步态摩擦系数影响因子研究

江发明,郑艳芳,李开伟,3

(1.湘潭大学 公共管理学院，湖南 湘潭 411105；2.湖南工学院 安全与环境工程学院，湖南 衡阳 421002；3.中华大学 工业管理系，台湾 新竹 30012)

1 引言

滑倒和摔倒是工作中难以避免的情况， 尤其在潮湿光滑的地面，工人更容易不慎而跌倒。Leamon & Murphy(1995年)的研究指出将近2/3的跌倒或者跌落是由于滑倒所造成的[1]。全世界每年约有30～40%的65岁以上老年人至少发生一次跌倒。据中国疾病监测系统的数据显示，跌倒已经成为我国65岁以上老年人因伤致死的首位原因。因受伤到医疗机构就诊的老年人中，一半以上是因为跌倒。老年人发生创伤性骨折的主要原因也是跌倒，跌倒是老年人常见的健康问题。我国每年约有30%的65岁以上的老年人发生跌倒，而且跌倒的发生比例随着年龄的增长而增加，80岁以上的老年人跌倒的年发生率可高达50%。据统计，截至2018年底，我国60周岁及以上人口为2.4949 亿人，占总人口的17.9%，65周岁及以上人口约为1.6658亿，占总人口的11.9%[2]。

工人在工作场所滑倒或摔倒主要是鞋底与地面的摩擦力不足而导致的[3-6]。鞋底与地面间的摩擦力是由它们之间的摩擦系数(COF)来决定的，一般认为摩擦系数越高越不易滑倒，摩擦系数越低越易滑倒。国外对于步态摩擦研究较早，在美国(Miller，1983年)，当作业环境摩擦系数低于0.5时被认为有较高的滑倒风险[7-8]。

摩擦系数一般可分为静摩擦系数和动摩擦系数。通常所使用的量测器主要用来测量静摩擦系数，静摩擦系数量测较易而被许多研究广泛使用。影响摩擦系数(COF)的因子很多，李开伟研究指出，摩擦系数(COF)受地面的粗糙程度、鞋底的设计、地面的材质、地面的污染状况、以及测量工具等的影响。即使在同一种鞋底和地面，其也会因鞋纹的宽度、深度不一样而不同。由于影响摩擦系数(COF)的因子太多而使其量测也相当复杂，而且摩擦系数的大小也跟所选择的量测器有关[9-14]。

国内关于步态摩擦的研究起步较晚。贾利晓，张永振等[15-16]研究步进摩擦时指出，国内的研究还处于起步阶段,主要集中在提高鞋底材料的摩擦学特性上，而对其内在机理的研究比较欠缺。李世明等[17]基于人体动态稳定理论，提出了稳度和支撑是影响人滑倒的主要因素，当人行走时稳度为负或者支撑不力时就容易出现滑倒。杨建坤、武明等[18-19]通过步态分析研究了背部负重下对于坡道行走步态的影响以及受试者面临的滑倒危险性，探讨了相应补偿策略，研究表明人体行走负重时会自动调节步态参数以降低COF，从而减小滑跌的危险。

综上所述，人的滑倒是一个复杂的过程，主要是因为人行走过程中与地面摩擦不足引起的。人行走时与地面的摩擦称之为步态摩擦，它是受多种因素综合影响的结果，但关于步态摩擦影响因子的研究国内相对较少有论述。

2 方法

2.1 实验设计

本文旨在研究步道粗糙程度、鞋底、地面污染状况对摩擦系数的影响，选用实验室铺设粗糙陶瓷步道(C1)、抛光花岗岩步道(G)、打磨的陶瓷步道(C2)三条光滑程度不同的步道；两种鞋底，一种鞋底为光滑平板鞋底(flat Neolite)，另一种鞋底为条纹鞋底(treaded Neolite)；两种污染状况，一种是干燥(dry)地面，另一种是洒水(wet)地面；共计3×2×2=12种组合。使用Brungraber Mark II摩擦系数量测器在室内温度为20℃左右的环境进行量测，每种鞋底在各个步道上的两种地面状况上各量测12个值，共计144组数据。统计结果显示，地面的粗糙程度、污染状况、鞋底设计都对摩擦系数的高低有显著性影响。光滑瓷砖地面在所有地面摩擦系数最低，洒水地面与干燥地面摩擦系数变化显著。

本实验在温度、湿度等变化较少的实验室内完成，实验开始前，对做实验的人员进行培训，在保证两个实验人员间测量的误差不超过0.01的情况下方能开始测量，历时5天完成全部实验数据的测量。

2.2 量测设备

实验使用Brungraber Mark II摩擦系数(COF)量测器。它是通过模仿人走路时的状态进行测量，其主体结构为一金属骨架和一个4.5kg的重锤。重锤下方装有滑动地金属支架，支架下方可以拆换

7.6×7.6 cm的鞋底。Brungraber Mark II的摩擦系数刻度在0-1.1之间，每次测量前调至零刻度并用平衡金属板检测其是否可以正常使用。进行测量时，用脚将其固定于地面某处，手调节人工脚与地面撞击的倾斜角，当人工脚撞击地面不发生滑动时，则将倾斜角变小，同时刻度上度数变大，直至人工脚与地面恰好发生滑动时(为保证其测量准确，可采取多次测量来确定该点)，则停止测量，此时刻度上显示的数值为该点的摩擦系数(COF)，如图1所示。

2.3 鞋底与步道

鞋底与地面是影响摩擦系数(COF)的主要因子，实验选用耐欧莱特(Neolite)材质光滑平板鞋底(Flat Neolite)和条纹鞋底(Treaded Neolite)两种鞋底，将鞋底裁剪成面积7.6×7.6 cm的正方形，厚度大约1 cm左右，并打磨使其表面平整，具体如图2所示。

探究步道的粗糙程度对摩擦系数(COF)的影响时，实验选取三条粗糙程度不同的步道，分别为粗糙陶瓷步道(C1)、打磨的陶瓷步道(C2) 、 抛光的花岗岩步道(G)，如图3所示。

为了保证测量的一致性和减少测量的随机误差，测量时，在每条步道上以长30 cm、宽20 cm的间隔依次选取6个点，每个点测量两组数据，如图4所示。

2.4 地面污染状况

实验选用干燥和洒水两种地面状况来探究地面污染情况对摩擦系数(COF)的影响。量测干地面时，每次量测前首先用砂石将测试鞋底和地面打磨干净，然后用干净的毛巾将鞋底和地面擦拭干净，每次量测完成进行下一次量测时重复上述动作确保没有沙子等杂物影响实验结果。量测湿地面时，在重复干地面操作的基础上，每次在地面上均匀洒上10 ml的水并使之形成一个由表面张力所决定的薄膜厚度，重复上述实验操作完成实验数据量测。

2.5 实验数据统计

本实验设计为三因子随机实验(2鞋底3步道2污染状况)，每一种鞋底在同一步道和污染状况下为一组，每组量测12个数据，共计12组144个数据。量测数据分析使用SAS软件来进行变异数分析(ANOVA)，实验因子影响(P<0.05)的显著性水平则以Duncan’s Multiple Range Test进行多重比较进行检验。

3 结果

3.1 步道粗糙度测量结果

表面粗糙度是用于描述表面微观形貌最常用的参数，是定量描述表面微观形貌最重要的方法，表面粗糙度对零件的摩擦学特性有很大的影响。地面的粗糙度特征可用粗糙度参数来描述，人们已经提出数十种描述粗糙度的参数，本文选用最常用的轮廓算术平均偏差(Ra)来描述地面粗糙度[20]。在该方法中，粗糙度参数(Ra)越大表明地面越粗糙，抗滑能力越强。就摩擦而言，地面越粗糙，鞋底与地面摩擦系数越大，抗滑能力越强。C1、C2和G步道的粗糙度参数(Ra)如下图5所示，分别为14.95(±1.75)μm、8.13(±0.85)μm和0.05(±0.01)μm。对三种地面的粗糙度参数(Ra)进行方差分析，结果显示三种地面的粗糙度具有统计学上的显著差异(P<0.0001)。

2.2 摩擦系数测量结果分析

三种地面所测得的摩擦系数(COF)的平均值和偏差的实验测试结果如下图6所示，水平轴表示光滑平板鞋底和条纹鞋底两种鞋底及干湿两种状态，竖轴表示摩擦系数(COF)，4组直方图分别显示两种鞋底在不同步道和干湿状态的摩擦系数(COF)平均值与偏差。由图6可知，光滑平板鞋底在湿地面比干地面摩擦系数要低得多，而条纹鞋底在湿地面摩擦系数(COF)略低于干地面。

对实验所测的数据进行方差分析(ANOVA) 结果如表1所示，各主要因子作用和交互作用均具有统计学意义(P<0.0001)。干地面COF值(0.68)显著高于湿地面COF值(0.39)。使用条纹鞋底(0.63)测量的COF值显著高于平板鞋垫COF值(0.44)。

表1 变异数分析表

对步道COF测得的所有值做Duncan’s多重比较试验结果如表2所示。对于步道而言，C1步道摩擦系数(COF)最高(0.67)，其次为C2步道(0.63)，而抛光的花岗岩步道(G)步道摩擦系数(0.31)最低。由步道的Duncan’s 多重检定结果可知，C1、C2步道其摩擦系数显著高于抛光花岗岩(G)地面摩擦系数(P<0.0001)。同时，C1、C2地面，其摩擦系数也存在显著性差异(P<0.0001)。

表2 步道COF所有测试结果’s多重比较表

光滑平板鞋底(flat Neolite)和条纹鞋底(treaded Neolite)提供了与步道两种不同的接触机制，对两个鞋底在三种步道测得的COF值分别做Duncan’s多重比较。结果如表3所示，步道和表面污染状对条纹鞋底的COF值均有显著作用(P<0.0001)，且C1(0.82)显著>C2(0.73)，C2显著高于抛光花岗岩(G,0.34)，而步道和表面污染状的交互作用不显著。

表3 条纹鞋底COF测试结果’s多重比较表

光滑平板鞋底(flat Neolite)的测试的COF值做方差比较结果如表4所示，步道和表面污染状对条纹鞋底的COF值均有显著作用(P<0.0001)。且C1、C2的COF值(0.52)显著高于抛光花岗岩(G,0.28)，但相比条纹鞋底分别下降了 36.5%，28.7% 和17.6% 。

表4 光滑平底鞋底COF测试结果’s多重比较表

光滑平板鞋底(flat Neolite)、步道和表面污染状的交互作用结果如图7所示，步道和表面污染状的交互作用是显著的(P<0.0001)。

4 讨论

所有数据的方差分析结果表明，鞋、地板、表面及其二因素和三因素相互作用是显著的，这与文献中的发现一致[11,21]。摩擦测量是一项复杂的工作，涉及摩擦测量装置的操作。BMII是美国常用的滑道之一，它对地板上是否有液体很敏感[22-23]。BMII供应商提供了踏板和鞋底，踏板模拟鞋底的胎面设计，即鞋底只有固定的宽度、深度和方向。摩尔(Moore，1972年)推导出两种液体间的接触摩尔效应方程，证明了液体在两个接触面之间的作用。在相互接触过程中，两个表面的薄膜被穿透之前没有摩擦。鞋纹使两个接触表面之间的液体排出，并有助于阻止覆盖液体的地板上COF下降，结果与文献中的发现一致[9-10,12]。表3显示，使用条纹鞋底测量的C1、C2和G地面的平均COF分别为0.82、0.73和0.34。用光滑平板鞋底测量，三层的平均COF分别为0.52、0.52和0.28。两种鞋垫使用之间，三层间的下降分别为36.5%、28.7%和17.6%，表明鞋底条纹对鞋垫的影响非常明显。

地板也是影响鞋类地面摩擦系数(COF)的一个重要因素。在实验室里，G地板铺在地面上，它有很好的表面轮廓。C1和C2是从当地商店购买的，它们通常用于当地商业建筑中。除了C1的表面比C2粗糙外，它们的外观相似。Grönqvist(1995年)指出，Ra值为7 μm到9 μm的地面具有良好的防滑性，这与我们的研究结果一致[24]。一方面，无论是使用光滑平板鞋底还是条纹鞋底，C1和C2的摩擦系数(COF)均高于0.5，这是美国普遍采用的安全标准。另一方面，抛光花岗岩的防滑性能较差，无论是光滑平板鞋底还是条纹鞋底，平均COF摩擦系数(COF)均未达到0.5的安全限值。

5 结论

鞋底与地面表面间的摩擦系数已经广泛地被用来评估地面的滑溜度，但国内相关的研究却很少。人的滑倒是一个复杂的过程，虽然步态摩擦系数(COF)可以用来评估人行走过程中的滑倒风险，但很多情况下，人的滑倒是因为在容易滑倒的路且没有引起足够的谨慎而导致滑倒。即使是在鞋底、地面与污染狀況都相同的情況下，摩擦系数(COF)也会因为不同的摩擦测量工具而产生不同的数值。本研究使用BM II来进行摩擦系数测量得到的主要结论有:

(1)鞋底、步道、地面状况及它们之间的交互作用对步态摩擦系数影响有显著性差异(P<0.0001)。

(2)较粗糙的步道(C1、C2)在干燥条件下的摩擦系数较高，滑倒风险较低；湿润条件下摩擦系数下降较快(36.5%，28.7%)，但仍然>0.5，仍然有一定的抗滑倒能力。然而，抛光花岗岩步道(G)无论在干燥还是湿润条件下滑倒风险都较高。

(3)光滑平板鞋底在湿地面的滑倒风险要远大于条纹鞋底。这可能是由于鞋底纹路可促使鞋底与地面间液体的排出，从而減少压挤薄膜效果造成摩擦系数降低。