步態(tài)摩擦系數(shù)影響因子研究

江發(fā)明,鄭艷芳,李開偉,3

(1.湘潭大學 公共管理學院，湖南 湘潭 411105；2.湖南工學院 安全與環(huán)境工程學院，湖南 衡陽 421002；3.中華大學 工業(yè)管理系，臺灣 新竹 30012)

1 引言

滑倒和摔倒是工作中難以避免的情況， 尤其在潮濕光滑的地面，工人更容易不慎而跌倒。Leamon & Murphy(1995年)的研究指出將近2/3的跌倒或者跌落是由于滑倒所造成的[1]。全世界每年約有30～40%的65歲以上老年人至少發(fā)生一次跌倒。據(jù)中國疾病監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，跌倒已經(jīng)成為我國65歲以上老年人因傷致死的首位原因。因受傷到醫(yī)療機構(gòu)就診的老年人中，一半以上是因為跌倒。老年人發(fā)生創(chuàng)傷性骨折的主要原因也是跌倒，跌倒是老年人常見的健康問題。我國每年約有30%的65歲以上的老年人發(fā)生跌倒，而且跌倒的發(fā)生比例隨著年齡的增長而增加，80歲以上的老年人跌倒的年發(fā)生率可高達50%。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年底，我國60周歲及以上人口為2.4949 億人，占總?cè)丝诘?7.9%，65周歲及以上人口約為1.6658億，占總?cè)丝诘?1.9%[2]。

工人在工作場所滑倒或摔倒主要是鞋底與地面的摩擦力不足而導致的[3-6]。鞋底與地面間的摩擦力是由它們之間的摩擦系數(shù)(COF)來決定的，一般認為摩擦系數(shù)越高越不易滑倒，摩擦系數(shù)越低越易滑倒。國外對于步態(tài)摩擦研究較早，在美國(Miller，1983年)，當作業(yè)環(huán)境摩擦系數(shù)低于0.5時被認為有較高的滑倒風險[7-8]。

摩擦系數(shù)一般可分為靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)。通常所使用的量測器主要用來測量靜摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)量測較易而被許多研究廣泛使用。影響摩擦系數(shù)(COF)的因子很多，李開偉研究指出，摩擦系數(shù)(COF)受地面的粗糙程度、鞋底的設計、地面的材質(zhì)、地面的污染狀況、以及測量工具等的影響。即使在同一種鞋底和地面，其也會因鞋紋的寬度、深度不一樣而不同。由于影響摩擦系數(shù)(COF)的因子太多而使其量測也相當復雜，而且摩擦系數(shù)的大小也跟所選擇的量測器有關(guān)[9-14]。

國內(nèi)關(guān)于步態(tài)摩擦的研究起步較晚。賈利曉，張永振等[15-16]研究步進摩擦時指出，國內(nèi)的研究還處于起步階段,主要集中在提高鞋底材料的摩擦學特性上，而對其內(nèi)在機理的研究比較欠缺。李世明等[17]基于人體動態(tài)穩(wěn)定理論，提出了穩(wěn)度和支撐是影響人滑倒的主要因素，當人行走時穩(wěn)度為負或者支撐不力時就容易出現(xiàn)滑倒。楊建坤、武明等[18-19]通過步態(tài)分析研究了背部負重下對于坡道行走步態(tài)的影響以及受試者面臨的滑倒危險性，探討了相應補償策略，研究表明人體行走負重時會自動調(diào)節(jié)步態(tài)參數(shù)以降低COF，從而減小滑跌的危險。

綜上所述，人的滑倒是一個復雜的過程，主要是因為人行走過程中與地面摩擦不足引起的。人行走時與地面的摩擦稱之為步態(tài)摩擦，它是受多種因素綜合影響的結(jié)果，但關(guān)于步態(tài)摩擦影響因子的研究國內(nèi)相對較少有論述。

2 方法

2.1 實驗設計

本文旨在研究步道粗糙程度、鞋底、地面污染狀況對摩擦系數(shù)的影響，選用實驗室鋪設粗糙陶瓷步道(C1)、拋光花崗巖步道(G)、打磨的陶瓷步道(C2)三條光滑程度不同的步道；兩種鞋底，一種鞋底為光滑平板鞋底(flat Neolite)，另一種鞋底為條紋鞋底(treaded Neolite)；兩種污染狀況，一種是干燥(dry)地面，另一種是灑水(wet)地面；共計3×2×2=12種組合。使用Brungraber Mark II摩擦系數(shù)量測器在室內(nèi)溫度為20℃左右的環(huán)境進行量測，每種鞋底在各個步道上的兩種地面狀況上各量測12個值，共計144組數(shù)據(jù)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，地面的粗糙程度、污染狀況、鞋底設計都對摩擦系數(shù)的高低有顯著性影響。光滑瓷磚地面在所有地面摩擦系數(shù)最低，灑水地面與干燥地面摩擦系數(shù)變化顯著。

本實驗在溫度、濕度等變化較少的實驗室內(nèi)完成，實驗開始前，對做實驗的人員進行培訓，在保證兩個實驗人員間測量的誤差不超過0.01的情況下方能開始測量，歷時5天完成全部實驗數(shù)據(jù)的測量。

2.2 量測設備

實驗使用Brungraber Mark II摩擦系數(shù)(COF)量測器。它是通過模仿人走路時的狀態(tài)進行測量，其主體結(jié)構(gòu)為一金屬骨架和一個4.5kg的重錘。重錘下方裝有滑動地金屬支架，支架下方可以拆換

7.6×7.6 cm的鞋底。Brungraber Mark II的摩擦系數(shù)刻度在0-1.1之間，每次測量前調(diào)至零刻度并用平衡金屬板檢測其是否可以正常使用。進行測量時，用腳將其固定于地面某處，手調(diào)節(jié)人工腳與地面撞擊的傾斜角，當人工腳撞擊地面不發(fā)生滑動時，則將傾斜角變小，同時刻度上度數(shù)變大，直至人工腳與地面恰好發(fā)生滑動時(為保證其測量準確，可采取多次測量來確定該點)，則停止測量，此時刻度上顯示的數(shù)值為該點的摩擦系數(shù)(COF)，如圖1所示。

2.3 鞋底與步道

鞋底與地面是影響摩擦系數(shù)(COF)的主要因子，實驗選用耐歐萊特(Neolite)材質(zhì)光滑平板鞋底(Flat Neolite)和條紋鞋底(Treaded Neolite)兩種鞋底，將鞋底裁剪成面積7.6×7.6 cm的正方形，厚度大約1 cm左右，并打磨使其表面平整，具體如圖2所示。

探究步道的粗糙程度對摩擦系數(shù)(COF)的影響時，實驗選取三條粗糙程度不同的步道，分別為粗糙陶瓷步道(C1)、打磨的陶瓷步道(C2) 、 拋光的花崗巖步道(G)，如圖3所示。

為了保證測量的一致性和減少測量的隨機誤差，測量時，在每條步道上以長30 cm、寬20 cm的間隔依次選取6個點，每個點測量兩組數(shù)據(jù)，如圖4所示。

2.4 地面污染狀況

實驗選用干燥和灑水兩種地面狀況來探究地面污染情況對摩擦系數(shù)(COF)的影響。量測干地面時，每次量測前首先用砂石將測試鞋底和地面打磨干凈，然后用干凈的毛巾將鞋底和地面擦拭干凈，每次量測完成進行下一次量測時重復上述動作確保沒有沙子等雜物影響實驗結(jié)果。量測濕地面時，在重復干地面操作的基礎(chǔ)上，每次在地面上均勻灑上10 ml的水并使之形成一個由表面張力所決定的薄膜厚度，重復上述實驗操作完成實驗數(shù)據(jù)量測。

2.5 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本實驗設計為三因子隨機實驗(2鞋底3步道2污染狀況)，每一種鞋底在同一步道和污染狀況下為一組，每組量測12個數(shù)據(jù)，共計12組144個數(shù)據(jù)。量測數(shù)據(jù)分析使用SAS軟件來進行變異數(shù)分析(ANOVA)，實驗因子影響(P<0.05)的顯著性水平則以Duncan’s Multiple Range Test進行多重比較進行檢驗。

3 結(jié)果

3.1 步道粗糙度測量結(jié)果

表面粗糙度是用于描述表面微觀形貌最常用的參數(shù)，是定量描述表面微觀形貌最重要的方法，表面粗糙度對零件的摩擦學特性有很大的影響。地面的粗糙度特征可用粗糙度參數(shù)來描述，人們已經(jīng)提出數(shù)十種描述粗糙度的參數(shù)，本文選用最常用的輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)來描述地面粗糙度[20]。在該方法中，粗糙度參數(shù)(Ra)越大表明地面越粗糙，抗滑能力越強。就摩擦而言，地面越粗糙，鞋底與地面摩擦系數(shù)越大，抗滑能力越強。C1、C2和G步道的粗糙度參數(shù)(Ra)如下圖5所示，分別為14.95(±1.75)μm、8.13(±0.85)μm和0.05(±0.01)μm。對三種地面的粗糙度參數(shù)(Ra)進行方差分析，結(jié)果顯示三種地面的粗糙度具有統(tǒng)計學上的顯著差異(P<0.0001)。

2.2 摩擦系數(shù)測量結(jié)果分析

三種地面所測得的摩擦系數(shù)(COF)的平均值和偏差的實驗測試結(jié)果如下圖6所示，水平軸表示光滑平板鞋底和條紋鞋底兩種鞋底及干濕兩種狀態(tài)，豎軸表示摩擦系數(shù)(COF)，4組直方圖分別顯示兩種鞋底在不同步道和干濕狀態(tài)的摩擦系數(shù)(COF)平均值與偏差。由圖6可知，光滑平板鞋底在濕地面比干地面摩擦系數(shù)要低得多，而條紋鞋底在濕地面摩擦系數(shù)(COF)略低于干地面。

對實驗所測的數(shù)據(jù)進行方差分析(ANOVA) 結(jié)果如表1所示，各主要因子作用和交互作用均具有統(tǒng)計學意義(P<0.0001)。干地面COF值(0.68)顯著高于濕地面COF值(0.39)。使用條紋鞋底(0.63)測量的COF值顯著高于平板鞋墊COF值(0.44)。

表1 變異數(shù)分析表

對步道COF測得的所有值做Duncan’s多重比較試驗結(jié)果如表2所示。對于步道而言，C1步道摩擦系數(shù)(COF)最高(0.67)，其次為C2步道(0.63)，而拋光的花崗巖步道(G)步道摩擦系數(shù)(0.31)最低。由步道的Duncan’s 多重檢定結(jié)果可知，C1、C2步道其摩擦系數(shù)顯著高于拋光花崗巖(G)地面摩擦系數(shù)(P<0.0001)。同時，C1、C2地面，其摩擦系數(shù)也存在顯著性差異(P<0.0001)。

表2 步道COF所有測試結(jié)果’s多重比較表

光滑平板鞋底(flat Neolite)和條紋鞋底(treaded Neolite)提供了與步道兩種不同的接觸機制，對兩個鞋底在三種步道測得的COF值分別做Duncan’s多重比較。結(jié)果如表3所示，步道和表面污染狀對條紋鞋底的COF值均有顯著作用(P<0.0001)，且C1(0.82)顯著>C2(0.73)，C2顯著高于拋光花崗巖(G,0.34)，而步道和表面污染狀的交互作用不顯著。

表3 條紋鞋底COF測試結(jié)果’s多重比較表

光滑平板鞋底(flat Neolite)的測試的COF值做方差比較結(jié)果如表4所示，步道和表面污染狀對條紋鞋底的COF值均有顯著作用(P<0.0001)。且C1、C2的COF值(0.52)顯著高于拋光花崗巖(G,0.28)，但相比條紋鞋底分別下降了 36.5%，28.7% 和17.6% 。

表4 光滑平底鞋底COF測試結(jié)果’s多重比較表

光滑平板鞋底(flat Neolite)、步道和表面污染狀的交互作用結(jié)果如圖7所示，步道和表面污染狀的交互作用是顯著的(P<0.0001)。

4 討論

所有數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果表明，鞋、地板、表面及其二因素和三因素相互作用是顯著的，這與文獻中的發(fā)現(xiàn)一致[11,21]。摩擦測量是一項復雜的工作，涉及摩擦測量裝置的操作。BMII是美國常用的滑道之一，它對地板上是否有液體很敏感[22-23]。BMII供應商提供了踏板和鞋底，踏板模擬鞋底的胎面設計，即鞋底只有固定的寬度、深度和方向。摩爾(Moore，1972年)推導出兩種液體間的接觸摩爾效應方程，證明了液體在兩個接觸面之間的作用。在相互接觸過程中，兩個表面的薄膜被穿透之前沒有摩擦。鞋紋使兩個接觸表面之間的液體排出，并有助于阻止覆蓋液體的地板上COF下降，結(jié)果與文獻中的發(fā)現(xiàn)一致[9-10,12]。表3顯示，使用條紋鞋底測量的C1、C2和G地面的平均COF分別為0.82、0.73和0.34。用光滑平板鞋底測量，三層的平均COF分別為0.52、0.52和0.28。兩種鞋墊使用之間，三層間的下降分別為36.5%、28.7%和17.6%，表明鞋底條紋對鞋墊的影響非常明顯。

地板也是影響鞋類地面摩擦系數(shù)(COF)的一個重要因素。在實驗室里，G地板鋪在地面上，它有很好的表面輪廓。C1和C2是從當?shù)厣痰曩徺I的，它們通常用于當?shù)厣虡I(yè)建筑中。除了C1的表面比C2粗糙外，它們的外觀相似。Gr?nqvist(1995年)指出，Ra值為7 μm到9 μm的地面具有良好的防滑性，這與我們的研究結(jié)果一致[24]。一方面，無論是使用光滑平板鞋底還是條紋鞋底，C1和C2的摩擦系數(shù)(COF)均高于0.5，這是美國普遍采用的安全標準。另一方面，拋光花崗巖的防滑性能較差，無論是光滑平板鞋底還是條紋鞋底，平均COF摩擦系數(shù)(COF)均未達到0.5的安全限值。

5 結(jié)論

鞋底與地面表面間的摩擦系數(shù)已經(jīng)廣泛地被用來評估地面的滑溜度，但國內(nèi)相關(guān)的研究卻很少。人的滑倒是一個復雜的過程，雖然步態(tài)摩擦系數(shù)(COF)可以用來評估人行走過程中的滑倒風險，但很多情況下，人的滑倒是因為在容易滑倒的路且沒有引起足夠的謹慎而導致滑倒。即使是在鞋底、地面與污染狀況都相同的情況下，摩擦系數(shù)(COF)也會因為不同的摩擦測量工具而產(chǎn)生不同的數(shù)值。本研究使用BM II來進行摩擦系數(shù)測量得到的主要結(jié)論有:

(1)鞋底、步道、地面狀況及它們之間的交互作用對步態(tài)摩擦系數(shù)影響有顯著性差異(P<0.0001)。

(2)較粗糙的步道(C1、C2)在干燥條件下的摩擦系數(shù)較高，滑倒風險較低；濕潤條件下摩擦系數(shù)下降較快(36.5%，28.7%)，但仍然>0.5，仍然有一定的抗滑倒能力。然而，拋光花崗巖步道(G)無論在干燥還是濕潤條件下滑倒風險都較高。

(3)光滑平板鞋底在濕地面的滑倒風險要遠大于條紋鞋底。這可能是由于鞋底紋路可促使鞋底與地面間液體的排出，從而減少壓擠薄膜效果造成摩擦系數(shù)降低。