Легкоатлетичний спис та спосіб його виготовлення

Изобретение относится к спортивным снарядам для метания, в частности к легкоатлетическому копью. Общим недостатком таких конструкций является то, что они содержат в своей конструкции дополнительные элементы, наличие которых не допускается правилами проведения соревнований. Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому техническому решению является легкоатлетическое копье, состоящее из наконечника, обмотки и древка, выполненного из армирующих волокон и полимерной матрицы и содержащего две трубчатые детали с конической формой внешней поверхности, одна из которых присоединена к наконечнику и диаметр ее внешней поверхности при удалении от острия копья увеличивается, а другая является хвостовой частью древка и при приближении к концу древка диаметр ее внешней поверхности уменьшается, при этом трубчатые детали соединены посредством внутренней вставки с внешней поверхностью, соответствующей внутренним поверхностям соединяемых трубчатых деталей на участках, прилегающих к месту их стыка, которые по внешней поверхности покрыты усиливающими накладками, выполненными из армирующих волокон и полимерной матрицы, при этом поверх данных накладок намотан и зафиксирован при помощи клея шнур, образующий обмотку древка, которая применяется для обеспечения хвата рукой спортсмена, причем одна из модификаций данной конструкции имеет обмотку, которая не выступает за контуры поперечного сечения древка, что достигнуто соответствующим уменьшением внешнего диаметра древка в месте размещения обмотки (Заявка ФРГ №3619484, МКИ A63B65/02, Кипф Д. Метательное копье для спортивных целей и способ его изготовления. Опубл. 17.12.1987 (прототип). Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому техническому решению является способ изготовления легкоатлетического копья, включающий получение трубчатых деталей древка выкладкой пропитанных полимерным связующим армирующих волокон на оправках путем отверждения связующего с формованием трубчатых деталей от внутреннего контура, сборку конструкции древка из трубчатых деталей, стыкуемых по внутренним поверхностям посредством внутренних вставок, внешняя поверхность которых соответствует отформованной внутренней поверхности трубчатых деталей, путем их жесткого соединения, сборку древка и наконечника путем помещения начала древка во внутреннюю полость наконечника и жесткого их соединения, а также навивки шнура в центральной части древка с закреплением его на поверхности древка (Заявка ФРГ №3619484, МКИ A63B65/02, Кипф Д. Метательное копье для спортивных целей и способ его изготовления. Опубл. 17.12.1987 (прототип). Недостатком данного легкоатлетического колья является то, что его конструкция не соответствует правилам проведения соревнований, а именно, конструкция его древка содержит дополнительный элемент - накладки и может иметь утонение в месте расположения обмотки, что приводит к скачкообразным (резким) перепадам внешнего диаметра древка. Кроме того, согласно правилам проведения соревнований, наибольший внешний диаметр древко должно иметь в сечении перед началом обмотки, а в рассматриваемой конструкции легкоатлетического копья древко имеет максимальный внешний диаметр под обмоткой в месте стыка трубчатых деталей. Следует также отметить, что с учетом требований правил проведения соревнований по центровке легкоатлетического копья (соблюдение определенного места расположения центра масс по длине легкоатлетического копья на заданном удалении от острия, который, кроме того, должен находиться под обмоткой) и ограничений на величины внешнего диаметра древка в сечениях по его длине оба вида копий (мужское и женское) будут иметь для рассматриваемой конструкции легкоатлетического копья соотношение длин хвостовой и передней трубчатой детали древка 2 ... 2,5, причем соотношение величин углов наклона образующих внешних поверхностей этих деталей будет примерно таким же. Следовательно, хвостовая трубчатая деталь древка является достаточно сложной в изготовлении, поскольку ее длина для мужского легкоатлетического копья может достигать 1700мм при значениях диаметра внешней поверхности на противоположных ее концах 20 ... 30мм и 3,5 ... 10мм. Это обусловлено не только трудностями изготовления формообразующей оснастки, но сложностью вопросов, связанных с соблюдением определенной длины трубчатой детали, поскольку для обрезки по размеру конических трубчатых деталей требуются специальные приспособления. Кроме того, наличие в рассматриваемом легкоатлетическом копье древка, состоящего из двух конических трубчатых деталей, не позволяет достигнуть максимально возможной жесткости древка, которую можно получить, учитывая ограничения по массе легкоатлетического копья, имеющиеся в правилах проведения соревнований. Отметим, что соединение частей древка рассматриваемого легкоатлетического копья расположено в самом нагруженном в полете месте древка (вблизи центра масс), поэтому внутренняя вставка и накладки, охватывающие место стыка, должны обладать значительной прочностью и жесткостью. Рассматриваемая конструкция легкоатлетического копья не в полной мере учитывает вопросы, связанные с его центровкой. Эти вопросы являются важными не только в смысле получения соответствия определенному правилами проведения соревнований диапазону удаления центра масс от острия копья, но и потому, что ограничения на величину диаметра внешней поверхности в сечениях по длине древка задаются относительно положения центра масс. При изготовлении древка легкоатлетического копья из армирующих волокон и полимерной матрицы достаточно трудно получить ожидаемое фиксированное значение плотности композиционного материала, получаемое после его образования, и постоянство этой плотности по длине трубчатых деталей. Поэтому в процессе сборки легкоатлетического копья необходимо применять дополнительные меры по обеспечению его планируемой центровки и массы. Недостатком рассматриваемого легкоатлетического копья является то, что материал конструкции его древка не предохранен от растрескивания при ударе о грунт. В частности, материал передней трубчатой детали древка, контактирующий с наконечником, который изготавливается из более твердого чем полимерная матрица материала (сталь и т.п.), имеет возможность смещаться во внутреннюю полость данной детали, что при наличии ударных нагрузок вызывает растрескивание композиционного материала древка. Недостатком данного способа изготовления легкоатлетического копья является высокая трудоемкость, связанная прежде всего с большими затратами на доводку внешних поверхностей трубчатых деталей с целью соблюдения требований, которые предъявляются правилами проведения соревнований: соответствие величин диаметров внешней поверхности в сечениях по длине древка определенным значениям, гладкость поверхности и т.п. Трудность обеспечения соосности при сборке деталей древка, вызванная конусностью деталей в месте стыка, также является недостатком данного способа изготовления легкоатлетического копья. При получении трубчатых деталей выкладкой возникают определенные трудности в формировании пакетов материалов этих деталей, включающих слои, ориентация армирующих волокон в которых отлична от направления оси древка (эти слои необходимы для восприятия поперечной и крутильной нагрузки, а также для предохранения материала от растрескивания и т.п.), что также является недостатком рассматриваемого способа изготовления легкоатлетического копья. При применении данного способа изготовления легкоатлетического копья соединение трубчатых деталей древка не является достаточно прочным, поскольку клеевой слой контактирует только с внутренними армирующими слоями материала трубчатых деталей и, следовательно, в месте соединения этих деталей их материал по толщине пакета нагружается неравномерно. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является наиболее полное удовлетворение требований, предъявляемых к легкоатлетическому копью правилами проведения соревнований: соответствие заданным геометрическим параметрам и центровке, увеличение жесткостных параметров легкоатлетического копья с целью увеличения дальности его полета, повышение технологичности изготовления конструкции, облегчение процесса центровки копья и повышение его прочности, долговечности и ударной стойкости. В частности, поскольку, согласно этих правил, легкоатлетическое копье может иметь в центральной части цилиндрическую форму внешней поверхности древка, то возможно при неизменной массе древка повысить его жесткость в центральной части за счет увеличения в ней величин моментов инерции поперечных сечений древка, а повышение жесткости древка копья позволяет уменьшить амплитуду колебаний копья в полете и, следовательно, увеличить дальность броска спортсмена. Указанная задача решается тем, что легкоатлетическое копье, состоящее из наконечника и древка с навитой обмоткой, выполненного из армирующих волокон и полимерной матрицы и содержащего две трубчатые детали с конической формой внешней поверхности, одна из которых присоединена к наконечнику и диаметр ее внешней поверхности при удалении от острия копья увеличивается, а другая является хвостовой частью древка и при приближении к концу древка диаметр ее внешней поверхности уменьшается, при этом трубчатые детали соединены посредством внутренней вставки с внешней поверхностью, соответствующей внутренним поверхностям соединяемых трубчатых деталей на участках, прилегающих к месту их стыка, согласно изобретению, две трубчатые детали древка с конической формой внешней поверхности на своих прилегающих друг к другу концах с наибольшими диаметрами имеют участки с цилиндрической формой внешней поверхности. Это также достигается тем, что древко имеет дополнительно третью трубчатую деталь с цилиндрической формой внешней поверхности, размещаемую в центральной части древка и примыкающую к концам с наибольшими диаметрами двух других трубчатых деталей древка. Это также достигается тем, что в конце с наименьшим диаметром внешней поверхности трубчатая деталь древка, являющаяся его хвостовой частью, имеет внутреннюю цилиндрическую полость, в которой установлен балансировочный груз. Это также достигается тем, что в хвостовой части древка трубчатая деталь имеет внутреннюю резьбу, а балансировочный груз, находящийся во внутренней полости этой части древка, имеет соответствующую внешнюю резьбу. Это также достигается тем, что трубчатая деталь древка, присоединяемая к наконечнику, имеет в части внутренней полости, непосредственно примыкающей к наконечнику, жесткосоединенный с ней усиливающий элемент, причем внешняя поверхность этого усиливающего элемента соответствует внутренней поверхности данной трубчатой детали древка. Это также достигается тем, что толщины стенок трубчатых деталей древка на участках, прилегающих к месту их стыка, переменны с уменьшением этих толщин к месту стыка. Это также достигается тем, что способ изготовления легкоатлетического копья, включающий получение трубчатых деталей древка из пропитанных полимерным связующим армирующих волокон на оправках путем отверждения связующего, сборку конструкции древка из трубчатых деталей, стыкуемых по внутренним поверхностям посредством внутренних вставок, путем их жесткого соединения, сборку древка и наконечника путем помещения начала древка во внутреннюю полость наконечника и жесткого их соединения с помощью клея, а также навивку шнура в центральной части древка с закреплением его на поверхности древка, согласно изобретению, используют оправки, выполненные из терморасширяющегося материала, а формообразование производят от внешнего контура. Это также достигается тем, что слои пакетов материала трубчатых деталей древка формируют путем чередования ручной выкладки и плетения на оправках. Это также достигается тем, что перед сборкой древка из трубчатых деталей, стыкуемых по внутренним поверхностям посредством внутренних вставок путем их жесткого соединения, внутренние поверхности соединяемых трубчатых деталей на участках, прилегающих к месту их стыка, и соответствующие внешние поверхности внутренних вставок подвергают механической обработке для получения соответствия этих поверхностей. Таким образом, применение в древке легкоатлетического копья трубчатых деталей из полимерного композиционного материала с конической формой внешней поверхности, которые на своих прилегающих друг к другу концах с наибольшими диаметрами имеют участки с цилиндрической формой внешней поверхности, позволило увеличить жесткость наиболее нагруженной центральной части древка за счет большей удаленности материала от оси древка, повысить технологичность изготовления древка за счет упрощения решения вопросов, связанных с соединением трубчатых деталей и соблюдением соосности составляющих древко деталей, и обеспечить выполнение требований к внешними размерам древка, определяемых правилами соревнований. Наличие в конструкции древка третьей дополнительной трубчатой детали с цилиндрической формой внешней поверхности, размещаемой в центральной части древка, к которой примыкают две другие трубчатые детали концами, имеющими наибольшие диаметры, также позволяет увеличить жесткость наиболее нагруженной центральной части древка. При этом соединение трубчатых деталей происходит не в самом нагруженном при полете копья месте (вблизи центра масс). Изменением длины центральной трубчатой детали древка легко получить требуемую длину всего легкоатлетического копья в пределах диапазона, определяемого правилами проведения соревнований. Вследствие наличия двух внутренних вставок, соединяющих три трубчатые детали древка и удаленных от центра масс легкоатлетического копья, можно проводить предварительную увязку вопросов, связанных с обеспечением соответствия массы и центровки легкоатлетического копья параметрам, которые устанавливаются правилами проведения соревнований. Кроме того, присутствие дополнительной третьей трубчатой детали древка позволяет уменьшить длину его хвостовой трубчатой детали, обладающей значительной длиной и большим различием величин диаметров оснований конусов внешней поверхности, что делает ее более технологичной при изготовлении. Значительно упрощает процесс получения требуемого положения центра масс копья наличие в конце с наименьшим диаметром внешней поверхности хвостовой трубчатой детали внутренней полости в форме цилиндра. В этой полости фиксируется балансировочный груз, установкой которого в определенном месте по ее длине добиваются получения требуемого правилами проведения соревнований положения центра масс легкоатлетического копья. Наличие данной внутренней полости с балансировочным грузом и трех трубчатых деталей древка, облегчая процесс достижения требуемой центровки, позволяет изготавливать трубчатые детали с постоянной или линейно изменяемой толщиной стенок, что значительно упрощает технологию их изготовления. Применение в хвостовой части древка трубчатой детали, внутренняя полость которой имеет внутреннюю резьбу, и балансировочного груза, находящегося во внутренней полости этой части древка и имеющего соответствующую внешнюю резьбу, который можно перемещать и фиксировать на различном удалении от кончика древка, позволяет в процессе эксплуатации легкоатлетического копья корректировать положение его центра масс в рамках диапазона, определяемого правилами проведения соревнований. Наличие во внутренней полости трубчатой детали древка, присоединяемой к наконечнику, усиливающего элемента, который размещен в части, непосредственно примыкающей к наконечнику, и жестко соединен с трубчатой деталью своей внешней поверхностью, соответствующей внутренней поверхности данной трубчатой детали древка, позволяет получить более прочное соединение древка и наконечника, а также предохраняет материал древка от растрескивания в месте соединения с наконечником, повышая ударную прочность и долговечность легкоатлетического копья. Переменность толщины стенок трубчатых деталей древка в соединениях позволяет повысить прочность за счет более равномерного нагружения слоев пакетов их материалов по толщине. Это позволяет отказаться от необходимости усиления стыка трубчатых деталей накладками, располагаемыми по поверхности стыка. Реализуемость предлагаемого легкоатлетического копья обеспечивается предлагаемым способом его изготовления. Использование при изготовлении трубчатых деталей древка легкоатлетического копья из армирующих волокон и полимерной матрицы способа формирования на терморасширяющихся оправках с формообразованием от внешнего контура позволяет исключить необходимость обработки внешней поверхности древка и получить точное соответствие геометрических параметров требованиям, предъявляемым правилами проведения соревнований. Формирование слоев пакетов материалов трубчатых деталей древка путем чередования ручной выкладки и плетения на оправках снижает трудоемкость их изготовления, поскольку в состав этих пакетов с помощью ручной выкладки можно легко включить слои, армирующие волокна в которых ориентированы по оси легкоатлетического копья, а слои, имеющие другое направление армирующих волокон, можно достаточно просто получить плетением. Наличие плетеных армирующих структур увеличивает ударную прочность материала, повышает его характеристики на межслой-ный сдвиг и предотвращает его от растрескивания. Применение перед сборкой древка из трубчатых деталей, стыкуемых по внутренним поверхностям посредством внутренних вставок, путем жесткого соединения, механической обработки внутренних поверхностей соединяемых трубчатых деталей на участках, прилегающих к месту их стыка, и внешних поверхностей внутренних вставок для получения соответствия этих поверхностей значительно упрощает обеспечение требования соосности трубчатых деталей конструкциидревка легкоатлетического копья. На фиг.1 показан общий вид легкоатлетического колья; на фиг.2 легкоатлетическое копье, древко которого содержит три трубчатые детали; на фиг.3 окончание хвостовой части древка; на фиг.4 место стыка трубчатых деталей древка; на фиг.5 типовое сечение заготовки трубчатой детали древка, находящейся на оправке. Легкоатлетическое копье, показанное на фиг.1, содержит наконечник 1 и обмотку 2, размещенную в центральной части древка так, что центр масс копья находится под обмоткой, которые жестко соединены с древком, состоящим из двух трубчатых деталей передней 3 и хвостовой 4. Обе эти трубчатые детали имеют участки 5 с цилиндрической формой внешней поверхности, непосредственно прилегающие к месту их стыка. Соединение трубчатых деталей древка 3 и 4 осуществляется посредством внутренней вставки 6. Передняя трубчатая деталь древка 3, присоединяемая к наконечнику 1, имеет во внутренней полости, непосредственно примыкающей к наконечнику, жесткосоединенный с ней усиливающий элемент 7. Хвостовая трубчатая деталь древка 4 имеет в конце с наименьшим диаметром внешней поверхности внутреннюю полость 8 в форме цилиндра, в которой установлен балансировочный груз 9. Фиг.2 представляет легкоатлетическое копье, древко которого содержит дополнительно третью трубчатую деталь 10 с цилиндрической формой внешней поверхности. Окончание хвостовой части древка, показанное на фиг.3, имеет внутреннюю полость 8 в форме цилиндра с внутренней резьбой 11, а находящийся в ней балансировочный груз 9 имеет соответствующую внешнюю резьбу. На фиг.4 показано место стыка трубчатых деталей древка 3 и 4 (или 3 и 10 или 10 и 4), на прилегающих к которому участках трубчатых деталей толщина их стенок переменна с уменьшением к месту стыка. Трубчатые детали древка 3, 4 и 10 получены из пропитанных полимерным связующим армирующих волокон на оправках из терморасширяющегося материала путем отверждения связующего с формообразованием от внешнего контура. Данные оправки имеют внешние обводы, которые соответствуют обводам внутренних полостей соответствующих трубчатых деталей древка, представленных на фиг.1 и 2. Исключение составляют только участки оправок, которые соответствуют участкам трубчатых деталей 3, 4 и 10, прилегающим к месту их стыка, где определенным уменьшением диаметров поперечных сечений оправок учитывается припуск на проведение механической обработки. При этом слои пакетов материала трубчатых деталей древка 3, 4 и 10 формируют путем чередование ручной выкладки и плетения на оправках. На фиг.5 демонстрируется типовое сечение заготовки трубчатой детали древка (3 или 4 или 10) из пропитанных полимерным связующим армирующих волокон, находящейся на оправке 12, которое включает слои 13 с ориентацией армирующих волокон по оси легкоатлетического копья, полученные ручной выкладкой, и слои 14 с ориентацией армирующих волокон, отличной от направления оси легкоатлетического копья, которые образованы плетением. После чего оправка с заготовкой трубчатой детали помещается в специальную оснастку, которая имеет формообразующие поверхности, соответствующие внешним контурам трубчатых деталей (3 или 4 или 10). Затем во внутреннюю полость передней трубчатой детали 3 в части, непосредственно примыкающей к наконечнику 1, помещают усиливающий элемент 7 и жестко соединяют его по внешней поверхности с соответствующей внутренней поверхностью передней трубчатой детали 3. Перед сборкой конструкции древка из трубчатых деталей древка (3 или 4 или 3, 4 и 10), внутренние поверхности этих деталей и внешние поверхности внутренних вставок 6, обрабатывают механически для получения соответствий этих поверхностей. После чего производят стыковку трубчатых деталей древка (3 или 4 или 3, 4 и 10) по внутренним поверхностям посредством внутренних вставок 6 и жесткое их соединение. Затем производят сборку древка и наконечника 1 путем помещения начала древка во внутреннюю полость наконечника 1 и жесткого их соединения. После этого на центральную часть древка производят навивку шнура обмотки 2 и закрепление его на поверхности древка. Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое легкоатлетическое копье и способ его изготовления позволяют наиболее полно удовлетворить требованиям, предъявляемым к правилам проведения соревнований, повысить жесткостные параметров легкоатлетического копья с целью увеличения дальности его полета, повысить технологичность изготовления конструкции, упростить процесс центровки копья и повысить его прочность, долговечность и ударную стойкость. Конкретный пример реализации устройства и способа. Рассматривался вариант применения предлагаемой конструкции и способа ее изготовления легкоатлетическое копье, содержащее металлический наконечник, обмотку шнуром и древко из композиционного материала, который включал в себя угле- и стекловолокна и полимерное связующее. Изготавливались две модификации легкоатлетического копья - для мужчин и для женщин. Параметры этих модификаций соответствовали имеющимся в правилах проведения соревнований. Обе модификации имели древко одинаковой конструкции, а отличия состояли лишь в величинах параметров, обусловленных правилами проведения соревнований для мужских и женских легкоатлетических копий. Древко состояло из трех трубчатых деталей (передней, центральной и хвостовой) и двух вставок, с помощью которых производилось соединение трубчатых деталей. Денные элементы древка изготавливались из композиционного материала, содержащего слои с углеволокнами из углеленты ЛУП-0,1, ориентированными вдоль оси легкоатлетического копья, и слои плетеной структуры стекловолокон, образовывались переплетением двух групп стеклонитей (марка нитей БСТх36х1х3 - 3, в каждой группе по двенадцать нитей, имеющих линейную плотность для каждой нити 324текс), ориентированных под углами и относительно отмеченной оси. Причем, в слоях плетеной структуры применялись два варианта ориентации нитей: с углами близкими к 45° и к 80°. В качестве матрицы данного композиционного материала применялось связующее ЭДТН69-Н. Передняя трубчатая деталь древка, присоединяемая к наконечнику, имела постоянную толщину стенок по длине. Форма внешней поверхности данной трубчатой детали древка на большей части ее длины коническая и только ее небольшой участок, примыкающий к центральной трубчатой детали, имел цилиндрическую форму. В части внутренней полости этой трубчатой детали древка, непосредственно примыкающей к наконечнику, помещался усиливающий элемент, изготовленный из алюминиевого сплава Д16Т. Этот усиливающий элемент, имел внешнюю поверхность, соответствующую внутренней поверхности трубчатой детали, с которой он соединялся при помощи клея ВК-27. Центральная трубчатая деталь древка» располагаемая между передней и хвостовой трубчатой деталью, имела постоянную толщину стенок по длине и цилиндрическую внешнюю поверхность. Хвостовая трубчатая деталь древка, являющаяся окончанием древка, выполнена так, что толщина ее стенок была переменна (линейно изменяемая) по ее длине. Форма внешней поверхности данной трубчатой детали древка на большей части ее длины также коническая и только ее небольшой участок, примыкающий к центральной трубчатой детали, имел цилиндрическую форму. В конце с наименьшим диаметром внешней поверхности этой детали располагалась цилиндрическая полость с внутренней резьбой, в которой помещался балансировочный груз, изготовленный из стали 30ХГСА, с соответствующей внешней резьбой для обеспечения возможности перемещения по этой полости. Трубчатые детали древка изготавливались из пропитанных полимерным связующим волокон на оправках из терморасширяющего материала (резины ИРП-1438) автоклавным формованием по режиму отверждения связующего в оснастке, обеспечивающей формообразование от внешнего контура. Слои пакетов материала трубчатых деталей древка формировались путем ручной выкладки и плетения на оправках. Перед сборкой древка из трубчатых деталей, стыкуемых по внутренним поверхностям посредством внутренних вставок, внутренние поверхности трубчатых деталей на участках, прилегающих к месту их стыка, и соответствующие внешние поверхности внутренних вставок подвергались механической обработке для получения конической поверхности с углом в вершине равным 2°, причем после обработки толщина стенки трубчатых деталей непосредственно в месте стыка составила половину первоначальной. Затем все части древка собирались (без применения клея), измерялась его масса и определялось положение центра масс, которые сравнивались с ожидаемыми параметрами древка. Изменением масс двух внутренних вставок производилась предварительная центровка древка легкоатлетического копья. После этого производилась сборка древка с применением клея ВК-27. Затем осуществлялось соединение наконечника и древка также с использованием клея ВК-27. На определенном участке древка, местоположение которого установлено в правилах проведения соревнований, производилась навивка шнура обмотки с фиксацией при помощи клея ВК-27. При помощи перемещения груза по длине цилиндрической полости в хвостовой трубчатой детали древка осуществлялась окончательная центровка легкоатлетического копья (достигалось определенное правилами проведения соревнований положение центра его масс).