На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ АМОРТИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕК – ОБУВЬ –

ОПОРА В ФАЗЕ ПЕРЕДНЕГО ТОЛЧКА

Специальность 05.19.01 – «Материаловедение производств текстильной и

легкой промышленности»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ 2009

Работа выполнена на кафедре «Технология кожи, меха и изделий из кожи»

ГОУ ВПО Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Александров Сергей Петрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Хамматова Венера Василовна кандидат технических наук Файзуллина Резеда Басыровна

Ведущая организация ОАО Центральный научно-исследовательский институт кожевенно-обувной промышленности

Защита состоится 25.12.2009 в 12 часов на заседании диссертационного совета в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68 в зале заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 25.11. 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук В.А.Сысоев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования и состояние вопроса.

Современные тенденции развития обувной отрасли предполагают дальнейшее совершенствование конструкции обуви с целью повышения ее комфортности путем создания таких условий функционирования опорнодвигательного аппарата человека, которые обеспечили бы нормальную работу его элементов и всего организма в целом.

В процессе эволюционного развития человека формирование нижних конечностей происходило на протяжении многих тысячелетий в конкретных условиях, когда стопа соприкасалась с поверхностью грунта, структурные особенности которого оказывали непосредственное влияние на формирование нижних конечностей человека, как органа передвижения и, прежде всего, конструкцию стопы. Приобретенные в результате эволюции анатомические особенности нижних конечностей и строение стопы сохранились до настоящего времени, не претерпев каких бы то ни было существенных изменений.

Современные условия существования человека значительно отличаются от прежних, естественных. Стопа контактирует с промежуточными элементами – деталями низа обуви, которые, в свою очередь, опираются на жесткие дорожные покрытия.

При ходьбе реакция жесткой опоры передаётся через стопу человека к жизненноважным органам, вызывая дискомфорт, быструю утомляемость, негативно влияет на нормальное функционирование всего организма.

Таким образом, одной из задач при проектировании обуви, является обеспечение ее опорной комфортности с учетом исторически сложившихся особенностей стопы.

Решение проблемы создания здоровьесберегающей обуви требует изучения влияния конструктивных и технологических особенностей обуви на величину нагрузок, передаваемых на тело человека, со стороны опоры во время носки обуви, что является одним из важных показателей комфортной обуви. В последние десятилетия работы многих отечественных и зарубежных авторов посвящены проблеме создания комфортной обуви. Прослеживается тенденция увеличения количества исследований и конструкторских разработок, направленных на создание амортизационной обуви, позволяющей, в определенной степени, подойти к решению проблемы обеспечения населения здоровьесберегающей обувью.

Исследования, связанные с изучением амортизационных свойств каблучной части обуви, оптимизации их параметров, является одним из важных направлений для решения задачи проектирования комфортной обуви.

Недостаточная амортизация ударных нагрузок на тело человека со стороны жесткой опоры вызывает напряжения в мышцах, связках, что влияет на внутренние органы человека и может привести к патологическим изменениям и возникновению ряда заболеваний.

исследователями большое внимание уделяется разработке конструкции обуви, защищающей тело человека от многоцикловых квазиударных воздействий со стороны жесткой опорной поверхности.

Конструктивные решения при создании низа обуви должны быть направлены на смягчение удара путем увеличения времени контакта за счет введения в конструкцию упругого элемента. Однако увеличение времени контакта имеет ограничение, связанное с нарушением стереотипа ходьбы.

Наряду с применением в обуви в качестве амортизирующих тел упругих полимеров, в настоящее время появилось много разработок, основанных на других принципах. В конструкции низа обуви используются разнообразные механизмы: гидравлические, пневматические, механические, а также их комбинации.

Но эти технические решения имеют ряд существенных недостатков. Как правило, они имеют сложную конструкцию, состоящую из различных элементов, включающие жидкие и газообразные вещества. Эксплуатация обуви с подобными устройствами может привести к повреждению элементов амортизирующей конструкции и вызвать повреждение стопы в обуви. Кроме того, конструктивная сложность этих устройств и непривлекательный внешний вид затрудняет их использование в обуви массового производства.

Все известные технические решения не адаптированы к массе носчика и жесткости дорожных покрытий, и по этой причине не могут в полной мере отвечать требованиям комфортности обуви.

Целью работы является:

обеспечивающей оптимальное нагружение опорно-двигательного аппарата носчика при ходьбе.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• Выбор критерия оптимизации;

• Исследование нагружения стопы человека при ходьбе по усредненному грунту без обуви, и определение числовых параметров жесткости;

• Разработка динамической модели тело человека – стопа – каблучная часть низа обуви – жесткая опора;

• Определение системообразующих параметров модели;

• Составление математической модели системы тело человека – каблучная часть низа обуви – жесткая опора;

• Решение математической модели;

• Оптимизация параметров математической модели и их конструктивная реализация;

• Экспериментальная проверка.

Основные методы и объект исследования.

Для решения поставленных в работе задач применялся комплекс исследований, включающий методы теоретического анализа, классификации, математического расчета и статистической обработки баз данных экспериментальных исследований. В качестве объекта исследования был рассмотрен один из периодов взаимодействия стопы с опорной поверхностью при ходьбе – фаза переднего толчка.

В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD, компьютеризированные системы «Диа След» и “EMED”.

Научная новизна работы 1. Разработан критерий оценки оптимальной жесткости опорной поверхности, составлена методика его определения и установлены диапазоны его количественных значений. Числовые значения критерия определяются при наступании необутой стопы на усредненный грунт, путем измерения упругой деформации сжимаемого грунта, мощности эквивалентного слоя, изменяющегося от прикладываемого давления, показывая этим, что при увеличении давления (напр. при большой массе носчика) оптимальное значение жесткости уменьшается.

рассматривалась, как величина постоянная. В настоящей работе установлено, что при ходьбе, в фазе переднего толчка, усилие, распространяется на различные зоны каблука. Поэтому жесткость каблучной части является величиной переменной, нелинейно зависящей от времени контакта каблука и опоры. С(t), что было экспериментально подтверждено в проведенных исследованиях.

3. Разработан метод расчета динамической модели человек – обувь – опора с учетом нелинейности жесткости каблучной части обуви.

Практическая значимость работы 1. Расчетно-аналитическим методом были получены значения усилий, передаваемых на стопу человека при переднем толчке в зависимости от демпфирующих свойств каблучных материалов на величину силового воздействия на пяточную часть стопы.

2. Разработана методика, позволяющая определить с помощью расчетноаналитических методов и программы MathCAD, параметры жесткости каблука, оптимальные для нормального функционирования стопы, чтобы величина силового воздействия приближалась к естественному, возникающему при контакте необутой стопы с усредненным грунтом.

3. Жесткость каблучных материалов существенно влияет ни силовое воздействие, оказываемое на тело человека в фазе переднего толчка.

Например, при изменении модуля упругости каблука от Е=2 МПа до Е=10 МПа, силовое воздействие увеличивается от FЕ=2=650 Н до FЕ=10=1006 Н (в 1,5 раза), а время контакта уменьшается с 0,041с до 0, Апробация результатов работы Основные положения диссертационной работы были отражены в докладах и получили положительную оценку на следующих собраниях научной общественности:

промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых», МГУС, Самара, 2005г.;

технологии в образовании, науке и промышленности», ГОУ РОСЗИТЛП, 3. V Международная научно-техническая конференция, Казань, 2009г.

Разработанная методика расчета параметра жесткости каблучной части низа обуви, оптимального для нормального функционирования стопы, учитывающий массу носчика, применяется при изготовлении обуви на Московской фабрике ортопедической обуви.

Метод расчета жесткости каблука используется в лекционных материалах « Конструирование изделий из кожи» для специальностей 260905 и 260906.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 70 рисунков, библиографический список из 85 наименований, приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, методы и объект исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассматривается процесс взаимодействия стопы с опорной поверхностью при ходьбе в фазе переднего толчка.

Наиболее опасной, с точки зрения негативного влияния на организм человека, является начальный момент контакта стопы с опорой при ходьбе – фаза переднего толчка, когда кости голени и бедра спрямлены и усилие от жесткой опоры, практически без амортизации, передается на тело человека.

Определено, что наиболее благоприятным по критерию наилучшего функционирования системы тело человека – пяточная часть стопы – каблучная часть низа обуви – жесткая опора, является то воздействие на конструкцию стопы, которое являлось исходным при ее формировании, то есть условия контакта с усредненным грунтом. Физико-механические показатели усредненного грунта являются критериальными при проектировании комфортной системы низа обуви. Исследования, связанные с изучением амортизационных свойств каблучной части обуви, оптимизации их параметров, является одним из важных направлений для решения задачи проектирования комфортной обуви.

В работе рассмотрены и проанализированы известные технические решения амортизирующих устройств в обуви.С целью снижения квазиударной нагрузки, передаваемой на организм человека со стороны жесткой опоры применяются в качестве амортизирующих тел упругие полимеры, кроме того, в конструкции низа обуви используются разнообразные механизмы:

гидравлические, пневматические, механические, а также их комбинации.

Получило развитие направление, связанное с разработкой специальных конструкций низа обуви, снижающих силовое воздействие жесткой опоры на стопу при ходьбе. На основании проведенного анализа патентных источников и их систематизации составлена классификация амортизирующих устройств в обуви (рисунок 1).

АМОРТИЗИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

УПРУГО-ВЯЗКИЙ

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ КАМЕРА МЕХАНИЧЕСКИЕ

МАТЕРИАЛ

КОМБИНИРОВАННЫЕ

недостатков. Амортизирующие устройства, описанные в патентах, имеют сложную конструкцию, состоящую из различных элементов, включающие жидкие и газообразные вещества. Эксплуатация обуви с подобными устройствами может привести к повреждению элементов амортизирующей конструкции и вызвать повреждение стопы в обуви. Кроме того, конструктивная сложность описанных амортизирующих устройств затрудняет их использование в обуви массового производства, ограничивая их применение в отдельных, экспериментальных образцах обуви.

Кроме того, все рассмотренные технические решения не адаптированы к массе носчика и жесткости дорожных покрытий, и по этой причине не могут в полной мере отвечать требованиям комфортности обуви.

Произведен анализ научных трудов, посвященных исследованию способности материалов низа обуви рассеивать ударную нагрузку со стороны жесткой опоры во время ходьбы, и исследованию динамических моделей человек – стопа – каблучная часть низа обуви – жесткая опора.

обоснованного критерия оценки опорной комфортности, учитывающего естественный уровень амортизации, имеющий место при контакте необутой стопы с усредненным грунтом, определены цель и задачи исследования амортизации системы человек – обувь – опора в фазе переднего толчка.

Вторая глава посвящена исследованию деформационных параметров опорного основания.

Многочисленные исследования и разработки амортизирующей обуви не дают четкого понятия, какая степень амортизации является наилучшей для человека.

На основании предложенного исходного положения, формулируемого как обеспечение низом обуви естественного уровня амортизации, имеющего место при контакте необутой стопы с усредненным грунтом, в развитие данной работы проведено исследование физико-механических свойств грунта, в частности, определен характер его деформируемости, являющийся важным показателем при разработке амортизирующего низа обуви.

Для исследования были взяты наиболее распространенные виды грунтов:

1. Суглинки пылеватые, мягкопластичные;

2. Пески мелкие, рыхлые, с прослойками супеси;

3. Пески мелкие, глинистые, рыхлые.

На основании проведенных экспериментальных исследований, получены компрессионные кривые, характеризующие изменение коэффициента пористости образца грунта в зависимости от прикладываемой нагрузки (рисунок 2).

Рисунок 2 - Компрессионные кривые для образцов грунтов 1 – для суглинков; 2 – для глинистых песков; 3 – для песков с прослойками Получены исходные параметры для определения жесткости каблучной части обуви, обеспечивающие естественный уровень амортизации.

Так модули общей линейной деформации и мощности эквивалентного слоя составляют:

для глинистых песков Ео = 4,38 МПа, h экв. = 0,15 м;

для песков с прослойками супеси Ео = 9,2 МПа, h экв. = 0,15 м;

для суглинков Ео = 5,49 МПа, h экв. = 0,17 м Деформационные свойства конструкции определяются не только модулем упругости, но и геометрическими параметрами, и в обобщенном виде представляются, как жесткость (коэффициент жесткости) С.

Коэффициент жесткости суглинка площадью равной пяточной части стопы и найденной мощностью эквивалентного слоя суглинка будет:

Для глинистых песков:

С2 = 4,5 · 2800 / 150 = 81,8 Н/мм;

Для песков с прослойкой супеси:

С3 = 9,2 · 2800 / 150 = 171,7 Н/мм.

Значение жесткости усредненного грунта можно принять:

К этому значению жесткости необходимо стремиться при создании конструкции и выборе материалов каблучной части обуви, обеспечивающих естественный уровень амортизации, соответствующий контакту необутой стопы с усредненным грунтом.

Третья глава посвящена исследованию усилий, передаваемых на пяточную часть стопы при взаимодействии каблучной части низа обуви с опорой в фазе переднего толчка.

В работе рассмотрены различные приборы и компьютеризированные аппаратурно-измерительные системы, позволяющие регистрировать силовые потоки, проходящие от жесткого основания через каблучную часть обуви и воздействующие на опорно-двигательный аппарат человека.

В настоящее время для изучения взаимодействия стопы с опорной поверхностью используются компьютеризированные аппаратурноизмерительные системы, позволяющие снимать и фиксировать различные характеристики, возникающие при контакте стопы и опоры, на основании которых изменяется конструкция, подбираются материалы, обеспечивающие приведение исследуемых параметров к оптимальным значениям. Это зарубежные системы “EMED”, “Pad Professional”, “Parotec” и отечественные Плантоскоп, ДиаСледСкан, которые выдают цифровую и графическую интерпретацию данных первичных измерительных преобразователей.

Составлена классификация измерительных систем, определяющая функцию воздействия на стопу, режим измерения, измеряемые параметры, а также функциональное использование аппаратно-программных комплексов.

Основываясь на многообразии функциональных возможностей компьютеризированных систем, в экспериментальной части настоящей работы, для исследования взаимодействия стопы с опорной поверхностью, использованы системы «ДиаСлед» и “EMED”, которые наиболее полно отображают картину распределения давления на поверхности стопы в момент контакта ее с опорой.

На основании проведенных экспериментальных исследований, получен график зависимости нагрузки, действующей на каблучную часть низа обуви при ходьбе от времени контакта каблука и опоры (рисунок 3).

Рисунок 3 - График зависимости нагрузки, действующей на нижнюю поверхность каблучной части низа обуви при ходьбе от времени контакта Наибольший интерес в полученном графике представляет кривая ОАС. При переднем толчке, в начальный период, происходит интенсивное нарастание усилия, передаваемого на каблучную часть обуви, в условиях практически полного отсутствия амортизации, при спрямленных костях голени и бедра (участок ОА). Здесь угол наклона отрезка ОА кривой наибольший и, следовательно, наибольший пульс нагрузки. Эта фаза является наиболее опасной с точки зрения негативного влияния на организм человека. Затем, при нарастающем усилии, в работу включается мышечно-связочный аппарат, происходит естественная амортизация реакции основания, и, как следствие, уменьшается угол наклона отрезка АС, характеризующего этот этап взаимодействия каблучной части обуви с опорой.

По данным исследования, максимальная нагрузка, приходящаяся на каблучную часть низа обуви из резины «стиронип», составила FпСТ = 543 Н, а нагрузка на каблучную часть из пористой резины ВШ – FпВШ =319 Н, что имело место в момент времени t=0,12с, при общей нагрузке в этот момент соответственно 610 Н и 372 Н.

Полученная кривая ОАВС нагрузки, воспринимаемой каблучной частью обуви во времени, характеризует фазу переднего толчка, представляет интерес своими фактическими данными и использована, как исходный материал для определения жесткостных параметров системы.

В четвертой главе проведено исследование зависимости угла наклона каблучной части низа обуви к опоре от времени при переднем толчке.

В фазе переднего толчка процесс переката (поворота) каблука в разные интервалы времени сопровождается изменением угла его наклона к плоскости основания в среднем от 30 градусов до 0, которые являются границей изменения искомой функции. Функция угла наклона каблука носит периодический характер, как повторяющаяся при каждом шаге. При этом объемная часть каблука, взаимодействующая с основанием и пяточной частью носчика, постоянно изменяется, силовые потоки захватывают различные зоны, вследствие чего жесткость каблучной части, участвующей в трансформации нагрузки, является переменной величиной, зависящей от времени контакта каблука и опоры С=f(t).

Для определения функции угла наклона каблука к опоре во времени проведен эксперимент скоростной киносъемки с использованием кинокамеры дальнейшую компьютерную обработку отснятого материала. В результате было получено изображение в виде покадровой развертки, из которой выделены и распечатаны на принтере кадры, соответствующие фазе переднего толчка с временным интервалом 0,0104 с между кадрами.

По полученным данным, используя программу MathCAD, построен график зависимости угла наклона каблука к опоре от времени контакта в фазе переднего толчка (рисунок 4).

Рисунок 4 - График зависимости угла наклона каблучной части низа обуви к опоре от времени контакта в фазе переднего толчка полиноминальной регрессии третьей степени, при которой квадрат корреляционного отношения достигает практически единицы R2=0,995.

Зависимость (t) представляется уравнением полинома:

(t) =25,607-189,098t-1,834*10-3t2+1,399*10-4t3…