出修订，针对最低冲击速度（3.46 m/s）增加了300 SI的合格/不合格阈值，但自1997年以来，通用的1,200 SI合格/不合格限值一直未变。17 在1997年之前，NOCSAE采用的是1,500 SI的合格/不合格标准。Hodgson 等（1970）的研究表明，SI值超过1,000会对生命构成危险，而在未佩戴头盔的尸体冲击测试中，SI值达到540即可导致线性颅骨骨折。23 大多数现代橄榄球头盔的测试结果均远低于1,200 SI的限值，但并非全部低于540 SI。

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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
  3. 将三轴加速度计牢固地安装在头模质心位置的加速度计安装板上。将加速度计置于安装板中央，使加速度计上的两个孔与安装板上的孔对齐。使用内六角螺丝刀插入两颗螺丝，并顺时针拧紧，直至加速度计牢固固定在安装板上。
  4. 根据制造商的说明书配置数据采集系统。28
    1. 连接数据采集组件的电缆。
      1. 将加速度计电缆连接至三通同轴分路器，然后将同轴电缆分别连接至同轴分路器的每个输出端。
      2. 将三通同轴分路器的每个同轴电缆自由端连接到放大模块背面的通道1、2和3的传感器输入端口。
      3. 将同轴电缆的一端连接至放大模块的输出端口（通道1、2和3），另一端分别连接至数据采集系统前面板的输入接口（对应通道1、2和3）。
      4. 将RS-232电缆的分叉端连接至数据采集系统的后部接口。
      5. 将剩余的RS-232电缆连接到个人计算机（PC）的Com端口1。
    2. 打开个人电脑（PC）并登录。
    3. 将数据采集系统软件下载并安装到计算机上。
    4. 打开数据采集组件电源：将各组件的120伏电源插头接入电源，然后将放大器的拨动开关拨至“开启”位置。
    5. 双击桌面上的数据采集程序图标以打开软件。
    6. 观察提示要求检查模块状态，点击“是”。
    7. 加载测试设置文件。点击“Setup”选项卡，向下滚动至“Open”，然后选择“Test Setup”。
      1. 浏览计算机目录，找到并选择标记为“NOCSAE1.TSF”的测试设置文件，点击“Load”。
    8. 输入加速度计的传感器信息。
      1. 单击活动模块中第3通道的黄色传感器输入图标。
      2. 将z轴加速度计的校准值（mV/G）输入至“CAL Value”文本框中。
      3. 点击“PREV”按钮。
      4. 对 y 轴加速度计（通道 2）和 x 轴加速度计（通道 1）重复步骤 1.4.8.1 - 1.4.8.3。
      5. 单击绿色的“返回”图标以退出传感器。
    9. 单击绿色的“Save”图标，然后将测试设置命名为“NOCSAE-JoVE”。
    10. 点击“保存”。

2. 头盔准备

  1. 选择用于冲击测试的头盔型号。对于头盔认证，应根据 NOCSAE DOC.01124 选取测试样本。按照 表 1 及 图 1 和 图 2 所示进行样本测试。
  2. 为每种选定的头盔型号选择相应的面罩。与 NOCSAE 标准不同，需使用该头盔的基准面罩进行基础头盔冲击测试。
  3. 使用十字头螺丝刀，将正确的面罩及所有与面罩配套的硬件牢固地安装到每个用于测试的头盔上。与 NOCSAE 标准测试方法不同，所有头盔均需在安装面罩的情况下进行测试。
  4. 根据表 1、NOCSAE DOC. 0027 和 NOCSAE DOC.08725 的要求，将头盔置于相应温度条件下，通过将其暴露于实验室环境或环境试验箱中进行调节。初始头盔跌落测试应在常温下进行。
    1. 在测试前至少 4 小时，将选定的头盔移至实验室环境，温度为 72 °F ± 5 °F（22 °C ± 2 °C）。
    2. 若已完成所有常温冲击测试，则根据 表 1 将头盔暴露于调节温度下，时间为 4 小时，但不得超过 24 小时。7
      注：在高温条件下测试时，应选择常温跌落测试中记录到最高 SI 值的至少两个但不超过四个冲击位置进行测试。

3. 校准

  1. 进行头型校准：每次测试前，必须使用三轴加速度计、3英寸校准MEP垫以及由该特定校准MEP垫的年度NOCSAE校准垫资格报告所规定的跌落位置和速度，对每个头型进行校准。
    1. 使用内六角扳手将3英寸校准MEP垫牢固地固定在冲头（anvil）上。
    2. 根据年度NOCSAE校准垫资格报告，选择一个冲击位置及相应的冲击速度。
    3. 使用头型旋转装置和冲头导轨，调整头型和冲头至所需的冲击方向（前部、侧面或顶部）。参见NOCSAE DOC. 00118附录2的表1以及NOCSAE DOC. 10026。
      1. 从头型旋转装置上拆下锥形锁紧螺栓，调整头型调节器，使螺栓孔对准所需位置。插入并牢固拧紧锥形锁紧螺栓。
      2. 松开头型螺纹锁紧环，将头型鼻部旋转至所需方向，然后牢固拧紧头型螺纹锁紧环。
      3. 松开底板-冲头上的两个螺栓，滑动冲头直至达到所需冲击位置。拧紧底板-冲头螺栓，并确保所有连接件均已牢固固定。
    4. 将释放系统连接至跌落载物台组件。将跌落载物台组件提升至释放系统高度。将释放系统对准其在跌落载物台组件上的连接点，然后将电磁释放系统的拨动开关拨至“开启”（"On"）位置。
    5. 将跌落载物台组件升至特定高度，以达到所需的冲击速度。注意：由于摩擦差异，不同系统的具体高度可能有所不同。可能需要通过调整高度进行额外冲击，以确保达到正确的入射速度。
    6. 准备数据采集系统以记录事件（根据制造商的规格28）。
      1. 加载测试设置文件。点击“测试”选项卡，然后点击“采集数据”。
      2. 浏览计算机目录，找到并选择标记为“NOCSAE-JoVE.TSF”的测试设置文件。点击“加载”。
      3. 点击“确定”。
      4. 在“描述”对话框中输入测试描述，然后按“Tab”键。
      5. 提供一个5字符的测试ID，输入“JoVE1”，然后点击“继续”。
      6. 点击“继续”。
      7. 观察仪器预热过程。当计时器达到15秒后，点击“继续”。
      8. 观察系统自动执行加速度计校准。当所有方框均变为绿色后，点击“继续”。
    7. 使用释放系统，释放载物台组件，并通过同时拨动释放系统电源控制箱上的两个拨动开关，触发数据采集系统记录事件。
    8. 计算并记录所得的SI值。确保结果为1,200 SI ±2%。
    9. 重复步骤3.4.2–3.4.8，直至获得三个规定冲击位置的全部结果。
      注意：校准垫应在NOCSAE指定的实验室每年重新进行资格认证。
  2. 执行系统检查并保存结果。（参见NOCSAE DOC.00118第18节）

4. 测试步骤

  1. 执行系统检查并保存结果。
  2. 将用于校准的MEP垫更换为MEP测试垫。
  3. 根据表1选择测试的冲击位置和速度。
    注意：冲击必须从最低下落速度到最高速度依次进行。环境温度下的冲击应在条件处理后的冲击之前完成。
  4. 正确调整头型方向和冲头位置，以实现所需的冲击位置，具体如图1和图2所示，并遵循第3节中的步骤。
  5. 选择待测头盔。
  6. 根据头盔制造商的佩戴说明及NOCSAE程序，正确将选定的头盔安装到头型上。调整并牢固地将头盔的下巴带固定在头型上。
    注意：由于面罩带来的额外约束，可轻微使用滑石粉以辅助头盔在头型上的安装。
  7. 将机械释放系统连接至下落 carriage 组件。
  8. 将下落 carriage 组件提升至特定高度，以达到所需的冲击速度。
  9. 准备数据采集系统以记录事件。重复步骤3.4.1至3.4.8。
  10. 使用机械释放系统释放 carriage 组件，同时触发数据采集系统记录事件。
  11. 冲击后立即记录SI、HIC和峰值加速度结果。
  12. 将记录结果与通过/失败标准进行比较。与NOCSAE标准不同，对于所有5.46、4.88和4.23 m/sec的冲击，设定700 SI为通过/失败阈值。对于所有3.46 m/sec的冲击，保持300 SI的通过/失败标准。
  13. 重复步骤4.3–4.11，直至获得所有规定冲击的结果。
    注意：可在更换头型方向和冲头位置前，先完成同一冲击位置下所有头盔的测试。
  14. 测试完成后执行系统检查并保存结果。
  15. 数据验证：比较测试前后的系统检查结果，确保任何差异不超过7%。

头盔撞击测试数据表；温度条件；常温、高温、低温；安全性能。
表1： 足球头盔跌落测试矩阵，显示按跌落速度（m/sec）和撞击位置所要求的撞击条件。（表格改编自NOCSAE DOC. 002-13m13） 请点击此处查看此图的放大版本。

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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...

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢密西西比州立大学先进车辆系统中心（CAVS）提供测试设施，以及密西西比州默里迪恩市Rush Sports Medical提供的资金支持。

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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CADEXSB203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-onQD21000量程至少达到 200 in/lb，精度 ±5%
双线导轨组件
下落滑车 SIRC1001
1/2" MEP 测试垫SIRC1006
1/8" 面罩测试垫SIRC1007
3" MEP 校准垫SIRC1005包含年度 NOCSAE 校准垫资格报告
3/8" 带钩眼的花篮螺栓SIRC1043锻钢材质，收紧行程为 6"
1/8" 钢丝绳套环 SIRC1044
1/8" 弹簧用音乐钢丝 SIRC1045
1/8" 钢丝绳、舵柄绳夹、青铜材质 SIRC1046
3/8" 16 x 3“ 吊环螺栓 SIRC1041
3/8" 锻造吊环螺栓SIRC1040
直角直流提升电机 SIRC2000
单槽滑轮（滑车），3 ¾" SIRC2002
顶部安装板SIRC2003
18" 顶部槽型支架 SIRC2004
壁挂式槽型支架，4' x 1 5/8" SIRC2005
机械释放系统 SIRC2006
提升钢缆，钢丝绳，20' 盘卷 SIRC2007
砧板基座 SIRC2010
砧板 SIRC2011
头型调节器 SIRC2012
头型旋转杆SIRC2013
头型螺纹锁环SIRC2016
 头型卡环 SIRC2014
尼龙衬套 SIRC1803
小型头型 SIRC1100
中型头型 SIRC1101
大型头型SIRC1102
锥形定位螺栓
直流电机调速控制器（可逆） SIRC2001

参考文献

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