人体步进摩擦的主要影响因素

人体步进摩擦是指在行走过程中,人脚与地面之间产生的间歇性摩擦现象.步进摩擦系数的大小直接关系到人体在行走过程中的安全性.本文介绍了影响人体步进摩擦系数大小的主要因素,包括材料、路面润滑状况、鞋底花纹、鞋跟形式与高度、人体步态参数等.在文章的最后分析了目前研究中存在的问题,进而指出了下一步的研究重点和目标.

人体步进摩擦的研究现状

人体步进摩擦是指在行走过程中,人脚与地面之间产生的间歇性摩擦现象.此摩擦现象直接关系到人体在行走过程中的安全性,如果脚与地之间的摩擦系数太小,人体就会发生打滑甚至摔倒.为了充分掌握人体步进摩擦的特性和规律,从原理、测量仪器、影响因素、磨损机理和应用领域四方面阐述了人体步进摩擦的研究现状,指出今后研究的重点应放在路面运动条件下人体步进摩擦的研究上.人体步进摩擦的主要测量仪器有Brungraber MarkⅡ测试仪和生物力学测力台两种,主要影响因素包括配副材料、路面条件、行走时所穿鞋子的鞋跟形式与高度、人体行走时的运动参数和鞋底花纹等,主要磨损形式是磨粒磨损和疲劳磨损,主要应用于医疗康复、体育训练、装饰和制鞋等领域.步进摩擦特性决定着人体在行走过程中是否会发生滑摔事故,影响着人类生活和生命质量,因此,有必要对其机理进行充分的研究.

步进摩擦分析测试平台的研制

研制了步进摩擦分析测试平台,可用于检测人体在静止及运动路面上的步进摩擦特性.该平台主要由六自由度摇摆台、三维测力台和数据采集系统三部分构成,六自由度摇摆台可提供六个自由度的任意组合运动,用来模拟舰船、海浪和地震等工况;三维测力台可测量出人体在行走时的三维力和力矩;数据采集系统将六自由度运动平台和三维测力台的输出数据采集并保存到计算机中,用来分析人体运动时的步进摩擦特性.采用研制平台进行了一组试验,结果表明:人在上、下坡行走时的垂直地面反作用力与在水平路面行走时的垂直地面反作用力具有不同的分布规律,并且垂直地面反作用力均随坡度角的增大而减小.

横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响

人体在行走过程中足底与地面之间产生的间歇性摩擦现象称为步进摩擦,地板表面形貌作为步进摩擦的重要影响因素之一而受到广泛关注.现有研究成果多是基于水平路面,对坡度道路,特别是横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响研究较少.本文作者以普通碳钢作为地板材料,机械加工出不同的表面形貌,利用止滑试验机研究了水平状态下地板表面形貌与其能够提供的最大临界摩擦系数的关系,利用步进摩擦试验平台研究了横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响.结果表明:水平状态下,随着表面粗糙度的增大和表面纹理间距的减小,临界摩擦系数与人体行走实际所产生的有效摩擦系数均增加,防滑性能提高;横倾状态下,随着路面横倾角度的增大,有效摩擦系数及其侧向分量增大,侧滑风险提高;地板表面纹理排列方向对有效摩擦系数的影响明显,横向分布的防滑性能优于纵向.

坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响

人体行走经常发生滑摔事故,而坡面道路是人体行走的典型路况之一.当前通过改变鞋底和地板的材料、鞋底和地板的表面形貌以提高步进摩擦系数的研究多是基于水平路面,对坡面道路上的人体行走,特别是地面形貌变化对坡面道路上的人体行走研究较少.本文中以45钢作为材料,制备出表面波纹度相同而表面形貌不同的地板,利用步进摩擦试验平台改变行走路面的坡度研究了地面形貌变化对坡面道路上人体步进摩擦的影响.结果表明:坡度对有效摩擦系数的影响高于表面形貌;随着坡度的增加,安全行走所需的必要摩擦系数增大,地面提供的有效摩擦系数减小,步频则先增大后减小;上坡启动时脚掌与路面的有效接触面积和下坡制动时脚跟的有效接触面积随坡度的增加而减小,导致有效摩擦系数降低,滑摔倾向增大.人体行走姿态为了保持平衡而缩短步长以降低必要摩擦系数.

路面横倾角度对人体步进摩擦的影响

预防滑摔是步进摩擦研究的主要目的,但现有研究集中于水平路面和上下坡,对横倾路面研究较少.通过采用自制步进摩擦试验平台测试人体在横倾路面上行走时的摩擦力、足偏角和步态周期,计算必要摩擦系数.结果表明:随着横倾角度的增大,重力的侧向分量增大,导致侧向摩擦系数增大并起主要作用,侧滑风险升高,可调整重心向低侧偏移以减小必要摩擦系数,从而降低滑摔风险;低侧脚足偏角减小,高侧脚足偏角增加,可增加低侧脚足偏角的方法增加动态稳定域以提高行走时的稳定性;路面横倾增大了侧滑风险,人体自适应平衡机制随之减缓步速,并缩短较危险的单支撑期和延长较安全的双支撑期以防止滑摔.

海洋构筑物表面等离子熔覆TiC/Ni复合材料涂层的人体步进防滑性能

随着海洋活动增加,军舰、商船、海上钻井平台等海洋构筑物表面滑摔现象频发,已经严重影响人员安全和海洋事业的发展。为了解决这个问题,世界各国纷纷利用表面处理技术制备各类涂层,提高海洋构筑物表面的防滑性能。本试验采用等离子熔覆技术在45钢表面制备TiC/Ni合金粉末制备人体步进防滑涂层,分析了涂层步进摩擦系数、显微组织、摩擦磨损性能、涂层材料和表面形貌对涂层防滑性能的影响。结果表明:加入TiC不仅提高了涂层的耐磨性,还提高了涂层的步进摩擦系数。随着TiC含量的增加,涂层摩擦系数和耐磨性均增加,除此之外涂层表面三维形貌、涂层材料都会对步进摩擦产生影响,并且干态摩擦系数大于湿态摩擦系数;相对于等离子喷涂制备的涂层,等离子熔覆制备的涂层虽然步进摩擦系数略低,但耐磨性明显提高。