Materialanalys. skidor. Ytoptimering av skärande verktyg. Ytoptimering av komponenter Ytoptimering av formverktyg. World class surface engineering

Transkript

1 Materialanalys Primateria AB World class surface engineering skidor Haveri- och skadeanalys Tribo-tester Ytoptimering av komponenter Ytoptimering av formverktyg Ytoptimering av skärande verktyg 1

2 Dagens ämne: 1. Mekanismerna för friktionen mellan snö och skida 2. Samt preparering av skidbelaget för bästa glid Primateria AB Resonemanget gäller för följande: längdåkning skating utförsåkning snowboard etc. Främre glidparti Klassisk stil Område för fästvalla Bakre glidparti 2

3 Friktion under skidor - Hur funkar det? Friktion är inget annat än en energiförlust, dvs den energi som kroppen producerar gör annat än rör åkaren framåt. Makroskopisk deformation av snö, t ex när man spårar Deformation av enskilda snökristaller, t ex vid nysnö eller rekristalliserad snö efter skoterspårning Vattenfilm skjuvas Belaget repas av iskristaller Belaget repar i snön Fästvallan ger motstånd (vid klassisk åkning) Smuts i spåret tar tag i belaget mm Vilket är viktigast att kontrollera? 3

4 Friktion mellan skida och snö För att få till så bra skidglid som möjligt så gäller det att förstå rangordningen mellan aktiva mekanismer. Snöns densitet Skidan måste bära åkaren (skiselector) Dränering av vatten Rätt struktur för dränering (stenslip) Optimera vattnets möjlighet att fungera som smörjmedel Rätt finstruktur (stenslip, alt sickling med R-cut) Släta kontaktpunkter (polerande borstar + P-cut) När ovan är rätt utfört så kan vattenavstötningen ökas något med rätt valla Om belaget är bra preparerat så kan med fördel hårda vallor användas för att skydda belaget! 4

5 Kort om snö Snöflingor - iskristaller Primateria AB Gamla snökristaller i snödriva 50 kg/m 3 Samma gamla snökristaller i skidspåret (kompakterad snö) Ett solitt isblock kg/m kg/m 3 Kompaktering och friktionsvärme gör att ytan blir mer och mer lik is ju 5 fler åkare som passerat.

6 Snö och is Vattenliknande ytfilm på is Ett hårstrå 50 µm Primateria AB Vattenfilmen 0,02 0,5 µm h 0.10 h [µm] 0.08 Quasi-liquid film thickness Golecki and Jaccard, 1978 (Ref 1) h (94-54 log (273 - T))/ Vad innebär vattenfilmen? smörjning och viskös friktion 0 Temperatur [ C] 6

7 Typiskt tryck mellan belag och snö nära 0 C ca 20 MPa 300 Tryck [MPa] Is 1h Hexagonal Vatten Max ca 1,5 C Isens hårdhet 0 Belagets hårdhet Temperatur C 0 Trycket mellan skida och snökristaller påverkar smälttemperaturen marginellt!! 7

8 Man kan uppskatta den verkliga (atomära) kontaktarean mellan skida och snö utifrån hårdheten hos is och skidbelag Stål 2-10 GPa Hårdhet A r = F N / H Ice MPa] 60 För en 80 kg skidåkare är A r 30 mm 2 vid -12 C << 1 / av skidans area (ca 2x40x2000 = mm 2 ) HD Polyeten Glidvalla Motsvarande för skridskor: Ar 15 mm 2 10 (Skridskoskenans nominella åkyta är ca 2 x 100 x 2 = 400 mm 2 ) Snöns temperatur [ C] 8

9 Traditionell tävlingspreparering av glidytorna 1. Skidbelaget stenslipas 2. Glidvalla smälts in i ytan 1 Slipskiva 3. Ytan sicklas 4. Upprepa 2 och 3 flera gånger 5. Ytan borstas 6. Ytan rillas (vid våt snö) 2 3 Ex på handhållet rillverktyg 6 5 9

10 Resultat efter traditionell preparering med glidvalla Primateria AB Tvärsnitt genom skidbelaget i åkriktningen HDPE Efter slipning OBS! Här bör man kontrollera belaget innan man fortsätter! Efter insmält glidvalla Glidvalla Efter sickling Efter borstning 10

11 Bra och dålig stenslipning Stenslipare X Team Sportia I Uppsala Stenslipning är en bearbetningsmetod som används för att ta bort skadat material samt för att lägga in rätt struktur I belaget. Det finns både bra och mindre bra stenslipare: val av skiva, kylning, renhet, mm är viktiga parametrar som väl uppfylls av Team Sportias nya slipmaskin. 11

12 En bra struktur ska innehålla en grov och en fin struktur Elitåkare Xs skida efter Vasaloppet 2009 sög fast Mycket bra allroundskida enligt Nina Lintzen Välj hårda belag! 12

13 Traditionell preparering Primateria AB Efter stenslipning Obs! Vallan fungerar bl a som ett spackel som gör att små fibrer hålls fast i ytan. 0.1 mm Efter 100 stenslipning µm Och vallning Primateria stenslipat, sicklat och borstat belag 0.1 mm 13

14 Friktion uppstår pga grov yta och trasig yta. Kan belaget göras slätare? Primateria AB Sickling med vass och väldefinierad skäregg är en metod Skuren yta slipad yta 0.2 mm Stenslipad yta 0.2 mm 14

15 Jämförelse av yttopografin efter olika prepareringar Stenslipad Slipad, vallad och borstad skuren

16 Hur ser ytan ut i skidspåret? 16

17 Ytan hos ett skidspår preparerat av nysnö vid ca ~0 C Ra ca 0.2 µm Primateria AB 1mm 0,8mm 17

18 Skidspår Proffsvallat skidbelag Åkriktning 18

19 Proffsvallat skidbelag Åkriktning Skidspår Kontaktområde 19

20 R t mätt i åkriktningen uppe på åsarna Stenslipat Primateria AB Proffsvallat Primateria AB 1.2 mm R t mm 1.2 mm 0.3 mm [µm] mm Vattenfilmens tjocklek 0 20

21 Om en kontaktfläck förstoras så att den täcker en fotbollsplan kommer vattenfilmens tjocklek precis att täcka gräset! Ytan måste vara mycket slät för att en smörjfilm ska kunna bära upp åkaren. Studenternas IP i Uppsala 9/

22 Kontakten mellan snö och skidbelag Diameter ca 0,1-0,3 mm Åkriktning Kontaktfläckar med tunn vattenfilm eller med halvflytande yta 0.1 mm 22

23 Vallat belag - vattenfilmens utbredning när temperaturen stiger och vattenhalten i snön ökar Ca -2 C lufttemperatur Ca +2 C Kontaktfläckar Vattenfilm Kontaktfläckar 0.1 mm 0.1 mm Ca +5 C Utbredd vattenfilm Kontaktfläckar 0.1 mm Slutsats När lufttemperaturen stiger från 0 C så ökar vattenhalten i snön. Förutom friktionsbidraget från skjuvning i de lastbärande kontaktfläckarna tillkommer ett bidrag från skjuvning av vattnet utanför dessa. HF-valla minskar utbredningen något 23

24 Lösning: Minska möjliheterna för vattenfilmen att breda ut sig genom att slipa in rätt struktur och/eller rilla belaget! (samma syfte som mönster i bildäck) 24

25 Observationer: friktionsmekanismer vid skidåkning Den verkliga kontaktytan mellan skida och skidspår består av små kontaktfläckar som täcker en liten del av skidornas totala yta. Torr (kall) friktion pga att ojämnheter i skidans belag eller snö plogar i snö respektive skidans belag. Snö och is har en halvflytande yta, vilket ger smörjning och/eller viskös friktion i kontaktfläckarna (skjuvning av det tunna halvflytande ytskiktet eller vattenfilmen). Snö blir blötare med stigande temperatur vilket kan ge en tjockare vattenfilm men också viskös friktion utanför kontaktfläckar pga skjuvning av vattenfilm. 25

26 Skidåkningens friktionskarta med inlagd teoretisk friktionsgräns µ Minska inverkan av plogning från ojämn struktur Minska inverkan av 0.02 ojämn struktur på möjlighet att få0 fullfilmssmörjning -20 i kontaktfläckar Torr friktion -15 v ökar Gränsskiktssmörjning -10 Bästa glidet Lufttemperatur [ C] Viskös friktion v ökar +10 Minska möjligheten för vattenfilmen att breda ut sig genom att anlägga ett dräneringssystem i belaget Teoretisk friktionsgräns 26

27 Slutsatser Gör ytan på skidbelaget slätare (eller använd valla för att dölja den dåliga ytan) för att minimera friktion pga plogning och för att optimera fullfilmssmörjning av kontaktfläckar. Strukturera ytan så att det inte byggs upp en vattenfilm utanför kontaktfläckarna hellre för mycket än för lite! Mät ytjämnhet för ökad repeterbarhet Ytjämnhet måste mätas på rätt sätt för att återspegla hur lätt skidan kommer att glida.

28 Primaterias fortsatta arbete Utökat samarbete med Team Sportia Jobba vidare med att ta fram nya verktyg för ytoptimering av belaget, t ex så har vi nya borstar som gör ytan slät även djupare ner i strukturen och efter vallning. Nya varianter av våra sicklar håller på att tas fram. Börjar säljas i vinter. Nya varianter av våra borstar. Kommer i vinter. Släpper vår nya valla Poleringshjälpmedel Rillverktyg är på gång, mm 28

29 Ronnie Löf utvärderar nya idéer i skidspåret Tack för er uppärksamhet! 29