輸電線路夜間巡視多功能防護(hù)鞋研制

王　磊，徐　浩，劉　軒，胡　昀

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司淮安運(yùn)維分部， 江蘇 淮安 223001)

0　引　言

傳統(tǒng)電力行業(yè)夜間巡視人員穿戴的安全鞋和建筑、水利等行業(yè)類似，作業(yè)時(shí)面臨著復(fù)雜的環(huán)境，如墜物會(huì)砸到腳，釘子等尖銳物體會(huì)刺穿腳。若作業(yè)人員在野外，還會(huì)遇到被蛇蟲(chóng)叮咬的情況，嚴(yán)重威脅了作業(yè)人員的人身安全[1]。然而作業(yè)人員基本上以基礎(chǔ)的安全鞋為主，鞋子通常為低幫設(shè)計(jì)，鞋底采用厚橡膠絕緣材料，鞋面材料較硬，鞋子較重。當(dāng)腳部遇到重?fù)魰r(shí)，基礎(chǔ)安全鞋無(wú)法有效地保護(hù)腳部，而且長(zhǎng)途跋涉易使腳部疲勞。

國(guó)內(nèi)外有學(xué)者提出了專門適用于爬鐵塔的勞保鞋。在低壓輸電線路帶電作業(yè)中，為了防止觸電意外的發(fā)生，需要人體與帶電體絕緣，因此專門設(shè)計(jì)了絕緣鞋[2-4]。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全鞋中均內(nèi)置有保護(hù)包頭和防刺穿墊，以起到對(duì)足部的保護(hù)作用。保護(hù)包頭設(shè)置在安全鞋的鞋幫前幫，壓合在鞋幫的前幫幫面與前幫襯里之間，以保護(hù)足部的前腳面。防刺穿墊夾在鞋底的內(nèi)底與外底之間，以防止鞋底被尖銳物體如釘子刺穿[5，6]。但是鋼包頭會(huì)增加鞋子重量，而且鞋子在遇到重?fù)魰r(shí)，只能保護(hù)腳底和腳趾頭，若誤碰捕鼠器等裝置，并不能對(duì)腳背或者全腳進(jìn)行保護(hù)。現(xiàn)有的研究大多數(shù)集中在單一性能的提升，而且主要集中在防刺、絕緣和特殊場(chǎng)合使用等方面。

綜上所述，針對(duì)在夜間巡視、避免被捕獵裝置傷害以及具有觸電預(yù)警功能的多功能鞋研究較少，尚沒(méi)有相關(guān)成果被推廣應(yīng)用。因此，研發(fā)一套輸電線路夜間巡視多功能防護(hù)鞋，提高鞋子舒適性，避免作業(yè)人員腳部出現(xiàn)刺傷、被蛇咬、觸電等安全事故是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

1　輸電線路夜間巡視多功能防護(hù)鞋材料選擇

鞋靴材料是鞋靴美觀、舒適以及功能性的物質(zhì)載體。由于夜間巡視多功能鞋靴的功能體現(xiàn)需要相應(yīng)的鞋靴材料來(lái)支持，因此材料的選擇至關(guān)重要[7]。

參考已有安全鞋使用的材料，多功能鞋底依舊采用橡膠絕緣材料，對(duì)鞋頭和鞋跟進(jìn)行加固，可以有效地對(duì)腳趾和腳跟進(jìn)行保護(hù)。鞋幫采用高幫設(shè)計(jì)，既能夠保護(hù)小腿部分不受到蛇蟲(chóng)叮咬，還能防止腳踝扭傷。

良好的鞋面內(nèi)襯材料可以保證鞋面的柔軟性，如果使用合適的內(nèi)襯增強(qiáng)防刺能力，就能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的鋼包頭，從而減輕鞋子總重量。

1.1　材料選擇依據(jù)

現(xiàn)有的專用防刺鞋基本構(gòu)造為鞋頭部分由復(fù)合金屬包裹，增強(qiáng)防刺性能，但是由于鞋面堅(jiān)硬并且笨重，導(dǎo)致穿著舒適性差、腳部易疲勞。因此在材料單位質(zhì)量輕的前提下，依據(jù)受到的刺割等力學(xué)特性選擇合適的鞋體內(nèi)部材質(zhì)。

力學(xué)特性分析主要包含摩擦自鎖和疊層復(fù)合。

(1)摩擦自鎖原理

在刺入過(guò)程中，當(dāng)被刺入紗線達(dá)到無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)張的程度，刀刃會(huì)停止深入，此時(shí)擴(kuò)張所需要的紗線間摩擦力的數(shù)量級(jí)很大。如果紗線的強(qiáng)度足夠大，當(dāng)紗線無(wú)法滑動(dòng)時(shí)，此時(shí)織物變形達(dá)到的狀態(tài)被稱為“鎖緊”狀態(tài)。當(dāng)刺刀作用于織物表面時(shí)，刺力可以分解為平行于織物的摩擦力和垂直織物的法向力，如圖1所示。

圖1　刺力在材質(zhì)表面的分解

(2)疊層復(fù)合原理

如圖2所示，當(dāng)刺力垂直作用于防護(hù)材料表面，由于表面彎曲，刺力F分解為垂直于表面的法向力F2和平行于表面的切向力F1，因此需要能承擔(dān)這兩種力的材質(zhì)做吸能材料。外力作用下，復(fù)合材質(zhì)的變形規(guī)律如圖3。

圖2　垂直刺力在材料表面的分解　　　　　　　　　　　　圖3　刺力作用下復(fù)合材質(zhì)的變形

由刺割過(guò)程可知，下層刀角越小，切向力(拉力)F1越小，法向力(剪切力)F2越大。所以抗拉能力強(qiáng)的材質(zhì)應(yīng)置于外層，而抗剪能力強(qiáng)的材質(zhì)置于內(nèi)層。

1.2　鞋面材料的選擇

通過(guò)對(duì)織物的透氣性能和防水性能進(jìn)行測(cè)試分析，綜合考慮鞋面材料的防刺性、成形性和舒適性的組合方式，選擇合適的鞋面內(nèi)部材料。

研究材料選用超高分子量聚乙稀織物，該織物的基本參數(shù)如表1中所示。針對(duì)織物密度、織物組織、刺割角度、涂層溶液對(duì)單層織物防刺性能的影響進(jìn)行研究，并依據(jù)測(cè)試結(jié)果分析了影響機(jī)織物刺割強(qiáng)力的因素及機(jī)織物的防刺機(jī)理。同時(shí)對(duì)單層和多層復(fù)合織物的防刺性能進(jìn)行研宄，分析了不同的織物組織復(fù)合、角度配置復(fù)合、密度配合、組織交叉層、織物復(fù)合層數(shù)、刺層的位置對(duì)復(fù)合織物防刺性能的影響，得到了防刺性能優(yōu)異的紡織品。

從上述研究過(guò)程得到的結(jié)論可知：在制作鞋面時(shí)，采用斜紋織物、鍛紋織物、平紋織物的先后順序疊加組合的形式，鞋面材料的防刺強(qiáng)度最大[8]。

表1　超高分子量聚乙烯織物的基本參數(shù)

1.3　鞋舌的材料選擇

巡檢遇到捕鼠夾等裝置，腳部的最高點(diǎn)最先受到?jīng)_擊力。高度系數(shù)是指腳的各個(gè)特征部位高度與腳長(zhǎng)的比例，由表2可知，腳背為腳部最高點(diǎn)。由于腳背被鞋舌覆蓋，僅僅靠鞋面自身材料抵抗捕鼠夾等裝置的割傷力是不夠的，因此需要對(duì)該多功能鞋的鞋舌進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

表2　腳部的高度系數(shù)表

從減少?zèng)_擊力和防止割傷這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，選用鋼片材料可以防止尖刺物刺穿鞋面，厚海綿墊可以很好的緩沖尖刺物的沖擊力。因此基于原來(lái)鞋面材料的，在鞋舌部分增加厚海綿和鋼片，鋼片覆蓋在厚海綿墊上。

人腳的外形如圖4所示，腳背是腳的主要組成部份，是行動(dòng)時(shí)的受力部位，行走時(shí)有較輕微的伸屈。腳背的受壓不能太緊,否則會(huì)加劇腳的疲勞感,或造成腳背壓痛,影響正常行走。如果將海綿和鋼片覆蓋在整條鞋舌上，由于鋼片的彎曲性差，行走時(shí)會(huì)增大腳背所受的壓力，導(dǎo)致舒適度差。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，僅僅在鞋舌的前半部分覆蓋海綿和鋼片，如圖5所示。

圖4　人腳的外形　　　　　　　　　　　圖5　鞋舌設(shè)計(jì)圖

2　防觸電報(bào)警裝置

防觸電報(bào)警裝置，主要分為探測(cè)和接收單元、報(bào)警和控制單元。基于簡(jiǎn)單可靠的測(cè)量方法，其中的探測(cè)和接收單元將高壓場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為易處理的電壓信號(hào)，再通過(guò)控制單元進(jìn)行衰減、整形、濾波，得到與電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)[9-11]。直流信號(hào)經(jīng)過(guò)蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警聲提醒巡檢人員。工作人員可以根據(jù)工作環(huán)境，通過(guò)電源開(kāi)關(guān)來(lái)選擇模式，因此在多功能鞋被閑置的情況下可以節(jié)約電池電量。其電路原理圖如圖6所示。

圖6　防觸電報(bào)警電路原理圖

靜電感應(yīng)是在外電場(chǎng)的作用下電荷在導(dǎo)體中重新分布的現(xiàn)象[12]。靜電感應(yīng)的應(yīng)用電路如圖7所示。因此該裝置的探測(cè)和接收模塊可采用矩形金屬片，長(zhǎng)度和寬度分別為4 cm和1 cm。不需要單獨(dú)添加感應(yīng)天線即可以感應(yīng)周圍環(huán)境的電場(chǎng)，簡(jiǎn)化了裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本。

圖7　串聯(lián)電容靜電感應(yīng)

基于電力電子技術(shù)原理，設(shè)計(jì)控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。控制單元包括場(chǎng)效應(yīng)管、比較器、高壓檢測(cè)電路，連接場(chǎng)效應(yīng)管的輸入端與電場(chǎng)感應(yīng)單元連接，高壓檢測(cè)電路的電源引腳與電源，比較器的輸出端通過(guò)三極管與報(bào)警單元連接[13-14]。

放大電路采用典型的電場(chǎng)檢測(cè)電路，利用二極管的單方向?qū)щ娞匦酝瓿烧鳌?bào)警單元為蜂鳴器。在感應(yīng)到周圍環(huán)境有帶電器件時(shí)，通過(guò)蜂鳴器發(fā)生聲音報(bào)警信號(hào)，以提醒用戶遠(yuǎn)離帶電器件。防觸電報(bào)警裝置的具體電路如圖8所示。

圖8　防觸電報(bào)警裝置具體電路

考慮到在巡檢過(guò)程中路況較差，容易踩到尖銳的物體，電子元件分布在鞋底容易受到損壞導(dǎo)致無(wú)法正常使用。因此將電子元件放入元件盒內(nèi)，貼合在鞋幫的側(cè)面。鞋子的外觀設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9　多功能鞋外觀設(shè)計(jì)圖

3　鞋內(nèi)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　楦型設(shè)計(jì)與腳型結(jié)構(gòu)

腳長(zhǎng)是制訂鞋號(hào)的基礎(chǔ),也是設(shè)計(jì)鞋楦底樣長(zhǎng)的依據(jù)。腳的長(zhǎng)度往往受氣候和從事勞動(dòng)強(qiáng)度的不同而有所變化。由于氣候變化引起的腳長(zhǎng)變化一般為3～5 mm，當(dāng)人在從事重體力勞動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間行走時(shí)也會(huì)使腳的尺寸增長(zhǎng)[15]。

輸電線路一般綿延幾十甚至上百公里，巡檢人員行走持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此該巡檢用多功能鞋設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)較標(biāo)準(zhǔn)尺寸偏大。

3.2　鞋底設(shè)計(jì)

由于巡檢環(huán)境復(fù)雜多變，鞋子應(yīng)能適應(yīng)各種地形。增加并加深鞋底的紋路有利于增大與地面摩擦，增強(qiáng)下雪結(jié)冰路況巡檢安全性。其次鞋跟的造型，接地面積應(yīng)盡量大一些，增強(qiáng)鞋跟的彈性以提高減震性能[16]。

4　結(jié)　論

(1)本設(shè)計(jì)中，鞋面選用超高分子量聚乙稀織物，并且在制作鞋面時(shí)，采用斜紋織物、鍛紋織物、平紋織物的先后順序疊加組合的形式，鞋面材料的防刺強(qiáng)度最大。

(2)在鞋舌的前半部分覆蓋海綿和鋼片，增強(qiáng)防刺穿性能。

(3)設(shè)計(jì)了一種防觸電報(bào)警裝置并合理分布電子元件，將裝置元件盒安裝在鞋幫側(cè)面。當(dāng)夜間巡視接近帶電器件時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出蜂鳴聲提醒巡檢人員。

(4)多功能鞋設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)較標(biāo)準(zhǔn)尺寸偏大，增加和加深鞋底的紋路。鞋跟的接地面積應(yīng)盡量大一些，增強(qiáng)鞋跟的彈性以提高減震性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家電網(wǎng)安監(jiān)[2005] 83號(hào). 國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(變電站和發(fā)電廠電氣部分)(試行)[S].2005.

[2]謝松. 一種用于攀爬輸電架的安全鞋[P]. 中國(guó) CN203897436U, 2014-10-29.

[3]高健，程凌，吳龍英，王寧生. 安全鞋防滑性能試驗(yàn)機(jī)的研制及測(cè)試方法的研究[J]. 中國(guó)皮革，2013，42(24):103-105.

[4]段曉霞，孫世彧，馮偉宏，盧昌福. 鞋類防滑性測(cè)試方法的選擇與評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J]. 中國(guó)測(cè)試，2014，(S1):14-18.

[5]牛建民，俞從正. 勞保鞋用超細(xì)纖維合成革的研制[J]. 中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2003，(05):15-17.

[6]李玉潔. 基于警示功能的新式暴走鞋設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連工業(yè)大學(xué)，2015.

[7]冷夢(mèng)春，姚云鶴. 現(xiàn)代鞋用材料的再設(shè)計(jì)[J]. 皮革科學(xué)與工程，2010，(01):61-63+67.

[8]楊沙沙. 防刺鞋的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能表征[D]. 上海：東華大學(xué)，2014.

[9]張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[10] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分(第5版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

[11] 王昊 李昕. 集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)360例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2007.

[12] 唐介. 電路基本理論[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[13] 鍛九州. 放大電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[14] William A Shay. Understanding data communications & networks [M]. Beijing: China Machine Press，2003

[15] 劉珂珂. 基于人體工程學(xué)原理的休閑鞋人性化設(shè)計(jì)研究[D]. 無(wú)錫：江南大學(xué)，2009.

[16] 史麗俠. 休閑鞋幫面與鞋底搭配設(shè)計(jì)的研究[J]. 中國(guó)皮革，2012，(12):107-109.