王　磊，徐　浩，劉　軒，胡　昀

(國網江蘇省電力公司檢修分公司淮安運維分部， 江蘇 淮安 223001)

0　引　言

傳統電力行業(yè)夜間巡視人員穿戴的安全鞋和建筑、水利等行業(yè)類似，作業(yè)時面臨著復雜的環(huán)境，如墜物會砸到腳，釘子等尖銳物體會刺穿腳。若作業(yè)人員在野外，還會遇到被蛇蟲叮咬的情況，嚴重威脅了作業(yè)人員的人身安全[1]。然而作業(yè)人員基本上以基礎的安全鞋為主，鞋子通常為低幫設計，鞋底采用厚橡膠絕緣材料，鞋面材料較硬，鞋子較重。當腳部遇到重擊時，基礎安全鞋無法有效地保護腳部，而且長途跋涉易使腳部疲勞。

國內外有學者提出了專門適用于爬鐵塔的勞保鞋。在低壓輸電線路帶電作業(yè)中，為了防止觸電意外的發(fā)生，需要人體與帶電體絕緣，因此專門設計了絕緣鞋[2-4]。在現有結構的安全鞋中均內置有保護包頭和防刺穿墊，以起到對足部的保護作用。保護包頭設置在安全鞋的鞋幫前幫，壓合在鞋幫的前幫幫面與前幫襯里之間，以保護足部的前腳面。防刺穿墊夾在鞋底的內底與外底之間，以防止鞋底被尖銳物體如釘子刺穿[5，6]。但是鋼包頭會增加鞋子重量，而且鞋子在遇到重擊時，只能保護腳底和腳趾頭，若誤碰捕鼠器等裝置，并不能對腳背或者全腳進行保護?，F有的研究大多數集中在單一性能的提升，而且主要集中在防刺、絕緣和特殊場合使用等方面。

綜上所述，針對在夜間巡視、避免被捕獵裝置傷害以及具有觸電預警功能的多功能鞋研究較少，尚沒有相關成果被推廣應用。因此，研發(fā)一套輸電線路夜間巡視多功能防護鞋，提高鞋子舒適性，避免作業(yè)人員腳部出現刺傷、被蛇咬、觸電等安全事故是當前亟需解決的問題。

1　輸電線路夜間巡視多功能防護鞋材料選擇

鞋靴材料是鞋靴美觀、舒適以及功能性的物質載體。由于夜間巡視多功能鞋靴的功能體現需要相應的鞋靴材料來支持，因此材料的選擇至關重要[7]。

參考已有安全鞋使用的材料，多功能鞋底依舊采用橡膠絕緣材料，對鞋頭和鞋跟進行加固，可以有效地對腳趾和腳跟進行保護。鞋幫采用高幫設計，既能夠保護小腿部分不受到蛇蟲叮咬，還能防止腳踝扭傷。

良好的鞋面內襯材料可以保證鞋面的柔軟性，如果使用合適的內襯增強防刺能力，就能夠代替?zhèn)鹘y使用的鋼包頭，從而減輕鞋子總重量。

1.1　材料選擇依據

現有的專用防刺鞋基本構造為鞋頭部分由復合金屬包裹，增強防刺性能，但是由于鞋面堅硬并且笨重，導致穿著舒適性差、腳部易疲勞。因此在材料單位質量輕的前提下，依據受到的刺割等力學特性選擇合適的鞋體內部材質。

力學特性分析主要包含摩擦自鎖和疊層復合。

(1)摩擦自鎖原理

在刺入過程中，當被刺入紗線達到無法繼續(xù)擴張的程度，刀刃會停止深入，此時擴張所需要的紗線間摩擦力的數量級很大。如果紗線的強度足夠大，當紗線無法滑動時，此時織物變形達到的狀態(tài)被稱為“鎖緊”狀態(tài)。當刺刀作用于織物表面時，刺力可以分解為平行于織物的摩擦力和垂直織物的法向力，如圖1所示。

圖1　刺力在材質表面的分解

(2)疊層復合原理

如圖2所示，當刺力垂直作用于防護材料表面，由于表面彎曲，刺力F分解為垂直于表面的法向力F2和平行于表面的切向力F1，因此需要能承擔這兩種力的材質做吸能材料。外力作用下，復合材質的變形規(guī)律如圖3。

圖2　垂直刺力在材料表面的分解　　　　　　　　　　　　圖3　刺力作用下復合材質的變形

由刺割過程可知，下層刀角越小，切向力(拉力)F1越小，法向力(剪切力)F2越大。所以抗拉能力強的材質應置于外層，而抗剪能力強的材質置于內層。

1.2　鞋面材料的選擇

通過對織物的透氣性能和防水性能進行測試分析，綜合考慮鞋面材料的防刺性、成形性和舒適性的組合方式，選擇合適的鞋面內部材料。

研究材料選用超高分子量聚乙稀織物，該織物的基本參數如表1中所示。針對織物密度、織物組織、刺割角度、涂層溶液對單層織物防刺性能的影響進行研究，并依據測試結果分析了影響機織物刺割強力的因素及機織物的防刺機理。同時對單層和多層復合織物的防刺性能進行研宄，分析了不同的織物組織復合、角度配置復合、密度配合、組織交叉層、織物復合層數、刺層的位置對復合織物防刺性能的影響，得到了防刺性能優(yōu)異的紡織品。

從上述研究過程得到的結論可知：在制作鞋面時，采用斜紋織物、鍛紋織物、平紋織物的先后順序疊加組合的形式，鞋面材料的防刺強度最大[8]。

表1　超高分子量聚乙烯織物的基本參數

1.3　鞋舌的材料選擇

巡檢遇到捕鼠夾等裝置，腳部的最高點最先受到沖擊力。高度系數是指腳的各個特征部位高度與腳長的比例，由表2可知，腳背為腳部最高點。由于腳背被鞋舌覆蓋，僅僅靠鞋面自身材料抵抗捕鼠夾等裝置的割傷力是不夠的，因此需要對該多功能鞋的鞋舌進一步設計。

表2　腳部的高度系數表

從減少沖擊力和防止割傷這兩個方面進行考慮，選用鋼片材料可以防止尖刺物刺穿鞋面，厚海綿墊可以很好的緩沖尖刺物的沖擊力。因此基于原來鞋面材料的，在鞋舌部分增加厚海綿和鋼片，鋼片覆蓋在厚海綿墊上。

人腳的外形如圖4所示，腳背是腳的主要組成部份，是行動時的受力部位，行走時有較輕微的伸屈。腳背的受壓不能太緊,否則會加劇腳的疲勞感,或造成腳背壓痛,影響正常行走。如果將海綿和鋼片覆蓋在整條鞋舌上，由于鋼片的彎曲性差，行走時會增大腳背所受的壓力，導致舒適度差。因此在設計時，僅僅在鞋舌的前半部分覆蓋海綿和鋼片，如圖5所示。

圖4　人腳的外形　　　　　　　　　　　圖5　鞋舌設計圖

2　防觸電報警裝置

防觸電報警裝置，主要分為探測和接收單元、報警和控制單元。基于簡單可靠的測量方法，其中的探測和接收單元將高壓場強信號轉換為易處理的電壓信號，再通過控制單元進行衰減、整形、濾波，得到與電場強度對應的直流信號[9-11]。直流信號經過蜂鳴器產生報警聲提醒巡檢人員。工作人員可以根據工作環(huán)境，通過電源開關來選擇模式，因此在多功能鞋被閑置的情況下可以節(jié)約電池電量。其電路原理圖如圖6所示。

圖6　防觸電報警電路原理圖

靜電感應是在外電場的作用下電荷在導體中重新分布的現象[12]。靜電感應的應用電路如圖7所示。因此該裝置的探測和接收模塊可采用矩形金屬片，長度和寬度分別為4 cm和1 cm。不需要單獨添加感應天線即可以感應周圍環(huán)境的電場，簡化了裝置的內部結構，節(jié)約了成本。

圖7　串聯電容靜電感應

基于電力電子技術原理，設計控制單元的內部結構?？刂茊卧▓鲂堋⒈容^器、高壓檢測電路，連接場效應管的輸入端與電場感應單元連接，高壓檢測電路的電源引腳與電源，比較器的輸出端通過三極管與報警單元連接[13-14]。

放大電路采用典型的電場檢測電路，利用二極管的單方向導電特性完成整流。報警單元為蜂鳴器。在感應到周圍環(huán)境有帶電器件時，通過蜂鳴器發(fā)生聲音報警信號，以提醒用戶遠離帶電器件。防觸電報警裝置的具體電路如圖8所示。

圖8　防觸電報警裝置具體電路

考慮到在巡檢過程中路況較差，容易踩到尖銳的物體，電子元件分布在鞋底容易受到損壞導致無法正常使用。因此將電子元件放入元件盒內，貼合在鞋幫的側面。鞋子的外觀設計如圖9所示。

圖9　多功能鞋外觀設計圖

3　鞋內空間結構設計

3.1　楦型設計與腳型結構

腳長是制訂鞋號的基礎,也是設計鞋楦底樣長的依據。腳的長度往往受氣候和從事勞動強度的不同而有所變化。由于氣候變化引起的腳長變化一般為3～5 mm，當人在從事重體力勞動或長時間行走時也會使腳的尺寸增長[15]。

輸電線路一般綿延幾十甚至上百公里，巡檢人員行走持續(xù)時間長，因此該巡檢用多功能鞋設計尺寸應較標準尺寸偏大。

3.2　鞋底設計

由于巡檢環(huán)境復雜多變，鞋子應能適應各種地形。增加并加深鞋底的紋路有利于增大與地面摩擦，增強下雪結冰路況巡檢安全性。其次鞋跟的造型，接地面積應盡量大一些，增強鞋跟的彈性以提高減震性能[16]。

4　結　論

(1)本設計中，鞋面選用超高分子量聚乙稀織物，并且在制作鞋面時，采用斜紋織物、鍛紋織物、平紋織物的先后順序疊加組合的形式，鞋面材料的防刺強度最大。

(2)在鞋舌的前半部分覆蓋海綿和鋼片，增強防刺穿性能。

(3)設計了一種防觸電報警裝置并合理分布電子元件，將裝置元件盒安裝在鞋幫側面。當夜間巡視接近帶電器件時，報警裝置發(fā)出蜂鳴聲提醒巡檢人員。

(4)多功能鞋設計尺寸應較標準尺寸偏大，增加和加深鞋底的紋路。鞋跟的接地面積應盡量大一些，增強鞋跟的彈性以提高減震性能。

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