基于多场景鞋底止滑装置的研究＊

2022-02-15孙树阳武媚奕费雨晴

科技与创新 2022年3期

关键词：摩擦系数沟槽鞋底

孙树阳，聂晶，武媚奕，费雨晴，罗贵，赵晨

（石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000）

生活中如商场、酒店、餐厅、健身房、学校、卫生间、厨房等地方普遍存在湿滑路面，冬季户外街道存在冰冻打滑路面，这给人们的安全出行带来严重影响，滑倒、摔伤事件屡屡发生[2-3]。

据卫生部不完全统计，每年因意外打滑摔倒的事件不计其数，因摔倒造成破皮、扭伤或骨折的案例更是频频出现，尤其是老年人，严重的可能危及到生命[4]，所以日常出行过程中的湿滑及冰雪路面止滑是一个亟需解决的问题。

1 国内外鞋底止滑性能的研究现状

1.1 国内研究现状

国内在改善鞋底止滑方面主要涉及有改进鞋底材料、设计止滑花纹、止滑装置及多因素优化改善。

在鞋底材料方面，丁绍兰等[5]对军用橡胶鞋、PVC、PU等材质的鞋进行止滑试验研究，模拟在不同介质湿滑路面进行受力移动，探究不同材质鞋底的摩擦系数与耐磨性，每组施加载荷均为30kg，通过实验得出不同湿滑路面中不同材质鞋底的摩擦系数与耐磨性系数，如表1所示。

表1 （湿）水泥路面止滑度与磨耗量对比

陈罘杲[6]在橡胶鞋底材料中加入碳化钨-钴合金颗粒进行鞋底止滑耐磨性能的研究。这种材料制成的鞋底，结合了硬质合金的耐磨性能和耐磨橡胶的抗冲击性能，大大改善了其止滑耐磨性能，但加工工艺复杂，成本较高，暂时难以推广。

在鞋底花纹方面，罗向东等[7]采用止滑测试仪对市场上6种不同花纹的橡胶鞋底进行止滑测试，其花纹分别为折线形、条形、细密形、块状、倒刺状、圆点状；每种类型取7个式样，将其分别置于0℃左右，来测试不同花纹鞋底的硬度、回弹性及止滑性，实验后发现圆点状鞋底的各方面性能极佳，折线形方面性能最差，如图1所示。

图1 各种花纹鞋底摩擦系数

在止滑装置方面，杜鸿武[8]设计了一种鞋底止滑结构，如图2所示。该止滑结构包括鞋底和止滑组件，止滑组件位于鞋底前后两端的着力点处，由卡槽和抓地止滑钉组成。卡槽嵌入鞋底内，卡槽的内壁上设置有卡扣，抓地止滑钉的上端表面上设置有卡紧丝扣，卡紧丝扣与卡扣对接旋转卡紧，抓地止滑钉的底部设置有多个凸起顶尖，作为鞋的一种配置附件随鞋携带，方便使用，具有很好的止滑效果。

图2 鞋底止滑结构

余丽君[9]设计了一款止滑鞋，如图3所示。该止滑鞋的鞋内设有传动腔，传动腔上侧设有开口向下的从动槽，旋转槽内设有旋转轴；通过旋转自由转换鞋底对地的摩擦程度，从而适应不同的易滑平面，来增加穿鞋者的安全系数，摩擦块在增加摩擦的同时减少对如室内平面的损伤，锥块可增加室外如泥土道路的摩擦，从而增加了鞋子的多功能性，但在湿滑道路上的止滑性能不强。

图3 一鞋底止滑装置

杜坚等[10]为探究影响鞋底止滑性能，利用多因素交互因子进行分析，从鞋底材料、花纹、打滑液体与不同地面等因素来测定摩擦系数COF值。实验发现，各因素之间交互作用对COE值影响显著，含清洁剂与水的大理石地面，花纹宽度大的PU材质鞋底的止滑性能较好，COF大于0.7；含油的大理石地面，沟槽宽度为1.2cm的EVA与PU材质鞋底止滑效果良好；含清洁剂与水的水泥地面，花纹宽度为1.2cm的PU材质鞋底的COF值最高；在含油的水泥地面，花纹宽度为1.2cm的EVA材质鞋底的COF值最高。

1.2 国外研究现状

国外目前在鞋底止滑性能方面的研究主要集中在鞋底花纹和结构以及鞋底止滑性能的探究。

LI等[11]对鞋底花纹深度、沟槽宽度及花纹方向对摩擦系数的影响进行了比较深入的研究。通过对3种花纹沟槽宽度（3mm、6mm、9mm）、3种方向（0°、45°、90°）以及5种花纹深度（1mm、2mm、3mm、4mm、5mm）的大底花纹进行比较研究，结果表明，花纹沟槽的设计有助于鞋子和地面的排水，有助于鞋底与路面相互接触，鞋底9mm宽的花纹沟槽比3mm宽的花纹沟槽摩擦系数值要高；而在相同的花纹深度下，横纹0°和45°的花纹摩擦系较大，止滑性能较好。LI等还发现鞋底花纹越深，在湿的和洗涤剂的地面上摩擦力越大。花纹深度每增加1mm，平均摩擦系数增加0.018到0.108。在所有湿的和含有洗涤剂的地面上，花纹越深，摩擦系数越高。

MOHAN等[12]研究发现，通过卤化改性可以明显改善橡胶鞋底的止滑性能，试验结果显示采用质量分数为0.5%的三氯异氰酸（TCI）丁酮溶液对热塑性橡胶鞋底表面涂刷，使之形成一层均匀的涂层，由于氯化基团和氧化基团的引入，材料的表面能、极性和表面粗糙度均增大，从而使材料的摩擦系数显著增大。YAMAGUCHI等[13]设计了一种新颖的混合胶块结构，在两块表面光滑的橡胶片之间（Ra=0.98μm）放置一块表面粗糙的橡胶片（Ra=30.4μm），测试表面粗糙的橡胶片所占不同比例的鞋底在表面附有90%甘油水溶液的钢板（Ra=0.09μm）上的摩擦系数。结果表明，当表面粗糙的橡胶片占整个鞋底面积的50%时，表现出最高的摩擦系数，且动静摩擦系数差别最小。这种结构设计可以有效改善鞋底在污染地面上的止滑性能。

MENZ等[14]系统研究了几种常见的几何造型的鞋跟对男式牛津鞋和女式时装鞋止滑性能的影响，如图4所示。通过试验发现：在干态的路面上，鞋跟的不同几何造型对止滑性能的影响显著，在湿态下不显著；干态下鞋B的动摩擦系数最低，鞋C的止滑性能最好，湿态下各鞋子的止滑性接近；干态下，鞋跟粗的女式时装鞋比鞋跟细的止滑性能好，鞋G的止滑性能最好，但是G和E的止滑性接近，F和H的止滑性也接近，湿态下各鞋子的止滑性接近。

图4 鞋跟样式图

2 现有问题与解决方案

目前在鞋底止滑方面，国内外的研究方向单一，改进措施单一，不能很好地适应多场景应用与便利舒适度的综合需求，为此，本次设计了一种多场景鞋底止滑装置，如图5所示。该装置主要由带鞋槽鞋底、小型传动装置、动力装置、止滑装置和固定装置几部分组成。小型传动装置中包括柔性传送履带、传动轴、轻质齿轮组成，动力装置由小型电机和电源组成，止滑装置由2种适应不同环境的不同材质的止滑块组成，固定装置由固定升降台和固定支架组成。