СПОРТИВНЫЙ ШЕСТ ДЛЯ ПРЫЖКОВ В ВЫСОТУ И ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК A63B5/06 

Изобретение относится к технике, используемой в спорте, а именно к спортивному инвентарю.

Коренные изменения в конструкции спортивного шеста и применяемого для его изготовления материала произошли в 60-х годах, когда широкое признание стали приобретает фиберглассовые (стекловолокнистые) шесты. Их распространение не замедлило сказаться на совершенствовании техники прыжка и соответственно на достижении фантастических по тем временам спортивных результатов.

Оптимальными в настоящее время считаются трубчатая конструкция шеста и для его изготовления слоистый композиционный материал на полимерном связующем, армированный, как правило, стеклолентой и/или стеклотканью. Заявляемые усовершенствования в основном преследовали цель упрощения технологии.

Так, спортивный шест представляет собой стекловолнистую трубу, состоящую из трех слоев, соединенных между собой термореактивным связующим. Его недостаток сложная технология изготовления. С целью ее упрощения предложен спортивный шест, в котором внутренний и наружные слои выполнены из тканевых стеклолент, соединенных между собой внахлест в продольном направлении относительно оси трубы, причем стыки наружного смещены относительно стыков внутреннего слоя.

Основной недостаток этого варианта заключается в большом количестве стыков, отрицательно влияющих на надежность и симметрию прочности и жесткости спортивного шеста относительно его продольной оси.

Известен стеклоуглепластиковый спортивный шест, состоящий из пяти слоев: первый внутренний слой выполнен из стеклоленты, намотанной спирально встык, второй из такой же ленты, намотанной встречными витками, третий слой состоит из углеволокон, навитых под углом 45^о к оси шеста, четвертый слой состоит из нескольких витков стеклоткани трапециевидного раскроя и, наконец пятый слой состоит из продольно расположенных углеволокон и уложен таким образом, что покрывает первый виток стеклоткани. Основной, весьма существенный недостаток этого шеста заключается в том, что его прогиб в момент прыжка сопровождается вращением плоскости изгиба под влиянием слоя из высокомодульных углеволокон, навитых под углом 45^о к оси шеста и не имеющего уравновешивающего слоя с симметричной встречной навивкой.

Наибольшим спросом среди спортсменов-прыгунов с шестом пользуется спортивный шест, выполненный трубчатой формы из полимерного композиционного материала, состоящего из двух слоев лент, уложенных перекрестно один относительно другого спиральной намоткой встык и расположенного между ними силового слоя из витков ткани с волокнами, ориентированными преимущественно вдоль шеста.

Полимерный композиционный материал для изготовления спортивного шеста состоит из полимерного связующего и армирующего наполнителя в виде ткани из высокопрочных и высокомодульных волокон, преимущественно расположенных на основе.

Это техническое решение наиболее близко к заявляемому изобретению и поэтому оно выбрано в качестве прототипа. Его основным недостатком является завышенная масса (около 3 кг при 5-метровой длине шеста) из-за нерационального распределения физико-механических характеристик материала в конструкции.

Как следует из описания, прототип, как и упомянутые аналоги, в окружном направлении равнопрочен, тогда как при изгибе в момент прыжка его напряженно-деформированное состояние в окружном направлении существенно неоднородно: напряжения и деформация в стенке шеста изменяются от нуля (на нейтральной линии) до положительного и отрицательного максимумов соответственно в зонах растяжения и сжатия.

Другой недостаток прототипа заключается в использовании для его изготовления только стеклопластика, обладающего, как известно, наиболее высоким удельным весом (γ= 2,13) среди современных ПКМ (для сравнения, например, у органопластика γ 1,34 и углепластика γ 1,4).

И, наконец, третий недостаток прототипа, вытекающий из первых двух и их дополняющий, состоит в том, что жесткость шеста может регулироваться только путем изменения толщины стенки, для чего предусматривается намотка дополнительного четвертого слоя стеклопластика, естественно утяжеляющего шест.

Техническим результатом изобретения является приведение конструкции спортивного шеста и состава материала для его изготовления в соответствие с напряженно-деформированным состоянием (НДС), возникающим в стенке шеста при изгибе в момент прыжка и характеризующимся наличием в стенке двух ярко выраженных зон растяжения и сжатия, обеспечение снижения его массы по крайней мере на 20%
Для достижения указанного технического результата в известном спортивном шесте перекрестно уложенные слои выполнены из полимерного композита, армированного органолентой, а промежуточный слой состоит из 2-10 витков гибридного стеклоорганопластика, армированного тканевым наполнителем с образованием в напряженном состоянии в поперечном сечении шеста по всей его длине двух секторных участков органопластикового с центральным углом 180-200^о, расположенного симметрично относительно плоскости изгиба в зоне растяжения волокон, и стеклопластикового с центральным углом 180-160^оС, расположенного в зоне сжатия.

В полимерном композиционном материале основа тканевого наполнителя состоит из стеклянных и органических волокон, образующих попарно объединенные в группы полосы с плотностью укладки, позволяющей обеспечить в полимерном композите равенство модулей упругости в стеклопластиковых и органопластиковых полосах каждой группы, при этом полосы объединены в группы в соотношении (0,4: 0,6)-(0,5: 0,5) с переменной в зависимости от изменения длины витков суммарной шириной, причем количество групп равно количеству полных витков в силовом слое.

Выбор ПКМ обосновали последовательно по предельной деформационной способности материала и по его удельной прочности и жесткости как отношения предела прочности и модуля упругости к плотности, исходя из требований по обеспечению прочности, симметрии характеристик изгибной жесткости сечений шеста по его длине и минимума массы.

При этом использовали эпюры деформаций ε, возникающих при изгибе шеста в момент прыжка. Характер распределения деформаций ε по угловой координате α_град в произвольном сечении показан на фиг.1. Количественные их значения в месте максимального изгиба, отсчитываемые от нейтральной линии, для реального шеста с наружным диаметром 40 мм и длиной 5 м помещены в табл.1.

Вместе с характеристиками физико-механических свойств однонаправленных ПКМ, представленными в табл.2 (10, 11) они послужили основой для разработки состава, структуры и схемы распределения материала в конструкции шеста.

Совместный анализ фиг.1 и табл.1 и 2 свидетельствует о том, что максимальная относительная деформация сжатия в плоскости изгиба шеста ε_макс^- -0,017 может быть допущена при использовании только одного материала стеклопластика, поскольку он единственный из числа известных ПКМ обладает предельной деформационной способностью на сжатие ε_пр^- -0,020, превышающей максимальную деформацию сжатия шеста на 17% Органопластик и углепластик, способные выдерживать относительные деформации, не превышающие -0,005 и -0,0033 соответственно, могут быть использованы в зоне сжатия на участках, ограниченных углом α -(0-10)^о.

Для стеклопластика приведены результаты собственных исследований.

Максимальную относительную деформацию растяжения ε_макс⁺ 0,017 способны выдержать как стеклопластик (ε_пр⁺ 0,024), так и органопластик (ε_пр⁺ 0,022), обеспечивая минимальный деформационный запас 41% и 29% соответственно. Принимая по внимание основную цель настоящего изобретения снижение массы шеста, для исследования в зоне растяжения принят ПКМ с более высокими характеристиками удельной прочности при растяжении и удельного модуля упругости а именно органопластик. Углепластик же и по этим параметрам в данном случае не конкурентоспособен органопластику.

Конструкция шеста и схема расположения витков в слоях, оптимальные с точки зрения обеспечения заданной деформационной способности и минимальной массы шеста, приведены на фиг.2.

На ней показаны: внутренний слой 1 из ПКМ на основе пропитанной смолой ЭДТ-10, спирально намотанной встык органопластиковой ленты, средний слой 2, состоящий из 2-10 (их количество определяется требуемой жесткостью и прочностью шеста, зависящими от массы спортсмена, скорости его разбега и силы толчка) витков гибридного ПКМ, армированного стеклоорганотканью, образующего два симметрично расположенных относительно плоскости изгиба Y, неразрывно связанные между собой сектор Р (растяжения) и С (сжатия), являющиеся соответственно органопластиковой частью ПКМ с центральным углом 180-200^о и стеклопластиковой частью ПКМ с центральным углом 180-160^о, и наружный слой 3 из ПКМ на основе органопластиковой ленты толщиной 0,25 мм, намотанной встык спиралью встречно спирали внутреннего слоя.

Схема расположения волокон в стеклоорганоткани, используемой для армирования ПКМ, формирующего средний слой в трубчатой конструкции шеста по всей длине его, представлена на фиг.3, где пунктиром обозначена трапециевидная часть полотнища, предназначенная для намотки в случае необходимости увеличения жесткости средней части шеста. На ней обозначены: Н ширина прямоугольной части полотнища, H_i часть ширины полотнища, соответствующая размеру i-го витка, состоящая из двух полос стеколоволокон и органоволокон, H_ci и H_oi ширина полос, состоящих соответственно из стекло- и органоволокон, причем Н H_i, H_i H_ci + H_oi и в соответствии с результатом оптимизационного выбора, как это отмечено выше и показано на фиг.2, H_ci/H_oi 0,8 1,0.

Ширина полотнища ткани, пропитанной связующим ( ≈ 30 об.), так называемого препрега, требуемая для намотки шеста заданного размера, и ширина его части в виде группы, состоящей из двух полос стекло- и органоволокон, образующей один i-ый виток, рассчитываются соответственно по формулам:
H 2n·r+h(i-1),
H_i 2 π [r + h (i 1)] где n количество витков в слоев;
i порядковый номер витка в слое;
r внутренний радиус, с которого начинается намотка слоя;
h толщина препрега.

Другим исходным условием для выбора ПКМ является требование круговой симметрии характеристик изгибной жесткости шеста, продиктованное необходимостью исключить вращение плоскости изгиба шеста в момент прыжка. Это требование удовлетворено тем, что в стеклопластиковом и органопластиковом сегментных участках ПКМ реализованы равенство модулей упругости Е_cпт Е_оп и симметрия поперечного сечения шеста относительно продольной оси. При этом решена также попутная задача наряду с облегчением шеста обеспечена неизменность других технических параметров, поэтому жесткостные и геометрические характеристики предлагаемой конструкции практически соответствуют величинам базового аналога прототипа.

Для расчета Е_стп Е_оп применим закон аддитивности, поскольку модуль упругости ПКМ в зависимости от объемного содержания в нем наполнителя и связующего изменяется линейно и может быть рассчитаны по известной формуле смеси Е_пкм С_нап х Е_нап + С_cв х Е_св. Наибольшей простотой и наглядностью при достаточно высокой точности отличается графическое решение этой задачи. Оно приведено на диаграмме (фиг.4), где по оси абсцисс отложены объемные доли наполнителя С_нап и связующего С_свв слое гибридного ПКМ, состоящем из сегментных участков стекло- и органопластика. Ось ординат А на фиг.4 имеет своим началом нулевое содержание наполнителя, поэтому на ней отложено значение модуля упругости связующего Е_св 7 ГПа; ось ординат Б восстановлена от нулевого значения содержания связующего и на ней обозначены величины модулей упругости стекловолокна Е_ств 83 ГПа и органоволокна Е_ов 112 ГПа. Отрезки прямых 7-83 и 7-112 характеризуют зависимость изменения модуля упругости ПКМ от объемного содержания в нем наполнителя и связующего. Поскольку за базовое значение принята величина модуля упругости для стеклопластика Е_стп 60 ГПа при оптимальном содержании в нем стекловолокон 70% и связующего 30% искомое содержание компонентов для органопластика с таким же модулем упругости Е_оп 60 ГПа, как это следует из графиков на фиг.4, составляет по 50% органоволокна и связующего.

Следовательно, одинаковая толщина стенки в трубчатой конструкции шеста, состоящей из двух сегментных участков стеклопластикового и органопластикового, и одинаковый модуль упругости в них, обеспечивающих круговую симметрию жесткостных характеристик шеста в произвольных по его длине поперечных сечениях, реализуются при 70%-ном содержании стекловолокна в ПКМ зоны сжатия и 50% -ном содержании органоволокна в ПКМ зоны растяжения. На графиках фиг.4 пунктиром обозначена область, в пределах которой осуществляется регулирование жесткости шеста за счет варьирования составом ПКМ в пределах ± 10%
Аналитически задача решается по формуле:
C_нап=
При тех же исходных данных:
Е_пмк 60 ГПа Е_св 7 ГПа,
Е_ств 83 ГПа Е_св 112 ГПа, получим для стеклопластикового сегмента:
C_стп= 0,7 и для органопластикового:
C_оп= 0,5
Снижение массы спортивного шеста за счет реализации изобретения однозначно определяется сопоставлением плотности его материала с плотностью материала прототипа, поскольку, как уже отмечалось, все прочие характеристики, кроме массы, для обоих вариантов шеста практически одинаковы.

Для прототипа, изготовленного полностью из стеклопластика, масса определяется его плотностью ρ_ш^пр=ρ_стп 2,13 г/см³; в заявленном варианте объемная доля стеклопластика составляет 45% и органопластика с плотностью 1,34 г/см³ 55% поэтому приведенная плотность ПКМ в заявленной конструкции будет:
ρ_ш 0,55х1,34 + 0,45х2,13 1,7 г/см³, что составляет немногим меньше 0,8 массы прототипа.

В настоящем изобретении впервые в конструкции спортивного шеста найдено место для эффективного использования органопластика, соответствующее его высоким механическим свойствам на растяжение.

Особенности конструкторского и материаловедческого решения задачи позволяют в полной мере использовать рекордно высокие характеристики удельной прочности и жесткости и высокую деформационную способность при растяжении органопластика и полностью исключить проявление его отрицательных качеств. Это достигнуто за счет сегментной схемы укладки стекловолокнистого и органоволокнистого компонентов ПКМ в конструкции шеста и полосчатого строения тканевого наполнителя, состоящего из сгруппированных в полосы органо- и стекловолокон.

Масса шеста снижена не менее чем на 20% по сравнению с базовым вариантом прототипа, что обеспечивает спортсменам возможность достижения более высоких результатов.

Использование: в качестве спортивного инвентаря. Сущность изобретения: перекрестно уложенные слои ленты полимерного композиционного материала шеста выполнены из полимерного композита, армированного органолентой. Промежуточный силовой слой расположен между ними и состоит из 2 10 витков гибридного стеклоорганопластика, армированного тканевым наполнителем, и образует в напряженном состоянии в поперечном сечении шеста по всей его длине секторные участки органопластиковый и стеклопластиковый. Полимерный композиционный материал для изготовления шеста содержит армирующий тканевый наполнитель полосчатого строения, состоящий из сгруппированных в полосы органо-и стекловолокон заданной ширины. 2 с. п. ф-лы. 4 ил. 2 табл.

1. Спортивный шест для прыжков в высоту, выполненный трубчатой формы из полимерного композиционного материала, состоящего из двух слоев ленты, уложенных перекрестно один относительно другого спиральной намоткой встык, и расположенного между ними силового слоя из витков ткани с волокнами, ориентированными преимущественно вдоль шеста, отличающийся тем, что перекрестно уложенные слои выполнены из полимерного композита, армированного органолентой, а промежуточный слой состоит из 2 10 витков гибридного стеклоорганопластика, армированного тканевым наполнителем с образованием в напряженном состоянии в поперечном сечении шеста по всей его длине двух секторных участков органопластикового с центральным углом 180 200^o, расположенного симметрично относительно плоскости изгиба в зоне растяжения волокон, и стеклопластикового с центральным углом 180 160^o, расположенного в зоне сжатия. 3. Полимерный композиционный материал для изготовления спортивного шеста для прыжков в высоту, состоящий из полимерного связующего и армирующего наполнителя в виде ткани из высокопрочных и высокомодульных волокон, преимущественно расположенных по основе, отличающийся тем, что основа тканевого наполнителя состоит из стеклянных и органических волокон, образующих попарно объединенные в группы полосы с плотностью укладки, позволяющей обеспечить в полимерном композите равенство модулей упругости в стеклопластиковых и органопластиковых полосах каждой группы, при этом полосы объединены в группы в соотношении (0,4 0,6) (0,5 0,5) с переменной в зависимости от изменения длины витков суммарной шириной, причем количество групп равно количеству полных витков в силовом слое.