电工爬电缆重力压握辅助装置

旅游时，我发现电力工人在空中倾斜的电缆上行走或作业时鞋底容易打滑，不仅工作难度大，还存在安全隐患。能不能设计一个电工爬电缆辅助装置，既可以使电力工人在高空倾斜的电缆上安全、高效作业，又不会损坏电缆呢？我决定试一试！

前期分析

1.电工鞋踩踏电缆的位置与方向

我在老师的指导下查找资料，了解电力工人穿电工鞋在高空爬电缆时，多数情况下是脚心下方的鞋底踩踏在电缆上，与电缆成一定的角度（如图1）。

根据电力工人穿电工鞋踩电缆的习惯，以及电工鞋与电缆接触位置与方向的关系，我准备在设计的装置中部（鞋底踩踏电缆时对应人的脚心的位置）安装能夹握电缆的可伸缩电缆爪，让装置与电缆接触时，电缆爪能紧紧夹握住电缆，增大电工鞋与电缆之间的摩擦力，辅助电力工人更好地在倾斜的电缆上行走。

2.鞋踩电缆时力的分解

由力的合成与分解遵循的平行四边形法则（如图2）可知，电缆的倾斜度越大，鞋底对电缆的横向压力就越小。因为摩擦力与压力成正比，所以鞋底对电缆的压力（F2）越小，鞋底与电缆之间的摩擦力就越小。

当电力工人在水平的电缆上行走时，人的重力（G）几乎成为鞋底对电缆的压力（F2），滑动的力（F1）非常小，鞋底与电缆之间的摩擦力较大，所以不易打滑。而当电力工人在倾斜的电缆上行走时，鞋底对电缆的压力（F2）变小，鞋底与电缆之间的摩擦力较小，鞋底易打滑。

初步设计

经过上述分析，我思考：能否把电缆对鞋底向上的力转化为鞋底对电缆横向的侧压力来抓握电缆？通过学习力学知识，我了解到使用杠杆可以省力或者省距离，还可以改变力的方向，于是想到利用杠杆原理改变力的方向，将鞋底踩踏电缆时电缆对鞋底向上的力转变为从侧面夹紧电缆的夹握力。这样，可从电缆的上方与左右两侧三个方向对电缆施加夹力，大大增加鞋底与电缆之间的摩擦力，让电力工人较轻松地在倾斜的电缆上行走与作业，同时增大安全系数。

基于这个原理，我设计了可以夹握电缆的夹缆爪，结构图如图3所示。

电工爬电缆重力压握辅助装置的主要组成部分就是这种夹缆爪。两个夹缆爪通过支点固定在固定支架两端，夹缆爪能以支点为轴转动，中间的压缆舌上端设置有滑槽，夹缆爪的横臂通过连接轴与压缆舌连接，连接轴能在压缆舌的滑槽内滑动。夹缆爪的上端设有弹簧，可以从夹缆爪上端牵拉夹缆爪。

夹缆爪利用压缆舌将重力改变为横向向内的夹握电缆的夹力，当鞋底踩在电缆上时，在重力的作用下，电缆上方的压缆舌、两侧的夹缆爪能从电缆的上方以及左右三个方向同时给电缆施加夹力，从而将电缆紧紧夹握，增大鞋底与电缆之间的摩擦力，辅助电力工人在倾斜的电缆上行走。当鞋子被抬起时，夹握住电缆的夹缆爪通过弹簧的牵拉作用而自动向外弹开，松开电缆。

我根据电工鞋的大小，确定置于鞋底下方的可伸缩固定支架的可调节宽度为10～15 cm；根据电缆的粗细，确定夹缆爪夹臂的跨度约为8 cm。之后，我在电脑上绘制电工爬电缆重力压握辅助装置的设计图（如图4）。

实验体验

我用不同的材料包裹夹缆爪与电缆接触的内侧面，增大摩擦力，然后通过实验比较在不同的压力下夹缆爪在倾斜电缆上打滑的情况，实验现象见表1。

装置制作

根据实验结果，我决定用橡胶类材料包裹夹缆爪，以增大其与电缆之间的摩擦力。改进后的电工爬电缆重力压握辅助装置结构图如图5所示。

根据结构图和确定的尺寸，我在老师的指导下，利用学校科技工作室的材料，完成了夹缆爪的优化制作和电工爬电缆重力压握辅助装置的组装，实物图如图6所示。

性能测试

1.装置抓缆与松开的灵活性测试

当鞋子踩在电缆上时，装置中的夹缆爪从电缆的上方及左右两侧三个方向紧紧夹握电缆，在倾斜角度为33°的电缆上不下滑。当鞋子被抬起时，夹缆爪自动向外弹开。这说明装置基本达到了设计目标。

2.重力的影响

在大小不同的重力下，我对电工鞋直接接触电缆时的下滑力与电工鞋套在装置中接触电缆时的下滑力进行对比，结果见表2。

分析表格中的数据可知，电工鞋直接接触电缆时，随着重力增大，下滑力也增大。在10 N重力下，电工鞋通过装置接触电缆时的下滑力只有电工鞋直接接触电缆时的下滑力的40%。当重力增大，由于夹缆爪对电缆的夹力增大，电工鞋通过装置接触电缆时的下滑力几乎为0。这说明电工爬电缆重力压握辅助装置有明显的夹握电缆的效果。

3.电缆不同的倾斜角度对装置夹力的影响

如果电缆的倾斜角度不同，电工鞋直接接触电缆时的下滑力与电工鞋套在装置中接触电缆时的下滑力分别有多大？我进行了对比，对比情况见表3。

当电缆处在同一倾斜角度下，电工鞋套在装置中接触电缆时的下滑力比电工鞋直接接触电缆时的下滑力小，说明电工爬电缆重力压握辅助装置能明显增大电工鞋与电缆之间的摩擦力。

根据对比数据，当电缆的倾斜角度小于或者等于33°时，电工鞋套在装置中接触电缆时的下滑力为0，也就是说，电工爬电缆重力压握辅助装置在电缆的倾斜角度为33°及更小时的使用效果最好，这时夹缆爪对电缆的夹握力极大，几乎没有向下的滑力。

升级设计

通过分析测试数据，我觉得夹缆爪抓握电缆的抓握力不够大。为了增大夹缆爪抓握电缆的抓握力，增大电工爬电缆重力压握辅助装置与电缆之间的摩擦力，我查找资料，从鸟的爪子能长时间牢固地抓握电缆与树枝中受到启发，决定在装置中安装软质握缆带，并在握缆带与电缆接触的一面贴上防滑橡胶层。

握缆带上的防滑橡胶层可增大握缆带与电缆之间的摩擦力。当鞋子踩踏电缆时，握缆带在电缆向上的力的作用下牵拉两侧的支撑臂向中间摆动，从而紧紧抱握住电缆。当鞋子被提起时，握缆带失去电缆向上的力，两侧的支撑臂在弹簧的作用下向外侧弹开，从而使握缆带松开电缆。

升级版电工爬电缆重力压握辅助装置结构图如图8所示，实物图如图9所示。

创新点

1.我针对电力工人在傾斜的电缆上行走时容易打滑、易发生安全事故这一问题，利用杠杆能改变力的方向的原理，将鞋踩电缆时电缆对鞋底向上的力转换为从电缆上方与左右两侧三个方向夹握电缆的夹力，设计电工爬电缆重力压握辅助装置。这种装置能与电工鞋灵活结合与分离，可加大自身与电缆之间的摩擦力，方便电力工人在倾斜的电缆上行走与作业。

2.通过实验确定装置的基本参数，保证装置的灵敏性与可靠性。装置实用价值高，适合推广使用。（指导老师：陈水章）

本期点评专家

谭迪熬  中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

专家点评

电工爬电缆重力压握辅助装置是一件具有原创性的发明作品。这件发明作品的产生突出体现了：其一，楚铭涛同学具有良好的创新意识，旅游时也不忘科创实践，同时善于观察与思考，发现电力工人在几十米高的倾斜的电缆上作业时的困难，确定了这个创新发明课题；其二，楚铭涛同学具有综合解决问题的创新实践能力，能够把仿生学（仿鸟爪自握）的原理与课本上杠杆能改变力的方向的原理运用到作品中，将电工鞋踩踏电缆时，电缆对鞋底向上的力转变成对电缆的抓握力，巧妙地解决了问题；其三，楚铭涛同学具有良好的科研潜质，能在研究过程中认真查找资料，运用所学知识设计多种方案，并利用现有的技术与条件，开展相关的实验进行测量与比较，通过多次优化设计，使装置不断升级，最终达到预期效果。希望楚铭涛同学今后在科创实践的道路上迈出更坚定的步伐，成长为具有报国志向的拔尖创新人才。