基于鞋底防滑裝置的研究＊

（石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

據(jù)了解，新疆和黑龍江等地區(qū)冬天氣溫特別低，經(jīng)常下大雪，雪一經(jīng)融化結(jié)冰，覆蓋在地表，長期難以融化，給人們出行的安全埋下很大的隱患。

據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年由于意外滑倒造成骨折扭傷的人不計其數(shù)，這其中大部分是老人和小孩，老人摔傷的比例更是高達63.8%，因地面濕滑而摔倒致死的老人已經(jīng)達到96.9 萬人。

中國老齡化的趨勢越來越明顯，鞋底防滑性能的進一步改進和優(yōu)化迫在眉睫[7-8]。

1 鞋底防滑技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外冬季防滑主要措施有：設(shè)計防滑裝置、優(yōu)化鞋底材料、改進鞋底花紋和結(jié)構(gòu)。

在設(shè)計鞋底防滑裝置方面，研究者通過在鞋底防滑裝置的鞋尖和鞋跟部分安裝防滑釘或防滑刺，來增加鞋子的抓地力和摩擦力，提高了鞋的防滑性能[9-10]，但鋼釘和鋼刺在低溫環(huán)境下塑性差，易折斷，造成危險，且安裝不便，不美觀。

在優(yōu)化鞋底材料方面，國內(nèi)外研發(fā)者已經(jīng)研制出了一種復(fù)合膠體材料，其優(yōu)點是通過復(fù)合膠體材料的柔韌性和彈性，增大了鞋底與地面的接觸面積與接觸阻力，但研發(fā)成本高，價格高。

在改進鞋底花紋和結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外研究者研發(fā)出具有馬蹄形、人字形、圓柱形、許多形狀不規(guī)則花紋的鞋，如解放鞋、運動鞋和登山鞋等，通過溝槽將污漬和水漬排出，在材料不足時，鞋底抗彎折能力下降。

結(jié)合以上研究現(xiàn)狀，本文提出了一種綜合型的防滑裝置——磁吸嵌入式鞋底防滑裝置。

1.1 鞋底防滑裝置對防滑性能的影響

韓子成[11]公開了一種冰雪防滑鞋，包括鞋面和鞋底。鞋底根部和頭部嵌入多個鋼針座，鋼針座內(nèi)側(cè)鉸接有鋼針，鋼針豎立時高度不大于4 mm，鋼針座內(nèi)側(cè)對應(yīng)的鞋底設(shè)置有嵌孔。通過旋轉(zhuǎn)鋼釘來改變與地面接觸的距離、適應(yīng)地面環(huán)境，從而防止打滑，但操作復(fù)雜。冰雪防滑鞋如圖1 所示。

Yaktrax[12]公開了一種防滑鞋套，該鞋套采用非對稱設(shè)計結(jié)構(gòu)，上面纏有剛性線圈以及可以更換的防滑刺，通過剛性線圈的繞制紋路來增加與冰雪地面的摩擦力，防滑刺提高對冰雪地面的抓地力，但主體的塑膠材質(zhì)難以長期適應(yīng)低溫環(huán)境下的受力磨損，適用范圍有局限性。

防滑鞋套如圖2 所示。

圖1 冰雪防滑鞋

圖2 防滑鞋套

1.2 鞋底材料對防滑性能的影響

路正輝[13]對鞋底材料對影響鞋底靜態(tài)防滑性能的幾個要素進行了分析，在干、濕兩種狀態(tài)下，通過對NR、TPR、PVC、EVA 四種材質(zhì)的鞋底進行試驗，每種材質(zhì)選用兩種不同類型的樣品，依據(jù)HG/T 3780—2005《鞋類靜態(tài)防滑性能實驗方法》分別測定其干濕狀態(tài)下的靜摩擦力和靜摩擦系數(shù)，進而對不同場合選購合適鞋子給出合理化建議，如表1所示。

表1 不同材質(zhì)鞋底的靜態(tài)摩擦測試結(jié)果

李鍵[14]通過對白炭黑接枝改性，制備了可作為鞋底用的防滑性能優(yōu)良的NR/SiO2g-TDI 復(fù)合材料。四針狀氧化鋅晶須（T-ZnOw）有著特殊的立體四針狀結(jié)構(gòu)，使其對高分子復(fù)合材料具有完全各向同性的改性作用，可使復(fù)合材料的防滑性能得到很大的提升。在上述研究的基礎(chǔ)上考察了SiO2填充橡膠提高防滑性能的最佳用量比，發(fā)現(xiàn)在SiO2用量為40 phr 時，NR/SiO2復(fù)合材料的抗?jié)窕阅茏罴?。用化學接枝法將甲苯二異氰酸酯（TDI）分子引入到白炭黑表面，結(jié)果顯示接枝改性后的NR/SiO2g-TDI 復(fù)合材料在干、濕狀態(tài)下的摩擦系數(shù)都有較明顯的提高，說明白炭黑表面的改性對提高白炭黑/NR 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)是有效果的。NR/SiO2/T-ZnOw（100/40/15）表面（500×）如圖3 所示。

圖3 NR/SiO2/T-ZnOw（100/40/15）表面（500×）

1.3 鞋底花紋和結(jié)構(gòu)對防滑性能的影響

SATRA 研究人員在鞋子防滑測試方面做了大量研究，對約500 種不同款式的男女式鞋進行防滑測試，通過對測試數(shù)據(jù)及鞋底花紋特征分析，提出了具有指導意義的防滑鞋底花紋設(shè)計，如圖4 所示。

圖4 鞋底花紋設(shè)計示意圖

優(yōu)良的底紋設(shè)計為花紋寬度最小3 mm，最大20 mm，崎嶇環(huán)境下的戶外運動鞋最小花紋深度為5 mm，以便于將液體排開，使底紋與地板有干的接觸面，從而提高抗?jié)窕?。凸出的鞋釘與地面接觸平整，且具有輪廓分明的向各個方向的邊緣，可以有效提高鞋底對地面的抓握力，中底采用柔軟的彈性結(jié)構(gòu)可使鞋與地面接觸面最大化。

2 現(xiàn)有問題與解決方法

目前，國內(nèi)外對鞋底防滑性能的研究方向較為單一，沒有綜合全面地考慮人們的需求。為此，設(shè)計了一種磁吸嵌入式鞋底防滑裝置，該裝置主要由鞋尖防滑塊、電池和鞋跟防滑塊組成，如圖5 所示。

圖5 鞋底結(jié)構(gòu)圖

鞋尖防滑塊和鞋跟防滑塊均采用楔形滑塊裝置，底部楔形塊安裝有防滑刺，并在兩楔形塊之間安裝小型輪轂與設(shè)置輪轂槽，楔形塊的兩側(cè)開有方形孔，便于固定，如圖6 所示。

圖6 鞋尖防滑塊和鞋跟防滑

防滑裝置工作的原理為：啟動開關(guān)按鈕，電路導通，線圈繞組產(chǎn)生磁性，吸引中間的墊鐵向中間靠攏，墊鐵與中間的楔形裝置相連，在楔形塊向前移動的同時，防滑刺塊豎直向下移動，到固定位置自動鎖好；開關(guān)斷開，電路斷開，線圈繞組失去磁性，與墊鐵相連的中間的楔形塊沿斜面原路返回，到指定位置自動鎖好，磁吸控制電路如圖7 所示。

圖7 磁吸控制電路圖

該鞋底防滑裝置相比于目前設(shè)計研發(fā)的冰雪防滑鞋，在外觀和內(nèi)部構(gòu)造方面做出了相應(yīng)的改進，提升了美觀性和可操作性，在鞋底材料方面，采用塑性與柔韌性良好的復(fù)合橡膠材料，價格較復(fù)合材料便宜，且對地防滑系數(shù)大；在鞋底結(jié)構(gòu)與花紋方面，采用人字形與馬蹄形為主的花紋與結(jié)構(gòu)，避免了鞋底單向受力的同時，方便水漬與污垢的排出，能夠綜合全面的滿足人們的需求，可以適應(yīng)北方的冰雪天氣。