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）

據了解，新疆和黑龍江等地區冬天氣溫特別低，經常下大雪，雪一經融化結冰，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。

據衛生部統計數據，每年由于意外滑倒造成骨折扭傷的人不計其數，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化迫在眉睫[7-8]。

1 鞋底防滑技術的研究現狀

目前國內外冬季防滑主要措施有：設計防滑裝置、優化鞋底材料、改進鞋底花紋和結構。

在設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境下塑性差，易折斷，造成危險，且安裝不便，不美觀。

在優化鞋底材料方面，國內外研發者已經研制出了一種復合膠體材料，其優點是通過復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，但研發成本高，價格高。

在改進鞋底花紋和結構方面，國內外研究者研發出具有馬蹄形、人字形、圓柱形、許多形狀不規則花紋的鞋，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。

結合以上研究現狀，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，鋼針座內側鉸接有鋼針，鋼針豎立時高度不大于4 mm，鋼針座內側對應的鞋底設置有嵌孔。通過旋轉鋼釘來改變與地面接觸的距離、適應地面環境，從而防止打滑，但操作復雜。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計結構，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，但主體的塑膠材質難以長期適應低溫環境下的受力磨損，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防滑性能的幾個要素進行了分析，在干、濕兩種狀態下，通過對NR、TPR、PVC、EVA 四種材質的鞋底進行試驗，每種材質選用兩種不同類型的樣品，依據HG/T 3780—2005《鞋類靜態防滑性能實驗方法》分別測定其干濕狀態下的靜摩擦力和靜摩擦系數，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 不同材質鞋底的靜態摩擦測試結果

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良的NR/SiO2g-TDI 復合材料。四針狀氧化鋅晶須（T-ZnOw）有著特殊的立體四針狀結構，使其對高分子復合材料具有完全各向同性的改性作用，可使復合材料的防滑性能得到很大的提升。在上述研究的基礎上考察了SiO2填充橡膠提高防滑性能的最佳用量比，發現在SiO2用量為40 phr 時，NR/SiO2復合材料的抗濕滑性能最佳。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，結果顯示接枝改性后的NR/SiO2g-TDI 復合材料在干、濕狀態下的摩擦系數都有較明顯的提高，說明白炭黑表面的改性對提高白炭黑/NR 復合材料的摩擦系數是有效果的。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 鞋底花紋和結構對防滑性能的影響

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，通過對測試數據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計，如圖4 所示。

圖4 鞋底花紋設計示意圖

優良的底紋設計為花紋寬度最小3 mm，最大20 mm，崎嶇環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，從而提高抗濕滑性。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構可使鞋與地面接觸面最大化。

2 現有問題與解決方法

目前，國內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 鞋底結構圖

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置輪轂槽，楔形塊的兩側開有方形孔，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：啟動開關按鈕，電路導通，線圈繞組產生磁性，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計研發的冰雪防滑鞋，在外觀和內部構造方面做出了相應的改進，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合橡膠材料，價格較復合材料便宜，且對地防滑系數大；在鞋底結構與花紋方面，采用人字形與馬蹄形為主的花紋與結構，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，可以適應北方的冰雪天氣。