输电线路夜间巡视多功能防护鞋研制
2018-04-10王磊，徐浩，刘轩，胡昀
王 磊，徐 浩，刘 轩，胡 昀
(国网江苏省电力公司检修分公司淮安运维分部， 江苏 淮安 223001)
0 引 言
传统电力行业夜间巡视人员穿戴的安全鞋和建筑、水利等行业类似，作业时面临着复杂的环境，如坠物会砸到脚，钉子等尖锐物体会刺穿脚。若作业人员在野外，还会遇到被蛇虫叮咬的情况，严重威胁了作业人员的人身安全[1]。然而作业人员基本上以基础的安全鞋为主，鞋子通常为低帮设计，鞋底采用厚橡胶绝缘材料，鞋面材料较硬，鞋子较重。当脚部遇到重击时，基础安全鞋无法有效地保护脚部，而且长途跋涉易使脚部疲劳。
国内外有学者提出了专门适用于爬铁塔的劳保鞋。在低压输电线路带电作业中，为了防止触电意外的发生，需要人体与带电体绝缘，因此专门设计了绝缘鞋[2-4]。在现有结构的安全鞋中均内置有保护包头和防刺穿垫，以起到对足部的保护作用。保护包头设置在安全鞋的鞋帮前帮，压合在鞋帮的前帮帮面与前帮衬里之间，以保护足部的前脚面。防刺穿垫夹在鞋底的内底与外底之间，以防止鞋底被尖锐物体如钉子刺穿[5，6]。但是钢包头会增加鞋子重量，而且鞋子在遇到重击时，只能保护脚底和脚趾头，若误碰捕鼠器等装置，并不能对脚背或者全脚进行保护。现有的研究大多数集中在单一性能的提升，而且主要集中在防刺、绝缘和特殊场合使用等方面。
综上所述，针对在夜间巡视、避免被捕猎装置伤害以及具有触电预警功能的多功能鞋研究较少，尚没有相关成果被推广应用。因此，研发一套输电线路夜间巡视多功能防护鞋，提高鞋子舒适性，避免作业人员脚部出现刺伤、被蛇咬、触电等安全事故是当前亟需解决的问题。
1 输电线路夜间巡视多功能防护鞋材料选择
鞋靴材料是鞋靴美观、舒适以及功能性的物质载体。由于夜间巡视多功能鞋靴的功能体现需要相应的鞋靴材料来支持，因此材料的选择至关重要[7]。
参考已有安全鞋使用的材料，多功能鞋底依旧采用橡胶绝缘材料，对鞋头和鞋跟进行加固，可以有效地对脚趾和脚跟进行保护。鞋帮采用高帮设计，既能够保护小腿部分不受到蛇虫叮咬，还能防止脚踝扭伤。
良好的鞋面内衬材料可以保证鞋面的柔软性，如果使用合适的内衬增强防刺能力，就能够代替传统使用的钢包头，从而减轻鞋子总重量。
1.1 材料选择依据
现有的专用防刺鞋基本构造为鞋头部分由复合金属包裹，增强防刺性能，但是由于鞋面坚硬并且笨重，导致穿着舒适性差、脚部易疲劳。因此在材料单位质量轻的前提下，依据受到的刺割等力学特性选择合适的鞋体内部材质。
力学特性分析主要包含摩擦自锁和叠层复合。
(1)摩擦自锁原理
在刺入过程中，当被刺入纱线达到无法继续扩张的程度，刀刃会停止深入，此时扩张所需要的纱线间摩擦力的数量级很大。如果纱线的强度足够大，当纱线无法滑动时，此时织物变形达到的状态被称为“锁紧”状态。当刺刀作用于织物表面时，刺力可以分解为平行于织物的摩擦力和垂直织物的法向力，如图1所示。
图1 刺力在材质表面的分解
(2)叠层复合原理
如图2所示，当刺力垂直作用于防护材料表面，由于表面弯曲，刺力F分解为垂直于表面的法向力F2和平行于表面的切向力F1，因此需要能承担这两种力的材质做吸能材料。外力作用下，复合材质的变形规律如图3。
图2 垂直刺力在材料表面的分解 图3 刺力作用下复合材质的变形
由刺割过程可知，下层刀角越小，切向力(拉力)F1越小，法向力(剪切力)F2越大。所以抗拉能力强的材质应置于外层，而抗剪能力强的材质置于内层。
1.2 鞋面材料的选择
通过对织物的透气性能和防水性能进行测试分析，综合考虑鞋面材料的防刺性、成形性和舒适性的组合方式，选择合适的鞋面内部材料。
研究材料选用超高分子量聚乙稀织物，该织物的基本参数如表1中所示。针对织物密度、织物组织、刺割角度、涂层溶液对单层织物防刺性能的影响进行研究，并依据测试结果分析了影响机织物刺割强力的因素及机织物的防刺机理。同时对单层和多层复合织物的防刺性能进行研宄，分析了不同的织物组织复合、角度配置复合、密度配合、组织交叉层、织物复合层数、刺层的位置对复合织物防刺性能的影响，得到了防刺性能优异的纺织品。
从上述研究过程得到的结论可知：在制作鞋面时，采用斜纹织物、锻纹织物、平纹织物的先后顺序叠加组合的形式，鞋面材料的防刺强度最大[8]。
表1 超高分子量聚乙烯织物的基本参数
1.3 鞋舌的材料选择
巡检遇到捕鼠夹等装置，脚部的最高点最先受到冲击力。高度系数是指脚的各个特征部位高度与脚长的比例，由表2可知，脚背为脚部最高点。由于脚背被鞋舌覆盖，仅仅靠鞋面自身材料抵抗捕鼠夹等装置的割伤力是不够的，因此需要对该多功能鞋的鞋舌进一步设计。
表2 脚部的高度系数表
从减少冲击力和防止割伤这两个方面进行考虑，选用钢片材料可以防止尖刺物刺穿鞋面，厚海绵垫可以很好的缓冲尖刺物的冲击力。因此基于原来鞋面材料的，在鞋舌部分增加厚海绵和钢片，钢片覆盖在厚海绵垫上。
人脚的外形如图4所示，脚背是脚的主要组成部份，是行动时的受力部位，行走时有较轻微的伸屈。脚背的受压不能太紧,否则会加剧脚的疲劳感,或造成脚背压痛,影响正常行走。如果将海绵和钢片覆盖在整条鞋舌上，由于钢片的弯曲性差，行走时会增大脚背所受的压力，导致舒适度差。因此在设计时，仅仅在鞋舌的前半部分覆盖海绵和钢片，如图5所示。
图4 人脚的外形 图5 鞋舌设计图
2 防触电报警装置
防触电报警装置，主要分为探测和接收单元、报警和控制单元。基于简单可靠的测量方法，其中的探测和接收单元将高压场强信号转换为易处理的电压信号，再通过控制单元进行衰减、整形、滤波，得到与电场强度对应的直流信号[9-11]。直流信号经过蜂鸣器产生报警声提醒巡检人员。工作人员可以根据工作环境，通过电源开关来选择模式，因此在多功能鞋被闲置的情况下可以节约电池电量。其电路原理图如图6所示。
图6 防触电报警电路原理图
静电感应是在外电场的作用下电荷在导体中重新分布的现象[12]。静电感应的应用电路如图7所示。因此该装置的探测和接收模块可采用矩形金属片，长度和宽度分别为4 cm和1 cm。不需要单独添加感应天线即可以感应周围环境的电场，简化了装置的内部结构，节约了成本。
图7 串联电容静电感应
基于电力电子技术原理，设计控制单元的内部结构。控制单元包括场效应管、比较器、高压检测电路，连接场效应管的输入端与电场感应单元连接，高压检测电路的电源引脚与电源，比较器的输出端通过三极管与报警单元连接[13-14]。
放大电路采用典型的电场检测电路，利用二极管的单方向导电特性完成整流。报警单元为蜂鸣器。在感应到周围环境有带电器件时，通过蜂鸣器发生声音报警信号，以提醒用户远离带电器件。防触电报警装置的具体电路如图8所示。
图8 防触电报警装置具体电路
考虑到在巡检过程中路况较差，容易踩到尖锐的物体，电子元件分布在鞋底容易受到损坏导致无法正常使用。因此将电子元件放入元件盒内，贴合在鞋帮的侧面。鞋子的外观设计如图9所示。
图9 多功能鞋外观设计图
3 鞋内空间结构设计
3.1 楦型设计与脚型结构
脚长是制订鞋号的基础,也是设计鞋楦底样长的依据。脚的长度往往受气候和从事劳动强度的不同而有所变化。由于气候变化引起的脚长变化一般为3～5 mm，当人在从事重体力劳动或长时间行走时也会使脚的尺寸增长[15]。
输电线路一般绵延几十甚至上百公里，巡检人员行走持续时间长，因此该巡检用多功能鞋设计尺寸应较标准尺寸偏大。
3.2 鞋底设计
由于巡检环境复杂多变，鞋子应能适应各种地形。增加并加深鞋底的纹路有利于增大与地面摩擦，增强下雪结冰路况巡检安全性。其次鞋跟的造型，接地面积应尽量大一些，增强鞋跟的弹性以提高减震性能[16]。
4 结 论
(1)本设计中，鞋面选用超高分子量聚乙稀织物，并且在制作鞋面时，采用斜纹织物、锻纹织物、平纹织物的先后顺序叠加组合的形式，鞋面材料的防刺强度最大。
(2)在鞋舌的前半部分覆盖海绵和钢片，增强防刺穿性能。
(3)设计了一种防触电报警装置并合理分布电子元件，将装置元件盒安装在鞋帮侧面。当夜间巡视接近带电器件时，报警装置发出蜂鸣声提醒巡检人员。
(4)多功能鞋设计尺寸应较标准尺寸偏大，增加和加深鞋底的纹路。鞋跟的接地面积应尽量大一些，增强鞋跟的弹性以提高减震性能。
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