ГОСТ Р 55636-2013/ISO/TR 22676:2006 Протезирование. Испытание голеностопных узлов и узлов стоп. Руководство по применению условий нагружения при испытаниях по ИСО 22675 и конструкции используемого испытательного оборудования.

         

     ГОСТ Р 55636-2013

/ISO/TR 22676:2006*

__________________

* Поправка (ИУС N 2-2015).

 

 

      

     

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 ПРОТЕЗИРОВАНИЕ

 

 Испытание голеностопных узлов и узлов стоп. Руководство по применению условий нагружения при испытаниях по ИСО 22675 и конструкции используемого испытательного оборудования

 

 Prosthetics. Testing of ankle-foot devices and foot units. Guidance on the application of the test loading conditions of ISO 22675 and on the design of appropriate test equipment

ОКС 11.040.40

Дата введения 2015-01-01

 

      

     

 

 Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью "Энергия плюс" (ООО "Энергия плюс"), Федеральным государственным унитарным предприятием "Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия" (ФГУП "СТАНДАРТИНФОРМ") на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного документа, указанного в пункте 4

 

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 381 "Технические средства для инвалидов"

 

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 17 октября 2013 г. N 1174-ст

 

4 Настоящий стандарт идентичен международному документу ИСО/ТО 22676:2006* "Протезирование. Испытание голеностопных узлов и узлов стоп. Руководство по применению условий нагружения при испытаниях по ИСО 22675 и конструкции используемого испытательного оборудования" (ISO/TR 22676:2006 "Prosthetics - Testing of ankle-foot devices and foot units - Guidance on the application of the test loading conditions of ISO 22675 and on the design of appropriate test equipment")

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

 

           

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

 

           

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

 

ВНЕСЕНА поправка*, опубликованная в ИУС N 2, 2015 год

________________

     * См. ярлык "Примечания".

 

 

                

Поправка внесена изготовителем базы данных

     

 

 Предисловие к ИСО/ТО 22676:2006

Международная организация по стандартизации (ИСО) является всемирной федерацией национальных организаций по стандартизации (комитетов - членов ИСО). Разработка международных стандартов обычно осуществляется Техническими комитетами ИСО. Каждый комитет-член, заинтересованный в деятельности, для которой был создан Технический комитет, имеет право быть представленным в этом комитете. Международные правительственные и неправительственные организации, имеющие связи с ИСО, также принимают участие в работах. ИСО тесно взаимодействует с Международной электротехнической комиссией (МЭК) по всем вопросам стандартизации электротехники.

 

Проекты международных стандартов разрабатываются в соответствии с правилами Директив ИСО/МЭК, часть 2.

Основная задача Технических комитетов заключается в подготовке международных стандартов. Проекты международных стандартов, одобренные Техническими комитетами, направляются членам этого комитета на голосование. Для их публикации в качестве международного стандарта требуется одобрение не менее 75% членов комитета, принимавших участие в голосовании.

 

В исключительных случаях, когда Технический комитет имеет набор данных такого вида, который нельзя издать как обычный международный стандарт (например, "современное положение"), может быть принято решение простым большинством голосов ассоциированных членов издать Технический отчет. Технический отчет имеет полностью информативный характер и не может быть пересмотрен до тех пор, пока входящие в него данные не будут признаны неверными или бесполезными.

 

Следует обратить внимание на возможность наличия в настоящем стандарте некоторых элементов, которые могут быть объектом патентного права. ИСО не несет ответственности за идентификацию некоторых или всех таких патентных прав.

 

ИСО/ТО 22676 подготовлен Техническим комитетом ИСО/ТК 168 "Протезирование и ортезирование".

 

 

 Введение

Настоящий стандарт предназначен для использования исключительно в связи с ИСО 22675.

 

Настоящий стандарт представляет данные, тесно связанные с упомянутым выше международным стандартом, но не содержит обязательных требований для применения.

 

Для того чтобы ограничить объем ИСО 22675 до приемлемого, информация, носящая рекомендательный характер, была выделена из него и собрана в настоящем стандарте.

 

 

      1 Область применения

Настоящий стандарт представляет собой руководство:

 

a) по применению условий нагружения по ИСО 22675;

 

b) конструкции испытательного оборудования.

 

Аналитическая работа, связанная с этими положениями, увеличила бы объем ИСО 22675, не являясь непосредственно требуемой для его применения. Большая часть настоящего стандарта относится к теоретическим и техническим предпосылкам и конструкции оборудования

 

 

      2 Руководство по применению условий нагружения при испытаниях по ИСО 22675

 

 

      2.1 Общие положения

Хотя концепция испытаний голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 22675 отличается от соответствующих испытаний по ИСО 10328, основные значения нагрузок и размеров применены, где это возможно. Тем не менее, некоторая адаптация неизбежна.

 

Для того чтобы ограничить объем ИСО 22675 до приемлемого, эти и другие материалы, важные для применения условий нагружения и уровней нагрузок по ИСО 22675, подробно приведены в настоящем стандарте.

 

 

      2.2 Направления статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка

Примечание - По поводу понятия "базовый" см. "ВАЖНО" в конце 2.4.1 и 2.4.2.

 

2.2.1 Основные соотношения и условия

 

Определение направлений статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка основано на соотношениях перечисления а) и условиях перечислений b) и с), приведенных ниже.

 

а) Согласно рисунку 1 в любой момент нагружения, показанный на рисунке 2, существует соотношение между испытательной силой
и силами, воздействующими на платформу стопы, включая тангенциальную (
) составляющую силу
, перпендикулярную составляющую силу
и их результирующую
. Это соотношение определяется углами
,
и
.
 

Используют следующие формулы:

 

;                                                            (1)
 

     

.                                                  (2)
 
b) Значения углов наклона платформы стопы
и
для статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка согласуются с теми, которые установлены в ИСО 10328 для дополнительных испытаний голеностопных узлов и узлов стоп. Эти значения равны
-15° для нагружения пятки и
20° для нагружения носка (см. ИСО 10328:2006, подраздел 17.2, таблица 10 и рисунок 7, и ИСО 22675:2006, таблица 8).
 
c) Отношение
тангенциальной и перпендикулярной составляющих сил, воздействующих на платформу стопы согласно рисункам 1 и 2, при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка при углах наклона, соответствующих перечислению b), приблизительно равно ±0,15.
 

Примечание - Отношение, приведенное в перечислении с), основано на анализе данных походки при нормальной темпе ходьбы.

 

2.2.2 Направления действия результирующих базовых сил
и
 
Соотношения 2.2.1, перечисление а), и условия 2.2.1, перечисления b) и с), позволяют определить наклон линий действия результирующих базовых сил
и
при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка следующим образом:
 
- из формулы (2) и условия 2.2.1, перечисление с),
±8,5°;
 
- из формулы (1) и условия 2.2.1, перечисление b),
-15°+8,5°=-6,5° и
20°-8,5°=11,5°.
 
Наклон линий нагружения при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328 не соответствует этим значениям, что и показывают следующие вычисления. Наклон их проекции на плоскость
определен формулой (3).
 
                                      (3)
 
Точные значения
, вычисленные по координатам
и
, установленные для уровня нагрузки
(см. ИСО 10328:2006, таблицы 5 и 6) равны
-11,31 ° и
6,52°. Вместе со значениями
-3,69° и
13,48°, вычисленными с использованием формулы (1), и значением
согласно 2.2.1, перечисление b), они определяют отношение горизонтальной и вертикальной сил реакции опоры
 
,                                                 (4)
 
которое дает значения
-0,064 и
0,24, существенно отличающиеся от отношения согласно 2.2.1, перечисление с).
 
Для того чтобы приблизиться к условиям, проиллюстрированным на рисунках 1 и 2, наклон линий действия результирующих базовых сил
и
при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка по ISO 22675 должен определяться значениями углов
и
, наиболее близкими к значениям, вычисленным выше.
 

Это было принято во внимание при выборе полного набора параметров, требуемых для определения условий нагружения при испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 22675.

 

На рисунке 3 проиллюстрированы профили (кривые) сил
,
,
и
, так же как и профили (кривые) углов
,
и
как функции времени в фазе опоры.
 
При этом очевидно, что значения углов
и
при статических базовых нагружениях пятки или максимальном циклическом базовом нагружении пятки через 150 мс после момента контакта пятки (
-6,18°;
-8,82°) и при статических базовых нагружениях носка или максимальном циклическом базовом нагружении носка через 450 мс после момента контакта пятки (
11,14°;
8,86°) близки к значениям углов
,
и
, вычисленным выше (
-6,5°;
11,5° и
±8,5°).
 

Основанные на этих данных направления статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка согласно ИСО 22675, могут быть частично определены как:

 

- направление статических и максимального циклического базовых нагружений пятки - прямая линия, наклоненная к оси
под углом
-6,18°;
 
- направление статических и максимального циклического базовых нагружений носка - прямая линия, наклоненная к оси
под углом
11,14°.
 
Примечание - Углы
и
определяют только наклон относительно оси
линий действия результирующих базовых сил
и
при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка по ИСО 22675. Для того чтобы определить их положение, должны быть установлены дополнительные параметры, например координаты конкретных базовых точек, через которые они проходят.
 
Разные условия нагружения, применяемые или специально приспособленные при испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп, установленные в ИСО 10328 и ИСО 22675, проиллюстрированы на рисунке 4 для уровня нагрузки
. Этот рисунок иллюстрирует:
 
1) условия нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328 (их проекция на плоскость
);
 

2) условия нагружения при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328;

 

3) направления статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка при испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 22675.

 

Направления статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка при испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 22675 установлены в декартовых координатах, как и при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328.

 

Для соответствия уровню нагрузки
линии действия результирующих базовых сил
и
статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка по ИСО 22675 имеют те же самые смещения
, что и при условиях нагружения I и II по ИСО 10328 (см. рисунок 4).
 
Вместе со значениями смещений
для уровня нагрузки
, установленными в ИСО 10328:2006, таблица 6, упомянутые выше требования позволяют полностью определить направления статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка по ИСО 22675 при уровне нагрузки
следующим образом:
 
- направление статических и максимального циклического базовых нагружений пятки при уровне нагрузки
определяется как прямая линия, которая проходит через уровень голеностопного узла при
-32 мм, наклоненная к оси
под углом
-6,18°;
 
- направление статических и максимального циклического базовых нагружений носка при уровне нагрузки
определяется как прямая линия, которая проходит через уровень голеностопного узла при
120 мм, наклоненная к оси
под углом
11,14°.
 
2.2.3 Положение верхней точки приложения нагрузки
 

Примечание 1 - Приведенные ниже данные - в соответствии с ИСО 22675:2006 (раздел 6 и рисунок 1).

 

Для испытаний голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 22675 верхней точкой приложения нагрузки
является точка пересечения
линий действия результирующих базовых сил
и
статических и максимального циклического базовых нагружениий пятки и носка, определенных в 2.2.2.
 
Координаты
и
верхней точки приложения нагрузки
вычислены, прежде всего, путем определения функций
и
на этих линиях действия из формулы (5)
 
                                             (5)
 
и затем определением точки их пересечения
подстановкой
.
 

Этот метод приводит к следующим результатам:

 

- функции на линиях действия результирующих базовых сил
и
равны
и
;
 
- точка их пересечения расположена в точке
(
22;
578).
 
Метод определения функций
и
на линиях действия результирующих базовых сил
и
и точки их пересечения
относится к уровню нагрузок
. Для того чтобы применить этот метод к уровням нагрузок
и
, необходимы изменения отдельных смещений
, как описано ниже.
 
Согласно ИСО 10328:2006, подпункт 10.1.2.1, "Для основных испытаний на прочность образцов протезных устройств с неразъемной конструкцией голеностопного узла или узла стопы [...], размер отобранного узла стопы должен обеспечивать приложение нагрузки и суммарное нижнее смещение
, установленное для испытания...".
 
Примечание 2 - Суммарное нижнее смещение
определяет расстояние от оси
до точки приложения нагрузки
к носку.
 
Выбор надлежащего размера стопы, обеспечивающего надлежащее расстояние от оси
до нижней точки приложения нагрузки
к носку, определяет также надлежащее расстояние от оси
до нижней точки приложения нагрузки
к пятке.
 
Принимая стандартные пропорции для разных размеров ноги, значения
и
должны показывать подобное соотношение. Однако согласно данным, установленным в ИСО 10328:2006, таблице 7, это не так. В то время как значения
уменьшаются от уровня нагрузки
к уровню нагрузки
, как и следует ожидать, соответствующие значения
имеют противоположную тенденцию. (Следовательно, для уровней нагрузки
и
нижняя точка приложения нагрузки
при условии нагружения I, вероятней всего расположена вне области пятки голеностопного узла или узла стопы, имеющего размер стопы, который обеспечивает надлежащее суммарное смещение
до точки приложения нагрузки
к носку).
 
В принципе, то же применимо к значениям смещений
;
и
;
.
 
Для определения условий базового нагружения при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка по ISO 22675 примененные значения смещений
и
, отмеченные индексами "1" и "2", могут быть установлены из следующих условий, которые принимают во внимание компоновки, описанные в 2.2.2 и изображенные на рисунке 4.
 
Примечание 3 - Смещения
и
при уровне нагрузки
и смещение
при уровнях
по ИСО 10328:2006 должны быть использованы как
и
при
и
при
без адаптации их значений.
 
;        (6)
 

     

;                                 (7)
 

     

;                                 (8)
 

     

, (9)
 
используя формулу (6)
и
,
 
используя формулу (7)
,
 
используя формулу (8)
или
,
 
используя формулу (9)
или
, давая
и
.
 
Так как желательно, чтобы при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка отношение
тангенциальной и перпендикулярной составляющих силы (см. 2.2.1) было одинаково для всех уровней нагрузки, наклон линий действия результирующих базовых сил
и
, определенный углами
-6,18° и
11,14° (см. 2.2.2), также должен быть одинаков для всех уровней нагрузки.
 
Точка пересечения
линий действия результирующих базовых сил
и
для конкретных смещений
, относящихся к уровням нагрузки
и
, изображеная на рисунке 5 в стиле, примененном на рисунке 4, тем не менее, может быть вычислена тем же образом, что описано выше для уровня нагрузки
, используя функции, определенные по формуле (5), с измененными координатами, полученными путем параллельного переноса, заданного разностями
 
для
и
для
.
 

В результате координаты точки пересечения
равны
 
(
21;
554).
 
Разные положения точки пересечения
линий действия результирующих базовых сил
и
, определенных выше, зависят от размера узла стопы, определяемого длиной узла стопы
, в большей степени, чем от уровня нагрузки. Это может быть продемонстрировано следующим образом.
 
Снова принимая стандартные пропорции для разных размеров ноги, значения
,
или (
), как следует ожидать, продемонстрируют пропорциональную зависимость от размера узла стопы.
 
Действительно, изменение
и
координат
при
115/120 раз дает то же самое положение
, как вычислено выше.
 
Для уровня нагрузки
при условии нагружения II самый подходящий размер узла стопы, указанный в ИСО 10328:2006, подпункт 10.1.2.1, на который ссылаются выше, является 26 размер (длина узла стопы
26 см).
 
Следовательно, самый подходящий размер узла стопы для этого условия при уровнях нагрузки
и
должен быть 26 размера, масштабированный с коэффициентами
или
, что дает одинаковый результат (0,96), при 25 размере (длина узла стопы
25 см).
 
Из этого соотношения важно понять, что прямые, проведенные из точек пересечения
или
в точки
и
или
и
на оси
, определяют подобные базовые треугольники (см. рисунок 5).
 
Так как отношение смещение
/длина узла стопы
одинаково для обоих размеров узла стопы, треугольники, образованные прямыми, проведенными через точки пересечения
и
в точки оси
, заданные задней кромкой пятки и точкой на стопе, соответствующей размеру ноги 26 (длина узла стопы
26 см) и 25 (длина узла стопы
25 см), должны быть подобны (см. рисунок 6).
 
Зависимость положения точки пересечения
линий действия результирующих базовых сил
и
от длины узла стопы
, описанная выше, была установлена исходя из концепции испытаний ИСО 22675 следующим образом:
 
- точка пересечения
линий действия результирующих базовых сил
и
при статических и максимальном циклическом базовых нагружениях пятки и носка отождествляется с верхней точкой приложения нагрузки
. Где это уместно, зависимость положения верхней точки приложения нагрузки
от длины узла стопы
указывается дополнительным индексом "
" в виде
. В соответствующих местах индекс "
" заменен конкретными значениями;
 
- координаты
и
, определяющие положение верхней точки приложения нагрузки
, определены в ИСО 22675:2006, таблица 7, для широкого диапазона значений узла стопы
. Кроме того, эта таблица включает в себя формулы, которые определяют эти координаты для любой другой длины узла стопы;
 

- как изображено на рисунке 6, соотношение сторон базового треугольника, описанное выше, применимо для всех размеров стопы, независимо от уровня нагрузки. В принципе, это позволяет проводить испытания голеностопных узлов и узлов стоп при любых заданных уровнях нагрузки.

 

Для разных длин ног
, расположенных в системе координат, как это изображено на рисунке 6, соответствующие верхние точки приложения нагрузки
расположены на прямой, направленной в начало системы координат. Расстояние
между точками приложения нагрузки
при двух последовательных значениях длины узла стопы
имеет фиксированное значение, определенное формулой
 
                                        (10)
 
что дает значение
22,2.
 

      2.3 Значения статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка

Определение значений статических и максимального циклического базовых нагружений пятки и носка основано на следующих общих соображениях.

 

Конкретные значения
и
результирующих базовых сил
и
(см. рисунок 1) согласуются с соответствующими значениями
и
испытательных сил
и
, установленных в ИСО 10328:2006 для дополнительных испытаний голеностопных узлов и узлов стоп (см. ИСО 10328:2006, таблицы 11 и D.3). Конкретные значения
и
результирующих базовых сил
и
приведены в таблице 1.
 
Таблица 1 - Значения результирующих базовых сил
и
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результирующая сила
,
 
Соответствующие результирующим базовым силам
,
настоящего стандарта испытательные силы
и
при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп, установленные в ИСО 10328 (см. ИСО 10328, таблицы 11 и D.3)
 

 

 

Обозначение

Значения
и
при нагружении пятки и носка для уровня нагрузки
 

 

 

 

 

 
 
 
 

 

 

 

 

Пятка

Носок

Пятка

Носок

Пятка

Носок

Пятка

Носок

 

 

 

 

Н

 
 

2800

-

2240

-

2065

-

1610

-

 
 

-

2800

-

2240

-

2065

-

1610

 
 

4200

-

3360

-

3098

-

2415

-

 
 

-

4200

-

3360

-

3098

-

2415

 
 

5600

-

4480

-

4130

-

3220

-

 
 

-

5600

-

4480

-

4130

-

3220

 
 

1600

-

1280

-

1180

-

920

-

 
 

-

1600

-

1280

-

1180

-

920

 
 

2800

-

2240

-

2065

-

1610

-

 
 

-

2800

-

2240

-

2065

-

1610

 

Конкретные значения
и
испытательных сил
и
, связанные со значениями
и
результирующих базовых сил
и
(см. рисунок 1), определяются следующей формулой, выведенной из соотношения, описанного в 2.2.1, перечисление а):
 
                                          (11)
 
Конкретные значения
и
испытательных сил
и
, вычисленные с использованием формулы (11) для
-6,18° и
11,14° (см. 2.2.2), приведены в ИСО 22675:2006 (таблицы 9 и С.2 приложения С).
 

      2.4 Условия базового нагружения при статических и циклическом испытаниях

2.4.1 Статические испытания

 

Согласно утверждениям, приведенным в 2.2 и 2.3, условия базового нагружения при статических (и максимальном циклическом; см. примечание) нагружениях пятки и носка по ИСО 22675 определены параметрами, указанными в перечислениях а)-d) (по поводу понятия "базовый" см. ВАЖНО):

 

a) положение верхней точки приложения нагрузки
определено координатами
и
, соответствующими длине узла стопы
испытываемого образца (см. 2.2.3); они заданы как смещения
и
в ИСО 22675, таблица 7;
 
b) направление линий действия результирующих базовых сил
и
определено координатами верхней точки приложения нагрузки
[см. перечисление а)] и их наклоном к оси
, определяемым углами
-6,18° и
11,14° (см. 2.2.2);
 
c) значения результирующих базовых сил
и
, установленные в таблице 1, и соответствующих испытательных сил
и
, прикладываемых в верхней точке приложения нагрузки
[см. перечисление а)], как это показано на рисунке 1, определены формулой (11) при
-6,18° и
11,14°. Они установлены в ИСО 22675:2006, таблица 9;
 
d) углы наклона
-15° и
20° платформы стопы при статических (и максимальном циклическом; см. примечание) нагружении пятки и носка. Они установлены в ИСО 22675:2006, таблица 8.
 
Важно
- Наклон линий действия результирующих базовых сил
и
к оси
, указанный в перечислении b), соответствует только условиям базового нагружения при статических (и циклическом; см. примечание) испытаниях, так как общая концепция испытаний по ИСО 22675 позволяет выявить для каждого образца голеностопного узла или узла стопы индивидуальные характеристики при нагрузке, соответствующей его индивидуальной конструкции.
 
Это автоматически определяет индивидуальное положение нижней точки приложения нагрузки
к пятке или
к носку испытываемого образца (с индивидуальным наклоном линии нагружения), соотнося наклон платформы стопы при
или
[см. перечисление d)] и индивидуальное значение результирующей базовой силы
или
.
 
По этой причине конфигурация испытательного оборудования при подготовке нагружения [см. ИСО 22675:2006, пункт 16.1.1, перечисление а)] определяется только положением верхней точки приложения нагрузки
при соответствующей длине узла стопы
испытываемого образца согласно перечислению а) и углами наклона
и
платформы стопы согласно перечислению d).
 

Примечание - Ссылки (в круглых скобках) на циклические испытания принимают во внимание тот факт, что линейные и угловые размеры, определяющие условия базового нагружения при статических нагружениях пятки и носка идентичны тем, что определяют условия базового нагружения при максимальном циклическом нагружении пятки и носка [см. 2.4.2, перечисление а)].

 

2.4.2 Циклическое испытание

 

Согласно утверждениям 2.2 и 2.3 условия базового нагружения при циклическом нагружении по ИСО 22675 определены параметрами, приведенными в перечислениях а) и b). (Понятие "базовый" в перечислении а) - см. ВАЖНО в 2.4.1, а понятие "базовый" в перечислении b) - см. ВАЖНО в настоящем пункте).

 

a) Условия базового нагружения при максимальном циклическом нагружении пятки и носка определены теми же самыми линейными и угловыми размерами, что и условия базового нагружения при статическом нагружении пятки и носка (см. 2.4.1).

 

b) Условия базового нагружения при повторяющемся поступательном нагружении от момента контакта пятки до отрыва носка определены параметрами, приведенными в перечислениях 1)-4):

 

1) положение верхней точки приложения нагрузки
[см. 2.4.1, перечисление а)];
 
2) изменение направления результирующей силы
, характеризуемое последовательностью мгновенных направлений линии ее действия, определенных координатами верхней точки приложения нагрузки
[см. 2.4.1, перечисление а)] и наклоном линии действия этой силы к оси
при соответствующих мгновенных значениях угла
(см. рисунки 1 и 3).
 
На рисунке 7 проиллюстрировано изменение линии действия результирующей силы
от момента контакта пятки до момента отрыва носка с шагом дискретности 30 мс при соответствующих мгновенных значениях угла
, показанных на рисунке 3;
 
3) профиль (кривая) циклической испытательной силы
, приложенной к верхней точке приложения нагрузки
[см. 2.4.1, перечисление а)], как показано на рисунке 1, как функции времени
, как показано в ИСО 22675, рисунки 3 и 6, или как функции угла наклона платформы стопы
, как показано в ИСО 22675 (рисунок 7). Мгновенные значения
определены формулой (11), для соответствующих мгновенных значений результирующей силы
и угла
(см. рисунки 1 и 3).
 
Описание и определение профиля испытательной силы
или
, прежде всего, основаны на значениях
(1-й максимум профиля нагружения),
(средний минимум профиля нагружения) и
(2-й максимум), установленных в ИСО 22675, таблица 9.
 
Дополнительные указания по описанию и определению профиля испытательной силы
приведены в ИСО 22675 (рисунок 3, таблицы 10 и 11, а также формула (4) подпункта 13.4.2.9);
 
4) профиль (кривая) угла наклона платформы стопы
, определяющий ее периодические колебания в пределах диапазона минус 20°
плюс 40°, определен для периода времени от момента контакта пятки до момента отрыва носка (см. рисунок 3).
 
Описание и определение профиля угла наклона
платформы стопы, прежде всего, основано на значениях
-15° (момент 1-го максимума
профиля нагружения),
0° (момент среднего минимума
профиля нагружения) и
20° (момент 2-го максимума
профиля нагружения), установленных в ИСО 22675:2006, таблица 8.
 
Дополнительные указания по описанию и определению профиля угла наклона
приведены в ИСО 22675:2006 [таблица 11 и формула (3) подпункта 13.4.2.8].
 

Важно
- Изменение линий действия результирующей силы
, указанное в перечислении b) 2), имеет отношение только к условиям базового нагружения при циклическом испытании, так как общая концепция испытаний по ИСО 22675 позволяет выявить для каждого образца голеностопного узла или узла стопы индивидуальные характеристики при нагрузках, соответствующих их индивидуальной конструкции.
 
Это автоматически определяет индивидуальное положение нижней точки приложения нагрузки
к узлу стопы испытываемого образца, соотнося угол наклона
платформы стопы, индивидуальный наклон и значение результирующей силы
.
 
По этой причине конфигурация оборудования при подготовке нагружения [см. ИСО 22675, пункт 16.1.1, пречисление b)] определяется только положением верхней точки приложения нагрузки
при соответствующей длине узла стопы
испытываемого образца согласно перечислению b) 1) и соответствующим начальным наклоном платформы стопы. [Согласно ИСО 22675:2006, пункт 16.1.1, пречисление b) 3), соответствующий начальный наклон платформы стопы определен углом наклона
0°, соответствующим моменту среднего минимума
профиля нагружения].
 
 

    

1
- платформа стопы;
,
- оси системы координат;
- верхняя точка приложения нагрузки;
- испытательная сила;
- результирующая сила;
- угол наклона платформы стопы;
- составляющая силы, перпендикулярная к платформе стопы;
- тангенциальная составляющая силы, воздействующая на платформу стопы;
- составляющая силы, перпендикулярная линии приложения испытательной силы
;
- угол наклона к оси
линии действия результирующей силы
;
- угол между результирующей силой
и составляющей силы
, определяющий отношение
 

     

Рисунок 1 - Иллюстрация различных составляющих нагрузки

     

    

 

Примечание - Период нагружения 600 мс соответствует среднему времени фазы опоры при типичном цикле ходьбы продолжительностью 1 с (остальное время 400 мс цикла ходьбы соответствует фазе переноса).

 

1
- составляющая силы
, перпендикулярная к платформе стопы;
2
- тангенциальная составляющая силы
, воздействующая на платформу стопы;
3
- угол наклона
платформы стопы;
- время нагружения, мс;
- силы, Н;
- углы, °
 

     

Рисунок 2 - Профили (кривые) составляющих силы и угла наклона для уровня нагрузки
, основанные на анализе типичных данных при нормальной ходьбе
 

     

    

 

Примечание - Период нагружения 600 мс соответствует среднему времени фазы опоры при типичном цикле ходьбы продолжительностью 1 с (остальное время 400 мс цикла ходьбы соответствует фазе переноса).

 

1
- составляющая силы
, перпендикулярная к платформе стопы;
2
- тангенциальная составляющая силы
, воздействующая на платформу стопы;
3
- результирующая сила
;
4
- испытательная сила
;
5
- угол наклона
платформы стопы;
6
- угол
между результирующей силой
и осью
;
7
- угол
между результирующей силой
и составляющей силы
;
- время нагружения, мс;
- сила, Н;
- углы, °
 

     

Рисунок 3 - Профили (кривые) составляющих сил и углов наклона для уровня нагрузки
, являющиеся основой для определения условий нагружения по ИСО 22675
 

     

    

 

   

,
- оси системы координат;
- действительный центр коленного узла;
- действительный центр голеностопного узла;
- длина узла стопы; I, II - направления нагружения при условиях нагружения I (нагружение пятки) и II (нагружение носка) при основных испытаниях по ИСО 10328;
,
- направления нагружения пятки (
) и носка (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328;
1, 2
- направления статических и максимального циклического нагружений пятки (
1
) и носка (
2
) по ИСО 22675:2006;
- точка пересечения линий нагружения при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328;
- точка пересечения линий нагружения пятки (
) и носка (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328:2006;
- точка пересечения линий действия при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) и носка (
2
) по ИСО 22675:2006;
- базовые точки приложения нагрузки в коленном узле при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) и носка (
2
) по ИСО 22675:2006;
- нижние точки приложения нагрузки при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328;
- нижние точки приложения нагрузки к пятке (
) и носку (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328:2006;
- нижние точки приложения нагрузки при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) и носка (
2
) по ИСО 22675:2006
 
Рисунок 4 - Иллюстрация различных условий нагружения при уровне нагрузки
 

     

    

 

   

,
- оси системы координат;
- действительный центр коленного узла;
- действительный центр голеностопного узла;
- длина узла стопы;
- направления при условии нагружения I (нагружение пятки) при основных испытаниях по ISO 10328 для уровней нагрузки
,
и
в зависимости от индекса;
- направления при условии нагружения II (нагружение носка) при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- направления нагружения пятки (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- направления нагружения носка (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- направления статических и максимального циклического нагружений пятки (
1
) по ИСО 22675 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- направления статических и максимального циклического нагружений носка (
2
) по ИСО 22675 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- точка пересечения линий нагружения при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- точка пересечения линий нагружения пятки (
) и носка (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- точка пересечения линий действия при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) и носка (
2
) по ИСО 22675:2006 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- базовые точки приложения нагрузки в коленном узле при условиях нагружения I при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
,
в зависимости от индекса;
- базовые точки приложения нагрузки в коленном узле при условиях нагружения II при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при условиях нагружения I при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
,
в зависимости от индекса;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при условиях нагружения II при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) по ИСО 22675 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при статических и максимальном циклическом нагружениях носка (
2
) по ИСО 22675 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- нижние точки приложения нагрузки при условиях нагружения I при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
,
в зависимости от индекса;
- нижние точки приложения нагрузки при условиях нагружения II при основных испытаниях по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- нижние точки приложения нагрузки к пятке (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- нижние точки приложения нагрузки к носку (
) при дополнительных испытаниях голеностопных узлов и узлов стоп по ИСО 10328 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- нижние точки приложения нагрузки при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) по ИСО 22675:2006 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса;
- нижние точки приложения нагрузки при статических и максимальном циклическом нагружениях носка (
2
) по ИСО 22675:2006 для уровней нагрузки
,
в зависимости от индекса.
 

     

Рисунок 5 - Иллюстрация различных условий нагружения при уровнях нагрузки
,
и
 

     

     

Размеры в сантиметрах

     

    

 

   

В обозначении верхних точек приложения нагрузки указана длина узла стопы
.
 
Пример -
для
26 см.
 
1
- схематическое изображение стопы;
,
- оси системы координат;
- действительный центр коленного узла;
- действительный центр голеностопного узла
 

     

Рисунок 6 - Иллюстрация зависимости положения верхней точки приложения нагрузки
от длины узла стопы
(см. 2.2.3)
 

     

    

 

    

,
- оси системы координат;
- верхняя точка приложения нагрузки;
- действительный центр коленного узла;
- действительный центр голеностопного узла;
- длина узла стопы;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при условиях нагружения I и II при основных испытаниях по ИСО 10328;
- базовые точки приложения нагрузки в голеностопном узле при статических и максимальном циклическом нагружениях пятки (
1
) и носка (
2
) по ИСО 22675:2006;
- 1-й максимум результирующей силы
, обозначенный как результирующая базовая сила
;
- средний минимум результирующей силы
;
- 2-й максимум результирующей силы
, обозначенный как результирующая базовая сила
;
- мгновенные направления действия результирующей силы
с шагом дискретности 30 мс
 

     

Рисунок 7 - Иллюстрация изменения направления действия результирующей силы
от момента контакта пятки до отрыва носка стопы с шагом дискретности 30 мс при соответствующих значениях угла
, показанных на рисунке 3
 

        

 

 

      3 Руководство по конструкции соответствующего испытательного оборудования, применяемого по ИСО 22675

 

 

      3.1 Основное положение

Руководство по конструкции испытательного оборудования, предложенной в настоящем стандарте, основано на математическом и графическом анализе различных представляющих интерес ситуаций. Что касается физических характеристик голеностопных узлов или узлов стоп, этот анализ основан на упрощенных моделях стопы. Однако это не уменьшает значимость полученных данных, поскольку все они в принципе применимы к соответствующим конструкциям с реальными голеностоными узлами и узлами стоп.

 

Предлагаемое руководство закладывает основу, которая может быть применена при размышлениях и принятии решений по поводу универсальных требований к конструкции необходимого испытательного оборудования, для того чтобы оптимизировать условия сопоставимости результатов испытаний, полученных в различных случаях.

 

 

      3.2 Основная конструкция испытательного оборудования

На рисунке 8 проиллюстрированы требования к основной конструкции испытательного оборудования при проведении циклического нагружения в соответствии с требованиями ИСО 22675:2006, пункт 13.4.2, которые характеризуются следующими свойствами:

 

a) испытательная сила
или
прикладывается с помощью силового привода к верхней части испытываемого образца. Приложение силы может быть выполнено непосредственно или опосредованно в зависимости от монтажа дополнительных компонентов между силовым приводом и испытываемым образцом, например:
 

- аксиальная направляющая, используемая для защиты силового привода от сил и моментов в поперечном направлении или от вращающего момента относительно оси привода;

 

- нагрузочный модуль, необходимый для контроля над приводом;

 

b) испытываемый образец устанавливают в испытательное оборудование таким образом, чтобы исключить возможность углового перемещения образца при типичных изменениях в фазе опоры при ходьбе от момента контакта пятки до момента отрыва носка;

 

c) взамен этого, угловое перемещение моделируется возможностью наклона платформы стопы относительно поперечной оси в направлении движения испытываемого образца. На рисунке 9 продемонстрирован один из способов осуществления наклона платформы стопы с помощью кривошипно-шатунного механизма. Определенный заданный профиль (кривая) угла наклона
(см. ИСО 22675:2006, подпункт 13.4.2.4, таблица 11 и рисунок 6) может быть получен за счет соответствующих размеров:
 

- длины консоли, фиксирующей платформу стопы;

 

- положения оси коленвала относительно оси наклона
платформы стопы;
 

- длины плеча кривошипа;

 

- длины подвижного штока.

 

 

     

1
- область возможного расположения других концевых креплений в зависимости от длины узла стопы;
2
- пример подходящего средства для упругого сопротивления смещению узла стопы в плоскости
во время фазы отрыва образца для обеспечения правильного положения узла стопы при контакте с платформой стопы при следующем цикле нагружения (соответствующие средства для сопротивления смещению в плоскости, перпендикулярной плоскости
, и относительно продольной оси образца не показаны);
3
- брусок под пятку рекомендованной высоты каблука
с особой формой верхней поверхности для обеспечения плавного перехода к носку;
4
- наклоняющаяся платформа стопы либо с фиксированными значениями углов наклона
и
, установленными для статического нагружения пятки и носка, либо с периодически изменяющимся углом наклона
в диапазоне, установленном для поступательного нагружения пятки и носка от момента контакта пятки до момента отрыва носка;
5
- устройство для фиксации платформы стопы при значениях углов наклона
и
, установленных для статического нагружения пятки и носка (вариант);
- испытательная сила
или
,
или
,
;
- подъемная сила для поднятия образца с платформы стопы в период, соответствующий фазе переноса при ходьбе;
- верхняя точка приложения нагрузки, вокруг которой допускается поворот образца относительно каждой из трех пространственных осей;
- действительный центр коленного узла;
- действительный центр голеностопного узла;
- ось наклона платформы стопы
 

     

Рисунок 8 - Схематическое изображение испытательного оборудования с испытываемым образцом

     

    

 
Горизонтальное расстояние между осью наклона платфрормы стопы
и осью коленвала (5).
 
Вертикальное расстояние между осью наклона платфрормы стопы
и осью коленвала (5)
 
1
- платформа стопы;
2
- консоль;
3
- подвижный шток;
4
- плечо кровошипа;
5
- ось коленвала;
- ось наклона платформы стопы
 

     

Рисунок 9 - Параметры кривошипно-шатунного механизма, перемещающего платформу стопы испытательного оборудования, воспроизводящего профиль (кривую)
 

Испытательное оборудование, способное создавать циклическое нагружение в соответствии с требованиями ИСО 22675:2006, пункт 13.4.2, должно также быть способно производить статическое нагружение пятки и носка в соответствии с требованиями ИСО 22675:2006, пункт 13.4.1, что зависит от его конструкции.

 

Эта способность, например, особенно интересна, если заключительные статические испытания при проверочном уровне нагрузки, следующие после успешно завершенного циклического испытания (см. ИСО 22675:2006, подраздел 16.4), подразумевают их проведение на том же самом оборудовании, на котором было проведено циклическое испытание.

 

В этом случае рекомендуется обеспечить возможность фиксации платформы стопы в положениях статического нагружения пятки и носка при углах наклона
и
(см. ИСО 22675:2006, таблица 8), для того чтобы облегчить их установку и избежать перегрузки механизма углового перемещения (см. рисунок 8).
 

      3.3 Варианты конструкций в зависимости от применяемой нагрузки

3.3.1 Общие положения

 

Обсуждены два варианта конструкции в зависимости от применяемой нагрузки. Они кратко описаны в 3.3.2 и 3.3.3 как варианты конструкций
и
.
 
В настоящем стандарте предпочтение отдается варианту конструкции
, который удачно сочетает преимущества и недостатки по отношению к варианту
, обозначенные в 3.3.4, 3.4-3.7 и 3.9.
 
3.3.2 Вариант конструкции
 
Испытательная сила
прикладывается в направлении, параллельном оси
, с помощью силового привода, закрепленного на основной структуре испытательного оборудования.
 
Верхняя точка приложения нагрузки
испытываемого образца непосредственно или опосредовано (см. примечание) соприкасается с подвижной частью силового привода (например, штоком поршня гидравлической системы) посредством соединительного устройства, обеспечивающего, по крайней мере, одну степень свободы для того, чтобы обеспечить свободное угловое перемещение испытываемого образца в плоскости
, вызванное наложением эффектов вследствие наклона платформы стопы и нагружения испытательной силой
(см. утверждение ниже), и исключить передачу
изгибающих моментов.
 
Вторая степень свободы должна обеспечивать свободное угловое перемещение испытываемого образца в направлении, перпендикулярном к плоскости
, и исключать передачу
изгибающих моментов, а третья степень свободы должна обеспечивать свободное вращение вокруг оси механического привода и исключать передачу вращательного момента.
 

Примечание - Для приводов, чувствительных к поперечным относительно направления действия силам или моментам, или вращающим моментам относительно оси воздействия, могут понадобиться направляющие для предотвращения таких воздействий нагрузки, которые монтируются между приводом и испытываемым образцом. Кроме того, датчик усилий, необходимый для управления привода, лучше всего устанавливать между приводом и направляющей.

 

3.3.3 Вариант конструкции
 
Испытательная сила
прикладывается с помощью механического привода, способного наклоняться относительно основной конструкции испытательного оборудования относительно оси, параллельной оси наклона
платформы стопы, находящейся в положении
, соответствующем верхней точке приложения нагрузки в нейтральном положении испытываемого образца, то есть с установленным нулевым углом наклона
платформы стопы.
 
Испытываемый образец непосредственно или опосредовано (см. примечание 3.3.2) жестко соприкасается с подвижной частью силового привода (например, штоком поршня гидравлической системы) таким образом, что подвижная часть представляет собой элемент концевого крепления переменной длины относительно верхней точки приложения нагрузки
.
 
Ось наклона привода обеспечивает свободное угловое перемещение испытываемого образца в плоскости
и исключает передачу
изгибающих моментов [за исключением тех, которые возникают в результате эффектов, указанных в 3.3.4, перечисление b) 2) и примечании].
 
Вторая и третья степени свободы должны обеспечивать любые соответствующие расположения для целей, указанных в 3.3.2 варианта конструкции
.
 
3.3.4 Основные различия между вариантами конструкций
и
 
Основные различия между вариантами конструкций
и
, вкратце описанные в 3.3.2 и 3.3.3, перечислены ниже (см. также 3.7 и рисунки 20 и 21).
 
a) Для расстояния
верхней точки приложения нагрузки
от оси
, которое имеет первостепенное значение при установке испытываемого образца, применимо следующее:
 
для варианта конструкции
это расстояние не меняется на протяжении цикла нагружения от момента контакта пятки до момента отрыва носка стопы;
 
для варианта конструкции
это расстояние изменяется по мере подъема испытываемого образца из-за наложения влияния соответствующих значений угла наклона платформы стопы и приложенной испытательной силы
.
 

b) Для ориентации механического привода применяют следующее:

 

1) для варианта конструкции
ориентация привода параллельно оси
не меняется на протяжении цикла нагружения от момента контакта пятки до момента отрыва носка;
 
2) для варианта конструкции
механический привод наклонен под углом
, что вызывает дополнительные отклонения при заданных условиях нагружения (см. 3.7) и может вызвать эффект инерции, зависящий от значения углового ускорения, общей массы всех наклоненных частей и положения центра тяжести относительно положения верхней точки приложения нагрузки
(см. также примечание).
 
Примечание - Если центр тяжести общей массы смонтированого механического привода и дополнительных компонентов расположен выше оси наклона основной конструкции испытательного оборудования, то такое расположение станет завышенным и будет иметь тенденцию к непроизвольному возникновению
изгибающих моментов на испытываемый образец во время цикла нагружения от момента контакта пятки до момента отрыва носка, что в конечном счете приводит к падению или опрокидыванию испытываемого образца в фазе отрыва, если специальные подвески не предотвратят это.
 

 

      3.4 Примеры конструкций кривошипно-шатунного механизма

3.4.1 Общие положения

 

Могут быть использованы два разных типа конструкции кривошипно-шатунного механизма. Примеры каждого типа кратко описаны в 3.4.2 и 3.4.3.

 

3.4.2 Асимметричный (60:40) кривошипно-шатунный механизм

 

Кривошипно-шатунный механизм согласно рисунку 10 имеет асимметричные положения мертвых точек, определяющих максимальные угловые положения платформы стопы. Больший поворот плеча кривошипа (верхнее правое положение) превышает его меньший поворот (нижнее левое положение) на 36°.

 

Получается соотношение (180°+36°):(180°-36°)=60:40; то есть 60% времени одного оборота необходимо для того, чтобы пройти верхнее правое положение, при котором происходит наклон платформы стопы в период нагружения, от ее положения, заданного для контакта пятки (
-20°), до ее положения, заданного для отрыва носка (
+40°), и 40% для прохождения нижнего левого положения для того, чтобы вернуть платформу стопы в угловое положение, заданное для контакта пятки.
 

Следовательно, отношение 60:40 в точности соответствует среднему отношению времени фазы опоры и времени фазы переноса при типичном цикле ходьбы, выбранном для имитации испытательного цикла; то есть в течение испытательного цикла, имитирующего типичный цикл ходьбы продолжительностью 1 с, период нагружения, имитирующий фазы опоры, будет 600 мс (но см. примечание).

 

Примечание - Это утверждение справедливо только в том случае, если скорость вращения кривошипа постоянна. Это может потребовать специальных мер, причем нужно принимать во внимание, что нагрузка на механизм меняется в широких пределах и изменяется по направлению.

 

Однако асимметричный кривошипно-шатунный механизм согласно рисунку 10 имеет два недостатка: один связан с отклонениями профиля создаваемого угла наклона
от профиля (кривой) заданного угла наклона (см. ИСО 22675:2006, таблица 11, подпункт 13.4.2.4 и рисунок 6), а другой - с критичностью размеров отдельных элементов данного кривошипно-шатунного механизма.
 
a) Профиль угла наклона
, создаваемого в верхнем правом положении кривошипно-шатунным механизмом данной конструкции, показан на рисунке 12. Он отличается от заданного профиля угла наклона (см. ИСО 22675:2006, рисунок 6) менее чем на ±5°.
 
b) Граничные условия конструкции кривошипно-шатунного механизма с асимметрией 60:40 в положениях мертвых точек, определяющих максимальные угловые положения платформы стопы и диапазон изменения угла наклона минус 20°
плюс 40°, очень ограничены. Это приводит к следующим условиям:
 
1) угол подвижного штока относительно консоли в положении мертвой точки, определяющий положение платформы стопы для заданного контакта пятки (
-20°), равен 15°, и, как следствие, сумма длин подвижного штока и консоли приблизительно только на 1,5 мм длиннее, чем расстояние между центрами коленвала и оси наклона
платформы стопы;
 

2) когда плечо кривошипа проходит через верхнее правое положение, при котором происходит наклон платформы стопы в период нагружения, углы между подвижным штоком и плечом кривошипа, а также между подвижным штоком и консолью достигают малых значений, приводя к воздействию большей силы на подвижный шток, чем она должна была бы быть, если бы шток был расположен под прямым углом относительно плеча кривошипа.

 

Условия, указанные в перечислениях 1) и 2), требуют внимательного рассмотрения при конструировании, изготовлении и сборке системы. Условие, приведенное в перечислении 1), может потребовать применения технических средств таких, как маховик, предотвращая наклон платформы стопы в неправильном направлении при прохождении мертвой точки.

 

Дальнейшие уточнения приведены в 3.5-3.7 и 3.9.

 

3.4.3 Симметричный (50:50) кривошипно-шатунный механизм

 

Кривошипно-шатунный механизм согласно рисунку 11 имеет симметричные положения мертвых точек, определяющих максимальные угловые положения платформы стопы, то есть отношение углов в верхнем правом и нижнем левом положениях равно 180°:180°=50:50; то есть 50% времени одного оборота необходимо для того, чтобы пройти каждое верхнее правое и нижнее левое положения (но см. примечание в 3.4.2).

 

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для наклона платформы стопы в диапазоне углов минус 20°
плюс 50° (положение отрыва носка плюс 10°). Это позволяет лучше приблизить линейный участок заключительной части заданного профиля (кривой) угла наклона
платформы стопы вплоть до максимального значения плюс 40° при отрыве носка (см. ИСО 22675:2006, подпункт 13.4.2.4, таблица 11 и рисунок 6), так как уменьшение наклона заключительной части профиля угла наклона, произведенное кривошипно-шатунным механизмом, в основном изменяется в диапазоне от 40° до 50° в начале фазы отрыва испытываемого образца.
 
Профиль угла наклона
, создаваемый в нижнем левом положении кривошипно-шатунным механизмом данной конструкции, вплоть до значения
плюс 40° при отрыве носка, показан на рисунке 12. Это значительно ближе к заданному профилю угла наклона, чем профиль, создаваемый кривошипно-шатунным механизмом по 3.4.2, при этом отклонение от заданного профиля угла наклона (см. ИСО 22675:2006, рисунок 6) не более чем плюс 1° или минус 0,6°.
 
Однако симметричный кривошипно-шатунный механизм согласно рисунку 11 также обладает двумя недостатками, один из которых связан с синхронизацией, а другой - с подъемом и
смещением испытываемого образца из-за наклона платформы стопы.
 
a) Угловое положение плеча кривошипа, соответствующее угловому положению платформы стопы, заданному для отрыва носка (
+40°), достигается при 143° от мертвой точки (0°), определяющей угловое положение платформы стопы, заданное для контакта пятки (
-20°), и при 37° - от второй мертвой точки (180°), определяющей максимальное угловое положение платформы стопы (после отрыва носка) при
+50°.
 
Результирующее отношение угла и/или времени равно (180°-37°):(180°+37°)=39,7:60,3, то есть 39,7% времени одного оборота необходимо, чтобы пройти нижнее левое положение, при котором происходит наклон платформы стопы в период нагружения до значения, заданного для отрыва носка (
+40°), и 60,3% времени приходится на прохождение верхнего правого положения, при котором достигается максимальное угловое положение платформы стопы (после отрыва носка) при
+50° и затем возвращение платформы стопы в угловое положение, заданное для контакта пятки (
-20°) (но см. примечание в 3.4.2).
 

Следовательно, если 39,7% времени одного оборота составляет 600 мс, полный оборот равен 1,5 с, что на 50% больше, чем время одного полного оборота кривошипно-шатунного механизма по 3.4.2.

 

b) Наклон платформы стопы приводит к подъему и горизонтальному смещению узла стопы испытываемого образца. Очевидно, что значение подъема и
смещения больше для угла наклона
+50°, чем для угла
+40°.
 

Примечание - По сравнению с конструкцией кривошипно-шатунного механизма по 3.4.2 конструкция кривошипно-шатунного механизма по 3.4.3 свободна от лимитирующих требований граничных условий. Например, возможно увеличивать только длину подвижного штока, для того чтобы увеличить уровень нагрузки, при котором происходит передача динамических сил. Конечно, профиль угла наклона изменится и, соответственно, возможно отклонение от профиля угла наклона в большей степени, чем в случае конструкции кривошипно-шатунного механизма, заданного в 3.4.3 и на рисунке 11.

 

Дальнейшие уточнения приведены в 3.5-3.7 и 3.9.

 

 

Примечание - Характеристики кривошипно-шатунного механизма не изменятся, если приведенные значения длин (за исключением минимальной длины платформы стопы) изменить пропорционально.

 

1
- платформа стопы длиной
350 мм;
2
- консоль заданной длины 100 мм;
3
- подвижный шток заданной длины 75 мм;
4
- плечо кривошипа заданной длины 47 мм;
5
- коленвал;
- ось наклона платформы стопы
 

     

Рисунок 10 - Асимметричный (60:40) кривошипно-шатунный механизм по 3.4.2. Диапазон наклона от минус 20° (контакт пятки) до плюс 40° (отрыв носка)

     

    

 

Примечание - Характеристики кривошипно-шатунного механизма не изменятся, если приведенные значения длин (за исключением минимальной длины платформы стопы) изменить пропорционально.

 

1
- платформа стопы длиной
350 мм;
2
- консоль заданной длины 100 мм;
3
- подвижный шток заданной длины 100 мм;
4
- плечо кривошипа заданной длины 57 мм;
5
- коленвал;
- ось наклона платформы стопы
 

     

Рисунок 11 - Симметричный (50:50) кривошипно-шатунный механизм по 3.4.3. Диапазон наклона от минус 20° (контакт пятки) через плюс 40° (отрыв носка) до плюс 50°

     

    

 

    

- время нагружения, мс;
- углы,°;
- отклонение углов, °;
1
- заданный профиль (кривая) угла наклона
платформы стопы;
2
- угол наклона
, воспроизводимый кривошипно-шатунным механизмом 60:40 в верхнем правом положении;
3
- угол наклона
, воспроизводимый кривошипно-шатунным механизмом 50:50 в нижнем левом положении;
4
- отклонение угла наклона, воспроизводимого кривошипно-шатунным механизмом 60:40 от заданного профиля;
5
- отклонение угла наклона, воспроизводимого кривошипно-шатунным механизмом 50:50 от заданного профиля
 

     

Рисунок 12 - Характеристики наклона асимметричного (60:40) кривошипно-шатунного механизма по 3.4.2 и рисунку 10 и симметричного (50:50) кривошипно-шатунного механизма по 3.4.3 и рисунку 11

 

      

 

      

 

      3.5 Влияние отклонений угла наклона
от заданного профиля (кривой), приведенного в 3.4, на условия нагружения по ИСО 22675
 
Очевидно, что отклонения угла наклона
платформы стопы, которые возникают, если приводится в действие кривошипно-шатунный механизм, описанный в 3.4.2 и проиллюстрированный на рисунке 10, будут влиять на соответствующие углы
и
и, следовательно, на отношение составляющих силы
и
, действующих перпендикулярно и тангенциально по отношению к платформе стопы [см. рисунок 1 и формулы (1) и (2)].
 

Существует две возможности учета такого влияния, что и описано в перечислениях а) и b).

 

а) Мгновенные значения угла наклона
платформы стопы, возпроизводимого кривошипно-шатунным механизмом по 3.4.2 в период времени от момента контакта пятки до момента отрыва носка с шагом дискретности 30 мс, будут также возникать при заданном профиле угла наклона
, однако, в разные моменты, там, где два профиля отклоняются друг от друга. Разные моменты времени определяют изменение времени начала отсчета заданного профиля угла наклона
, необходимое для его адаптации к профилю, воспроизводимому кривошипно-шатунным механизмом по 3.4.2. Графики углов
и
как функции со сдвинутым началом отсчета облегчают определение их значений в моменты времени с шагом дискретности 30 мс. С этими значениями составляющие силы
и
, действующие в перпендикулярном и тангенциальном направлениях к платформе стопы соответственно, могут быть вычислены. Результаты этих вычислений приведены на рисунках 13-16.
 
 

     

- время нагружения, мс;
- углы, °;
1
- заданный профиль (кривая) угла наклона
платформы стопы;
2
- угол наклона
, воспроизводимый кривошипно-шатунным механизмом 60:40 в верхнем правом положении;
3
- угол
между результирующей силой
и осью
системы координат при заданном профиле угла наклона;
4
- угол
, связанный с углом наклона, воспроизводимым кривошипно-шатунным механизмом 60:40;
5
- угол
между результирующей силой
и составляющей
, перпендикулярной к платформе стопы, при заданном профиле угла наклона;
6
- угол
, связанный с углом наклона, воспроизводимым кривошипно-шатунным механизмом 60:40
 

     

Рисунок 13 - Профили (кривые) углов
,
и
, как заданных, так и воспроизводимых кривошипно-шатунным механизмом 60:40
 

     

    

 

    

- время нагружения, мс;
- углы, °;
1
- отклонение угла наклона платформы стопы, воспроизводимое кривошипно-шатунным механизмом 60:40, от заданного профиля (кривой)
платформы стопы;
2
- отклонение угла
между результирующей силой
и осью
системы координат, связанном с углом наклона, воспроизводимым кривошипно-шатунным механизмом 60:40, от угла
при заданном профиле угла наклона;
3
- отклонение угла
между результирующей силой
и составляющей
, перпендикулярной к платформе стопы, связанное с углом наклона платформы стопы, воспроизводимым кривошипно-шатунным механизмом 60:40, от угла
при заданном профиле угла наклона
 

     

Рисунок 14 - Иллюстрация угловых отклонений, воспроизводимых кривошипно-шатунным механизмом 60:40