基于鞋底防滑装置的研究＊

（石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

据了解，新疆和黑龙江等地区冬天气温特别低，经常下大雪，雪一经融化结冰，覆盖在地表，长期难以融化，给人们出行的安全埋下很大的隐患。

据卫生部统计数据，每年由于意外滑倒造成骨折扭伤的人不计其数，这其中大部分是老人和小孩，老人摔伤的比例更是高达63.8%，因地面湿滑而摔倒致死的老人已经达到96.9 万人。

中国老龄化的趋势越来越明显，鞋底防滑性能的进一步改进和优化迫在眉睫[7-8]。

1 鞋底防滑技术的研究现状

目前国内外冬季防滑主要措施有：设计防滑装置、优化鞋底材料、改进鞋底花纹和结构。

在设计鞋底防滑装置方面，研究者通过在鞋底防滑装置的鞋尖和鞋跟部分安装防滑钉或防滑刺，来增加鞋子的抓地力和摩擦力，提高了鞋的防滑性能[9-10]，但钢钉和钢刺在低温环境下塑性差，易折断，造成危险，且安装不便，不美观。

在优化鞋底材料方面，国内外研发者已经研制出了一种复合胶体材料，其优点是通过复合胶体材料的柔韧性和弹性，增大了鞋底与地面的接触面积与接触阻力，但研发成本高，价格高。

在改进鞋底花纹和结构方面，国内外研究者研发出具有马蹄形、人字形、圆柱形、许多形状不规则花纹的鞋，如解放鞋、运动鞋和登山鞋等，通过沟槽将污渍和水渍排出，在材料不足时，鞋底抗弯折能力下降。

结合以上研究现状，本文提出了一种综合型的防滑装置——磁吸嵌入式鞋底防滑装置。

1.1 鞋底防滑装置对防滑性能的影响

韩子成[11]公开了一种冰雪防滑鞋，包括鞋面和鞋底。鞋底根部和头部嵌入多个钢针座，钢针座内侧铰接有钢针，钢针竖立时高度不大于4 mm，钢针座内侧对应的鞋底设置有嵌孔。通过旋转钢钉来改变与地面接触的距离、适应地面环境，从而防止打滑，但操作复杂。冰雪防滑鞋如图1 所示。

Yaktrax[12]公开了一种防滑鞋套，该鞋套采用非对称设计结构，上面缠有刚性线圈以及可以更换的防滑刺，通过刚性线圈的绕制纹路来增加与冰雪地面的摩擦力，防滑刺提高对冰雪地面的抓地力，但主体的塑胶材质难以长期适应低温环境下的受力磨损，适用范围有局限性。

防滑鞋套如图2 所示。

图1 冰雪防滑鞋

图2 防滑鞋套

1.2 鞋底材料对防滑性能的影响

路正辉[13]对鞋底材料对影响鞋底静态防滑性能的几个要素进行了分析，在干、湿两种状态下，通过对NR、TPR、PVC、EVA 四种材质的鞋底进行试验，每种材质选用两种不同类型的样品，依据HG/T 3780—2005《鞋类静态防滑性能实验方法》分别测定其干湿状态下的静摩擦力和静摩擦系数，进而对不同场合选购合适鞋子给出合理化建议，如表1所示。

表1 不同材质鞋底的静态摩擦测试结果

李键[14]通过对白炭黑接枝改性，制备了可作为鞋底用的防滑性能优良的NR/SiO2g-TDI 复合材料。四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）有着特殊的立体四针状结构，使其对高分子复合材料具有完全各向同性的改性作用，可使复合材料的防滑性能得到很大的提升。在上述研究的基础上考察了SiO2填充橡胶提高防滑性能的最佳用量比，发现在SiO2用量为40 phr 时，NR/SiO2复合材料的抗湿滑性能最佳。用化学接枝法将甲苯二异氰酸酯（TDI）分子引入到白炭黑表面，结果显示接枝改性后的NR/SiO2g-TDI 复合材料在干、湿状态下的摩擦系数都有较明显的提高，说明白炭黑表面的改性对提高白炭黑/NR 复合材料的摩擦系数是有效果的。NR/SiO2/T-ZnOw（100/40/15）表面（500×）如图3 所示。

图3 NR/SiO2/T-ZnOw（100/40/15）表面（500×）

1.3 鞋底花纹和结构对防滑性能的影响

SATRA 研究人员在鞋子防滑测试方面做了大量研究，对约500 种不同款式的男女式鞋进行防滑测试，通过对测试数据及鞋底花纹特征分析，提出了具有指导意义的防滑鞋底花纹设计，如图4 所示。

图4 鞋底花纹设计示意图

优良的底纹设计为花纹宽度最小3 mm，最大20 mm，崎岖环境下的户外运动鞋最小花纹深度为5 mm，以便于将液体排开，使底纹与地板有干的接触面，从而提高抗湿滑性。凸出的鞋钉与地面接触平整，且具有轮廓分明的向各个方向的边缘，可以有效提高鞋底对地面的抓握力，中底采用柔软的弹性结构可使鞋与地面接触面最大化。

2 现有问题与解决方法

目前，国内外对鞋底防滑性能的研究方向较为单一，没有综合全面地考虑人们的需求。为此，设计了一种磁吸嵌入式鞋底防滑装置，该装置主要由鞋尖防滑块、电池和鞋跟防滑块组成，如图5 所示。

图5 鞋底结构图

鞋尖防滑块和鞋跟防滑块均采用楔形滑块装置，底部楔形块安装有防滑刺，并在两楔形块之间安装小型轮毂与设置轮毂槽，楔形块的两侧开有方形孔，便于固定，如图6 所示。

图6 鞋尖防滑块和鞋跟防滑

防滑装置工作的原理为：启动开关按钮，电路导通，线圈绕组产生磁性，吸引中间的垫铁向中间靠拢，垫铁与中间的楔形装置相连，在楔形块向前移动的同时，防滑刺块竖直向下移动，到固定位置自动锁好；开关断开，电路断开，线圈绕组失去磁性，与垫铁相连的中间的楔形块沿斜面原路返回，到指定位置自动锁好，磁吸控制电路如图7 所示。

图7 磁吸控制电路图

该鞋底防滑装置相比于目前设计研发的冰雪防滑鞋，在外观和内部构造方面做出了相应的改进，提升了美观性和可操作性，在鞋底材料方面，采用塑性与柔韧性良好的复合橡胶材料，价格较复合材料便宜，且对地防滑系数大；在鞋底结构与花纹方面，采用人字形与马蹄形为主的花纹与结构，避免了鞋底单向受力的同时，方便水渍与污垢的排出，能够综合全面的满足人们的需求，可以适应北方的冰雪天气。