電弧防護服人體工效學研究

黃 圳 唐 虹 張成蛟

（南通大學，江蘇南通，226019）

隨著科技的進步和工業的快速發展，帶電的作業場所急劇增加，電弧傷害事故不斷增多，電弧防護服的開發與應用也引起廣泛關注。我國電弧防護服研制方面還處在摸索階段，電弧防護服質量也參差不齊，而且缺少對電弧防護服的熱濕舒適性及人體工效性方面的系統性研究［1-2］。本文以最常用兩款等級為Ⅰ級和Ⅱ級的電弧防護服為研究對象［3］，通過暖體假人方式研究其熱濕舒適性，通過真人試穿方式對其服用舒適性及工效性進行評價，為后續新型電弧防護服裝的設計及相關服用性能研究提供理論基礎和科學依據。

1 試驗服裝的設計及制作

通過對國內63家電弧防護服生產企業的網絡調查，按照基本電弧防護服上下分體式款式，設計制作了兩種同款同尺寸的電弧防護服，型號標準均為170/88A，如圖1所示。

兩款電弧防護服分別用試樣1和試樣2表示，原料均為芳綸+蘭精FR纖維，單位面積質量分別為180 g/m2和230 g/m2，電弧熱防護性能值ATPV分 別 為25.95 J/cm2和36.84 J/cm2，材 料破裂閾值Ebt分別為62.79 J/cm2和87.90 J/cm2，防電弧等級分別為Ⅰ級和Ⅱ級，克羅值分別為0.240 83 clo和0.242 52 clo。

圖1 電弧防護服款式及成衣圖

2 試驗

2.1 暖體假人試驗

2.1.1 試驗器材

在人工氣候室內使用Newton暖體假人測量，假人測試區段如圖2所示。各個區段溫度獨立控制，測試靜態或動態下服裝整體和局部的熱阻以及濕阻［4］。

圖2 假人測試區段

2.1.2 試驗環境

試驗中將暖體假人按部位分區，如圖2所示。紅色區域為服裝整體部分，淺藍區域為手臂部位，深藍區域為軀干部位，綠色部分為下肢部位。圖3為暖體假人熱阻和濕阻測試過程圖。其中，熱阻測試采用ISO 15831—2004《The International Organization for Standardization.Clothing—Physiological Effects—Measurement of Thermal Insulation by Means of a Thermal Manikin》［5］，濕阻測試采用ASTM F2370—16—2016《Standard Test Method for Measuring the Evaporative Resistance of Clothing Using a Sweating Maniki》［6］。人工氣候室試驗環境指標如下。

圖3 暖體假人測試過程

2.2 真人試穿試驗

2.2.1 試驗內容

生理指標測量皮膚溫度、前胸相對濕度、心率、新陳代謝，測試儀器為COSMED K5型便攜式人體運動氣體代謝遙測儀和MSR 145型溫濕度記錄器。

皮膚溫度測量包括前胸溫度、上臂溫度、大腿溫度、小腿溫度。采用四點法測平均皮膚溫度，測量點分別為胸部、上臂、大腿、小腿。平均皮膚溫度的計算式為：平均皮膚溫度=0.3×前胸溫度+0.3×上臂溫度+0.2×大腿溫度+0.2×小腿溫度，單位為℃［7］。

選擇前胸位置測量相對濕度，因為前胸出汗量適中，適合觀察相對濕度變化［8］。

2.2.2 試驗人員選擇

真人試穿試驗有5名志愿者，體重在（60±5）kg，身高在（170±3）cm，年齡在（21±2）歲。試驗中試驗者均穿著純棉T恤和純棉內褲。

2.2.3 試驗流程

真人試驗環境溫度（23±1）℃，相對濕度（60±5）%。模擬電力系統工人中度勞動強度工作，測量其生理指標和主觀感受［9］。

準備階段時間為20 min，包括試驗儀器的調試、試驗者服裝的穿著和佩戴。

正式試驗階段為65 min，有3個階段。階段1：進行5 min準備心肺測試；階段2：以5 km/h的速率步行40 min，并在試驗進行20 min時進行心肺測試；階段3：靜坐休息20 min。

2.2.4主觀評價標尺

主觀指標有冷暖感、悶濕感、靈活感和軟硬感，按5級評價標尺評價［10］，見表1。

表1 主觀評價標尺

2.3 數據分析方法

試驗數據除了局部熱阻和濕阻數據是平均值以外，其他數據都是平均值正負標準差。

把假人穿著衣物各部位分為全身、手臂、軀干、腿部。通過單因素方差分析，比較兩個不同防護等級和不同部位對服裝濕阻和熱阻的影響。通過配對樣本t檢驗、平均皮膚溫度、平均前胸相對濕度、心率進行分析。通過wilcoxon秩合分析對真人試穿的主觀感受進行對比分析。

采用SPSS對試驗數據進行對比分析，以顯著性水平P為衡量指標，設為0.05。

3 試驗結果與分析

3.1 暖體假人試驗結果與分析

計算試樣1和試樣2在相同工況下穿著時不同部位的熱阻［11］。試樣1和試樣2的全身熱阻分別是1.38 clo和1.43 clo，手臂熱阻分別是1.33 clo和1.33 clo，軀干熱阻分別是1.48 clo和1.53 clo，腿部熱阻分別是1.17 clo和1.25 clo。從結果可以看出，兩個不同防護等級的電弧防護服熱阻不存在顯著差異（P＞0.05）。但防護服各部位熱阻之間存在差異，軀干部位的熱阻與全身熱阻（P<0.05）、手臂熱阻（P<0.01）、腿部熱阻（P<0.01）均存在顯著差異。腿部熱阻與全身熱阻（P<0.05）、手臂熱阻（P<0.05）、軀干熱阻（P<0.01）均存在顯著差異。手臂熱阻與全身熱阻之間不存在顯著性差異（P＞0.05）。因此可以得出，在服裝覆蓋的區域中，腿部的熱阻最小，軀干的熱阻最大，其原因是軀干部位是人體和服裝的核心部位，遠離服裝通風口，不利于熱量的散濕。李佳怡等對防寒服的熱阻測量中也得到了腿部熱阻相對于上半身低的結果［12］。

計算試樣1和試樣2在相同工況下穿著時不同部位的濕阻。試樣1和試樣2的全身濕阻分別為35.41 m2·Pa/W和36.15 m2·Pa/W，手臂濕阻分別為28.15 m2·Pa/W和29.09 m2·Pa/W，軀干濕阻分別為36.28 m2·Pa/W和33.32 m2·Pa/W，腿部濕阻分別為35.92 m2·Pa/W和39.73 m2·Pa/W。從結果可以看出，兩個不同防護等級電弧防護服各部位的濕阻不存在顯著差異（P＞0.05）。但防護服各部位濕阻之間存在差異，手臂濕阻與全身濕阻（P<0.05）、軀干濕阻（P<0.05）、腿部濕阻（P<0.01）存在顯著差異。全身濕阻、軀干濕阻、腿部濕阻三者之間不存在顯著差異（P＞0.05）。因此可以得出，服裝覆蓋的區域中手臂濕阻最小，腿部濕阻最大，軀干與全身的濕阻相近。

3.2 真人試穿試驗結果與分析

3.2.1 皮膚溫度

真人試穿時平均皮膚溫度變化如圖4所示。

圖4 試驗人員平均皮膚溫度變化

從圖4中可以看出，穿著兩件電弧防護服的試驗人員皮膚溫度都經歷了相似的過程。階段1：前5 min，試驗人員皮膚溫度保持平穩。階段2：在5 min～13 min期間，試驗人員皮膚溫度下降迅速，穿試樣1的試驗人員皮膚溫度從32.4℃下降到31.9℃，穿試樣2的試驗人員皮膚溫度從32.3℃下降 到31.8℃，均 下 降 了0.5℃；在14 min～33 min期間，試驗人員皮膚溫度緩慢上升，穿著試樣1和試樣2的試驗人員皮膚溫度分別上升了0.1℃和0.3℃；在34 min～45 min期間，試驗人員皮膚溫度都緩慢下降了0.1℃。其原因是運動使得人與空氣相對運動，導致熱量散失，運動使人體產生熱量，皮膚溫度上升，隨后由于汗液蒸發散熱導致皮膚溫度下降。階段3：從46 min開始，穿著試樣1和試樣2的試驗人員皮膚溫度分別迅速上升了0.8℃和0.9℃；從50 min以后，試驗人員的皮膚溫度趨于平穩；原因是停止運動后人體產生的熱量仍處于較高水平，但缺少了運動時相對空氣流動，導致試驗人員皮膚溫度迅速上升。其溫度變化規律在運動階段與文獻［4］對運動服的研究相近。

3.2.2 前胸相對濕度

真人試穿時平均前胸相對濕度變化如圖5所示。

圖5 試驗人員平均前胸相對濕度變化

從圖5可以看出，穿著兩件電弧防護服的試驗人員前胸相對濕度都經歷了相似的變化過程。階段1：前5 min，前胸相對濕度相對平穩。階段2：在5 min～13 min期間，試樣1前胸相對濕度從50%降到了47%，試樣2前胸相對濕度從55%降到了52%，其原因是運動導致空氣流速增加，利于散濕；在14 min～33 min期間，試樣1和試樣2前胸相對濕度分別上升了23%和18%，相對濕度都達到了70%；在34 min～45 min期間，相對濕度都上升了4%，速度放緩，原因是出汗使得皮膚溫度下降，出汗隨之放緩。階段3：在46 min～50 min期間，前胸相對濕度加速上升，試樣1和試樣2前胸相對濕度分別上升了3%和6%，其原因是停止運動導致散熱能力下降，皮膚出汗增加；50 min到試驗結束，試樣1和試樣2前胸相對濕度分別下降了13%和11%。

通過配對樣本t檢驗，在試驗的3個階段，穿著試樣1的前胸相對濕度都低于試樣2（P<0.01）。由此也可看出，在相同的條件下，試樣1的透濕能力更加出色。

3.2.3 人體新陳代謝率和心率

穿著試樣1和試樣2靜坐時，試驗人員的人體 新 陳 代 謝 率 分 別 為（1.43±0.19）met和（1.62±0.21）met，步行時人體新陳代謝率分別為（5.59±1.07）met和（5.78±0.78）met。穿著試樣2時靜態和動態人體新陳代謝率都高于試樣1（P<0.05），說明穿著試樣1工作能耗更小。

試驗人員平均心率變化如圖6所示。從圖6可以看出，通過配對樣本t檢驗，在靜態情況下，穿著試樣1和試樣2，試驗人員平均心率無顯著差異（P＞0.05）。在動態情況下，穿著試樣1的心率略高于穿著試樣2的心率（P<0.05）。

圖6 試驗人員平均心率變化

3.2.4 真人試穿主觀評價

試驗人員主觀評價值情況如圖7所示。從圖7可以看出，整個試驗過程中，冷暖感和悶濕感都在步行試驗的過程中增強，在休息20 min后顯著降低；而靈活感和軟硬感變化不明顯。

在試驗剛開始時，試驗者評價試樣1比試樣2穿著更靈活（P<0.05），柔軟；試驗進行20 min和40 min時（步行試驗期間），試樣1比試樣2穿著更靈活（P<0.05），穿著試樣2的過程中試驗者熱感更明顯，且覺得試樣1更柔軟；在試驗進行60 min時，試驗者均感覺試樣1比試樣2涼快、靈活、柔軟。

圖7 試驗人員主觀評價值

4 結論

（1）暖體假人測試中，Ⅰ、Ⅱ級兩個防電弧等級對服裝各部位熱阻和濕阻的影響沒有顯著差異；在服裝覆蓋的區域中腿部的熱阻最小，軀干的熱阻最大，手臂與全身的熱阻相近；在服裝覆蓋的區域中手臂的濕阻最小，腿部的濕阻最大，軀干與全身的濕阻相近。

（2）真人試穿生理評價中，試樣1和試樣2的散熱方面沒有顯著差異，但試樣1的透濕能力優于試樣2；穿著試樣1的試驗人員新陳代謝率更低；主觀感受上，穿著試樣1散熱好、靈活、柔軟。

（3）電弧防護服電弧防護等級的差異會導致其穿著舒適性的區別，在實際應用中，相應的場合選用合適的防護等級服裝十分重要。在未來的研究中，一方面可以從電弧防護等級的跨度考慮，研究電弧防護值差別較大的服裝對比；另一方面，關于主觀評價中評價標尺的劃分可以更加細分一些，利于實際分析。