Page 35 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 李梁瑜, 等: 坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响 445

瞬间和下坡制动阶段的脚跟着地瞬间摩擦系数出现

的峰值作为结果分析依据.
2.1 上坡行走
上坡行走时在行走方向上各个地板试样的摩擦
力及脚尖离地的启动阶段摩擦系数如图5所示. 由
图5(a)可知，上坡启动时期，相对于其他倾斜角度，当
坡度为10°时各个地板试样的有效摩擦系数差异较
大，花纹地板的有效摩擦系数较高，圆弧地板的有效
α° α°
摩擦系数较低. 在其他倾斜角度下各个地板试样的有
(a) Uphill (b) Downhill 效摩擦系数差异较小，相较而言，坡度为20°时宽梯形

Fig. 4 Walking posture of human body
地板比其他地板的有效摩擦系数略高. 这可能是由于
图 4 人体行走姿态
宽梯形、窄梯形和圆弧地板的加工纹理垂直于行走方
[20]
和Dipasquale 在研究人体下坡行走过程中打滑倾向 向，地板表面形貌的轮廓算术平均偏差相同，加工纹
时的结果显示，0~20°坡度角范围内，脚跟着地时所需 理对橡胶鞋底的横向阻隔作用近似，而且几种地板线
要的摩擦系数随坡度角的增大而增大，脚尖离地时的 切割机械加工的表面粗糙度相同，当鞋底与地面接触
摩擦系数随坡度角的增大而减小. 该研究结果意味 时地面材料的楔形硬质微凸体“嵌”入鞋底材料并形
着，在下坡时，随着坡度角的增大，脚跟着地时的打滑 成互锁机制而起到的“钉扎”作用 相近，从而产生的
[21]
倾向增大而脚尖离地时的打滑倾向减小. 上坡时则相 有效摩擦系数较为接近. 而市售花纹钢板的斜向交叉
反，脚尖离地时的打滑倾向增大而脚跟着地时的打滑 排列纹理及表面粗糙度均与机械加工的地板试样存
倾向减小. 因此本文中选择上坡启动阶段的脚尖离地 在差异，对有效摩擦系数的影响也有所不同.

0.45 150
0.40
100
0.35
50
0.30
ACOF 0.25 Force/N 0
0.20 Wide trapezoid −50 Wide trapezoid
Narrow trapezoid Narrow trapezoid
0.15 Smooth Smooth
Cambered −100 Cambered
0.10 Riffled Riffled
0.05 −150
0 5 10 15 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Incline angle/α° Time/s
(a) Friction coefficient of toe-off (b) Force at 0°
350 0°
300 5°
300 10°
250 200 15°
20°
200
Force/N 150 Force/N 100
100
Wide trapezoid
Narrow trapezoid 0
50
Smooth
0 Cambered
Riffled −100
−50
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Time/s Time/s
(c) Force at 20° (d) Force of cambered floor

Fig. 5 Friction coefficient and force on heading direction during uphill
图 5 上坡启动的摩擦系数及行走方向地板试样摩擦力