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(xué) 公共管理學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；3.中華大學(xué) 工業(yè)管理系，臺(tái)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(guó)疾病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，跌倒已經(jīng)成為我國(guó)65歲以上老年人因傷致死的首位原因。因受傷到醫(yī)療機(jī)構(gòu)就診的老年人中，一半以上是因?yàn)榈?。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(guó)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(zhǎng)而增加，80歲以上的老年人跌倒的年發(fā)生率可高達(dá)50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，我國(guó)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(chǎng)所滑倒或摔倒主要是鞋底與地面的摩擦力不足而導(dǎo)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(lái)決定的，一般認(rèn)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(guó)外對(duì)于步態(tài)摩擦研究較早，在美國(guó)(Miller，1983年)，當(dāng)作業(yè)環(huán)境摩擦系數(shù)低于0.5時(shí)被認(rèn)為有較高的滑倒風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。

摩擦系數(shù)一般可分為靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。通常所使用的量測(cè)器主要用來(lái)測(cè)量靜摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)量測(cè)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(shè)計(jì)、地面的材質(zhì)、地面的污染狀況、以及測(cè)量工具等的影響。即使在同一種鞋底和地面，其也會(huì)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(cè)也相當(dāng)復(fù)雜，而且摩擦系數(shù)的大小也跟所選擇的量測(cè)器有關(guān)[9-14]。

國(guó)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(jìn)摩擦?xí)r指出，國(guó)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(xué)特性上，而對(duì)其內(nèi)在機(jī)理的研究比較欠缺。李世明等[17]基于人體動(dòng)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(dāng)人行走時(shí)穩(wěn)度為負(fù)或者支撐不力時(shí)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(fù)重下對(duì)于坡道行走步態(tài)的影響以及受試者面臨的滑倒危險(xiǎn)性，探討了相應(yīng)補(bǔ)償策略，研究表明人體行走負(fù)重時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)步態(tài)參數(shù)以降低COF，從而減小滑跌的危險(xiǎn)。

綜上所述，人的滑倒是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要是因?yàn)槿诵凶哌^程中與地面摩擦不足引起的。人行走時(shí)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(guó)內(nèi)相對(duì)較少有論述。

2 方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文旨在研究步道粗糙程度、鞋底、地面污染狀況對(duì)摩擦系數(shù)的影響，選用實(shí)驗(yàn)室鋪設(shè)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(jì)3×2×2=12種組合。使用Brungraber Mark II摩擦系數(shù)量測(cè)器在室內(nèi)溫度為20℃左右的環(huán)境進(jìn)行量測(cè)，每種鞋底在各個(gè)步道上的兩種地面狀況上各量測(cè)12個(gè)值，共計(jì)144組數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，地面的粗糙程度、污染狀況、鞋底設(shè)計(jì)都對(duì)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(shí)驗(yàn)在溫度、濕度等變化較少的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)做實(shí)驗(yàn)的人員進(jìn)行培訓(xùn)，在保證兩個(gè)實(shí)驗(yàn)人員間測(cè)量的誤差不超過0.01的情況下方能開始測(cè)量，歷時(shí)5天完成全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

2.2 量測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用Brungraber Mark II摩擦系數(shù)(COF)量測(cè)器。它是通過模仿人走路時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其主體結(jié)構(gòu)為一金屬骨架和一個(gè)4.5kg的重錘。重錘下方裝有滑動(dòng)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(cè)量前調(diào)至零刻度并用平衡金屬板檢測(cè)其是否可以正常使用。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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(dāng)人工腳撞擊地面不發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，則將傾斜角變小，同時(shí)刻度上度數(shù)變大，直至人工腳與地面恰好發(fā)生滑動(dòng)時(shí)(為保證其測(cè)量準(zhǔn)確，可采取多次測(cè)量來(lái)確定該點(diǎn))，則停止測(cè)量，此時(shí)刻度上顯示的數(shù)值為該點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(duì)摩擦系數(shù)(COF)的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(cè)量的一致性和減少測(cè)量的隨機(jī)誤差，測(cè)量時(shí)，在每條步道上以長(zhǎng)30 cm、寬20 cm的間隔依次選取6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量?jī)山M數(shù)據(jù)，如圖4所示。

2.4 地面污染狀況

實(shí)驗(yàn)選用干燥和灑水兩種地面狀況來(lái)探究地面污染情況對(duì)摩擦系數(shù)(COF)的影響。量測(cè)干地面時(shí)，每次量測(cè)前首先用砂石將測(cè)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(cè)完成進(jìn)行下一次量測(cè)時(shí)重復(fù)上述動(dòng)作確保沒有沙子等雜物影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。量測(cè)濕地面時(shí)，在重復(fù)干地面操作的基礎(chǔ)上，每次在地面上均勻?yàn)⑸?0 ml的水并使之形成一個(gè)由表面張力所決定的薄膜厚度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量測(cè)。

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因子隨機(jī)實(shí)驗(yàn)(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(cè)12個(gè)數(shù)據(jù)，共計(jì)12組144個(gè)數(shù)據(jù)。量測(cè)數(shù)據(jù)分析使用SAS軟件來(lái)進(jìn)行變異數(shù)分析(ANOVA)，實(shí)驗(yàn)因子影響(P<0.05)的顯著性水平則以Duncan’s Multiple Range Test進(jìn)行多重比較進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 結(jié)果

3.1 步道粗糙度測(cè)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(duì)零件的摩擦學(xué)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(lái)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(lái)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(qiáng)。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(qiáng)。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(duì)三種地面的粗糙度參數(shù)(Ra)進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示三種地面的粗糙度具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異(P<0.0001)。

2.2 摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果分析

三種地面所測(cè)得的摩擦系數(shù)(COF)的平均值和偏差的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)學(xué)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(cè)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(duì)步道COF測(cè)得的所有值做Duncan’s多重比較試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。對(duì)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(shí)，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(cè)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(jī)制，對(duì)兩個(gè)鞋底在三種步道測(cè)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(duì)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(cè)試結(jié)果’s多重比較表

光滑平板鞋底(flat Neolite)的測(cè)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(duì)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(cè)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(xiàn)中的發(fā)現(xiàn)一致[11,21]。摩擦測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，涉及摩擦測(cè)量裝置的操作。BMII是美國(guó)常用的滑道之一，它對(duì)地板上是否有液體很敏感[22-23]。BMII供應(yīng)商提供了踏板和鞋底，踏板模擬鞋底的胎面設(shè)計(jì)，即鞋底只有固定的寬度、深度和方向。摩爾(Moore，1972年)推導(dǎo)出兩種液體間的接觸摩爾效應(yīng)方程，證明了液體在兩個(gè)接觸面之間的作用。在相互接觸過程中，兩個(gè)表面的薄膜被穿透之前沒有摩擦。鞋紋使兩個(gè)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(xiàn)中的發(fā)現(xiàn)一致[9-10,12]。表3顯示，使用條紋鞋底測(cè)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(cè)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(duì)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(gè)重要因素。在實(shí)驗(yàn)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(dāng)?shù)厣痰曩?gòu)買的，它們通常用于當(dāng)?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(wú)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(guó)普遍采用的安全標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，拋光花崗巖的防滑性能較差，無(wú)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(dá)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(lái)評(píng)估地面的滑溜度，但國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究卻很少。人的滑倒是一個(gè)復(fù)雜的過程，雖然步態(tài)摩擦系數(shù)(COF)可以用來(lái)評(píng)估人行走過程中的滑倒風(fēng)險(xiǎn)，但很多情況下，人的滑倒是因?yàn)樵谌菀谆沟穆非覜]有引起足夠的謹(jǐn)慎而導(dǎo)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(huì)因?yàn)椴煌哪Σ翜y(cè)量工具而產(chǎn)生不同的數(shù)值。本研究使用BM II來(lái)進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)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(duì)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(fēng)險(xiǎn)較低；濕潤(rùn)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(wú)論在干燥還是濕潤(rùn)條件下滑倒風(fēng)險(xiǎn)都較高。

(3)光滑平板鞋底在濕地面的滑倒風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)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。