CC BY
25
УДК 685.345
Л. Л. Никитина, О. Е. Гаврилова, Р. Р. Уразова
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОДОШВ ДЛЯ ЛЮДЕЙ
С БОЛЬШОЙ МАССОЙ ТЕЛА. ЧАСТЬ 2
Ключевые слова: подошва, эксплуатационные свойства, масса тела человека, конструкции формованных подошв, проектирование.
Элементы конструкции обуви, носимой людьми с большой массой тела, испытывают значительные нагрузки, что приводит к преждевременной потере эксплуатационных свойств обуви. Подошва непосредственно контактирует с опорной поверхностью и большая часть нагрузки приходится на нее. Нерациональные конструктивные решения в построении подошвы приводят к преждевременному разрушению других элементов конструкции. В части 2 рассмотрены примеры таких разрушений, приведены анализ конструктивных решений современных формованных подошв и рекомендации по проектированию подошв для людей с большой массой тела.
Keywords: footwear sole, exploitation properties, the weight of the human body, construction molded soles, design.
Structural elements footwear, worn by persons with a big body weight, experience considerable tension, which leads to a premature loss of footwear exploitation properties. The footwear sole is directly contacts to a basic surface and a large part of the tension affects it. Nonrational constructive solutions in the construction of the sole lead to premature failure of the other structural elements. In part 2 of the examples of such devastation, is an analysis of design solutions of modern molded soles and recommendations for soles construction for people with a big body weight.
В предыдущей статье отмечалась необходимость разработки рекомендаций по проектированию подошв, учитывающих данные силовых расчетов элементов ее конструкции при воздействии на них большого веса, в связи с преждевременным наступлением физического износа современной повседневной обуви, используемой людьми с большой массой тела. Так, срок носки повседневных полуботинок кожаных черного цвета работниками военизированных горноспасательных частей, находящихся в ведении Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий составляет 2 года, однако физический износ обуви у лиц с большой массой тела наступает уже в первый год ее эксплуатации.
Были опеределены средние значения антропометрических параметров группы респондентов - сотрудников МЧС по Республике Татарстан отдела надзорной деятельности по Советскому району г. Казани, имеющих размеры обуви с 43 по 47, обувь которых в большинстве случаев обнаруживала значительный физический износ уже в первой половине нормированного срока носки: возраст 26 лет, рост 181 см, масса 87 кг, размер обуви (длина стопы) 45 (290), позволившие определить пограничную массу тела человека (87кг), при которой наблюдается существенный преждевременный физический износ обуви. Соответственно, под большой массой тела человека в рамках исследования понимается масса от 87 кг.
Рассмотренные образцы обуви, мужские полуботинки с боковыми резинками с верхом из кожи хромового дубления на формованной подошве из тер-моэластопласта (с высотой торца, включая бортик, в носочной, пучковой частей - 12 мм, в геленочной части - 10 мм, в пяточной части каблук, высотой 25 мм), удовлетворяют респондентов по эргономическим свойствам, т.к. подобная конструкция верха
позволяет быстро осуществлять надевание и снятие обуви со стопы, а наличие эластичного элемента конструкции - эластичной ленты (резинки) расширяет полнотные границы, а подошва из термоэла-стопласта обеспечивает высокие фрикционные и амортизационные свойства обуви. Однако, несмотря на рациональное конструктивное решение обуви для сотрудников МЧС, обувь людей с большой массой тела теряет свои эксплуатационные свойства. Это связано с тем, что построение конструкций обуви осуществляется для исходного размера, а детали больших размеров получаются при градировании, и, как правило конструктивные решения с исходного размера переносятся без учета изменений нагрузок на элементы конструкции с увеличением массы тела человека при получении деталей обуви больших размеров.
Физический износ рассматриваемых образцов обуви в основном происходит в результате механического воздействия: истирания, нагрузок, близких к разрывным. Разрушение некоторых элементов конструкции обуви (разрушение основной стельки в пучковой части и сквозное истирание каблука - рис. 1 и 2) происходит в местах наибольшего давления стопы на опорную поверхность обуви - под бугром пяточной кости, головкой пятой плюсневой кости и под большим пальцем.
Рис. 1 - Разрушение основной стельки в области пучков
Рис. 2 - Износ подошвы
Причинами разрушения основной стельки являются прочностные свойства материалов стельки и внутренних перегородок формованной подошвы, не рассчитанные на больший вес, давление. Давление на опору возрастает с увеличением скорости движения человека. Чем быстрее перемещается человек, тем больше силы инерции и давление на опору.
Динамический коэффициент, характеризующий усилия, передаваемые человеком на опорную поверхность при движении в зависимости от массы тела человека, показывает, что при медленной ходьбе усилия, передаваемые человеком на опорную поверхность при движении, имеющим большую массу тела значительнее, чем человеком с меньшей массой, при быстрой ходьбе усилия увеличиваются в 1,5 раза, а при беге почти в 2 раза. Таким образом, нагрузка, которую должны выдерживать рассматриваемые элементы конструкции при медленной ходьбе составляет (87x1) 87 Н.
Подошва поглощает часть нагрузки и рассредоточивает ее по площади. Способность подошвы поглощать часть нагрузки передаваемой телом человека на опорную поверхность и рассредоточивать ее по площади во многом определяет износ в частности подошвы и обуви в целом. При проектировании обуви для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик необходимо особое внимание уделить рациональному проектированию подошвы.
Подошвы по конструкции делятся на плоские и формованные. Последние получили наибольшее распространение в производстве обуви клеевого метода крепления, т.к. позволяют значительно уменьшить трудоемкость и увеличивает производительность за счет исключения ряда технологических операций по получению деталей, их предварительной и окончательной обработке, позволяют значительно разнообразить ассортимент обуви за счет возможности придания им различной формы и колористического оформления.
Одними из исходных данных для проектирования формованных подошв являются требования к эксплуатационным и технологическим характеристикам подошвы. Высокое сопротивление истиранию и хорошее сцепление с грунтом, гибкость и амортизационная способность - это основные требования, предъявляемые к подошве повседневной обуви. Соответствие подошвы данным требованиям обеспечивается на этапах ее проектировании рациональным подбором материала и определяется плотностью материала и толщиной подошвы.
В качестве материалов для формованной подошвы используют полимерные материалы: обувную резину, полиуретаны, термоэластопласты, поливи-нилхлорид. Обувная резина является сложным соединением полимерной основы (каучука, в основном, синтетического: бутадиенстирольного СКС-10, СКС-30, СКС-50, СКС-85, бутадиенового СКБ, ди-винильного СКД и изопренового СКИ-3) и различных добавок.
Полиуретаны представляют собой гетероцепные полимеры, молекулярная цепь которых содержит уретановую группу. В процессе изготовления поли-уретановой формованной подошвы применяют гид-
роксилсодержащие компоненты или жидкие каучу-ки. В роли гидроксилсодержащего компонента чаще всего используют простые и сложные полиэфиры. Композиции на основе сложных полиэфиров позволяют обеспечить достаточно высокую прочность и сопротивление истиранию. Как правило, они применяются в процессе литья низа на верх уже затянутой обуви. Композиции с включением простых полиэфиров позволяют обеспечить высокую гидролитическую устойчивость при меньшей прочности и сопротивлении истиранию, они применяются при литье подошв.
Полиуретановые подошвы в основном вырабатывают двумя методами: жидкого формования или литья под давлением. Легкие подошвы с хорошими теплозащитными свойствами и низкой материалоемкостью позволяет получить метод жидкого формования, при котором подошве может придаваться микроячеистая структура. Поливинилхлоридные подошвы (ПВХ) получают с применением метода литья под давлением с использованием композиции поливинилхлоридной суспензионной смолы ПВХ С-63-М, ПВХ С-64-М, ПВХ С-65, ПВХ С-70-М с пластификаторами, стабилизаторами, пигментами. Такие подошвы могут по структуре быть монолитными и пористо-монолитными (микропористыми) с включением порообразователей. Они применяются в основном для обуви спортивного стиля и прогулочной обуви.
Термоэластопласты (ТЭП) сочетают в себе эластические свойства каучуков и пластические свойства термопластов и представляют собой блок-сополимеры структуры А - Б - А или А - Б - С - Б -А, где А - термопластичный блок, Б - эластичный блок, С - агент полимеризации. Блока А, как правило, представляет собой полистирол, полипропилен, полиметилметакрилат, поливинилхлорид и др., блок Б - полиизопрен, полибутадиен, полиизобутилен и др. От термопластов, которыми являются ПВХ, ТЭП отличаются заметно низкими остаточными удлинениями, высоким сопротивлением истиранию и коэффициентом трения. В производстве пористых формованных подошв наиболее часто применяются трехблочные дивинилстирольные термоэластопла-сты ДСТ-30, ДСТ-50 и ДСТ-75. В производстве формованных подошв также используются изопре-нстирольные ИСТ-20, ИСТ-30, дивинилметилсти-рольные ДМСТ-30 термоэластопласты. Оптимальные показатели свойств имеют трехблочные полимеры с содержанием стирола 20 - 30 %. Пористые формованные подошвы на основе ТЭП отличаются относительной стабильностью размеров, а также в отличие от пористых резин - износостойкостью (уступают только подошвам из ПУ), более высоким сопротивлением скольжению в сравнении с поли-уретановыми подошвами, морозостойкостью до -20оС и стойкостью к изгибам. В процессе эксплуатации обуви подошвы ТЭП теряют некоторый процент твердости, приобретенной в процессе переработки. Это свойство диаметрально противоположно свойствам подошв из ПВХ, которые с потерей пластификатора становятся более жесткими с течением времени.
Амортизационные свойства подошв зависят от плотности материала и толщины подошвы. Чем меньше плотность материала, тем большую часть усилия он поглощает и тем меньшая его часть передается на опору. При повышении толщины и уменьшении твердости подошвы увеличивается площадь активной опоры, т.к. при этом уменьшается и передаваемая на опору нагрузка, то удельная нагрузка уменьшается в несколько раз, что особенно важно при высоких значениях динамического коэффициента при быстрой ходьбе и беге.
Способность подошвы противостоять скольжению выражает ее фрикционные свойства и является важной для обеспечения безопасности обуви, исключающей падение человека и получение травм. Трение подошвы при ходьбе зависит от ее материала и наличия рифления на ее ходовой стороне, вида грунта и т. д.
Для улучшения фрикционных и амортизационных свойств подошв предлагается использовать различное состояние материала (монолитное и пористое) в конструкциях подошв. В настоящее время производят двухслойные полиуретановые подошвы, представляющие собой конструкцию из пористого внутреннего и монолитного наружного слоев. Двухслойные подошвы также изготавливают с применением двух различных материалов, например, ПУ и резины, ПУ и термопластичного полиуретана (ТПУ) и т.д., как правило, промежуточный слой - из пористого (вспененного) материала, а ходовой - из монолитного. Монолитный ТПУ обладает высокой плотностью и, как следствие, повышенным весом изделия, пониженной эластичностью и теплоизоляцией, поэтому он используется для изготовления ходовой части подошвы. Толщина ходового слоя подошвы из ТПУ составляет лишь 2 - 3 мм. Сложная подошва из ПУ и ТПУ обладает устойчивостью к истиранию, повышенным сопротивлением скольжению, повышенной легкостью, прочностью, низкой теплопроводностью и морозоустойчивостью [3].
Особенностью формованной подошвы является то, что в отличие от многих деталей обуви, являющихся плоскими, она имеет пространственную форму. Поэтому кроме установления размеров в горизонтальном направлении, толщины и профилей участков определяются размеры и форма в пространстве. Для конструкции формованной подошвы рассматриваемых образцов полуботинок, представляющей собой единство каблука и подошвы, требуется большая точность сопряжения контуров подошвы и следа затянутой обуви. На внутренней стороне подошвы имеется область точного сопряжения со следом затянутой обуви, которая определяется продольным и поперечными сечениями. Данные для проектирования устанавливаются расчетным путем или обмером штангенрейсмусом стелечного ребра затянутой обуви на разметочной плите.
В отличие от плоских формованные подошвы могут иметь значительную толщину. Для облегчения конструкции и повышения гибкости формованной подошвы при ее построении предусматриваются полости облегчения. В подошвах из ПВХ и ТЭП полости проектируются в виде решетки, стенки ко-
торой имеют уклон к основанию 3 - 5о (рис. 3). Размер ячейки 10x10 мм. Толщина перегородок в верхней части составляет 2,5 мм. Из-за технологических свойств полиуретана выполнение решетки с остроугольными переходами недопустимо, поскольку они являются местами концентраций напряжений, вызывающих излом подошвы. По этой причине на ходовой поверхности подошв из ПУ не проектируются поперечные желобки, недопустима грубая нарезка (имитация швов) и т.п. Для облегчения подошв из ПУ выполняются цилиндрические или конические отверстия диаметром 8 - 15 мм, максимальная глубина которых составляет 2/3 толщины подошвы (рис. 5).
Подошва работает на истирание и повторные изгибы в области пучков. Для обеспечения большей гибкости обуви в области пучков современные формованные подошвы из ТЭП и ПВХ имеют «незакрытые» ячейки (рис. 4), которые позволяют затрачивать меньше усилий на изгибание подошвы в этой области.
Рис. 3 - Полости облегчения формованной подошвы из ПВХ
Рис. 4 - Полости облегчения формованной подошвы из ТЭП
Рис. 5 - Полости облегчения полиуретановой формованной подошвы
Перегородки подошв больших размеров не выдерживают нагрузок в области пучков и пятки, проседают, что приводит к деформации основной стельки и ее разрушению. Увеличение прочности перегородок требует увеличения их толщины.
Обобщая выше изложенное можно заключить, что использование полимерных материалов для изготовления формованных подошв требует учета не только свойств самих материалов, но и особенности антропометрии и биомеханики, силовых воздействий на обувь как со стороны носчика, так и со стороны опоры. При проектировании полимерных формованных подошв для потребителей с большой массой тела целесообразно применять: увеличенную толщину ходовой части подошвы и скос каблука набоечной поверхности для предотвращения чрезмерного их истирания; увеличение толщины стенок перегородок у подошв из ТЭП, ПВХ, резины в местах наибольшего давления стопы на опорную поверхность для исключения преждевременного разрушения основной стельки в пяточной и пучковой частях; «незакрытые» ячейки в области плюснефа-лангового сочленения для сохранения необходимой гибкости.
Литература
1. Никитина Л.Л. Создание изделий легкой промышленности с улучшенными потребительскими свойствами с применением полимерных материалов / Л.Л.Никитина, О.Е.Гаврилова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 19. - С. 110-111.
2. Жуковская, Т.В. Инновационные материалы и технологии в проектировании современной обуви для бега / Т.В.Жуковская, Л.Л.Никитина // Вестник технологического университета. - 2013. - №20 - С.123-125.
3. Никитина Л.Л. Перспективные полимерные материалы в производстве обуви / Л.Л.Никитина, О.Е.Гаврилова // Вестник технологического университета. - 2012, Т.15 -№7 - С.121-124.
© Л.Л.Никитина - канд. пед. наук, доцент кафедры конструирования одежды и обуви КНИТУ, E-mail: [email protected], О.Е.Гаврилова - канд. пед. наук, доцент той же кафедры, E-mail: [email protected], Р. Р. Уразова - магистр кафедры конструирования одежды и обуви КНИТУ, E-mail: [email protected].
© O. E. Gavrilova - edging. ped. sciences, associate professor of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university», E-mail: [email protected]; L. L. Nikitina - edging. ped. sciences, associate professor of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university», E-mail: [email protected], R. R. Urazova - master of of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university», E-mail: [email protected].
