Experimental assessment of eye protection efficiency against high speed projectiles

IntroductionWork in hazardous zones with the risk of mechanical injuries requires protection with safety spectacles. Mechanical eye injuries with metal foreign bodies are often caused by rotational material machining or production processes with high pressure or high velocity moving parts. Normative regulations restrict to tests with small and fast flying objects (e.g. 6 mm ball). The literature does not provide any information about protection capabilities against larger objects with high mass and arbitrary shape.The purpose of this study was to test the protection efficiency of safety spectacles against flying objects. The scope of this paper is to present a new test setup for mechanical impact resistance testing of personal protective eyewear against objects with arbitrary shape and mass.Material and MethodsThe setup is based on a catapult platform, accelerating a sliding carriage on a rail. A pull rope system allows velocities up to 62 ± 2 m·s-1. A photo sensor was used for velocity measurement. The carriage can be loaded with projectiles of up to 30 mm × 30 mm × 40 mm in size with arbitrary orientation, depending on the carriage insert. Testing and validation was done with projectiles such as 7 g metal chips and fragments with approximate dimensions of 10 mm × 15 mm. Samples were standard occupational safety spectacles mounted on a test head. The projectile impact was captured with a monochrome high speed camera.ResultsThe aiming accuracy test showed deviations of approximately 1 mm of two impacts on the same spectacle surface with a free flight distance of 150 mm. All tests with slow, medium and high speed projectiles showed no contact with the eye medium. Objects with velocities from 10 m·s-1 to 62 m·s-1 fired the spectacle off from the test head. The medium speed test cut off one side of the spectacle frame. The high speed test with 62 ± 2 m·s-1 cracked the polycarbonate shield.DiscussionWe describe a method for accelerating arbitrary objects up to 62 m·s-1 and for aiming these objects on safety eyewear, mounted on a test head. The setup allows a variety of projectile shapes, orientations and velocities. The accuracy of velocity measurement is ± 2 m·s-1 for high velocity (< ± 5%). Further studies will address optimization of this setup due to signs of wear and gliding properties of the carriage, wireless ignition and higher velocities.

ZusammenfassungEinleitungArbeiten oder Tätigkeiten im potentiellen Gefahrenbereich, in dem die Möglichkeit einer mechanischen Gefährdung vorliegt, müssen mit einem adäquaten Augenschutz durchgeführt werden. Materialbearbeitung oder allgemein Produktions- und Fertigungsprozesse sind eine häufige Ursache für Augenverletzungen durch metallische Fremdkörper. Normative Anforderungen begrenzen sich auf Versuche mit kleinen definierten Objekten, wie zum Beispiel 6-mm-Stahlkugeln für einen Aufpralltest. Informationen über die Widerstandsfähigkeit gegen beliebig große und schwere Objekte und Projektile sind in der Literatur nicht zu finden.Diese Arbeit beschreibt einen neuen Versuchsaufbau, mit dem die mechanische Schutzfähigkeit von Sicherheitsbrillen gegen Fremdkörper mit beliebiger Form und Masse geprüft werden kann.Material und MethodenDer Versuchsaufbau basiert auf einer Beschussrampe, bestehend aus einem Beschleunigungsschlitten samt Führungsschiene und einem Seilzugsystem. Damit sind Geschwindigkeiten bis zu 62 ± 2 m·s-1 möglich, gemessen durch eine Lichtschranke am Ende des Beschleunigungsweges. Der Schlitten nimmt Projektile mit maximal 30 mm × 30 mm × 40 mm und beliebiger Beschusslage auf. Für die Validierung und die Messreihen wurden 7 g schwere Metallprojektile und Fragmente mit einer ungefähren Größe von 10 mm × 15 mm verwendet. Beschossen wurden Standardschutzbrillen, montiert auf einem Testkopf. Der Objekteinschlag wurde durch eine monochrome Hochgeschwindigkeitskamera dokumentiert.ErgebnisseDie Zielgenauigkeit liegt bei ungefähr 1 mm Abweichung, bezogen auf zwei aufeinanderfolgende Einschläge mit einer 150-mm-Freiflugphase. Keiner der Versuche führte zum Durchschlag und damit zum Augenkontakt mit dem Projektil. Bei allen Tests mit Geschwindigkeiten von 10 m·s-1 bis 62 m·s-1 wurde die Schutzbrille vom Testkopf geschleudert. Ein Versuch mit mittlerer Geschwindigkeit trennte eine Seite des Brillenrahmens ab. Der Hochgeschwindigkeitsversuch mit 62 ± 2 m·s-1 führte zu einem Riss in der Polycarbonatscheibe.DiskussionIn dieser Arbeit beschreiben wir eine Methode zur definierten Beschleunigung und zum Beschuss von Schutzbrillen mit beliebigen Objekten. Der Versuchsaufbau ermöglicht eine Vielzahl von Projektilformen, -lagen und -geschwindigkeiten. Die Messgenauigkeit beträgt ± 2 m·s-1 für hohe Geschwindigkeiten (< ± 5%). Folgende Studien beschäftigen sich mit der Optimierung des Aufbaus im Hinblick auf Verschleißerscheinungen und Gleiteigenschaften des Schlittens, einer kabellosen Fernzündung und mit höheren Geschwindigkeiten.