Методика испытания систем материалов верха обуви при многократном растяжении

В процессе носки верх обуви в области плюснефалангового сочленения подвергается циклическим деформациям растяжения. Под действием этих деформаций в материалах заготовки происходит постепенное накапливание остаточных деформаций, что приводит к изменению формы и размеров верха обуви и обуславливает его приформовываемость к стопе. В связи с этим для объективной оценки приформовываемости верха обуви к стопе в процессе носки особый интерес представляет изучение влияния циклических деформаций на упруго-пластические свойства систем материалов, имитирующих заготовку верха обуви.

Анализ литературных источников [1-6] показал, что упруго-пластические свойства материалов и систем материалов для верха обуви при многократном растяжении изучены недостаточно. Кроме того, используемые для исследования приформовываемости методы не моделируют взаимодействие верха обуви со стопой в процессе носки. В связи с этим возникла необходимость в разработке методики, максимально моделирующей реальные условия работы пакета верха обуви в процессе эксплуатации.

При ходьбе в фазу переката через передний отдел стопа увеличивает свои размеры в пучках примерно на 6–10 %. В результате данного изменения стопа давит на верх обуви и растягивает его. Данное воздействие носит циклический характер. Учитывая то, что в процессе ходьбы преобладающим видом деформации заготовки в области пучков является двухосное растяжение [7], то, в целях создания условий нагружения, максимально моделирующих взаимодействие стопы с обувью, испытания образцов необходимо осуществлять именно при данном виде деформации.

В зависимости от задаваемого и поддерживаемого постоянным в каждом цикле параметра растяжения выделяют многоцикловые испытания с сохранением заданной циклической нагрузки (Р = const) или заданной циклической деформации (ε = const). В связи с тем, что в процессе эксплуатации величина давления, испытываемого деталями верха со стороны стопы, не остается неизменной, а постепенно снижается по мере накопления в структуре материалов остаточных деформаций, циклические испытания с сохранением постоянства амплитуды заданной циклической деформации в большей степени моделируют работу верха обуви.

С учетом обозначенных положений была разработана методика испытания систем материалов при многократном растяжении, которая предусматривает циклическое двухосное растяжение образцов сферическим пуансоном на заданную величину деформации 8%, что соответствует средним значениям деформации верха обуви в области пучков при ходьбе.

Для испытания использовалось устройство, позволяющее осуществлять двухосное многократное растяжение образцов с постоянной амплитудой заданной циклической деформации, схема которого представлена на рисунке 1.

Форма и размер (r = 12,5 мм) сферического пуансона, с помощью которого осуществлялась деформация образцов, соответствовали головке первой плюсневой кости взрослого человека, которая в процессе движения наиболее интенсивно воздействует на материалы верха обуви. Скорость механического воздействия на образцы составляла 90 циклов в минуту, что соответствует ускоренному темпу ходьбы человека.

Учитывая то, что в процессе ходьбы осуществляется комплексное силовое и деформационное взаимодействие стопы с обувью, то для того чтобы проследить характер изменения усилия, действующего на образцы в процессе деформации, на верхней балке устройства были наклеены тензодатчики. Подключение тензодатчиков осуществлялось по полумостовой схеме. Сигнал подавался на усилитель 8 АНЧ, а затем на осциллограф Н-115. В ходе испытания фиксировалось отклонение луча шлейфа осциллографа и по тарировочному графику определялась величина усилия, действующего на образцы в процессе их деформации.

1 – электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 - червячный редуктор; 4 -эксцентрик; 5 – толкатель; 6 - коромысло; 7 - пуансон; 8 – образец; 9 - стакан для образца; 10 - тензодатчики

Рисунок 1 – Схема устройства для многократного растяжения систем материалов

В процессе производства верх обуви подвергается формованию на колодке и влажно-тепловой обработке, в результате которой материалы заготовки могут изменять свои упруго-пластические свойства. Учитывая это, для объективной оценки приформовываемости верха обуви к стопе, системы материалов перед испытанием подвергались операциям формования и термофиксации, моделирующим реальный технологический процесс производства обуви, в соответствии с методикой, описанной в работе [8].

Так как в процессе предварительной технологической обработки образцы принимают форму полусферы, то в соответствии со схемой растяжения образцов (рисунок 2) были определены математические зависимости (1–4), позволяющие рассчитать величину продавливания образцов, соответствующую заданной величине их деформации.

ΔН = Н – h исх. ,                                     (1)

где ΔН – величина продавливания отформованного образца, мм, необходимая для его деформации на заданную величину;

Н – общая стрела прогиба образца , мм;

h исх – исходная стрела прогиба образца, после операций технологической обработки, мм.

Рисунок 2 – Схема растяжения систем материалов

Н = (R - 8 ■ tg —) ■ tg— + r--r—;(2)

αcos

• r + 8        ,R

• — = arcsin ,                    ± arccos ,                     ;(3)

4 ( r + 8 - H )² + R ²         4 ( r + 8 - H )² + R²

где R – радиус рабочей зоны образца, мм ( R =30мм);

r - радиус пуансона, мм ( r = 12,5 мм);

• δ - толщина образца, мм;

• φ - угол перегиба образца у края кольцевого зажима, рад.

Угол φ определялся с учетом равенства:

L = 2 ■ В'D(' + 2 ■ AB'=2 ■ (r + 8) ■ — + 2 ■R - (r + 8 )sin — ;        (4)

cosϕ где L – длина образца по меридиану, мм;

Для установления оптимальных параметров испытания был исследован характер изменения остаточной циклической стрелы прогиба различных систем материалов h _о ^ц _ст , мм, в зависимости от числа циклов нагружения (рисунок 3, а) и времени отдыха (рисунок 3, б).

а

б

Учитывая это, рекомендовано упруго-пластические свойства систем материалов определять после 20000 циклов нагружения образцов и 24 ч. отдыха.

Таким образом, методика испытания систем материалов, прошедших предварительную технологическую обработку, при многократном растяжении предусматривает проведение следующих этапов:

• -   замеряется исходная стрела прогиба отформованной системы материалов

h_исх , мм;

• -   рассчитывается величина продавливания образца ΔН , мм, необходимая для

его деформации на 8%;

• -    образец заправляется в рабочий стакан внутренней стороной вверх и устанавливается в устройство; пуансон фиксируется в положении, при котором величина продавливания образца составит ΔН ;

• -   образец подвергается 20000 циклам нагружения, при этом фиксируется

величина давления пуансона на образец в первом и последнем циклах нагружения;

• -   образец вынимается из зажимов стакана и осуществляется замер

остаточной циклической стрелы прогиба h _о ^ц _ст , мм, через 24 часа отдыха.

Упруго-пластические свойства систем материалов после многократного растяжения предложено оценивать приростом стрелы прогиба образцов после многократного растяжения Δ h ^ц , %, определяемой по формуле:

ц

Δ h ^ц = ^{ост    исх} ⋅ 100                                       (5)

h исх , где hоцст - остаточная циклическая стрела прогиба образца, мм.

Разработанная методика испытания систем материалов для верха обуви при многократном растяжении позволяет максимально приблизить условия испытания образцов к реальным условиям работы верха обуви в процессе носки, и, как следствие, более объективно оценивать приформовываемость систем материалов к стопе.