Работа IV.3. Исследование распределений давления стопы на обувь

Цель работы: изучить метод измерения давления стопы на обувь, освоить методику синхронной записи большого числа параметров.

Содержание работы.

1. Конструкция датчиков давления.

2. Тарировка датчиков давления.

3. Изготовление динамометрической стельки (обоймы).

4. Исследование влияния формы опорной поверхности на распределение давлений стопы.

Пособия: стенд, включающий в себя семь-девять мостов, омметр или авометр, два столбчатых датчика, два петлевых датчика, стенд для записи фаз ходьбы, тарировочное приспособление с набором грузов, стенд для записи давления, осциллограф Н-700, метроном, динамометрические обоймы, соединительные провода.

Литература. Зыбин Ю. П. Конструирование изделий из кожи, М., "Легкая индустрия", 1966, стр. 89-94. Зыбин Ю. П., Кочеткова Т. С., Цуркан В. П. Датчик давления, Научные труды МТИЛП, М., изд. МТИЛП, сб. 17, 1960. Кочеткова Т. С., Прохорова В. В., Зыбин Ю. П. Научно-технический метод разработки внутренней формы обуви. "Известия вузов", 1961, № 2.

1. Конструкция датчиков давления

Для исследования давлений на стопу разработано несколько конструкций датчиков на основе проволочных и каучуковых тензометров. В частности, кафедра конструирования и технологии изделий из кожи МТИЛП создала большое количество конструкций на основе каучуковых капилляров. Наиболее часто применяются датчики петлевые и столбчатые. Столбчатый датчик (рис. IV.9, а) состоит из резинового столбика и намотанного на него капилляра каучукового тензометра растяжения. При нагружении резиновый столбик деформируется и приобретает бочкообразную форму (рис. IV.9, б). При этом диаметр столбика в середине увеличивается, что вызывает растяжение капилляра. Столбчатые датчики обладают хорошей линейностью, но относительно малой чувствительностью, причем чувствительность их резко падает при уменьшении отношения h_ст/D. Если же датчики делать высотой более 3 мм, их трудно будет использовать внутри обуви.

Рис. IV.9. Схема каучуковых датчиков давления

Столбчатый датчик имеет преобразователь давления - резиновый столбик. Сам капилляр давления непосредственно не воспринимает. Такой преобразователь называется тензоэлементом. Столбчатые датчики давления можно использовать для определения перемещений на малых базах (3-8 мм), например прогиба внутренней стороны свода при ходьбе, прогибания обуви в геленочной части под действием стопы. Столбчатые датчики для этих определений имеют высоту, равную прогибу в ненагруженном состоянии.

Материалом для столбика служит вулканизованная резина, твердость которой близка к твердости наиболее мягкой поверхности стопы (15-30 единиц по Шору). Резина должна быть упругой, с возможно меньшей пластичностью. Следует иметь в виду, что гистерезис при нагружении и разгружении столбика может вносить значительные искажения в результаты.

Кроме столбчатых существуют и петлевые датчики. Схема укладки капилляра в них может быть различной (рис. IV.9, в-д). Принцип работы петлевых датчиков состоит в том, что нагрузка, действующая на датчик, заставляет его сжиматься и увеличиваться в диаметре. При этом происходит увеличение длины капилляра и уменьшение токопроводящего сечения. Петлевой датчик с бифиллярной укладкой капилляра (рис. IV.9, д) обладает высокой чувствительностью, но не всегда имеет достаточную линейность в большом диапазоне давлений. Небольшая толщина петлевых датчиков (0,7-1,2 мм) делает их удобными для размещения внутри обуви.

2. Тарировка датчиков давления

Приспособление для тарировки датчиков давления (рис. IV.10) состоит из штатива 1, имеющего подвижный кронштейн 2, который шарнирно связан с грузовым рычагом 3. На грузовом рычаге 3 подвешены щуп 4 и подвеска 5 с грузом Р_т.

Рис. IV.10. Схема приспособления для тарировки датчиков давления

Для предварительной балансировки служит противовес Р₁. Датчик 6 размещается на платформе 7, давление на него передается через опору 8 щупа 4.

Контакты датчика подключают к клеммам K, соединенным с клеммами K₁, куда присоединяют входные контакты R_x моста.

При работе с большими давлениями используется схема, изображенная на рис. IV.10, а, где за счет неравенства l₂ > l₁ происходит увеличение нагрузки, действующей на датчик, по сравнению с тарировочным грузом R_т.

При работе с малыми давлениями (рис. IV.10, б) грузовую подвеску 5 и щуп 4 меняют местами. На рычаге 3 нанесена шкала с началом О в центре качания шарнира 9, по которой определяют длины плеч l₁ и l₂. Плечо противовеса выполнено в виде стержня с нарезкой, а сам противовес, также имеющий нарезку, перемещается при вращении его вправо или влево.

Тарировка датчиков по величине давления выполняется следующим образом.

Противовес Р₁ приближают к центру О качания рычага 3. На платформу помещают датчик 6 и приводят в соприкосновение с ним опору 8 щупа 4. На штативе 1 устанавливают с помощью зажима кронштейн 2 так, чтобы рычаг 3 принял горизонтальное положение. Для этого выравнивают расстояния концов рычага 3 от площадки прибора. После определения необходимого положения кронштейна 2 по высоте навешивают на рычаг 3 подвеску 5 без грузов, щуп опускают и производят балансировку рычага 3 в горизонтальном положении вращением противовеса Р₁ так, чтобы просвет между пяткой щупа и поверхностью датчика был минимальным. После этого начинают нагружение датчика, устанавливая на грузовую подвеску тарировочные грузы Р_т. После установки каждого значения груза производят балансировку моста и результаты заносят в таблицу, форма которой приведена ниже (табл. IV.7). В соответствии с этими результатами рассчитывают чувствительность датчика по формуле

Таблица IV.7. Определение коэффициента чувствительности тензодатчиков давления. Начальное сопротивление датчика R₀, Ом. Соотношение плеч грузового рычага . Площадь опорной площадки датчика F_д, см²

При этом нагрузка q_T, кгс/см², берется из расчета фактически действующей на датчик, т. е. с учетом трансформации за счет соотношения плеч l₁/l₂:

Q_т - нагрузка, действующая на датчик, кгс;

F_q - площадь опорной площадки датчика (вычисляется по размерам верхней опорной площадки датчика), см²;

Р_т - тарировочный груз, кгс;

- соотношение размеров плеч грузового рычага настройке удобнее выбирать l₁ так, чтобы С = 0,25; 0,5; 1,5; 2,0).

Такое исследование проводят для датчиков обоих видов. По данным, сведенным в табл. IV.8, строят совмещенный тарировочный график для датчиков обоих видов в координатах q_T и делают выводы о свойствах каждого из них. По тарировочному графику определяют рабочий диапазон каждого из датчиков по участку линейности тарировочной характеристики.

При тарировке столбчатого датчика по деформации столбика используется специальное тарировочное приспособление (рис. IV.11). Датчик тарируют по величине сжатия с помощью микрометрического тарировочного устройства, выполненного на основе микрометра с базой 50 мм. При тарировке определяют зависимость показаний датчика от абсолютной или относительной деформации сжатия столбика. В данном случае работа с тарировочным устройством и методика тарировки аналогичны методике тарировки каучуковых тензометров растяжения (работа IV.1). Разница лишь в том, что каучуковый тензометр растяжения сначала растягивают, а потом сокращают, а столбчатый датчик сначала сжимают, а потом разжимают до исходного состояния.

Рис. IV.11. Приспособление для тарировки столбчатых датчиков давления по величине сжатия: а - общий вид; б - схема приставки к микрометру

3. Изготовление динамометрической стельки (обоймы)

Для монтажа датчиков, помещаемых внутри обуви, используется динамометрическая обойма.

Динамометрическая обойма (рис. IV.12) представляет собой многослойную вкладную стельку. Она состоит из верхней шелковой трикотажной накладки 1, трафарета 2, заполняющего пространство между датчиками, подложки 5, на которой монтируются датчики, и нижней накладки 4 из бязи или тик-саржи.

Рис. IV.12. Динамометрическая обойма (стелька): а - детали обоймы; б - продольный разрез обоймы по А-Б; 1 - верхняя накладка из шелкового трикотажа; 2 - трафарет; 3 - подложка; 4 - нижняя накладка; 5 - датчики; 6 - углубления для укладки соединительных проводников

Верхняя накладка предохраняет датчики от тангенциальных воздействий стопы при ходьбе и в то же время трикотаж, обладая хорошей тягучестью во всех направлениях, не препятствует передаче давления на датчики.

Трафарет - очень ответственная деталь обоймы. Он предохраняет датчики от недогрузки или перегрузки, т. е. воссоздает распределение давлений, существующее в реальной конструкции. Если жесткость датчика будет больше, чем жесткость трафарета, то он воспримет относительно большую нагрузку, чем лежащие рядом участки трафарета, и окажется относительно перегруженным. При малой жесткости датчика основную нагрузку воспримет трафарет и датчик будет относительно недогруженным. Трафарет 2 выполняют из материала, близкого по твердости и жесткости к резине датчиков; это может быть резина того же состава или кожа для верха обуви, например шевро.

Обязательным условием является соответствие толщины датчика толщине трафарета. Подложкой 3 обоймы служит стелька из полужесткого материала, например из кожи для рантов.

При исследовании распределения давлений по плантарной поверхности стопы при стоянии на плоскости обойму крепят к стопе лейкопластырем или полихлорвиниловой липкой лентой, а фазовые датчики приклеивают на ходовую поверхность обоймы. Датчики давления устанавливают в основных характерных точках плантарной части стопы в соответствии с заданием. Например, для получения картограммы давлений в пяточной части стопы целесообразно использовать сечение 0,18Д (датчики VII, VIII, IX) и осевую линию следа или пяточной части (датчики X, VIII, VI), а также точку наружного свода в сечении 0,35Д (датчик V). При анализе распределения давления по длине стопы можно рекомендовать обмер давлений в центре пяточной части (датчик VIII), в области наружного свода (датчики III, IV, V) и в области пучков (датчики I, II, III). При исследовании распределения давлений в обуви с разной высотой каблука подбирают обувь таких моделей, чтобы разница в контурах стелек была возможно меньшей; при этом условии для обуви разных моделей можно использовать одну обойму.

После составления схемы размещения датчиков размечают трафарет и вырезают в нем отверстия для датчиков. Диаметр отверстий должен быть на 2 мм больше диаметра датчика. В местах размещения выводов датчика в трафарете делают пазы для укладки выводов датчика с таким же зазором, как и у отверстий для датчиков.

Затем по трафарету размечают подложку, разрабатывают для нее монтажную схему. При разработке монтажной схемы и выполнении монтажа следует учитывать, что выводы датчиков не должны воспринимать нагрузок при работе.

В зоне изгиба следа соединительные провода не должны располагаться в продольном направлении и пересекаться.

Монтаж лучше всего выполнять проводом МГВ или МГВШ (S = 0,2-0,3 мм²). В подложке у выходных контактов датчика делают отверстия диаметром 1,5-2 мм, через которые провода пропускают на обратную сторону подложки.

Соединительные провода при монтаже временно закрепляют липкой лентой, а затем окончательно накладкой 4. Подложка должна быть предварительно отформована по следу колодки, на которой изготавливается обувь для эксперимента.

Так как вся обойма имеет толщину 3-5,5 мм, то помещение ее внутрь обуви приводит к уменьшению полнотных размеров обуви, поэтому для эксперимента делают обувь специальную. В заготовке по контуру затяжной кромки дают припуск на толщину обоймы. На колодку по следу накладывают слой картона, толщина которого равна толщине готовой обоймы. В местах выхода проводов от датчиков в обуви на уровне выводов делают сквозные отверстия, через которые провода выводят наружу. Концы проводов припаивают к разъему ШР, которым в дальнейшем обойма присоединяется к кабелю, идущему к мостам. После того как монтаж выполнен, на подложку наклеивают трафарет и верхнюю накладку и проверяют каждый датчик с помощью омметра. Если датчик исправен, то монтаж продолжают. Общую проверку всех датчиков делают перед наклейкой трафарета и накладок, а также после помещения обоймы в обувь и припайки разъемов ШР.

4. Исследование влияния формы опорной поверхности на распределение давлений стопы

Задачами исследования являются:

1) изучение распределения давлений стопы по следу при стоянии и ходьбе (на плоскости, в обуви с разной формой следа);

2) изучение распределения давлений стопы по боковой поверхности в области задника в обуви с разной внутренней формой пяточной части при стоянии и ходьбе;

3) изучение распределения давлений стопы на след в обуви с разной высотой каблука при стоянии и ходьбе.

При исследовании нужно также указать фазы, в которых будет проанализировано распределение давлений.

Для проведения исследования на базе стенда для записи фаз (см. рис. IV.6) собирают схему из 6-8 мостов для датчиков давления (рис. IV.13). Каждый из мостов подключают к шлейфу осциллографа. Ко входам R_x мостов подключают датчики давления. Для коммутации мостов и датчиков параллельно кабелю фазовых датчиков протягивают и крепят к подвеске кабель датчиков давления. Число линий в кабеле берут из расчета двух проводников на один датчик, т. е. 12-16 проводников или 6-8 линий.

Рис. IV.13. Электрическая схема стенда для исследования распределения давлений стопы: 1 - мост фазового датчика; 2 - один из мостов датчиков давления; 3 - динамометрическая обойма

Динамометрическую обойму вкладывают в заранее приготовленные образцы обуви, имеющие различия в форме следа. За эталон распределения давления принимают распределение давлений при стоянии стопы на плоскости, с которым в дальнейшем сравнивают результаты по другим вариантам исследования. При изучении распределения давлений стопы при стоянии на плоскости динамометрическую обойму крепят к стопе лейкопластырем и записывают осциллограмму при стоянии человека без обуви на плоской поверхности ходовой дорожки стенда или ходьбе по ней. Изучают также и распределение давления стопы при стоянии в обуви, форма следа которой полностью соответствует форме следа ненагруженной стопы. В качестве такой обуви используется гипсовый слепок с плантарной поверхности стопы. Для этого за два-три дня до работы лаборант снимает гипсовый слепок со стопы одного из студентов. В гипс рекомендуется добавлять 5-7% цемента.

Снимают слепок в положении стопы "на весу". Вторая стопа при этом стоит на плоскости.

Датчики, наклеенные на обойму, тарируют с помощью тарировочного приспособления. При этом нагружению подвергается лишь сам датчик. Трикотажную наклейку при тарировке отслаивают от трафарета, после тарировки ее наклеивают вновь. Исходя из того что при движении на плантарной части стопы давление достигает 12 кгс/см² в пучках (под головкой первой плюсневой кости), 6 кгс/см² в центре пяточной части и 3-4 кгс/см² в остальных точках, тарировку датчиков проводят при нагрузках до 15 кгс/см² для датчиков I и VIII и 5 кгс/см² для остальных датчиков (см. рис. IV.12). Тарировку проводят для каждого датчика отдельно; данные записывают в таблицу по форме, приведенной ниже (табл. IV.8).

Таблица IV.8. Результаты тарировки датчика давления ...

Для каждого датчика строят тарировочный график (см. рис. IV.4) и определяют тарировочный коэффициент К_Т:

где q_T - тарировочное удельное давление;

h_T - отклонение луча шлейфа от нулевого положения при тарировочном давлении.

Перед тарировкой настраивают тарировочное приспособление, мост балансируют по внутреннему гальванометру и затем переключают на наружный гальванометр (осциллограф). Тарировку производят при нагрузках 50, 100, 250, 500 гс, 1,0 кгс и затем через 1 кгс до выбранного максимального значения. После тарировки "зайчики" шлейфов осциллографа размещают по экрану в порядке их нумерации (в соответствии с нумерацией датчиков).

Для облегчения расшифровки осциллограммы половину шлейфов ориентируют на отклонение при работе вправо, а вторую - влево от края экрана к его середине. На одном краю экрана размещают шлейф фазового датчика и шлейф отметчика времени (рис. IV.14). Свободные шлейфы осциллографа используют в качестве отметчиков нулевой линии для работающих шлейфов датчиков давления и фаз.

Рис. IV.14. Осциллограмма давлений стопы при ходьбе: 1-8 - запись шлейфов датчиков давления; 9 - запись шлейфов фазового датчика; 10 - запись шлейфа отметчика времени

После балансировки мостов и тарировки датчиков обувь надевают на стопу; стопу держат в обуви в течение 20 мин для подогревания датчиков.

Через 20 мин обувь снимают, мосты быстро балансируют снова и вновь записывают нулевые положения шлейфов. Эти операции не должны занимать более 1 мин. Затем обувь надевают на стопу. При этом часть датчиков на экране осциллографа отклоняется от нулевого положения вследствие некоторого давления стопы на след надетой обуви. Затем записывают осциллограммы давлений сначала при стоянии на одной, а затем на обеих ногах. Включив метроном, записывают давления при ходьбе.

После записи осциллограмм при стоянии и по фазам движения их анализируют. Сначала расшифровывают фазовую осциллограмму. Затем в заданных фазах определяют величину рабочих давлений q_p по формуле

где К_Т - тарировочный коэффициент для данного датчика;

h_p - отклонение луча шлейфа на осциллограмме в исследуемой фазе.

Если какое-нибудь значение h_p попадает на нелинейный участок тарировочной характеристики, его расшифровывают по тарировочному графику данного датчика.

Данные расшифровки осциллограмм заносят в таблицу по форме, приведенной ниже (табл. IV.9).

Таблицa IV.9. Данные расшифровки осциллограмм распределения давления 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
(Наименование обследуемого участка)  (Вид работы стопы на плоскости и в обуви)

По данным табл. IV.9 строят картограммы давлений и после сопоставления результатов, сведенных в табл. IV.9, и этих картограмм делают выводы о влиянии формы опорной поверхности, работы стопы при записи и фазы на распределение давлений, дают оценку влияния исследуемых факторов на распределение давлений и в случае необходимости рекомендации по улучшению формы обуви.

Таким же образом можно провести исследование давлений на боковые и тыльные поверхности стопы. Для этого обойму делают без жесткой подложки и вставляют в гнездо, вырезаемое в подкладке обуви.