ОБУВЬ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ Российский патент 2008 года по МПК A43B7/06 

Изобретение относится к области обувной промышленности, а именно к конструкции принудительно вентилируемой обуви.

Уровень техники. Известны конструкции обуви с пневмонасосом, выполненным в виде пневмокамеры или пневмоцилиндра, и распределительной системой под плантарной поверхностью стопы (патент Великобритании №2386538 А1, выдан 22 марта 2002 г.). Вентилируемая обувь содержит подошву с распределительной системой каналов воздуховодов, пневмокамеру и стельку с отверстиями. Подошва имеет в каблучной части полость, в которой расположен однокамерный пневмонасос, который сообщается с каналами для забора воздуха из окружающей среды, с входным отверстием в торце каблучной части и каналами, расположенными на неходовой поверхности подошвы, обеспечивающими подачу воздуха во внутриобувное пространство обуви.

Известна также обувь с принудительной вентиляцией, содержащая систему забора и распределения воздуха в обуви, пневмонасос с двумя камерами сжатия для увеличения объема подачи воздуха к ноге и ее охлаждения и поршнем (патент US №5375430А, кл. F04B 45/02, опубл. 27.12.1994).

Близким по технической сущности является выбранная за прототип (патент Германии №10041113 А1, выданный 21 марта 2002 г.) вентилируемая обувь, которая включает в себя пневмокамеру, изготовленную из упругого материала, контактирующую с пяточной частью стопы через стельку, впускной трубопровод, соединяющий через клапан пневмоцилиндр с отверстием для забора воздуха из окружающей среды, расположенный в верхней части заготовки верха обуви, выпускной трубопровод, присоединенный через клапан к пневмоцилиндру, и распределительную систему воздуховодов, подключенную к выпускному трубопроводу и выводящую поток воздуха под давлением к плантарной части стопы. При этом отверстия в распределительной системе воздуховода располагаются относительно равномерно по геленочному и носочно-пучковому участкам плантарной части стопы.

Причины, препятствующие получению полного испарения пота со стопы носчика при ходьбе, что необходимо для создания комфортных условий (требуемый технический результат). Подаваемый в систему распределения пневмонасосом воздух для испарения пота и охлаждения стопы недостаточен по объему из-за ограничений по габариту пневмонасоса, который не должен выходить за габариты каблука, и рабочего хода верхней части пневмокамеры (поршня), величина которого определяется допустимым значением опускания пяточной части носчика в фазе переднего толчка, что составляет порядка 3 мм.

Требуемый технический результат. В обуви с принудительной вентиляцией должны быть решены следующие задачи.

- Объем подаваемого для вентиляции воздуха должен быть достаточен, чтобы обеспечить высыхание пота, вырабатываемого стопой при широком диапазоне температурных и влажностных режимов окружающей среды и силовых нагрузок, действующих на стопу.

- Подача вентилирующего воздуха должна быть направлена на зоны стопы, выделяющие наибольшее количество пота и естественная вентиляция которых затруднена конструктивно.

- Подача воздуха для обдува и охлаждения стопы должна осуществляться как при прямом, так и при обратном ходе поршня.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является изобретение (патент Германии №10041113 А1, выданный 21 марта 2002 г.), описанное выше.

Осуществление изобретения. Обувь с принудительной вентиляцией имеет пневмонасос с тремя камерами сжатия и подачи воздуха к плантарной части стопы, образованные: верхняя - между верхним поршнем и диском, средняя - между диском и нижним поршнем, нижняя - между нижним поршнем и дном цилиндра, при этом на неходовой поверхности подошвы обуви проделаны каналы системы распределения воздуха, а отверстия в отводных трубопроводах находятся непосредственно под соответствующими отверстиями в основной и вкладной стельках подошвы обуви, причем распределительная система подачи сжатого воздуха к зонам испарения пота и охлаждения плантарной части стопы состоит из центрального трубопровода, расположенного в канале подошвы, соединяющего выходные отверстия трех камер сжатия пневмонасоса с распределительной системой и отводных трубопроводов, расположенных в каналах подошвы обуви, при этом две камеры, верхняя и нижняя, подают воздух к стопе при опирании стопы на каблук обуви, а средняя - при отрыве каблука обуви от опорной поверхности.

В предлагаемом устройстве в пяточной части основной стельки имеется сквозное отверстие, вырезанное в соответствии с размером внешнего диаметра цилиндра пневмонасоса, а в пяточной части вкладной стельки сделана сквозная прорезь по окружности для смещения по вертикали кожаному диску с верхним поршнем пневмонасоса, при этом упором верхнего поршня цилиндра является пружинное кольцо, а в диске имеется сквозное отверстие для штока, на нижнем конце которого закреплен нижний поршень, упирающийся в сдвоенную тарельчатую пружину, которая нижней поверхностью контактирует с дном цилиндра.

В обуви с принудительной вентиляцией распределительная система воздушных трубопроводов направлена выходными отверстиями к зонам плантарной части стопы:

- первой фаланги первого пальца - одно отверстие в контрольном сечении 0,9L стопы на расстоянии от точки пересечения с продольной осью 0,5 длины отрезка S₃ (S₃ - расстояние от точки пересечения продольной оси и линии сечения 0,9L до внутреннего края топы);

- первого сустава, соединяющего вторую фалангу первого пальца с пучковой частью, - одно отверстие в сечении 0,80L на расстоянии от точки

- пересечения с продольной осью 0,66 длины отрезка S₂ (S₂ - расстояние от точки пересечения продольной оси и линии сечения 0,80L до внутреннего края стопы);

- опорного участка пучковой части стопы - три отверстия в сечении 0,73L на расстоянии от точки пересечения с продольной осью 0,33 длины отрезка S₁, 0,66 длины отрезка S₁ (S₁ - расстояние от точки пересечения продольной оси и линии сечения 0,73L до внутреннего края стопы) и одно отверстие на точке пересечения продольной оси и линии сечения 0,9L.

Расположение отверстий по установленным сечениям приведено ниже. Обувь с принудительной вентиляцией содержит среднюю камеру, образованную нижней поверхностью закрепленного в цилиндре диска и верхней поверхностью нижнего поршня, которая обеспечивает обдув и охлаждение стопы при обратном движении нижнего поршня.

Сущность изобретения заключается в том, что с целью обеспечения подачи необходимого и достаточного объема воздуха в зону плантарной части стопы для испарения пота и охлаждения стопы предлагается многокамерное, в частности трехкамерное, устройство пневмоцилиндра, которое при нажатии и подъеме пяточной частью стопы будет подавать увеличенный объем воздуха в зону обдува плантарной части стопы.

В предлагаемом устройстве предусмотрено производить обдув плантарной части стопы не только в фазе нажатия пяткой пневмоцилиндра, но и в фазе обратного движения нижнего поршня, когда он будет выдавливать воздух из средней полости цилиндра в распределительную систему воздуховодов и далее к зонам обдува стопы.

Учитывая то, что проблемными частями плантарной части стопы являются участки, где имеет место наибольшее давление на них со стороны стельки и вследствие этого испарение пота в них затруднено, логичнее осуществлять интенсивный обдув именно этих участков.

Для этого распределительная система воздуховодов направлена именно на эти участки, а не сделана равномерной как в известных изобретениях. Проблемными участками стопы, испытывающими повышенное давление со стороны стельки, согласно матрице давления, полученной на компьютеризированных подографических установках, являются участки под первой фалангой первого пальца; под суставом, соединяющим вторую фалангу первого пальца с пучковой частью, а также опорным участком пучковой части стопы.

Предлагаемое устройство технически выполнено на стандартном оборудовании (литьевых машинах для формования полого каблука и подошвы, металлорежущих станках для изготовления пневмоцилиндра и клапанов и несложной технологической оснастки). Учитывая повышенный эффект действия устройства охлаждения стопы и испарения пота, что увеличивает комфортность обуви, промышленная применимость устройства в обувной отрасли очевидна и полезна.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображен пневмонасос, вмонтированный в полость каблука, имеющий два поршня, закрепленный диск, три рабочих камеры, возвратную пружину, соединенный с системой воздуховодов через клапаны.

На фиг.2 показана формованная подошва с каблуком, основная и вкладная стельки. На основной и вкладной стельках имеются выходные отверстия для обеспечения доступа воздуха к плантарной поверхности стопы. На неходовой поверхности подошвы расположены каналы для распределительной системы воздуховодов, подводящие воздух к соответствующим отверстиям на основной и вкладной стельках.

На фиг.3 показана плантограмма стопы, где указаны контрольные сечения стопы, продольная ось и места расположения выходных отверстий переносимых на стельки обуви для распределительной системы воздуховодов.

На фиг.4 показана карта давлений стопы с выделенными штриховкой участками, испытывающими повышенное давление.

Описание устройства

Конструкция устройства в статическом состоянии. Пневмонасос устанавливается в полость каблучной части обуви с неходовой стороны (фиг.1). Верхняя часть пневмонасоса располагается на верхнем уровне основной стельки, имеющей соответствующий вырез и закрывается приклеиваемым к верхней поверхности верхнего поршня кожаным диском, вырезанным в пяточной части вкладной стельки. Внизу пневмонасос опирается на нижнюю поверхность полости каблука. Цилиндрическая поверхность пневмонасоса контактирует по клеевому шву с боковой поверхностью полости в теле каблука.

Пневмонасос содержит полый цилиндр 1, в котором помещен верхний поршень 2, верхним упором для которого служит пружинное кольцо 3. Верхний поршень 2 соединен со штоком 4 с помощью резьбы. В полом цилиндре 1 закреплен диск 5, с помощью четырех винтов 6. В диске 5, служащем для разделения полости цилиндра на камеры, имеется сквозное отверстие, через которое проходит шток 4, на нижнем его конце установлен нижний поршень 7, закрепленный с помощью резьбы. Поршень 7 нижней поверхностью упирается в сдвоенную тарельчатую пружину 8, которая своей нижней поверхностью контактирует с дном цилиндра 1.

Таким образом, в цилиндре 1 образованы три камеры:

- верхняя камера - между верхним поршнем 2 и диском 5;

- средняя камера - между диском 5 и нижним поршнем 7;

- нижняя камера - между нижним поршнем 7 и дном цилиндра 1.

В цилиндре 1 имеются отверстия:

- два отверстия для поступления воздуха из внешней среды в верхнюю и нижнюю камеры (на фиг.1 позиция 9);

- два отверстия 10 для подачи воздуха под давлением в распределительную систему для испарения и охлаждения стопы из верхней и нижней камер;

- отверстие 11 для подачи воздуха из внешней среды в среднюю камеру;

- отверстие 12 для подачи воздуха под давлением в распределительную систему воздуховодов для испарения и охлаждения стопы из средней камеры.

Все три отверстия цилиндра для поступления воздуха из внешней среды соединены между собой и внешней средой трубопроводом 13, а другие три отверстия для подачи воздуха под давлением - с трубопроводом 14 распределительной системы.

Система распределения трубопровода находится в соответствующих каналах, проделанных на неходовой поверхности подошвы 15 (фиг.2). Отверстия в отводных трубопроводах находятся непосредственно под соответствующими отверстиями в основной 24 и вкладной 25 стельках.

Распределительная система подачи сжатого воздуха к зонам испарения пота и охлаждения плантарной части стопы состоит из: центрального трубопровода, расположенного в канале 14 (фиг.2), соединяющего выходные отверстия трех камер сжатия пневмонасоса с распределительной системой и, отводных трубопроводов, расположенных в каналах 16, 17, 18. В отводных трубопроводах имеются выходные отверстия, расположенные непосредственно в центрах зон наибольшего давления стельки на плантарную часть стопы. В основной 24 и вкладной 25 стельках (фиг.2), которые строятся на основе плантограммы стопы (фиг.3), имеются ряд отверстий 19-23 (фиг.2) для прохода воздуха из трубопровода. В пяточной части основной стельки 24 (фиг.2) имеется сквозное отверстие, вырезанное в соответствии с размером внешнего диаметра пневмоцилиндра, а в пяточной части вкладной стельки 25 сделана сквозная прорезь по окружности, которая позволяет вырезанному таким образом кожаному диску 26 смещаться по вертикали вместе с верхним поршнем пневмонасоса. Система отверстий в основной 24 и вкладной 25 стельках (фиг.2) построена в соответствии с картой давлений (фиг.4)

Устройство работает следующим образом. В фазе переднего толчка, когда носчик обуви опирается на пятку, нагрузка передается на вырезанный кожаный диск 26 (фиг.2) вкладной стельки, а через него на верхний поршень 2 (фиг.1) пневмонасоса. Поршень 2 (фиг.1) выдавливает воздух, имеющийся в верхней камере, через верхнее отводное отверстие 10 в распределительную систему воздуховодов и одновременно сообщает вертикально направленное усилие штоку 4 через его опорный пояс. Шток 4, в свою очередь, приводит в движение нижний поршень 7, который выдавливает воздух из нижней камеры через нижнее отводное отверстие 10 в распределительную систему воздушных трубопроводов и одновременно сжимает сдвоенную тарельчатую пружину 8. Воздух под давлением из двух камер пневмонасоса, что увеличивает объем подаваемого воздуха, через распределительную систему воздушных трубопроводов и соответствующие отверстия на стельках, поступает в проблемные зоны плантарной части стопы, в первую очередь, нуждающиеся в испарении пота и охлаждении. Так как выходные отверстия в трубопроводах распределительной системы располагаются под соответствующими отверстиями 19-23 (фиг.2) основной 24 и вкладной 25 стелек, воздух беспрепятственно проходит через основную 24 и вкладную 25 стельки к проблемным зонам стопы.

При движении нижнего поршня 7 вниз между его верхней поверхностью и нижней поверхностью диска 5 образуется камера с пониженным давлением воздуха в ней. Благодаря этому открывается клапан отверстия 11 и в среднюю камеру происходит подача воздуха по трубопроводу 13 из внешней среды. Клапан отверстия 12 в это время закрыт.

При перекате стопы, когда нагрузка переходит на носочно-пучковый участок и с пяточной части снимается, а также в фазе переноса ноги, сдвоенная тарельчатая пружина 8 (фиг.1) передает усилие на нижний поршень 7. От нижнего поршня 7 через шток 4 усилие передается на верхний поршень 2 и вся подвижная часть пневмонасоса возвращается в исходное положение.

Ограничением перемещения вверх служит упорное кольцо 1, в контакт с которым входит верхний поршень 2.

В период подъема подвижной части пневмонасоса клапаны в отверстиях 10 закрываются, а впускные клапаны отверстий 9 верхней и нижней камер открываются для поступления воздуха из внешней среды по трубопроводу 13.

При движении нижнего поршня 7 вверх из средней камеры воздух под давлением поступает в распределительную систему воздуховодов и подается далее к плантарной части стопы для испарения пота и охлаждения стопы. Клапан отверстия 11 в этой фазе закрыт, а клапан отверстия 12 открыт.

При рабочем ходе поршней 2 и 7 вниз, клапаны отверстия 9 закрываются, а клапаны отверстий 10 открываются.

Для определения расположения выходных отверстий во внутриобувное пространство из распределительной системы воздуховодов на плантограмме стопы (фиг.3) отмечают контрольные сечения стопы. Для этого:

- проводится продольная ось через точку А середины опоры пятки в самом широком месте отпечатка и точку Б второго межпальцевого промежутка;

- с внутренней стороны плантограмы стопы проводится касательная к наиболее выпуклым точкам контура стопы;

- проводятся контрольные сечения стопы:

- С-С - 0,8L - расстояние от крайней точки пятки до конца мизинца (фиг.3);

- В-В - 0,85L - расстояние от крайней точки пятки до первого сустава, соединяющего вторую фалангу первого пальца с пучковой частью;

- А-А - 0,90L - расстояние от крайней точки пятки до центра отпечатка большого пальца (фиг.3), где L - длина стопы.

Расстояние от точек пересечения продольной оси и линии сечения 0,8L до внутреннего края стопы обозначим S₁. Расстояние от точек пересечения продольной оси и линии сечения 0,85L до внутреннего края стопы обозначим S₂. Расстояние от точек пересечения продольной оси и линии сечения 0,90L до внутреннего края стопы обозначим S₃.

Выходные отверстия на стельке для распределительной системы воздуховодов расположены на следующих контрольных сечениях плантарной поверхности стопы:

- С-С - 0,8L - 3 отверстия: отверстие 21 расположено на пересечении контрольного сечения С-С с продольной осью; отверстие 20 на расстоянии 0,33 длины отрезка S₁; отверстие 23 на расстоянии 0,66 длины отрезка S₁ (фиг.3);

- В-В - 0,85L - отверстие 22 на расстоянии 0,66 длины отрезка S₂ (фиг.3);

- А-А - 0,90L - отверстие 19 на расстоянии 0,5 длины отрезка S₃ (фиг.3).

Расчет работы пневмонасоса, используемого в аналогах и прототипе

Рабочая площадь поршня пневмонасоса может быть вычислена как

где d - диаметр поршня пневмонасоса.

Значение d должно быть меньше диаметра опорной поверхности каблука. В мужской обуви значение d составляет 50-60 мм. Тогда

Объем подаваемого пневмонасосом воздуха для охлаждения стопы за один ход поршня определяется как:

V=A×h,

где h - рабочий ход поршня пневмонасоса, равный 3 мм.

Тогда объем подаваемого пневмонасосом воздуха и соответственно рабочий объем камеры пневмонасоса будет

V=2826×3=8478 мм³

В качестве нагнетателя воздуха во внутриобувное пространство используется пневмонасос, выполненный в виде пневмокамеры из упругого материала или пневмоцилиндра, изготовленного из жестких метериалов, например пластмассы, металла и др. Пневмонасос соединяется с помощью гибкой трубки с входным отверстием, через которое забирается воздух для пневмонасоса из внешней среды. Также к пневмонасосу присоединена через клапан распределительная система воздуховодов, направляющая воздух под давлением к плантарной поверхности носочно-пучковой и геленочной частей стопы.

При выполнении переднего толчка носчик пяткой нажимает на пневмонасос, заполненный воздухом, и имеющийся там объем воздуха под создаваемым давлением поступает по трубопроводам распределительной системы к плантарной поверхности стопы.

Таким образом, осуществляется процесс испарения пота на поверхности стопы и охлаждение стопы, что способствует повышению комфортности носки обуви.

В фазе опоры на носочную часть и переноса ноги нажим стопы на пневмонасос прекращается, и пневмонасос за счет собственной упругости или помещенной внутрь пневмонасоса пружины распрямляется. При этом клапан, соединяющий пневмонасос с трубопроводом распределительной системы, закрывается, а клапан, соединяющий пневмонасос с трубопроводом для забора воздуха из окружающей среды, открывается и через него чистый воздух поступает в пневмонасос.

Следующий периодический выпуск воздуха из пневмонасоса в распределительную систему воздуховодов, согласно кинематике движения человека, происходит через 1,0 с, так как с момента времени t=0,2 c до t=1,0 c пяточная часть стопы не нагружена. В период t=0,2-1,0 с будет проходить всасывание воздуха в пневмонасос за счет упругости стенок пневмонасоса или распрямления пружин. Рабочий ход будет только при следующем нажатии пяточной части на пневмонасос, что будет осуществляться с момента времени t=1,0 с до t=1,2 с при нормальной скорости ходьбы.

При нормальной ходьбе выпуск воздуха в распределительную систему воздуховодов обуви будет проходить от начала до конца нагружения пяточной частью стопы пневмонасоса, что при скорости ходьбы υ=5 км/ч составляет порядка t=0,2 с. Расход воздуха рассчитываем по формуле:

где V - рабочий объем камеры пневмонасоса;

t - время сжатия воздуха пневмонасосом

От пневмонасоса к зоне принудительного испарения пота стопы воздух подается через трубопровод, диаметр сечения которого выбирается из конструктивных соображений d_c=4 мм, тогда площадь поперечного сечения трубопровода будет:

Скорость воздушного потока на выходе из трубопровода будет:

Нагнетаемый воздух из пневмонасоса, проходя по трубопроводу, за счет трения теряет 75% скорости, а также скорость потока воздуха, проходя над испаряемой поверхностью, будет в среднем в два раза ниже, чем при выходе из отверстий. Следовательно, при прохождении над поверхностью испарения средняя скорость воздуха составляет:

Количество пота, испаряющегося с носочно-пучково-геленочной части плантарной поверхности стопы, рассчитываем по формуле:

где, W - количество испаряющегося пота с плантарной поверхности стопы, кг/ч;

А_ис - площадь поверхности испарения, м². Средняя площадь подошвенной поверхности стопы без пяточной части составляет А_ис=1,653 дм² = 0,01653 м²;

С - коэффициент, зависящий от скорости воздуха над поверхностью испарения, равный

p_нас - давление насыщенных паров при установленной температуре поверхности испарения, мм рт.ст.;

р_п - парциальное давление водяного пара в воздухе, в котором происходит испарение, мм рт.ст:,

В - барометрическое давление, равное 735,6 мм рт.ст.

Согласно литературным источникам известно, что при температуре воздуха t_возд=25° температура стопы составляет t_стопы=27°С.

Находим р_нас и p_n, воспользовавшись справочными данными:

для t_стопы=27°С р_нас=26,739 мм рт.ст

для t_возд=25°С при относительной влажности ϕ=65%;

р_п=0,65·23,756=15,44 мм рт.ст.

Подставляя в формулу полученные величины, найдем:

кг/ч=4,8 г/ч

По литературным источникам известно, что количество влаги, выделяемой стопой, составляет:

- при умеренной нагрузке W=1,8-3,2 г\ч;

- при значительной нагрузке W = более 6-12 г\ч.

Как показывает проведенный расчет, количество высушенного пота с поверхности стопы при существующих конструкциях пневмонасосов, используемых в обуви, меньше, чем количество влаги, выделяемой стопой. Таким образом, стопа в обуви при ходьбе будет оставаться все еще во влажном состоянии и комфортные условия не будут достигнуты. Следует отметить, что в аналогичных устройствах не предусмотрен обдув и охлаждение стопы при обратном ходе поршня пневмонасоса, тем самым ограничивается поступление воздуха для испарения пота со стопы. Поэтому требуется произвести изменения в конструкции пневмонасоса, чтобы он был способен подавать воздух в объеме, достаточном для высушивания выделяемого стопой пота. В прототипе и аналогах распределительные системы воздуховодов, расположенные на неходовой поверхности подошвы, не имеют четкой ориентации (направленности) на зоны стопы, выделяющие наибольшее количество пота. Выходные отверстия схем распределительных систем воздуховодов равномерно распределены по площади плантарной поверхности стопы. Поэтому зоны стопы, выделяющие наибольшее количество пота, будут постоянно находиться во влажном состоянии, что создает дискомфорт в ощущении стопы носчиком.

Расчет деталей конструкции

Шток - это цилиндрическая деталь с участками различного сечения по длине и применяемая для установки поршней.

Расчет стержня штока ведется на продольный изгиб. В качестве расчетного усилия принимают критическую силу Р_кр, действующую по оси штока, при которой прямолинейная форма стержня становится неустойчивой. Выбор критической силы зависит от гибкости штока, которая определяется по формуле

где d_ш - диаметр штока, 10 мм;

L - длина штока, 10 мм

При χ<60 критическая сила определяется напряжением при сжатии, соответствующим допускаемому напряжению [σ].

Верхний и нижний поршни

Особое внимание необходимо уделять фиксации верхнего и нижнего поршней, самоотвинчивание которых может привести к серьезной поломке механизма, а из-за герметичности конструкции устранение неполадок практически невозможно. Поршни, навинченные на шток, фиксируется с помощью аэробного клея, т.к. в противном случае возможно самоотвинчивание поршней.

Крепление поршня на штоке должно быть напряженным в целях исключения возникновения ударов между тарельчатой пружиной и поршнем под действием нагрузок. Резьба на штоке для уменьшения концентрации напряжения выполняется мелкой и со скругленными впадинами.

Давление поршня - это давление, возникающее при нажатии пятки стопы на поршень, который давит на воздух в цилиндре. Определяется по формуле:

где F - усилие, действующее на поршень, Н;

A - площадь, на которую действует усилие (площадь поверхности верхнего поршня), мм.

Усилие равно силе веса носчика:

F=m×g,

где m - масса тела носчика, принимаем ее равной 100 кг,

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с²,

F=100×9,8=980H

Тогда давление

Условное расчетное напряжение изгиба поршня определяется по формуле:

где p - давление в цилиндре, МПа;

r - радиус поршня, 30 мм;

δ - толщина поршня, 5 мм

Допустимое напряжение для поршней из алюминия марки АМц [σ]=70 МПа. Таким образом, условие прочности поршня соблюдается.

Диаметральный зазор τ между поршнем и цилиндром может быть принят округленно:

где D - внутренний диаметр цилиндра, мм.

Цилиндр

Определение толщины стенок цилиндра не поддается точному расчету. Существуют эмпирические зависимости, полученные опытным путем, но гарантирующие достаточную прочность и жесткость цилиндра. В зависимости от давления толщина стенки s определяется по следующей формуле:

для р=0,3÷0,6 МПа (в нашем случае р=0,35 МПа):

Принимаем из конструктивных соображений толщину стенок цилиндра равной 2 мм.

Окружное напряжение цилиндра рассчитывается по формуле:

где R - средний радиус цилиндра, равный

где R₁ - внешний радиус цилиндра, 31 мм;

R₂ - внутренний радиус цилиндра, 30 мм;

Меридиональное напряжение рассчитывается по формуле:

По гипотезе формоизменения получаем следующее условие прочности цилиндра пневмонасоса:

Сравниваем с допускаемым напряжением алюминия марки АМц [σ]=70 МПа, отсюда следует, что конструкция цилиндра выдерживает возникающее в процессе работы давление.

Расчет тарельчатой пружины

В конструкции пневмонасоса для восприятия нагрузки тела носчика при небольшой деформации (3 мм) рационально использовать тарельчатую пружину.

Осадка тарельчатой пружины рассчитывается по формуле:

см

где β - коэффициент, зависящий от отношения, равный 0,33×10^-6 см²/кг;

χ - коэффициент, зависящий от отношения, равный 1,75;

γ - толщина стенки пружины, равная 1,5 мм;

D_пр - диаметр наружной кромки тарельчатой пружины, равный 60 мм;

d_пр - диаметр внутренней кромки пружины, 20 мм;

σ_max - наибольшее нормальное напряжение, которое образуется в меридиональном сечении конической оболочки, у внутренней кромки рассчитывается по формуле:

кг/см²

где F - усилие, воспринимаемое пружиной, 100 кг;

Тогда осадка тарельчатой пружины

Так как допустимое значение опускания пяточной части носчика в фазе переднего толчка составляет порядка 3 мм, то параметры тарельчатой пружины, используемой в конструкции пневмонасоса, соответствуют заданным требованиям.

Расчетная подача воздуха трехкамерного пневмонасоса

В период t=0,0-0,2 с происходит подача воздуха в систему воздуховодов из верхней и нижней камер объемом V_в и V_н. В этот период участвуют верхний поршень 2 и нижний поршень 7.

1. Рабочей площадью верхнего поршня 2 пневмонасоса является нижняя поверхность поршня 2, которая рассчитывается следующим образом:

где d_вн - диаметр нижней поверхности верхнего поршня пневмонасоса, мм;

d_ш - диаметр штока, мм.

Тогда

2. Рабочей площадью нижнего поршня 7 пневмонасоса является нижняя поверхность поршня 7, которая рассчитывается как:

Тогда

Рассчитаем объем подаваемого воздуха для испарения пота и охлаждения стопы из верхней и нижней камер:

V_в=А_в×h,

V_н=А_{н н}×h,

где h - рабочий ход поршня пневмонасоса, равный 3 мм.

Тогда V_в=2747,5×3=8242,5 мм³

V_н=2826×3=8478 мм³

Объем подаваемого пневмонасосом воздуха для испарения пота и охлаждения стопы в период t=0,0-0,2 с составляет сумму объемов подаваемого воздуха из верхней и нижней камер:

V_0,0-0,2=V_в+V_н,

V_0,0-0,2=8242,5+8478=16720,5 мм³

Расход воздуха от начала до конца нагружения пяточной частью стопы рассчитываем по формуле:

где V_0,0-0,2 - сумма объемов подаваемого воздуха из верхней и нижней камер пневмонасоса, мм³,

t_0,0-0,2 - время сжатия пневмонасоса, с.

Площадь поперечного сечения трубопровода будет:

где d_c - диаметр поперечного сечения трубопровода, равный 4 мм.

Скорость воздушного потока на выходе из трубопровода будет:

Нагнетающий воздух из пневмонасоса, проходя по трубопроводу, за счет трения теряет 75% скорости, а также скорость потока воздуха, проходя над испаряемой поверхностью, будет в среднем в два раза ниже, чем при выходе из отверстий. Следовательно, при прохождении над поверхностью испарения скорость воздуха составляет

υ_cp0,0-0,2=6,7×0,75×0,50=2,5 м/с

Количество пота, испаряющегося с носочно-пучковой части плантарной поверхности стопы будет:

где, W - количество испаряющегося пота с плантарной поверхности стопы, кг/ч;

A_ис - площадь поверхности испарения, м². Площадь плантарной поверхности стопы без пяточной части составляет А_ис=1,653 дм²=0,01653 м².

С - коэффициент, зависящий от скорости воздуха над поверхностью испарения, равный

υ - средняя скорость движения воздуха над поверхностью испарения, м/с;

Р_нас - давление насыщенных паров при температуре поверхности испарения, мм рт.ст.;

р_п - парциальное давление водяного пара в воздухе, в котором происходит испарение, мм рт.ст.;

В - барометрическое давление, мм рт.ст.

Согласно литературным источникам известно, что при температуре воздуха t_воз=25°C температура стопы составляет t_стопы=27°С.

Находим p_нас и p_п, воспользовавшись справочными данными,

для t_стопы=27°С p_нас=26,739 мм рт.ст

для t_возд=25°С; при относительной влажности ϕ=65%, p_нас=23,756 мм рт.ст, p_п=0,65·23,756=15,44 мм рт.ст.

Подставляя в формулу полученные величины, найдем:

В период t=0,2-1,0 с происходит подача воздуха в систему воздуховодов из средней камеры объемом V_с. В этот период участвует только нижний поршень 7:

Рабочей площадью нижнего поршня 7 пневмонасоса является его верхняя поверхность, которая рассчитывается следующим образом:

где d_нв - диаметр верхней поверхности нижнего поршня пневмонасоса, мм;

d_ш - диаметр штока, мм.

Тогда

Рассчитаем объем подаваемого воздуха для испарения пота и охлаждения стопы из средней камеры:

V_с=А_нв×h,

Тогда V_с=2747,5×3=8242,5 мм³

Объем воздуха, подаваемый в распределительную систему воздуховодов в период t=0,2-1,0 с, будет равен:

V_0,2-1,0=V_c=8242,5 мм³

Расход воздуха в период t=0,2-1,0 с рассчитываем по формуле:

где t_0,2-1,0 - время обратного хода пневмонасоса, с.

Скорость воздушного потока на выходе из трубопровода будет:

Нагнетающий воздух из пневмонасоса, проходя по трубопроводу, за счет трения теряет 75% скорости, а также скорость потока воздуха, проходя над испаряемой поверхностью будет в среднем в два раза ниже, чем при выходе из сопла. Следовательно при прохождении над поверхностью испарения скорость воздуха составляет

υ_cp.0,2-1,0=0,8×0,75×0,50=0,3 м/с

Количество пота, испаряющегося в период t=0,2-1,0 с плантарной поверхности стопы без пяточной части будет:

где А_ис - площадь поверхности испарения, м². Площадь плантарной поверхности стопы без пяточной части составляет 1,653дм²=0,01653 м².

С - коэффициент, зависящий от скорости воздуха над поверхностью испарения, равный

Подставляя в формулу полученные величины найдем:

Тогда в период t=0,0-1,0 с количество удаляемой влаги составит:

W=W_0,0-0,2+W_0,2-1,0

W=9,6+1,2=10,8 г/ч

По литературным источникам известно, что количество влаги, выделяемой стопой составляет:

- при умеренной нагрузке W=1,8-3,2 г/ч;

- при значительной нагрузке W = более 6-12 г/ч

Таким образом, предлагаемая конструкция пневмонасоса для принудительной вентиляции внутриобувного пространства во время носки обуви будет полностью удалять пот при умеренной нагрузке и на 90% обеспечивать испарение пота со стопы при предельном показателе выделения пота стопой при значительной нагрузке W=12 г/ч.

Теплота, затраченная на испарение жидкости влаги (Дж), рассчитывается:

Q_исп=W×r,

где W - количество удаленной влаги при сушке, кг,

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Удельная теплота парообразования приближенно равна удельной теплоте парообразования воды r=2,52×10⁶ Дж/кг.

Выделение и испарение пота при использовании принудительной вентиляции составляет, согласно проводимым расчетам, например, для влажности 65% и t_стопы=26°C, W=11,01 г/ч = 0,01101 кг/ч.

Тогда тепловые потери стопы на испарение в час будут:

Q_исп=0,01101×2,52×10⁶=27,75×10³ Дж = 27,75 кДж

То есть за 1 час тепловые потери будут составлять 27,75 кДж.

Выделяемое количество тепла при принудительном испарении пота с поверхности стопы приводит к снижению ее температуры.

В приближенных расчетах можно пренебречь зависимостью теплоемкости тела от температуры, то есть считать теплоемкость величиной постоянной.

Если процесс теплопередачи не сопровождается работой (А_p=0), то на основании первого закона термодинамики количество теплоты Q равно изменению внутренней энергии тела ΔU:

Q=ΔU=C×m×ΔT

где С - удельная теплоемкость,

m - масса стопы составляет 0,008 от массы тела, при массе тела 100 кг, масса стопы составляет 0,8 кг;

ΔT - разность температур ΔT=T₁-T₂, К

T₁ - первоначальная температура стопы, 20°С+273=293 K

Q=С_t=20°C×m×ΔТ

Согласно проводимым расчетам количество теплоты, выделяемой при испарении пота при температуре стопы t_стопы=20°С, Q=22,22 кДж, тогда

22,22=1,87×0,8×(293-Т₂)

22,22=1,5×(293-Т₂)

14,8=293-Т₂

Т₂=278,2K

Охлаждение стопы при принудительном испарении пота с ее поверхности привело бы к снижению температуры стопы до Т₂=278,2-273=5,2°С.

Однако это не происходит, так как постоянно осуществляется снабжение стопы кровью при температуре тела. Приведенное значение температуры Т₂=5,2°С показывает, как изменилась бы температура стопы, если бы не было подвода тепла извне, и носит справочный характер.

Обувь с принудительной вентиляцией относится к обувной подотрасли легкой промышленности, в частности к производству обуви с вентиляцией плантарной части стопы. Конструкция обуви по изобретению может быть использована при производстве женской и мужской обуви на среднем каблуке. Обувь содержит верх, формованную подошву, включающую каблук, имеющий в своем теле полость (несквозные отверстия). С неходовой стороны каблука в его полость устанавливается пневмонасос, который закрывается вырезанным во вкладной стельке диском. Внизу пневмонасос опирается на нижнюю поверхность полости каблука, а цилиндрической поверхностью контактирует с боковой поверхностью полости каблука. Пневмонасос содержит полый цилиндр, в котором помещен верхний поршень, соединенный штоком с нижним поршнем. В полом цилиндре имеется жестко закрепленный диск, имеющий сквозное отверстие, через которое проходит шток. Поршень нижней поверхностью упирается в пружину. Таким образом в полости цилиндра образуется три камеры, соединенные через клапаны воздуховодами с внешней средой и со стелькой: верхняя - между верхним поршнем и диском, средняя - между диском и нижним поршнем, нижняя - между нижним поршнем и дном цилиндра. В подошве проделаны каналы системы распределения воздуха. Отверстия в отводных трубопроводах находятся непосредственно под соответствующими отверстиями в основной и вкладной стельках подошвы обуви. В фазе переднего толчка при опоре на пятку поршни выдавливают воздух из камер в распределительную систему и далее к плантарной части стопы, а при заднем толчке в соответствующие камеры нагнетается воздух из внешней среды. Движение воздуха средней камеры происходит в противофазе. Таким образом, осуществляется обдув стопы, испарение выделяемого пота и охлаждение стопы. Распределительная система воздуховодов подводит каналы к участкам стопы, испытывающим наибольшие контактные давления. Технический результат, который достигается при использовании обуви по изобретению, заключается в том, чтобы обеспечить достаточный объем подаваемого для вентиляции воздуха для высыхания пота при ходьбе, и особенно вентиляция должна осуществляться в зонах стопы, выделяющей наибольшее количество пота. 3 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Обувь с принудительной вентиляцией, содержащая установленный в полости каблучной части обуви пневмонасос в виде полого цилиндра с камерами, связанный отверстиями для поступления воздуха с системой забора воздуха из внешней среды и системой распределения воздуха по плантарной части стопы, поршень и возвратную пружину, отличающаяся тем, что пневмонасос имеет три камеры сжатия и подачи воздуха к плантарной части стопы, образованные: верхняя - между верхним поршнем и диском, средняя - между диском и нижним поршнем, нижняя - между нижним поршнем и дном цилиндра, при этом на неходовой поверхности подошвы обуви проделаны каналы системы распределения воздуха, а отверстия в отводных трубопроводах находятся непосредственно под соответствующими отверстиями в основной и вкладной стельках подошвы обуви, причем распределительная система подачи сжатого воздуха к зонам испарения пота и охлаждения плантарной части стопы состоит из центрального трубопровода, расположенного в канале подошвы, соединяющего выходные отверстия трех камер сжатия пневмонасоса с распределительной системой, и отводных трубопроводов, расположенных в каналах подошвы обуви, при этом две камеры, верхняя и нижняя, подают воздух к стопе при опирании стопы на каблук обуви, а средняя - при отрыве каблука обуви от опорной поверхности.2. Обувь по п.1, отличающаяся тем, что в пяточной части основной стельки имеется сквозное отверстие, вырезанное в соответствии с размером внешнего диаметра цилиндра пневмонасоса, а в пяточной части вкладной стельки сделана сквозная прорезь по окружности для смещения по вертикали кожаного диска с верхним поршнем пневмонасоса, при этом верхним упором верхнего поршня цилиндра является пружинное кольцо, а в диске имеется сквозное отверстие для штока, на нижнем конце которого закреплен нижний поршень, упирающийся в сдвоенную тарельчатую пружину, которая нижней поверхностью контактирует с дном цилиндра.3. Обувь по п.2, отличающаяся тем, что распределительная система воздушных трубопроводов направлена выходными отверстиями к зонам плантарной части стопы:

первой фаланги первого пальца - одно отверстие в контрольном сечении 0,9L стопы на расстоянии от точки пересечения с продольной осью 0,5 длины отрезка S₃ (S₃ - расстояние от точки пересечения продольной оси и линии сечения 0,9L до внутреннего края стопы);

первого сустава, соединяющего вторую фалангу первого пальца с пучковой частью - одно отверстие в сечении 0,80L на расстоянии от точки пересечения с продольной осью 0,66 длины отрезка S₂ (S₂ - расстояние от точки пересечения продольной оси и линии сечения 0,80L до внутреннего края стопы);

опорного участка пучковой части стопы - три отверстия в сечении 0,73L на расстоянии от точки пересечения с продольной осью 0,33 длины отрезка S₁, 0,66 длины отрезка S₁ (S₁ - расстояние от точки пересечения продольной оси и линии сечения 0,73L до внутреннего края стопы) и одно отверстие на точке пересечения продольной оси и линии сечения 0,9L.