孫樹(shù)陽(yáng)，聶 晶，武媚奕，費(fèi)雨晴，羅 貴，趙 晨

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000）

生活中如商場(chǎng)、酒店、餐廳、健身房、學(xué)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(lái)嚴(yán)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(jì)，每年因意外打滑摔倒的事件不計(jì)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(yán)重的可能危及到生命[4]，所以日常出行過(guò)程中的濕滑及冰雪路面止滑是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外鞋底止滑性能的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在改善鞋底止滑方面主要涉及有改進(jìn)鞋底材料、設(shè)計(jì)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(duì)軍用橡膠鞋、PVC、PU等材質(zhì)的鞋進(jìn)行止滑試驗(yàn)研究，模擬在不同介質(zhì)濕滑路面進(jìn)行受力移動(dòng)，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(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)比

陳罘杲[6]在橡膠鞋底材料中加入碳化鎢-鈷合金顆粒進(jìn)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(fù)雜，成本較高，暫時(shí)難以推廣。

在鞋底花紋方面，羅向東等[7]采用止滑測(cè)試儀對(duì)市場(chǎng)上6種不同花紋的橡膠鞋底進(jìn)行止滑測(cè)試，其花紋分別為折線形、條形、細(xì)密形、塊狀、倒刺狀、圓點(diǎn)狀；每種類(lèi)型取7個(gè)式樣，將其分別置于0℃左右，來(lái)測(cè)試不同花紋鞋底的硬度、回彈性及止滑性，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)圓點(diǎn)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(shè)計(jì)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(diǎn)處，由卡槽和抓地止滑釘組成?？ú矍度胄變?nèi)，卡槽的內(nèi)壁上設(shè)置有卡扣，抓地止滑釘?shù)纳隙吮砻嫔显O(shè)置有卡緊絲扣，卡緊絲扣與卡扣對(duì)接旋轉(zhuǎn)卡緊，抓地止滑釘?shù)牡撞吭O(shè)置有多個(gè)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(shè)計(jì)了一款止滑鞋，如圖3所示。該止滑鞋的鞋內(nèi)設(shè)有傳動(dòng)腔，傳動(dòng)腔上側(cè)設(shè)有開(kāi)口向下的從動(dòng)槽，旋轉(zhuǎn)槽內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸；通過(guò)旋轉(zhuǎn)自由轉(zhuǎn)換鞋底對(duì)地的摩擦程度，從而適應(yīng)不同的易滑平面，來(lái)增加穿鞋者的安全系數(shù)，摩擦塊在增加摩擦的同時(shí)減少對(duì)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(qiáng)。

圖3 一鞋底止滑裝置

杜堅(jiān)等[10]為探究影響鞋底止滑性能，利用多因素交互因子進(jìn)行分析，從鞋底材料、花紋、打滑液體與不同地面等因素來(lái)測(cè)定摩擦系數(shù)COF值。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各因素之間交互作用對(duì)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(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)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(duì)鞋底花紋深度、溝槽寬度及花紋方向?qū)δΣ料禂?shù)的影響進(jìn)行了比較深入的研究。通過(guò)對(duì)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(jìn)行比較研究，結(jié)果表明，花紋溝槽的設(shè)計(jì)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(guò)鹵化改性可以明顯改善橡膠鞋底的止滑性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的三氯異氰酸（TCI）丁酮溶液對(duì)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(tuán)和氧化基團(tuán)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(shè)計(jì)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(cè)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(dāng)表面粗糙的橡膠片占整個(gè)鞋底面積的50%時(shí)，表現(xiàn)出最高的摩擦系數(shù)，且動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別最小。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiàn)的幾何造型的鞋跟對(duì)男式牛津鞋和女式時(shí)裝鞋止滑性能的影響，如圖4所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在干態(tài)的路面上，鞋跟的不同幾何造型對(duì)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(dòng)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(shí)裝鞋比鞋跟細(xì)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(wèn)題與解決方案

目前在鞋底止滑方面，國(guó)內(nèi)外的研究方向單一，改進(jìn)措施單一，不能很好地適應(yīng)多場(chǎng)景應(yīng)用與便利舒適度的綜合需求，為此，本次設(shè)計(jì)了一種多場(chǎng)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(dòng)裝置、動(dòng)力裝置、止滑裝置和固定裝置幾部分組成。小型傳動(dòng)裝置中包括柔性傳送履帶、傳動(dòng)軸、輕質(zhì)齒輪組成，動(dòng)力裝置由小型電機(jī)和電源組成，止滑裝置由2種適應(yīng)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(tái)和固定支架組成。

圖5 多場(chǎng)景應(yīng)用止滑鞋結(jié)構(gòu)圖

該裝置的工作原理為：當(dāng)需要切換行走環(huán)境時(shí)，按下鞋側(cè)面按鈕，電源接通，首先固定升降臺(tái)上方電機(jī)啟動(dòng)，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(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，更換另一止滑鞋塊到指定位置后，固定升降臺(tái)電機(jī)再次運(yùn)行，將固定支架下移至固定槽后旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行固定。

該止滑裝置相較于當(dāng)今設(shè)計(jì)的止滑鞋與止滑裝置而言，在保證能夠達(dá)到足夠安全系數(shù)的情況下，操作上具有更便利性，可多場(chǎng)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?wèn)題。