СПОСОБ СМАЗКИ СКОЛЬЗЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛЫЖ Российский патент 2006 года по МПК A63C11/08 

Изобретение относится к области техники, связанной с разработкой и применением способов смазки скользящей поверхности лыж (систем нанесения покрытий на скользящую поверхность лыж).

Занятие лыжным спортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без использования специальных покрытий (лыжных смазок). Лыжные смазки применяют для того, чтобы лыжи хорошо скользили - лыжники говорят «катили», и не проскальзывали назад - на языке лыжников «держали». Поэтому все смазки разделяют на две большие группы: мази скольжения или парафины, которые обеспечивают наилучшее скольжение, и мази держания, которые обеспечивают отсутствие проскальзывания, «держат».

Парафины (мази скольжения) разделяются на две группы: без фтора (простые) и фтористые, обеспечивающие лучшее скольжение. При применении парафинов с добавками фтора учитывается не только температура воздуха, но и его влажность, а также тип и структура снега.

Скользящая поверхность современных лыж выполнена из полиэтиленов различных сортов. В гоночных моделях лыж скользящая поверхность изготавливается из аморфных полиэтиленов с высоким молекулярным весом. Различаются они содержанием добавок, например, графита (черная скользящая поверхность) или фтороуглерода (цветные вкрапления в пластике), «впекаемого» в структуру пластика. Полиэтилен состоит из маленьких кристаллов, окруженных менее структурированным аморфным материалом.

При нанесении покрытий по современным технологиям, то есть при нагревании скользящей поверхности лыж, некоторые из кристаллов материала покрытия начинают плавиться прежде, чем весь материал (при температуре приблизительно 135°С). Когда материал смазки вплавляется утюгом в скользящую поверхность, жидкий парафин проникает между кристаллами и смешивается с аморфным материалом. Это значит, что происходит не только насыщение скользящей поверхности материалом смазки, но и непосредственно изменяется ее химическая структура.

Обработка поверхности лыжи смазкой не только улучшает качество скольжения, но и предохраняет поверхность от механического разрушения кристаллами льда, механическими загрязнениями снега.

К сожалению, даже качественно нанесенное парафиновое покрытие разрушается при эксплуатации лыж и туристу приходится повторять трудоемкую операцию практически ежедневно, а спортсмену - многократно в течение соревнований. В связи с этим, необходимость применения эффективного способа нанесения скользящих покрытий, способного обеспечить высокое качество скольжения и длительность эксплуатации, является актуальной.

Известен способ смазки скользящей поверхности лыж [1], заключающийся в том, что нанесение смазки осуществляют электроутюгом, снабженным вращающейся щеткой, с которой соприкасается брусок лыжной мази. Нагретый утюг перемещают по скользящей поверхности лыжи, нагревая ее, и одновременно с этим, вращающаяся щетка захватывает частицы мази и наносит ее на нагретую поверхность лыжи.

Известен также способ смазки скользящей поверхности лыж [2], реализуемый с помощью устройства - плиты, в которой установлен плоский электронагревательный элемент. На плите смонтирована емкость с лыжной мазью, снабженная пресс-масленкой, приводимой в действие рычагом, свободный конец которого смонтирован на рукоятке. Передвигая устройство по поверхности лыжи, спортсмен дозирует вручную количество подаваемой на лыжу мази.

Применяется также способ по патенту [3], при реализации которого лыжа устанавливается в наклонном положении на специальном стенде скользящей поверхностью наружу. Вдоль этой поверхности размещено сопло, перемещаемое вверх-вниз по направляющим и соединенное трубопроводом с емкостью для разогрева лыжной мази.

Недостатком всех описанных аналогов является: во-первых, - отсутствие контроля температуры поверхности лыжи и, следовательно, неравномерный ее нагрев по длине, что обуславливает перегрев смазки и прожоги поверхности лыжи; а во-вторых, - недостаточное заполнение имеющихся на скользящей поверхности лыжи пор и микротрещин смазкой, что ухудшает ее беговые свойства.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ нанесения смазки на скользящую поверхность лыжи по патенту [4], принятому за прототип. Способ заключается в нанесении материала смазки на скользящую поверхность лыж, осуществлении энергетического воздействия и равномерном распределении смазки.

В прототипе лыжи размещают в контейнере, затем наносят смазку на их скользящую поверхность с разогревом поверхности и смазки. Перед нагреванием контейнер, с помещенными в него лыжами, герметизируют. Лыжи в контейнере помещают на упоры, выполненные из материала смазки, между которыми по всей длине лыж, со стороны их скользящей поверхности, равномерным слоем насыпают смазку в виде порошка. Затем из контейнера откачивают воздух до вакуума 0,2-0,9 атм и нагревают в течение 4-20 мин внутренний объем контейнера с находящимися в нем лыжами и смазкой до 70-90°С. После окончания нагрева давление внутри контейнера повышают до 1-3 атм и поддерживают его в течение 1-3 мин и затем лыжи извлекают.

Прототип позволяет частично устранить недостатки известных способов, однако обладает следующими существенными недостатками:

1. Не обеспечивает глубокого проникновения материала смазки в структуру полимерного покрытия лыжи. Улучшить проникновение возможно только путем повышения температуры (снижения вязкости смазки и расширения пор полимерного покрытия). Однако такой путь на практике реализовать недопустимо из-за меньшей температуры плавления кристаллов полимерного покрытия, по сравнению с температурой плавления окружающего их аморфного материала, в который должен проникать парафин. На практике это приводит к прожогам скользящей поверхности и порче лыж.

2. Не обеспечивает длительного нахождения на скользящей поверхности и выделения материала смазки на поверхность из глубины материала лыжи при эксплуатации лыж. В результате происходит освобождение приглаженных парафином ворсинок полимерного материала поверхности лыжи и образование новых. При скольжении эти ворсинки снижают скорость и их необходимо либо срезать (шкурить), либо вплавлять в поверхность. И то и другое приводит к ухудшению качества скользящей поверхности и снижению срока эксплуатации дорогостоящих лыж.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в устранении недостатков существующего способа и создании нового способа, способного обеспечить равномерное нанесение смазки и лучшее заполнение микропор на поверхности скольжения лыжи, осуществить равномерное нанесение смазки на скользящую поверхность лыжи при температуре, ниже температуры плавления материала скользящей поверхности и осуществить глубокое проникновение парафина в ее поры.

Проведенный анализ реализуемых в настоящее время способов смазки скользящей поверхности лыж показал их несостоятельность и необходимость поиска новой технологии нанесения покрытий на скользящую поверхность лыж. Очевидно, что такая технология должна обеспечивать глубинное проникновение парафина в структуру полимерного материала скользящей поверхности при температуре, меньшей температуры его плавления при одновременной полировке поверхности и удалении ворсинок.

Суть предлагаемого технического решения заключается в нанесении материала смазки на скользящую поверхность лыж, осуществлении энергетического воздействия, равномерном распределении материала смазки вдоль участков скользящей поверхности лыж, причем энергетическое воздействие осуществляют с помощью электромеханического преобразователя, имеющего плоскую излучающую поверхность и ограничитель, обеспечивающий регулируемый зазор между излучающей поверхностью и скользящей поверхностью лыжи. В зазор вводят смазку и на материал смазки воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 20...100 кГц, с интенсивностью, достаточной для возникновения кавитации в материале смазки. Перемещением преобразователя, вдоль скользящей поверхности лыж, осуществляют формирование слоя смазки между излучающей поверхностью преобразователя и скользящей поверхностью лыж, а скорость перемещения преобразователя устанавливают в зависимости от вязкости и кавитационной прочности материала смазки.

Анализ функциональных возможностей различных методов энергетического воздействия на скользящую полимерную поверхность лыж позволил установить эффективность применения ультразвуковых технологий, основанных на явлениях ультразвуковой пропитки, низкотемпературной сварки, снижения вязкости, дегазации [5, 6].

Ультразвуковые технологии, применительно к решению проблемы подготовки скользящей поверхности лыж, позволяют реализовать следующие технологические процессы:

1. Ультразвуковую пропитку [7], основанную на звукокапилярном эффекте и снижении вязкости материалов, способную обеспечить ввод расплавленного материала смазки глубоко в материал поверхности при низких температурах, т.е. без термического повреждения поверхности. В процессе ввода ультразвуковых колебаний происходит ускорение молекул смазки за счет возникающей в ней кавитации и более глубокое их проникновение в скользящую поверхность лыжи. При введении ультразвука в смазку происходит его дегазация, что обеспечивает ровную поверхность парафинового покрытия, без газовых пузырьков - пустот.

2. Ультразвуковую сварку [5], реализуемую при температурах ниже температуры плавления соединяемых материалов и основанную на многократном ускорении процессов диффузии. Она обеспечивает не только интенсификацию проникновения парафина в полимерное покрытие, но и позволяет разрушать и вваривать в поверхность лыжи образовавшиеся на ней волоски (ворсинки).

3. Размягчение смазки (перевод в вязкопластичное состояние), происходящее при температуре ниже температуры ее плавления за счет снижения вязкости материала, подвергаемого УЗ воздействию. Возможно, также, низкотемпературное распыление материала смазки при применении ультразвуковых колебаний высокой интенсивности.

К несомненным достоинствам ультразвуковой технологии следует отнести, также, возможность исключения непосредственного механического контакта поверхности ультразвукового преобразователя с обрабатываемой поверхностью. Воздействие осуществляется через тонкий слой (0,5...3 мм) жидкого материала смазки в кавитирующем состоянии. Это исключает разогрев скользящей полиэтиленовой поверхности до температуры плавления или разложения полиэтилена.

Предложенный способ смазки скользящей поверхности лыж поясняется фиг.1, на которой приняты следующие обозначения:

1 - колебательная система, 2 - пьезокерамические элементы, 3 - отражающая накладка, 4 - корпус, 5 - защитный корпус, 6 - вентилятор, 7 - подложка, 8 - упорное кольцо, 9 - лыжа, 10 - скользящая поверхность лыжи, 11 - смазочный кавитирующий материал.

Для практической реализации предложенного способа нанесения смазки на скользящую поверхность лыжи 10 используются пьезоэлектрическая колебательная система 1 (фиг.2) и осуществляющий ее электрическое питание электронный генератор (не показан). Реализация предложенного способа осуществляется следующим образом. На скользящую поверхность лыжи 10 наносится материал смазки 11, после чего происходит обеспечение контакта ультразвуковой колебательной системы с наносимым покрытием и ввод ультразвуковых колебаний. При этом происходит поглощение УЗ колебаний в материале смазки 11 и смазка становится жидкой, в ней начинаются кавитационные процессы, при которых взрывы (захлопывания) кавитационных пузырьков обеспечивают проникновение смазки в глубь скользящей поверхности лыжи 10.

Для практической реализации предложенного способа создано специализированное малогабаритное оборудование, обеспечивающее необходимую и достаточную мощность излучения на заданной площади обработки.

Оборудование включает в себя:

1) специализированную ультразвуковую колебательную систему 1 (см. фиг 2), имеющую размер рабочей поверхности, превосходящий ширину скользящей поверхности лыжи и обеспечивающую равномерное распределение ультразвуковых колебаний на излучающей поверхности для обеспечения равномерного размягчения и нанесения парафина по всей ширине лыжи;

2) генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты для питания колебательной системы, обеспечивающий регулировку выходной мощности и стабилизацию ультразвукового воздействия в процессе обработки поверхности лыж.

Технический результат заключается в создании нового способа, позволяющего повысить качество нанесенного на скользящую поверхность лыж покрытия, повышении производительности процесса при одновременном уменьшении энергозатрат и исключении необходимости применения систем термического нагрева. Эффект достигается за счет оптимизации параметров энергетического и временного воздействия. Разработанный способ нанесения покрытия на скользящую поверхность лыж обеспечивает снижение трения скольжения не менее чем на 5%, увеличение объема смазки, введенной в материал скользящей поверхности лыж - на 5...10% (в зависимости от типа лыж и покрытия), что позволяет не менее чем в 2 раза увеличить время эксплуатации лыж.

Поскольку используемые материалы смазок имеют различную исходную вязкость, различную температуру плавления, кавитационный процесс возникает в них при различных мощностях ультразвукового воздействия, и скорость перемещения преобразователя при нанесении покрытия может быть различной и устанавливаться экспериментальным путем для каждого вида смазки.

Для реализации предложенного способа разработана специализированная ультразвуковая колебательная система, выполненная по полуволновой схеме в виде пьезоэлектрического преобразователя Ланжевена [8]. Внешний вид колебательной системы представлен на фиг.2. Спроектированная и разработанная ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. При подведении к электродам пьезоэлементов 3 электрического напряжения происходит преобразование электрических колебаний в механические колебания, которые распространяются в колебательной системе 1 и усиливаются за счет выбора продольных и поперечных размеров накладки 2 таким образом, что продольный резонанс всей колебательной системы совпадает с диаметральным резонансом рабочей частотно-понижающей накладки.

Колебательная система 1 крепится в корпус 4 при помощи винтов, вкручивающихся в подложку 7 (фиг.1). Колебательная система снабжена крепежным фланцем, который зажимается между корпусом и подложкой 7. Колебательная система снабжена дополнительным защитным корпусом 5 (фиг.1). Воздух вентилятором 6, через отверстия, втягивается в корпус колебательной системы, проходя там, он охлаждает разогревающиеся пьезокерамические элементы 2.

Разработанная колебательная система имеет рабочую частоту 27±3,3 кГц, диаметр рабочей излучающей поверхности 65 мм. Для обеспечения регулируемого зазора между излучающей поверхностью ультразвуковой колебательной системы 1 и поверхностью лыж 10 использовано упорное кольцо 8.

Одним из составляющих ультразвукового технологического оборудования является электронный генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты (на фигурах не показан). Он предназначен для питания ультразвуковой колебательной системы.

Для обеспечения максимальной эффективности работы колебательной системы, при всех возможных изменениях ее параметров, электронный генератор снабжен блоком автоматической подстройки частоты генератора и стабилизации амплитуды колебаний излучающей поверхности.

Разработанный генератор для питания ультразвуковой колебательной системы имеет следующие параметры:

Рабочая частота, кГц27±3,3Пределы регулирования мощности, %0-100Потребляемая электрическая мощность, Вт250Напряжение питания, В220±22

Внешний вид аппарата представлен на фиг.3.

Кроме интенсификации процесса пропитки и удаления ворсинок, применение ультразвукового аппарата исключило необходимость применения специальных нагревательных приборов (утюгов) для разогрева материала смазки.

Проведенные исследования функциональных возможностей созданного ультразвукового аппарата позволили разработать следующую методику нанесения парафина на скользящую поверхность лыж:

1) предварительное включение и работа аппарата без нагрузки (на воздух) на мощности 100% в течение 3...5 минут. Такой режим обеспечивает прогрев излучающей поверхности до 80...85°С. При такой температуре на поверхности плавится материал смазки (парафин);

2) снижение мощности аппарата ниже 100%, не более 75%;

3) нанесение парафина на скользящую поверхность и работа аппарата на мощности 75...85% неограниченное время.

При этом скорость нанесения смазки отличалась незначительно при использовании различных материалов смазки. Уменьшение скорости не приводило к снижению качества нанесения смазки.

Проведенные испытания показали, что скорость скольжения лыжи после применения ультразвукового способа нанесения парафина на скользящую поверхность лыжи увеличивается на 5...7%, а длительность работы скользящей поверхности увеличивается на 13-15%.

Внешний вид созданного ультразвукового аппарата представлен на фиг.3.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение эффективности (повышение производительности и улучшение качества пропитки) нанесения покрытия на скользящую поверхность лыж за счет реализации возможностей ультразвуковой интенсификации процессов.

В результате реализации предлагаемого технического решения оптимизирована технология нанесения покрытия на лыжи, с точки зрения обеспечения максимальной производительности, реализации возможности контроля за процессом, снижены энергозатраты и исключено применение высокотемпературных устройств.

Разработанный в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета способ нанесения покрытия на поверхность лыж прошел лабораторные и технические испытания и был практически реализован в действующей установке. Мелкосерийное производство устройств планируется начать в 2004 году.

Источники информации

1. Патент ФРГ №3704216 от 1987 г.

2. Патент Швеции №446942 от 1986 г.

3. Патент Франции №2577816 от 1986.

4. Патент РФ №2176539 (прототип).

5. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов Л.:

Машиностроение, 1988 г.

6. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнические установки Л.: Энергоатомиздат, 1982.

7. Прохоренко П.П., Дежкунов Н.В., Коновалов Г.Е. Ультразвуковой капиллярный эффект. Минск, «Наука и техника», 1981, 135 с.

8. Меркулов А. Г., Харитонов А.В. Теория и расчет составных концентраторов, «Акустический журн.», 1959, N 2.

Изобретение относится к области техники, связанной с разработкой и применением систем нанесения покрытия на скользящую поверхность лыж. Способ смазки скользящей поверхности лыж заключается в энергетическом воздействии на материал смазки и скользящую поверхность с помощью электромеханического преобразователя, имеющего плоскую излучающую поверхность и ограничитель, обеспечивающий регулируемый зазор между излучающей поверхностью и скользящей поверхностью лыжи. В зазор вводят смазку и на материал смазки воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 20-100 кГц, с интенсивностью, достаточной для возникновения кавитации в материале смазки. Перемещением преобразователя вдоль скользящей поверхности лыж осуществляют формированием слоя смазки между излучающей поверхностью преобразователя и скользящей поверхностью лыж, а скорость перемещения преобразователя устанавливают в зависимости от вязкости и кавитационной прочности материала смазки. Способ обеспечивает равномерное нанесение смазки, улучшение заполнения микропор, а также равномерное нанесение смазки при температуре ниже температуры плавления материала скользящей поверхности. 3 ил.

Способ смазки скользящей поверхности лыж, заключающийся в нанесении материала смазки на скользящую поверхность лыж, осуществлении энергетического воздействия, равномерном распределении материала смазки вдоль участков скользящей поверхности лыж, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют с помощью электромеханического преобразователя, имеющего плоскую излучающую поверхность и ограничитель, обеспечивающий регулируемый зазор между излучающей поверхностью и скользящей поверхностью лыжи, вводят в зазор смазку и на материал смазки воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 20-100 кГц, с интенсивностью, достаточной для возникновения кавитации в материале смазки, перемещением преобразователя, вдоль скользящей поверхности лыж, осуществляют формирование слоя смазки между излучающей поверхностью преобразователя и скользящей поверхностью лыж, а скорость перемещения преобразователя устанавливают в зависимости от вязкости и кавитационной прочности материала смазки.