電工爬電纜重力壓握輔助裝置

旅游時，我發(fā)現電力工人在空中傾斜的電纜上行走或作業(yè)時鞋底容易打滑，不僅工作難度大，還存在安全隱患。能不能設計一個電工爬電纜輔助裝置，既可以使電力工人在高空傾斜的電纜上安全、高效作業(yè)，又不會損壞電纜呢？我決定試一試！

前期分析

1.電工鞋踩踏電纜的位置與方向

我在老師的指導下查找資料，了解電力工人穿電工鞋在高空爬電纜時，多數情況下是腳心下方的鞋底踩踏在電纜上，與電纜成一定的角度（如圖1）。

根據電力工人穿電工鞋踩電纜的習慣，以及電工鞋與電纜接觸位置與方向的關系，我準備在設計的裝置中部（鞋底踩踏電纜時對應人的腳心的位置）安裝能夾握電纜的可伸縮電纜爪，讓裝置與電纜接觸時，電纜爪能緊緊夾握住電纜，增大電工鞋與電纜之間的摩擦力，輔助電力工人更好地在傾斜的電纜上行走。

2.鞋踩電纜時力的分解

由力的合成與分解遵循的平行四邊形法則（如圖2）可知，電纜的傾斜度越大，鞋底對電纜的橫向壓力就越小。因為摩擦力與壓力成正比，所以鞋底對電纜的壓力（F2）越小，鞋底與電纜之間的摩擦力就越小。

當電力工人在水平的電纜上行走時，人的重力（G）幾乎成為鞋底對電纜的壓力（F2），滑動的力（F1）非常小，鞋底與電纜之間的摩擦力較大，所以不易打滑。而當電力工人在傾斜的電纜上行走時，鞋底對電纜的壓力（F2）變小，鞋底與電纜之間的摩擦力較小，鞋底易打滑。

初步設計

經過上述分析，我思考：能否把電纜對鞋底向上的力轉化為鞋底對電纜橫向的側壓力來抓握電纜？通過學習力學知識，我了解到使用杠桿可以省力或者省距離，還可以改變力的方向，于是想到利用杠桿原理改變力的方向，將鞋底踩踏電纜時電纜對鞋底向上的力轉變?yōu)閺膫让鎶A緊電纜的夾握力。這樣，可從電纜的上方與左右兩側三個方向對電纜施加夾力，大大增加鞋底與電纜之間的摩擦力，讓電力工人較輕松地在傾斜的電纜上行走與作業(yè)，同時增大安全系數。

基于這個原理，我設計了可以夾握電纜的夾纜爪，結構圖如圖3所示。

電工爬電纜重力壓握輔助裝置的主要組成部分就是這種夾纜爪。兩個夾纜爪通過支點固定在固定支架兩端，夾纜爪能以支點為軸轉動，中間的壓纜舌上端設置有滑槽，夾纜爪的橫臂通過連接軸與壓纜舌連接，連接軸能在壓纜舌的滑槽內滑動。夾纜爪的上端設有彈簧，可以從夾纜爪上端牽拉夾纜爪。

夾纜爪利用壓纜舌將重力改變?yōu)闄M向向內的夾握電纜的夾力，當鞋底踩在電纜上時，在重力的作用下，電纜上方的壓纜舌、兩側的夾纜爪能從電纜的上方以及左右三個方向同時給電纜施加夾力，從而將電纜緊緊夾握，增大鞋底與電纜之間的摩擦力，輔助電力工人在傾斜的電纜上行走。當鞋子被抬起時，夾握住電纜的夾纜爪通過彈簧的牽拉作用而自動向外彈開，松開電纜。

我根據電工鞋的大小，確定置于鞋底下方的可伸縮固定支架的可調節(jié)寬度為10～15 cm；根據電纜的粗細，確定夾纜爪夾臂的跨度約為8 cm。之后，我在電腦上繪制電工爬電纜重力壓握輔助裝置的設計圖（如圖4）。

實驗體驗

我用不同的材料包裹夾纜爪與電纜接觸的內側面，增大摩擦力，然后通過實驗比較在不同的壓力下夾纜爪在傾斜電纜上打滑的情況，實驗現象見表1。

裝置制作

根據實驗結果，我決定用橡膠類材料包裹夾纜爪，以增大其與電纜之間的摩擦力。改進后的電工爬電纜重力壓握輔助裝置結構圖如圖5所示。

根據結構圖和確定的尺寸，我在老師的指導下，利用學?？萍脊ぷ魇业牟牧?，完成了夾纜爪的優(yōu)化制作和電工爬電纜重力壓握輔助裝置的組裝，實物圖如圖6所示。

性能測試

1.裝置抓纜與松開的靈活性測試

當鞋子踩在電纜上時，裝置中的夾纜爪從電纜的上方及左右兩側三個方向緊緊夾握電纜，在傾斜角度為33°的電纜上不下滑。當鞋子被抬起時，夾纜爪自動向外彈開。這說明裝置基本達到了設計目標。

2.重力的影響

在大小不同的重力下，我對電工鞋直接接觸電纜時的下滑力與電工鞋套在裝置中接觸電纜時的下滑力進行對比，結果見表2。

分析表格中的數據可知，電工鞋直接接觸電纜時，隨著重力增大，下滑力也增大。在10 N重力下，電工鞋通過裝置接觸電纜時的下滑力只有電工鞋直接接觸電纜時的下滑力的40%。當重力增大，由于夾纜爪對電纜的夾力增大，電工鞋通過裝置接觸電纜時的下滑力幾乎為0。這說明電工爬電纜重力壓握輔助裝置有明顯的夾握電纜的效果。

3.電纜不同的傾斜角度對裝置夾力的影響

如果電纜的傾斜角度不同，電工鞋直接接觸電纜時的下滑力與電工鞋套在裝置中接觸電纜時的下滑力分別有多大？我進行了對比，對比情況見表3。

當電纜處在同一傾斜角度下，電工鞋套在裝置中接觸電纜時的下滑力比電工鞋直接接觸電纜時的下滑力小，說明電工爬電纜重力壓握輔助裝置能明顯增大電工鞋與電纜之間的摩擦力。

根據對比數據，當電纜的傾斜角度小于或者等于33°時，電工鞋套在裝置中接觸電纜時的下滑力為0，也就是說，電工爬電纜重力壓握輔助裝置在電纜的傾斜角度為33°及更小時的使用效果最好，這時夾纜爪對電纜的夾握力極大，幾乎沒有向下的滑力。

升級設計

通過分析測試數據，我覺得夾纜爪抓握電纜的抓握力不夠大。為了增大夾纜爪抓握電纜的抓握力，增大電工爬電纜重力壓握輔助裝置與電纜之間的摩擦力，我查找資料，從鳥的爪子能長時間牢固地抓握電纜與樹枝中受到啟發(fā)，決定在裝置中安裝軟質握纜帶，并在握纜帶與電纜接觸的一面貼上防滑橡膠層。

握纜帶上的防滑橡膠層可增大握纜帶與電纜之間的摩擦力。當鞋子踩踏電纜時，握纜帶在電纜向上的力的作用下牽拉兩側的支撐臂向中間擺動，從而緊緊抱握住電纜。當鞋子被提起時，握纜帶失去電纜向上的力，兩側的支撐臂在彈簧的作用下向外側彈開，從而使握纜帶松開電纜。

升級版電工爬電纜重力壓握輔助裝置結構圖如圖8所示，實物圖如圖9所示。

創(chuàng)新點

1.我針對電力工人在傾斜的電纜上行走時容易打滑、易發(fā)生安全事故這一問題，利用杠桿能改變力的方向的原理，將鞋踩電纜時電纜對鞋底向上的力轉換為從電纜上方與左右兩側三個方向夾握電纜的夾力，設計電工爬電纜重力壓握輔助裝置。這種裝置能與電工鞋靈活結合與分離，可加大自身與電纜之間的摩擦力，方便電力工人在傾斜的電纜上行走與作業(yè)。

2.通過實驗確定裝置的基本參數，保證裝置的靈敏性與可靠性。裝置實用價值高，適合推廣使用。（指導老師：陳水章）

本期點評專家

譚迪熬? 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

專家點評

電工爬電纜重力壓握輔助裝置是一件具有原創(chuàng)性的發(fā)明作品。這件發(fā)明作品的產生突出體現了：其一，楚銘濤同學具有良好的創(chuàng)新意識，旅游時也不忘科創(chuàng)實踐，同時善于觀察與思考，發(fā)現電力工人在幾十米高的傾斜的電纜上作業(yè)時的困難，確定了這個創(chuàng)新發(fā)明課題；其二，楚銘濤同學具有綜合解決問題的創(chuàng)新實踐能力，能夠把仿生學（仿鳥爪自握）的原理與課本上杠桿能改變力的方向的原理運用到作品中，將電工鞋踩踏電纜時，電纜對鞋底向上的力轉變成對電纜的抓握力，巧妙地解決了問題；其三，楚銘濤同學具有良好的科研潛質，能在研究過程中認真查找資料，運用所學知識設計多種方案，并利用現有的技術與條件，開展相關的實驗進行測量與比較，通過多次優(yōu)化設計，使裝置不斷升級，最終達到預期效果。希望楚銘濤同學今后在科創(chuàng)實踐的道路上邁出更堅定的步伐，成長為具有報國志向的拔尖創(chuàng)新人才。