Kijki trekkingowe.docx

Dobór materiałów konstrukcyjnych – projekt

Jędrzej Kozerawski

Michał Kaczmarek

Mechatronika grupa VI

Kijki trekkingowe

1.       Dane wyjściowe:

Kijki trekkingowe są podstawowym wyposażeniem dla osób uprawiających trekking.

Trekking jest to forma turystyki, uprawiana w trudnych warunkach terenowych i klimatycznych. Wyróżnić można kilka form trekkingu. Najpopularniejszą formą jest trekking klasyczny (górski), będący formą pośrednią między wspinaczką a turystyką pieszą.

Kijki są produkowane seryjnie, gdyż wypuszczana jest ich na rynek określona liczba i w zależności od popularności i przydatności jest ona ulepszana i produkowana jest nowa seria, bądź też wersja cieszy się zaufaniem odbiorców i wypuszczana jest kolejna seria o tych samych parametrach. Istnieje wiele firm produkujących kije do trekkingu (m.in. Leki), a rywalizacja na rynku powoduje ciągły rozwój i udoskonalanie techniki ich produkcji oraz rozwój parametrów.

Wymiary kijków zależą głównie od wzrostu osoby ich używających i ich długość waha się od 70 do 140 cm. Kijki rzadko robione są z jednego gawałka materiału. Najczęściej robione są z 3 rurek o malejących średnicach (począwszy od rękojeści) od 16 do 12 mm.

Dodatkowo w skład kijka wchodzi rękojeść często wykonywana z korka, pasek nylonowy oraz ostry grot (zwykle wymienny) wykonany z materiału twardego i odpornego na ścieranie, którym najczęściej jest węglik wolframu.

2.       Charakterystyka warunków pracy:

Kijki poddawane są powtarzalnym obciążeniom, a okres powtarzalności zależy od prędkości przemieszczania się. Średnio może wynosić ok. 1,5 sekundy. Wartość obciążenia przypadająca na jeden kij zależy od wagi osoby używającej go oraz od techniki chodzenia, ale waha się w granicach 150 – 350 N.

Kijek powinien wykazywać wytrzymałość na rozciąganie a także na ściskanie na poziomie wystarczającym do codziennego użytkowania i poddawania go naprężeniom podczas chodu. Powinien także być odporny na lekkie uderzenia i nie wyginać się ani nie odkształcać. Z tego powodu min. Rm=100 MPa, a min. Re=150 MPa. Twardość na poziomie co najmniej 150 HB

Ścieraniu ulega jedynie grot kijka, który jest wykonywany z osobnego materiału, którym zwykle jest węglik wolframu. Z tego powodu danego czynnika nie bierzemy pod uwagę przy dobieraniu materiału na wykonanie naszego kijka.

Środowisko w jakim pracuje kij jest zróżnicowane. Wyrób musi być przystosowany do pracy zarówno w atmosferze wilgotnej jak i przemysłowej. Musi być odporny na działanie wody (korozję) oraz często występujących w niej zanieczyszczeń. Wybrany materiał powinien być jak najmniej aktywny chemicznie.

Zakres temperatur pracy wynosi od ok. -50 °C do +50°C

3.       Wymagania techniczne stawiane wyrobowi:

- sztywność, niezmienność kształtu

- odporność korozyjna w podanych warunkach pracy

- niezmienność właściwości w zakresie temperatur pracy

- mała masa wyrobu

- odporność na cykliczne naprężenia

- redukcja, tłumienie drgań

-niska cena wyrobu

             4.    Propozycja materiału i technologii wykona

- kije trekkingowe wytwarza się głównie z Aluminium 7075, tytanu lub kompozytu zawierającego od 20 do 50% włókien węglowych zatopionych w żywicy epoksydowej

          a) Tytan:

- Temperatura przemiany alotropowej wynosi 882°C, temperatura topnie­nia 1668°C i wrzenia 3260°C. Z tego powodu mamy pewność zachowania przez tytan swoich właściwości w zakresie temperatur pracy.

- Własności mechaniczne technicznie czystego tytanu są następujące: Rm = ok. 550 MPa, A10 = 27%. Właściwości te gwarantują ogólną wytrzymałość wyrobu oraz spełniają nasze wcześniejsze założenia o warunkach pracy.

- Tytan jest odporny na korozję atmosferyczną oraz w wodzie morskiej i kwasach organicznych. Nie jest odporny na działanie HF, H2SO4, HNO3. Nie utlenia się do temp. 200°C. Podane właściwości gwarantują odporność wyrobu na działalność środowiska.

- Cena kilograma tytanu wynosi około 9,7 zł, a więc plasuje się na średniej półce cenowej

- Moduł sprężystości wynosi E=100 GPa, co pozwala na spore tłumienie drgań wzdłuż osi kijka

- Tytan nadaje się do recyklingu

     b) Aluminium EN AW-7075:

Skład chemiczny aluminium EN AW-7075 i zastosowanie stopu:

   - Gęstość aluminium wynosi 2,81 g/cm3 co powoduje że wyrób jest lekki.

   - Moduł sprężystości wynosi E= 72 GPa, co pozwala na tłumienie drgań wzdłuż całego kijka (od   podłoża, aż po rękojeść)

   - Temperatura topnienia aluminium wynosi 660 °C, a więc nie ma obawy o zachwianie właściwości w temperaturach pracy

   - Wytrzymałość na rozciąganie Rm=275 MPa, a granica plastyczności Re=145 MPa, co pozwala na użycie tego materiału w naszym przypadku bez obawy o uszkodzenia i odkształcenia

   - Cena kilograma aluminium wynosi 2,7 zł, a więc jest stosunkowo mała

  - Aluminium ma dobrą odporność na utlenianie się (z powodu samorzutnej pasywacji, której ulega) oraz na działanie stężonego kwasu azotowego i suchych gazów takich jak amoniak, chlor, dwutlenek węgla i dwutlenek siarki. Jest za to nieodporne na działanie wodorotlenków potasu, sodu i wpania oraz kwasów beztlenowych (fluorowodorowego i solnego)

- Aluminium nadaje się do recyklingu

c)  włókno węglowe w osnowie z żywicy epoksydowej:

Kompozyty używane do wytwarzania kijów trekkingowych składają się z włókien węglowych zatopionych w osnowie z żywicy epoksydowej.

- Bardzo duża wytrzymałość włókien (Rm=900 MPa, Re=1200 MPa) w połączeniu z zaletami kompozytów w sprawie pękania w poprzek włókien (bardzo rozbudowany przełom pęknięcia - włókna pękają w swojej środkowej części) powoduje że nadają się doskonale do zastosowania w naszym wyrobie.

- Duża cena włókien węglowych (ok. 100 zł/kg) powoduje że mogą one być wykorzystane co najwyżej do wyrobów robionych na zamówienie lub przeznaczonych dla bogatszych klientów

- Mała gęstość 1,82 g/cm3 daje dużą przewagę włóknom węglowym przy wyborze materiału na kije trekkingowe

- Moduł sprężystości wynosi w zależności od rodzaju włókna ok. 90 GPa, co w połączeniu z kompozytową budową powoduje skuteczne tłumienie drgań

- Dobra odporność na wodę, na wpływy atmosferyczne, odporność na temperaturę do 120 °C oraz na różne czynniki chemiczne żywic epoksydowych daje wiele zalet w przypadku zastosowania kompozytów do wykonania kija trekkingowego

5. Zastosowanie metody właściwości ważonych do wyboru materiału