基于多場景鞋底止滑裝置的研究＊

孫樹陽，聶 晶，武媚奕，費雨晴，羅 貴，趙 晨

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832000）

生活中如商場、酒店、餐廳、健身房、學校、衛(wèi)生間、廚房等地方普遍存在濕滑路面，冬季戶外街道存在冰凍打滑路面，這給人們的安全出行帶來嚴重影響，滑倒、摔傷事件屢屢發(fā)生[2-3]。

據(jù)衛(wèi)生部不完全統(tǒng)計，每年因意外打滑摔倒的事件不計其數(shù)，因摔倒造成破皮、扭傷或骨折的案例更是頻頻出現(xiàn)，尤其是老年人，嚴重的可能危及到生命[4]，所以日常出行過程中的濕滑及冰雪路面止滑是一個亟需解決的問題。

1 國內(nèi)外鞋底止滑性能的研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在改善鞋底止滑方面主要涉及有改進鞋底材料、設計止滑花紋、止滑裝置及多因素優(yōu)化改善。

在鞋底材料方面，丁紹蘭等[5]對軍用橡膠鞋、PVC、PU等材質(zhì)的鞋進行止滑試驗研究，模擬在不同介質(zhì)濕滑路面進行受力移動，探究不同材質(zhì)鞋底的摩擦系數(shù)與耐磨性，每組施加載荷均為30kg，通過實驗得出不同濕滑路面中不同材質(zhì)鞋底的摩擦系數(shù)與耐磨性系數(shù)，如表1所示。

表1 （濕）水泥路面止滑度與磨耗量對比

陳罘杲[6]在橡膠鞋底材料中加入碳化鎢-鈷合金顆粒進行鞋底止滑耐磨性能的研究。這種材料制成的鞋底，結(jié)合了硬質(zhì)合金的耐磨性能和耐磨橡膠的抗沖擊性能，大大改善了其止滑耐磨性能，但加工工藝復雜，成本較高，暫時難以推廣。

在鞋底花紋方面，羅向東等[7]采用止滑測試儀對市場上6種不同花紋的橡膠鞋底進行止滑測試，其花紋分別為折線形、條形、細密形、塊狀、倒刺狀、圓點狀；每種類型取7個式樣，將其分別置于0℃左右，來測試不同花紋鞋底的硬度、回彈性及止滑性，實驗后發(fā)現(xiàn)圓點狀鞋底的各方面性能極佳，折線形方面性能最差，如圖1所示。

圖1 各種花紋鞋底摩擦系數(shù)

在止滑裝置方面，杜鴻武[8]設計了一種鞋底止滑結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該止滑結(jié)構(gòu)包括鞋底和止滑組件，止滑組件位于鞋底前后兩端的著力點處，由卡槽和抓地止滑釘組成。卡槽嵌入鞋底內(nèi)，卡槽的內(nèi)壁上設置有卡扣，抓地止滑釘?shù)纳隙吮砻嫔显O置有卡緊絲扣，卡緊絲扣與卡扣對接旋轉(zhuǎn)卡緊，抓地止滑釘?shù)牡撞吭O置有多個凸起頂尖，作為鞋的一種配置附件隨鞋攜帶，方便使用，具有很好的止滑效果。

圖2 鞋底止滑結(jié)構(gòu)

余麗君[9]設計了一款止滑鞋，如圖3所示。該止滑鞋的鞋內(nèi)設有傳動腔，傳動腔上側(cè)設有開口向下的從動槽，旋轉(zhuǎn)槽內(nèi)設有旋轉(zhuǎn)軸；通過旋轉(zhuǎn)自由轉(zhuǎn)換鞋底對地的摩擦程度，從而適應不同的易滑平面，來增加穿鞋者的安全系數(shù)，摩擦塊在增加摩擦的同時減少對如室內(nèi)平面的損傷，錐塊可增加室外如泥土道路的摩擦，從而增加了鞋子的多功能性，但在濕滑道路上的止滑性能不強。

圖3 一鞋底止滑裝置

杜堅等[10]為探究影響鞋底止滑性能，利用多因素交互因子進行分析，從鞋底材料、花紋、打滑液體與不同地面等因素來測定摩擦系數(shù)COF值。實驗發(fā)現(xiàn)，各因素之間交互作用對COE值影響顯著，含清潔劑與水的大理石地面，花紋寬度大的PU材質(zhì)鞋底的止滑性能較好，COF大于0.7；含油的大理石地面，溝槽寬度為1.2cm的EVA與PU材質(zhì)鞋底止滑效果良好；含清潔劑與水的水泥地面，花紋寬度為1.2cm的PU材質(zhì)鞋底的COF值最高；在含油的水泥地面，花紋寬度為1.2cm的EVA材質(zhì)鞋底的COF值最高。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國外目前在鞋底止滑性能方面的研究主要集中在鞋底花紋和結(jié)構(gòu)以及鞋底止滑性能的探究。

LI等[11]對鞋底花紋深度、溝槽寬度及花紋方向?qū)δΣ料禂?shù)的影響進行了比較深入的研究。通過對3種花紋溝槽寬度（3mm、6mm、9mm）、3種方向（0°、45°、90°）以及5種花紋深度（1mm、2mm、3mm、4mm、5mm）的大底花紋進行比較研究，結(jié)果表明，花紋溝槽的設計有助于鞋子和地面的排水，有助于鞋底與路面相互接觸，鞋底9mm寬的花紋溝槽比3mm寬的花紋溝槽摩擦系數(shù)值要高；而在相同的花紋深度下，橫紋0°和45°的花紋摩擦系較大，止滑性能較好。LI等還發(fā)現(xiàn)鞋底花紋越深，在濕的和洗滌劑的地面上摩擦力越大?；y深度每增加1mm，平均摩擦系數(shù)增加0.018到0.108。在所有濕的和含有洗滌劑的地面上，花紋越深，摩擦系數(shù)越高。

MOHAN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，通過鹵化改性可以明顯改善橡膠鞋底的止滑性能，試驗結(jié)果顯示采用質(zhì)量分數(shù)為0.5%的三氯異氰酸（TCI）丁酮溶液對熱塑性橡膠鞋底表面涂刷，使之形成一層均勻的涂層，由于氯化基團和氧化基團的引入，材料的表面能、極性和表面粗糙度均增大，從而使材料的摩擦系數(shù)顯著增大。YAMAGUCHI等[13]設計了一種新穎的混合膠塊結(jié)構(gòu)，在兩塊表面光滑的橡膠片之間（Ra=0.98μm）放置一塊表面粗糙的橡膠片（Ra=30.4μm），測試表面粗糙的橡膠片所占不同比例的鞋底在表面附有90%甘油水溶液的鋼板（Ra=0.09μm）上的摩擦系數(shù)。結(jié)果表明，當表面粗糙的橡膠片占整個鞋底面積的50%時，表現(xiàn)出最高的摩擦系數(shù)，且動靜摩擦系數(shù)差別最小。這種結(jié)構(gòu)設計可以有效改善鞋底在污染地面上的止滑性能。

MENZ等[14]系統(tǒng)研究了幾種常見的幾何造型的鞋跟對男式牛津鞋和女式時裝鞋止滑性能的影響，如圖4所示。通過試驗發(fā)現(xiàn)：在干態(tài)的路面上，鞋跟的不同幾何造型對止滑性能的影響顯著，在濕態(tài)下不顯著；干態(tài)下鞋B的動摩擦系數(shù)最低，鞋C的止滑性能最好，濕態(tài)下各鞋子的止滑性接近；干態(tài)下，鞋跟粗的女式時裝鞋比鞋跟細的止滑性能好，鞋G的止滑性能最好，但是G和E的止滑性接近，F(xiàn)和H的止滑性也接近，濕態(tài)下各鞋子的止滑性接近。

圖4 鞋跟樣式圖

2 現(xiàn)有問題與解決方案

目前在鞋底止滑方面，國內(nèi)外的研究方向單一，改進措施單一，不能很好地適應多場景應用與便利舒適度的綜合需求，為此，本次設計了一種多場景鞋底止滑裝置，如圖5所示。該裝置主要由帶鞋槽鞋底、小型傳動裝置、動力裝置、止滑裝置和固定裝置幾部分組成。小型傳動裝置中包括柔性傳送履帶、傳動軸、輕質(zhì)齒輪組成，動力裝置由小型電機和電源組成，止滑裝置由2種適應不同環(huán)境的不同材質(zhì)的止滑塊組成，固定裝置由固定升降臺和固定支架組成。

圖5 多場景應用止滑鞋結(jié)構(gòu)圖

該裝置的工作原理為：當需要切換行走環(huán)境時，按下鞋側(cè)面按鈕，電源接通，首先固定升降臺上方電機啟動，固定支架旋轉(zhuǎn)向上移出固定槽，解除原先止滑鞋塊的固定，之后電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動一定角度，更換另一止滑鞋塊到指定位置后，固定升降臺電機再次運行，將固定支架下移至固定槽后旋轉(zhuǎn)一定角度進行固定。

該止滑裝置相較于當今設計的止滑鞋與止滑裝置而言，在保證能夠達到足夠安全系數(shù)的情況下，操作上具有更便利性，可多場景切換，能夠有效地解決人們?nèi)粘３鲂袧窕氨┞访娴闹够踩珕栴}。