Устройство для определения деформационных реологических характеристик лыжной снежной трассы

Полезная модель относится к области испытаний при инженерных изысканиях в спорте высших достижений, в частности к устройству для определения деформационных характеристик снежного покрова в условиях проведения соревнований. Эти данные используются для определения и выбора лыж, соответствующих по своим параметрам деформационным реологическим характеристикам лыжной трассы.
Уровень техники.
Известен ряд устройств для исследования деформационных характеристик грунтов или снега, называемых пенетрометрами. В частности, известно изобретение («Snow strength penetrometer)) / U.S. Patent No. 5,831,161, G01N 3/42, 33/18, опубл. 03.11.1998), предназначенное для испытания снежного покрова при строительстве снежных дорог, взлетно-посадочных полос, строений на поверхности снега. Поверхность снега нагружается штампами различной конфигурации через шток при помощи электромотора. Проводимые эксперименты позволяют определить модуль упругости, угол внутреннего трения и коэффициент уплотнения снега.
К достоинствам данного устройства можно отнести высокую точность фиксации данных за счет применения электронных датчиков.
К недостаткам данного устройства и пенетрометров можно отнести высокую техническую сложность механизма, состоящего из большого числа деталей и соединений. Эти устройства имеют большие габариты и вес. Требуют много времени на установку и настройку перед проведением измерений. Более того, форма штампов специально разработана для использования в транспортно-технологическом машиностроении и не обеспечивает достаточную точность фиксации данных, необходимых для построения деформационной характеристики снега в специфических условиях лыжного спорта.
Также известно устройство для определения реологических свойств снежного покрова («Устройство для определения реологических свойств снежного покрова». Патент РФ 2396539, G01N 3/00, опубл. 10.08.2010.).
Устройство содержит смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений, средство погружения.
Устройство состоит из рычага с опорой, на одной стороне которого крепится на шарнире жесткий штамп с регулируемым приводом штока посредством винтовой пары по длине штоков, а на другой стороне подвешен противовес. По концам рычага сверху закреплены два ролика, через которые переброшен канат, соединенный концами с двух сторон с нагружающими грузами, представляющими собой, например, тележку с грузами. На опоре установлен также электромотор, через вал которого переброшен в виде подвижной петли канат. Таким образом, ролики, канат и электромотор представляют собой в совокупности механизм перемещения нагружающих грузов.
Рычаг через стойку опоры закреплен на раме с четырьмя выносными опорами, на котором дополнительно размещены упор, фиксирующий рычаг со штампом в изначальном положении, когда давление со стороны штампа на снежный покров не передается, а также регистратор вертикальной деформации снежного покрова, который снабжен лентозаписывающим устройством, состоящим из мотора и ленты на вращающемся барабане, подвижным самописцем, которые установлены на салазках с направляющими, с одной стороны соединенным с возвратным в начальное положение упругим элементом, а с другой - с подвижной частью рычага через нерастяжимую нить и систему направляющих роликов.
Достоинствами данного устройства и метода являются следующие: Регистрация данных эксперимента осуществляется в автоматическом режиме, что обеспечивает высокую точность измерений.
К недостаткам указанного устройства стоит отнести очень специфические условия нагружения и форму штампа, соответствующие процессу взаимодействия движителя транспортно-технологических машин со снежным полотном. В лыжном спорте высших достижений условия деформирования снежной трассы существенно отличаются высокой скоростью приложения нагрузок.
Кроме того, к недостаткам следует отнести техническую сложность механизма, вызванную наличием рычажной системы, обеспечивающей преобразование горизонтального перемещения груза в вертикальное движение штампа, необходимостью применять дополнительные уравновешивающие грузы, наличием сложной системы блоков, обеспечивающей передачу крутящего момента от приводного двигателя к подвижному грузу.
Наиболее близким к заявленному устройству можно считать устройство для определения коэффициентов жесткости и твердости снежного покрова («Устройство для определения жесткости и твердости снежного покрова» Патент РФ 173978, G01N 3/42, опубл. 28.12.2016), выбранное в качестве прототипа.
В устройстве, содержащем смонтированные на раме жесткий штамп, укрепленный на вертикальном штоке, привод штока, средство регистрации его вертикальных перемещений и нагрузки, средство нагружения, привод вертикального штока, выполненный в виде передачи винт-гайка, а рама выполнена в виде треноги с тремя телескопическими опорами, при этом вертикальный шток с направляющей расположены в центре рамы, средство регистрации вертикальных перемещений штока выполнено в виде установленного на направляющей штока датчика перемещений, а средство регистрации нагрузки - в виде встроенного в шток динамометра, при этом выходы датчика перемещений и динамометра соединены с входом прибора, регистрирующего и обрабатывающего зарегистрированные данные. Регистрация величины нагружающей силы обеспечивается динамометром, значение вертикальной деформации снега через смещение штампа - датчиком перемещений.
Достоинством данного устройства являются:
- возможность регистрации не только значений вертикальной деформации снега, но и величины нагружающей силы;
- расширение диапазона размеров и форм, применяемых штампов.
К недостаткам устройства стоит отнести:
- большие габариты, большой вес устройства;
- большое время на подготовку к работе устройства;
- скорость нагружения штампа ограничивается узким диапазоном низких скоростей (скоростью перемещения штока, которая изменяется за счет варьирования числа оборотов электродвигателя).
Взаимодействие лыж со снежной трассой отличаются от условий взаимодействия со снегом движителя транспортно-технологических машин.
Для пояснения этих отличий на фиг. 3 показаны эпюры давления лыж на снежную трассу полученные на лабораторном стенде (патент на полезную модель РФ №108616).
Здесь стрелка показывает направление скольжения лыжи, а эпюры синего и красного цвета показывают длину зоны скольжения и форму давления лыж на снежную трассу на спуске и на подъеме. От длины зоны скольжения и от скорости скольжения лыж зависит величина и скорость нагружения снежной трассы.
Большинство ученых, занимающихся изучением физико-механических свойств снега, отмечают, что снег относится к разряду упруго-вязко-пластичных материалов (Анфилофьев Б.А. Исследование реологических свойств снежного покрова. / Б.А. Анфилофьев, В.К. Лохин / Труды Новосиб. ин-та инж. ж.-д. транспорта. - Новосибирск, 1972. - Вып. 141). Так, снег отличается упругими свойствами при приложении небольших нагрузок в течение достаточно короткого времени. При таких условиях деформации невелики и обратимы при устранении приложенных напряжений, структура снега не нарушается. Для пластического течения требуется, чтобы было достигнуто некоторое пороговое значения напряжения, после которого оно начинается.
Различие между жидкостями и твердыми телами не является резким и носит кинетический (релаксационный) характер. С увеличением скорости деформации упругие напряжения не успевают релаксировать, поэтому общее сопротивление возрастает.
Соответственно определяют два крайних по своему деформационному поведению типа тел - упругое тело, когда не происходит рассеяние энергии при деформации; и жидкость, не способная запасать энергию деформирования.
Деформирование снежной трассы не описывается ни одной этих крайних схем. Поэтому снежная трасса характеризуются различными комбинациями упругих и вязких свойств.
Лыжные трассы отличаются большой протяженностью и большим разнообразием снежных условий на разных участках трассы. Поэтому перед соревнованиями нужно мобильно перемещаться по трассе и делать замеры деформационных характеристик снега на нескольких характерных участках трассы. Известные устройства имеют большую массу, большие габаритные размеры и требуют значительного времени на подготовку к измерениям.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Сущность технического решения.
Задачей заявленного решения является создание максимально компактного, простого в использовании устройства для оперативного определения деформационных реологических характеристик снежной лыжной трассы, а именно численного значения комбинации упругих и вязких свойств, с возможностью использования высоких скоростей нагружения, соответствующих скоростям нагружения в лыжном спорте.
Технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в повышении скорости и точности определения деформационных характеристик снежной лыжной трассы, численного значения комбинации упругих и вязких свойств снежной трассы, а также в упрощении конструкции, уменьшении габаритов и веса устройства, повышении мобильности, увеличении скорости нагружения штампа в соответствии со специфическими условиями лыжного спорта.
Этот технический результат достигается тем, что используется устройство для определения деформационных реологических характеристик лыжной снежной трассы, содержащее жесткий штамп, установленное на штампе средство регистрации перемещений соединенное с помощью средства передачи данных с блоком хранения данных и блоком, регистрирующим и обрабатывающим зарегистрированные данные и содержащим блок питания, отличающееся тем, что штамп выполнен в виде шара, во внутренней полости которого установлено средство регистрации перемещений, при этом средство регистрации перемещений выполнено в виде датчика ускорений, а блок, регистрирующий и обрабатывающий данные, выполнен в виде интегратора данных ускорений.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 - общий вид устройства.
На фиг. 2 - устройство во время испытаний.
На фиг. 3 - эпюра давления лыжи на снежную трассу.
На фиг. 4 - диаграмма развития деформации жесткой снежной трассы при ее деформировании штампом в форме шара на скорости нагружения 1,4 м/с.
На фиг. 5 - диаграмма развития деформации мягкой снежной трассы при ее деформировании штампом в форме шара на скорости нагружения 1,4 м/с.
На фиг. 6 - диаграмма развития деформации жесткой снежной трассы при ее деформировании штампом в форме шара на скорости нагружения 3,13 м/с.
На фиг. 7 - диаграмма развития деформации мягкой снежной трассы при ее деформировании штампом в форме шара на скорости нагружения 3,13 м/с.
Подробное описание технического решения.
Устройство для определения деформационных реологических характеристик лыжной снежной трассы, содержащее жесткий штамп, установленное на штампе средство регистрации перемещений соединенное с помощью средства передачи данных с блоком хранения данных и блоком, регистрирующим и обрабатывающим зарегистрированные данные и содержащим блок питания, отличающееся тем, что штамп выполнен в виде шара, во внутренней полости которого установлено средство регистрации перемещений, при этом средство регистрации перемещений выполнено в виде датчика ускорений, а блок, регистрирующий и обрабатывающий данные, выполнен в виде интегратора данных ускорений.
Устройство содержит (фиг. 1): жесткий штамп 1 в форме шара, во внутренней полости шара 1 установлено средство регистрации перемещений, средство 2 передачи данных, выполненное в виде проводной связи, прибор 3, регистрирующий и обрабатывающий данные, содержащий блок питания и выполненный в виде интегратора данных ускорений и даталоггер 4 для хранения полученных данных.
Для регистрации, обработки, интегрирования и визуализации полученных данных, может быть использован также смартфон или ПК.
Устройство работает следующим образом.
Штамп в форме шара 1. (например, диаметром 54 мм и массой 250 г), бросают с определенной высоты (например, 0.1 м) на снежную трассу. Средство регистрации перемещений (не показано), установленное во внутренней полости шара 1, выполненное, например, в виде датчика акселерометра, регистрирует ускорения шара и с помощью средства передачи данных 2, выполненного в виде проводной связи, передает данные мгновенных ускорений с частотой дискретизации, например, 1,5-2,5 кГц, на прибор 3, регистрирующий и обрабатывающий данные, выполненный в виде интегратора данных ускорений, с которого обработанные данные передаются на даталоггер 4. Данные, сохраненные на даталоггере, обрабатываются специальной программой на ПК. Возможен вариант прямой передачи данных мгновенных ускорений с акселерометра по беспроводной связи, например, WI-FI или Bluetooth, на смартфон или ПК, с обработкой данных специальной программой, обеспечивающей интегрирование и визуализацию перемещения штампа 1 во времени, а также получение численного значения интегрального перемещения шара при деформировании снежной трассы.
Снежная трасса может иметь различные вязкоупругие характеристики. В идеальных условиях может быть упругая снежная трасса, когда практически не происходит рассеяние энергии при деформации от удара шара 1. В этом случае вся энергия удара расходуется на отскок шара вверх. И может быть вязкая снежная трасса, не способная запасать энергию деформирования. Здесь вся энергия удара преобразуется в тепловую энергию. Шар 1 не отскакивает после удара о снежную трассу.
Но в реальных условиях снежная трасса представляет собой комбинацию вязкоупругих характеристик. Критерием оценки вязкоупругих характеристик снежной трассы может служить численное значение интеграла перемещений шара 1.
Дважды интегрируя данные мгновенных ускорений шара, получаем графики перемещения шара при деформации снежной трассы и численное значение интеграла перемещений.
На диаграммах на фиг. 4 - фиг. 7 падающая ветвь графика характеризует одновременно и вязкие и упругие характеристики снежной трассы. Чем более пологая, растянутая во времени линия заглубления шара в снежную трассу, тем более вязкая снежная трасса. Чем глубже шар 1 деформирует снежную трассу, тем меньше упругие свойства трассы. Восходящая ветвь графика характеризует упругие свойства снежной трассы. Чем более крутая линия отскока шара во времени и чем выше отскакивает шар, тем больше упругие свойства трассы.
Реологические характеристики снежной трассы существенно зависят от скорости нагружения. Скольжение лыж по снежной трассе характеризуется широким диапазоном скоростей и применением лыж с разными длинами зон скольжения. Скорости нагружения лыжами снежной трассы имеют широкий диапазон. Таблица скоростей нагружения представлена выше.
Поэтому испытания деформационных вязкоупругих свойств снежной трассы необходимо проводить при различных скоростях нагружения, изменяя высоту сбрасывания шара, например, 0.1 м; 0.2 м; 0.3 м; 05 м; 1.0 м.
Таким образом, анализируя график деформирования шаром снежной трассы во времени, мы можем численно оценить соотношение вязких и упругих характеристик снежной трассы при различных скоростях нагружения снежной трассы.
Значение интегрального перемещения шара при деформировании снежной трассы служит критерием оценки ее вязкоупругих характеристик. Чем выше численное значение этого критерия, тем выше упругие свойства снежной трассы. Более низкие значения критерия говорят о более вязких характеристиках трассы.
В зависимости от деформационных реологических характеристик снежной трассы в условиях соревнований, подбирают соответствующие лыжи. Например, для значений интегрального перемещения шара показанных на фиг. 4 и фиг. 6, с высокими показателями упругости трассы (0,086; 2,0) выбирают лыжи с более короткими зонами скольжения (5-15 см). Такие лыжи имеют большие скорости нагружения снежной трассы и меньше деформируют трассу при скольжении в данных условиях.
Для низких значений интегрального перемещения показанных на фиг. 5 и фиг. 7, с высокими показателями вязкости (-1,5; -3,42) выбирают лыжи с более длинными зонами скольжения (20-50 см). Такие лыжи имеют меньшие скорости нагружения снежной трассы при скольжении и меньше деформируют трассу в данных условиях.
Таким образом, специалисту в данной области техники очевидно, что технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в повышении скорости и точности определения деформационных характеристик снежной лыжной трассы, численного значения комбинации упругих и вязких свойств снежной трассы, а также в упрощении конструкции, уменьшении габаритов и веса устройства, повышении мобильности, увеличении скорости нагружения штампа в соответствии со специфическими условиями лыжного спорта.