УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ И СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛЫЖНЫХ ВИДОВ СПОРТА

Изобретение относится к измерительной технике, использующейся в лыжных видах спорта, и предназначается для определения скользящих и скоростных свойств лыжных смазок.
Основными показателями, характеризующими качество смазочных материалов для обработки поверхности лыж, являются следующие параметры [Портнов А.Б. Лыжные смазки и спецпарафины «Уктус экстра». - Екатеринбург: Арго, 1995. - 63 с.]:
1. износоустойчивость на длинных дистанциях;
2. угол срыва капли воды с поверхности, обработанной смазочным материалом;
3. скорость капли воды по наклонной поверхности, с нанесенной на нее лыжной смазкой;
4. краевой угол смачивания водой поверхности, обработанной смазочным материалом.
Настоящее изобретение относится к определению параметров 2 и 3. Какие сведения можно почерпнуть из определяемых показателей? Угол срыва капли воды с поверхности, обработанной смазочным материалом. Когда лыжа двигается по снегу, снежные кристаллы плавятся в точке контакта со скользящей поверхностью, и лыжа скользит на тонкой пленке воды в каждой точке контакта. Идеальная температура для скольжения -3°С. Когда температура понижается, тогда начинает преобладать сухое скольжение. А когда температура становится выше -3°С, тогда начинает образовываться слишком много воды под лыжей, и усиливается капиллярное притяжение между лыжей и водой на поверхности снега.
В любом случае, способность водного слоя «отрываться» от запитанной смазкой пластиковой лыжи при ее небольшом наклоне является важной характеристикой смазочного материала. Следует учесть, что материал, из которого изготовлены пластиковые лыжи, обладает значительным количеством пор. Эти участки лыж в процессе эксплуатации могут заполняться талой водой, что, в конечном итоге, значительно ухудшит скольжение. Наилучший смазочный материал должен на протяжении всей дистанции заполнять поры пластиковых лыж, постепенно посредством разогрева при движении выходить из пор лыж и не давать замещать себя водой. Это возможно лишь при условии сильного отталкивания между смазкой и водой при наклоне лыжи. Поэтому чем меньше угол срыва капли воды с наклонной поверхности, обработанной смазочным материалом, тем качественнее смазка.
Скорость капли воды по наклонной поверхности, с нанесенной на нее смазкой скольжения. Этот параметр не требует особой расшифровки. Очевидно, что чем выше скорость прохождения каплей воды обработанного смазкой участка, тем качественнее смазочный материал, лучше и быстрее скольжение лыжника-спортсмена.
5
Ранее для быстрого определения качества лыжной смазки было зарегистрировано устройство [А.с. 921586 SU, МКИ A 63 G 11/00, G 01 N 19/02. Устройство для определения скользящих свойств лыжных мазей/ А.Б.Портнов. - 2894087; заявл. 26.02.80; Опубл. 23.04.82.]. Общий вид этого устройства представлен на фиг.1, на фиг.2 - то же, вид сверху.
5
Определение показателей лыжных смазочных материалов, как следует из работы [А. с.921586 SU, МКИ A 63 G 11/00, G 01 N 19/02. Устройство для определения скользящих свойств лыжных мазей/ А.Б.Портнов. - 2894087; заявл. 26.02.80; Опубл. 23.04.82.] и фиг.1, проводилось с использованием принципа качелей. Исследователь должен был рукой отклонять пластину 1, закрепленную на наклонных опорах 16, 17 с помощью стоек 18, 19 и шарниров 20, 21. При этом начинала движение шкала 10,
1
закрепленная скобками 15. Стрелка 11, закрепленная на оси 12 уголком 14 и снабженная грузом 13, оставалась на месте. В тот момент, когда капля воды 9 начинала движение по бороздкам 6 обработанных смазками дорожек 2-5, расположенных на пластине 1, исследователь должен был остановить движение пластины 1 и определить ее отклонение как разность показаний шкалы 10 при остановке и стрелки 11, имитирующей точку отсчета.
Из этого описания очевидно, что точность измерения показателей лыжных смазок с помощью такого устройства является низкой и сопровождается значительным кругом погрешностей.
Позднее тем же автором была предложена новая модификация устройства [Портнов А.Б. Лыжные смазки и спецпарафины «Уктус экстра». - Екатеринбург: Арго, 1995. - с.37] (прототип). На фотогр. 1 представлен внешний вид модификации устройства, на фиг.3 - внешний вид, вид спереди, на фиг.4 - то же, вид сверху.
Этот вариант устройства значительно повышает точность измерений. Этому способствует платформа 22 (фиг.4), опорные регулирующие ножки 23 (фиг.3), дающие возможность установить устройство горизонтально. Стационарно расположенная пластина 1 приводится в движение (наклоняется) при помощи редуктора 24. Определение угла наклона пластины 1 проводится с помощью шкалы измерения 10.
Целью изобретения [Портнов А. Б. Лыжные смазки и спецпарафины «Уктус экстра». - Екатеринбург: Арго, 1995. - с.37] было повышение точности измерений. Разработка предлагаемого устройства преследует ту же цель.
Какими недостатками существующего устройства-прототипа обусловлена цель настоящего изобретения?
Во-первых, измерительной частью устройства-прототипа является шкала 10, представляющая, по сути, обычный транспортир с ценой деления 1°.
Во-вторых, в описании прототипа отсутствует операция выведения пластины 1, на которой происходят все измерения, в строго горизонтальное положение, что, безусловно, негативно отражается на точности измерения.
В-третьих, сама пластина 1 представляет собой стационарную часть устройства. При переходе измерений для одного смазочного материала к другому встает проблема удаления предыдущей смазки с пластины 1. В стационарном виде, без съема пластины 1 с прибора, эта операция является трудоемкой. Кроме того, никогда не будут достигнуты истинные результаты измерений, так как в прототипе отсутствует возможность использования в качестве подложки непосредственно лыжи или ее участка.
В-четвертых, при исследовании скорости прохождения капли воды по пластине 1, запитанной смазками скольжения, бывают случаи с очень значительной скоростью, когда исследователь не успевает вовремя нажать секундомер на отметке 7 или 8 (финиш). Устройство-прототип не предусматривает возможность удлинения запитанного смазкой участка, так как пластина 1 размещена стационарно и имеет фиксированную длину.
В-пятых, в описанном устройстве наклон пластины 1 обеспечивается поворотом ручки 25 редуктора 24. При небольшом шаге поворота ручки 25 редуктора 24 наклон пластины 1 является существенным по количеству градусов, что также вносит в измерения существенную погрешность.
Совокупность приведенных недостатков сопутствует низкой точности измерений и неудобству при переходе измерений от одних смазочных материалов к другим.
Предлагаемое в настоящем изобретении устройство для экспресс -определения некоторых рабочих характеристик смазочных материалов для лыжных видов спорта представлено на фотогр. 2. На фиг.5 изображено предлагаемое устройство, вид справа, на фиг.6 - то же, вид слева.
Предлагаемое устройство состоит из корпуса 26, размещенного на опорных регулирующих ножках 23 (3 шт.). В корпусе 26 на оси вращения 12 горизонтально закреплена пластина 1, на которой происходят все измерения. Пластина 1 имеет зажимы 27 (3 шт.), которые предназначены для закрепления обработанных смазочными материалами объектов. На боковой части корпуса 26 (фиг.5) установлен угломер с нониусом 28 (ГОСТ 5378-88), с противоположной стороны корпуса 26 (фиг.6) - червячная передача 29, приводимая в действие вручную с помощью маховика 30.
Данное техническое решение, воплощенное в модифицированном устройстве, дает следующие преимущества по сравнению с предложенным в работе [Портнов А.Б. Лыжные смазки и спецпарафины «Уктус экстра». - Екатеринбург: Арго, 1995. - с.37]:
1. измерительной частью нового устройства является угломер с нониусом 28 (ГОСТ 5378-88, модификация 2 УМ), погрешность измерения - 2';
2. для того, чтобы убедиться, что пластина 1 находится в строго горизонтальном положении, необходимо, во-первых, совместить риски угломера с нониусом 28 на отметке 0°0, во-вторых, разместить на пластине 1 уровень с двумя глазками, обеспечивающий установку горизонтальности по осям ОХ и OY (система координат XOY). Если пузырьки воздуха внутри глазков не расположены на середине глазков, то попеременным вращением опор устройства 23 легко можно добиться такого расположения. Нахождение пузырьков воздуха посредине глазков доказывает горизонтальное расположение пластины 1;
3. определение количественных показателей с помощью предлагаемого устройства может осуществляться на пластинке (подложке) из любого материала, в том числе, с помощью участка лыжи. В данном случае обработанная лыжными смазками подложка не является стационарной частью и может быть закреплена на пластине 1 зажимами 27. После
окончания измерений подложка освобождается из-под зажимов 27 и заменяется следующей;
4. благодаря заменяемости (нестационарности) подложки, при необходимости можно использовать подложку с оптимальной длиной. Определяющим размером является ширина подложки, которая равна расстоянию между противоположно стоящими зажимами 27. В случае высокой скорости капли воды по обработанной смазками подложке, последняя может быть изготовлена длиннее. Чем медленнее стекает капля воды по поверхности подложки, тем короче может быть подложка. Этот принцип необходимо соблюдать для того, чтобы исследователь мог успеть среагировать на включение или отключение секундомера в начале и конце пути капли воды;
5. наличие в предлагаемом устройстве червячной передачи 29 вместо редуктора 24 предполагает плавный наклон пластины 1, при котором обеспечивается более точное измерение угла срыва капли воды с подложки, запитанной лыжными смазками. Это достигается за счет большого передаточного числа червячной передачи 29.
Методика определения угла срыва капли. Используя разработанную нами модификацию устройства, проведено исследование угла срыва капли воды с подложки (алюминиевая фольга), обработанной смазкой скольжения. Для этого заранее были приготовлены 2%-ные растворы смазок скольжения в гексане и нарезаны полоски фольги размером 15×80 мм. Вертикальным опусканием полоски в приготовленный раствор, а затем вертикальным поднятием из раствора и высушиванием на воздухе нами получены тонкие пленки (слои) смазок скольжения. Далее пластина 1 устройства с помощью уровня и вращения опор 23 приводилась в строго горизонтальное положение, на пластине 1 размешалась обработанная смазкой подложка, на подложку наносилась с помощью пипетки (varipipette) капля воды объемом 50 мкл. Поворотом маховика 30 червячной передачи 29 пластина 1 наклонялась до тех пор, пока капля воды не начинала движение по подложке, тогда
движение маховика 30 прекращали и по угломеру с нониусом 28 фиксировали угол срыва капли. Затем пластина 1 приводилась в исходное состояние, подложка заменялась на аналогичную. Для каждой позиции смазок скольжения проводилось не менее 3 параллельных измерений.
Отметим, что показатели углов срыва капли воды с обработанной (запитанной) подложки являются относительно небольшими величинами, поэтому в некоторых случаях нет необходимости закреплять подложку зажимами 27.
Сведения о проведенных замерах угла срыва капли воды с подложки, обработанной смазками скольжения марки «ZET» (производитель - Россия), приведены в таблице 1. В таблице 2 приведены аналогичные измерения с использованием смазок скольжения зарубежных производителей.
ТАБЛИЦА 1.Угол срыва капли воды с подложки, обработанной смазками скольжения «ZET»
№ № п./п.
Наименование смазки
Температурный диапазон применения, °С
Угол срыва капли воды с подложки, обработанной смазкой скольжения
Средний угол срыва капли воды
1-ое измерение
2-ое измерение
3-е измерение
1.
СН-1
+1...+10
10°40'
11°2'
10°38'
10°47'
2.
LF-1
+1...+10
10°40'
10°30'
11°6'
10°45'
3.
HF-1
+1...+10
6°38'
6°28'
6°44'
6°37'
4.
CH-2
+3...-3
17°28'
17°50'
17°42'
17°40'
5.
LF-3
+3...-3
13°50'
13°56'
13°48'
13°51'
6.
HF-3
+3...-3
6°56'
6°38'
6°46'
6°47'
7.
LF-4
0...-6
14°42'
14°38'
14°48'
14°43'
8.
HF-4
0...-6
10°40'
10°10'
10°22'
10°24'
9.
CH-3
-6...-12
16°42'
16°54'
1б°36'
16°44'
10.
LF-5
-6...-12
15°8'
15°2'
15°10'
15°7'
11.
HF-5
-6...-12
13°28'
13°30'
13°2'
13°20'
12.
CH-4
-7...-25
14°50'
14°54'
15°0'
14°55'
13.
LF-6
-10...-25
22°14'
22°26'
22°22'
22°21'
ТАБЛИЦА 2.Угол срыва капли воды с подложки, обработанной зарубежными смазками скольжения
№ № п./п.
Наименование смазки, производитель
Температурный диапазон применения, °С
Угол срыва капли воды с подложки, обработанной смазкой скольжения
Средний угол срыва капли воды
1-ое измерение
2-ое измерение
3-е измерение
1.
СН, START
-1...+10
11°48'
11°56'
11°52'
11°52'
2.
HF, SWIX
+1...-4
25°30'
25°22'
25°18'
25°23'
3.
HF, SWIX (с графитом)
-2...-7
21°42'
21°48'
21°54'
21'48'
4.
HF, SWIX
-2...-7
19°40'
19°30'
19°30'
19°33'
5.
HF, START
-7...-12
24°52'
25°20'
25°б'
25°26'
6.
HF, START
-2...-8
>30
>30
>30
-
7.
HF, SWIX*
-10...-32
-
-
-
-
8.
LF, BRICO
-1...-5
15°22'
15°10'
15°42'
15°25'
<sup>*</sup>капля воды цепляется за поверхность, не движется даже при нахождении плоскости подложки под углом 90°, при стряхивании капли воды на поверхности подложки остается водяной след
Методика определения скорости капли воды. Предварительно готовится подложка с нанесенной на нее лыжной смазкой и закрепляется зажимами 27 на пластине 1. Пластина 1 устройства наклоняется с помощью вращения маховика 30 на тот угол, при котором будут проводиться измерения. По команде одновременно включают секундомер и капают каплю воды (50 мкл) из пипетки на отметку «старт», заранее нанесенную на подложку. Капля воды начинает движение, и при достижении отметки «финиш» на подложке секундомер выключают.
Результаты измерений с использованием смазочных материалов для обработки лыж представлены в таблице 3, аналогичные показатели зарубежных смазок - в таблице 4. Отметим, что углы срыва капли воды, приведенные для смазок скольжения «ZET», были меньше 20°, за исключением позиции LF-6. Поэтому для определения скорости капли этих смазок скольжения достаточно наклона пластины 1 устройства в 20°. Для зарубежных аналогов данный показатель имел смысл не для всех позиций, так как иногда угол срыва превышал отметку в 20°.
ТАБЛИЦА 3.Показатели скорости капли воды по подложке, обработанной смазками скольжения «ZET» (угол наклона - 20°, длина пути - 25 см)
№№ п./п.
Наименование смазки
Температурный диапазон применения, °С
Скорость капли воды по подложке, обработанной смазками скольжения, сек.
Средняя скорость
1-ое измерение
2-ое измерение
3-е измерение
1.
СН-1
+1...+10
4.21
4.69
4.72
4.54
2.
LF-1
+1...+10
4.02
4.10
4.08
4.07
3.
HF-1
+1...+10
3.56
3.28
3.17
3.34
4.
СН-2
+3...-3
4.89
4.92
5.00
4.94
5.
LF-3
+3...-3
4.00
3.88
3.76
3.88
6.
HF-3
+3...-3
3.12
3.02
2.90
3.01
7.
LF-4
0...-6
3.68
3.74
3.76
3.73
8.
HF-4
0...-6
2.86
2.90
2.79
2.85
9.
СН-3
-6...-12
3.80
3.78
3.56
3.71
10.
LF-5
-6...-12
2.67
2.77
2.80
2.75
11.
HF-5
-6...-12
1.16
1.80
1.63
1.53
12.
СН-4
-7...-25
3.00
2.93
3.12
3.02
13.
LF-6<sup>*</sup>
-10...-25
3.20
3.45
3.54
3.40
<sup>*</sup>угол наклона пластины 1-30°
ТАБЛИЦА 4.Показатели скорости капли воды по подложке, обработанной зарубежными смазками скольжения (угол наклона - 30°, длина пути - 25 см)
№ № п./п.
Наименование смазки, производитель
Температурный диапазон применения, °С
Скорость капли воды по подложке, обработанной смазками скольжения, сек.
Средний угол смачивания
1-ое измерение
2-ое измерение
3-е измерение
1.
СН, START*
-1...+10
5.20
5.43
5.67
5.43
2.
HF, SWIX
+1...-4
3.00
3.11
2.99
3.03
3.
HF, SWIX (с графитом)
-2...-7
2.23
2.56
2.80
2.53
4.
HF, SWIX
-2...-7
3.12
3.43
3.67
3.41
5.
HF, START
-7...-12
2.76
2.90
3.10
2.92
6.
HF, START**
-2...-8
-
-
-
-
7.
HF, SWIX
-10...-32
3.20
3.71
3.65
3.52
8.
LF, BRICO*
-1...-5
3.88
3.97
3.72
3.86
<sup>*</sup>угол наклона пластины 1-20°; <sup>**</sup>из-за большого угла срыва измерения невозможны
Как показывают параллельные измерения двух показателей - угла срыва и скорости капли, предлагаемое нами устройство имеет неплохую воспроизводимость результатов.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволит значительно повысить точность количественных измерений, отражающих качество лыжных смазочных материалов. Прелагаемое устройство не требует наличия снега, малогабаритно, удобно в эксплуатации, не требует длительного обучения пользователя.
Разработанная модификация предназначена для быстрого (экспресс) определения качества используемых лыжниками смазочных материалов.