ZASADY DOBORU

MATERIAŁÓW

INŻYNIERSKICH

PROJEKT

Karabińczyk wspinaczkowy

Zarys historyczny wspinaczki:

Ludzi od zawsze interesowały góry, niektóre
z nich otaczali nawet kultem, jak Olimp.
Za początek alpinizmu uznaje się zdobycie
Mont Blanc (1776 r.)
W latach 1950-1963 zdobyto już wszystkie
ośmiotysięczniki.
9 maja 1953 r. E. P. Hillary i N. Tenzing wspięli
się na najwyższy szczyt globu - Mount Everest.
Potem zaczęła się era zdobywania niższych,
lecz trudniejszych technicznie celów.

Zarys historyczny wspinaczki:

Wspinanie sportowe stało się
popularne na arenie
międzynarodowej około 1980
roku.
Wspinaczka sportowa
rozwinęła się w sposób bardzo
szybki i jest coraz
popularniejsza, co sprawia że
ludzie oczekują coraz lepszej
jakości sprzętu
asekuracyjnego oraz tego, aby
był łatwiejszy w obsłudze.

Przekrój sprzętu podstawowego
używanego podczas wspinaczki:

Uprząż wspinaczkowa – sprzęt
wspinaczkowy używany do
asekuracji.
Rozróżnia się pod względem
budowy trzy rodzaje uprzęży
wspinaczkowych:

-biodrową,
-piersiową,
-pełną.

Lina – we wspinaczce pełni
różnorodne, ważne funkcje
techniczne, a także jest symbolem
więzi łączącej partnerów w
zespole wspinaczkowym "na dobre
i na złe".

Przekrój sprzętu podstawowego
używanego podczas wspinaczki:

Kubek – jest to przyrząd służący
do asekuracji podczas
wspinaczki.
W większości kubków, szczególnie
przy pracy z linami o większych
średnicach, zablokowanie liny jest
łatwiejsze, niż w przypadku płytki
Stichta, w związku z czym
asekuracja ma charakter statyczny.

Płytka Stichta – przyrząd
do asekuracji, element
wyposażenia wspinaczkowego. Jest
to płaska okrągła płytka z dwoma
podłużnymi otworami, wyposażona
(lub nie) w wytrzymałą sprężynę,
która zapobiega klinowaniu się liny
w przyrządzie.

Przekrój sprzętu podstawowego
używanego podczas wspinaczki:

Magnezja - Specjalny środek w
postaci białego proszku, służący do
osuszania dłoni podczas
wspinaczki.

Woreczek na magnezje –
Przypasany na biodrach daje
prosty dostęp do proszku
podczas wspinaczki.

Przekrój sprzętu podstawowego
używanego podczas wspinaczki:

Uchwyty wspinaczkowe -
uchwyty różnej wielkości oraz do
układania różnych stopni trudności
wspinania na ściankach
wspinaczkowych przede wszystkim
w obiektach zamkniętych
Dostępne w różnych kolorach i
wzorach.

Buty wspinaczkowe – specjalny
rodzaj butów stosowany we
wspinacze skalnej/sportowej.
Buty wspinaczkowe przez swój
kształt, wymuszają odpowiednie
ułożenie stopy, które umożliwia
wykorzystanie małych elementów
rzeźby skalnej – takich jak:
stopnie, krawędzie, dziurki itd.

Przekrój sprzętu podstawowego
używanego podczas wspinaczki:

Karabinek – podłużny, zbliżony
rozmiarem do dłoni, metalowy
pierścień z otwieranym zamkiem
na jednym boku służący do
szybkiego i skutecznego połączenia
elementów. Jeden z
podstawowych składników sprzętu

wspinaczkowego, najczęściej
fragment układu asekuracyjnego.
Karabinek z technicznego
punktu widzenia jest
łącznikiem.
Nazwa pochodzi od zamykanego
haka, na którym kawalerzyści
odwieszali karabinki (z
niemieckiego: karabinerhaken).

Założenia projektowania sprzętu
wspinaczkowego:

Głównym założeniem przy projektowaniu sprzętu
wspinaczkowego jest zmniejszanie jego masy, aby
jego użytkownik nie zużywał zbyt wiele energii na
niepotrzebną walkę z grawitacją.
Nasz projekt będzie rozważał możliwość wykonania
lekkiego karabinka wykonanego z materiałów
kompozytowych.
Współczesne karabinki są wykonywane przede
wszystkim z aluminium.
Ich odporność na środowisko jak i wymiary
geometryczne oraz wymogi bezpieczeństwa opisane
są przez międzynarodowe normy.

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Karabinki mają ogromną ilość zastosowań:
- służą one wspinaczom do wpinania liny do punktów asekuracyjnych,

- do asekuracji,

- do zjazdów i do podchodzenia po linie,

- do noszenia innych elementów sprzętu wspinaczkowego przy uprzęży,
oraz do wielu innych mniej lub bardziej wymyślnych celów.

Mówiąc językiem potocznym, karabinki można byłoby określić jako ogniwa,
wykonane ze stali lub odpowiednich stopów aluminium. Zaletą karabinków
stalowych jest większa odporność na ścieranie oraz inne uszkodzenia
mechaniczne. Jednakże z uwagi na spory ciężar nie są one często stosowane
podczas "zwykłej" wspinaczki.
Karabinki posiadają różne kształty i wielkości w zależności od przeznaczenia.
Dwa zasadnicze rodzaje karabinków to karabinki zakręcane (posiadające
blokadę zamka) i karabinki zwykłe.

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Klasyczny kształt zyskał popularność
dzięki swojej poręczności, o czym
decyduje w pierwszym rzędzie brak
ostrych kątów. Jednakże owalny
kształt powoduje, iż obciążenia
rozkładają się w równym stopniu
na długie ramię (korpus) karabinka
oraz na część z zamkiem,
której wytrzymałość jest
mniejsza niż wytrzymałość korpusu.
Z tego powodu karabinki owalne
charakteryzują się mniejszą
wytrzymałością niż karabinki o
innych kształtach.

Karabinek owalny

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Kształt tych karabinków przypomina
literę D. Dzięki temu kształtowi
większa część obciążenia zostaje
przeniesiona na długie ramię/korpus
karabinka, co skutkuje większą
wytrzymałością niż w wypadku
karabinków owalnych. Jednakże
zamek nie otwiera się zbyt szeroko,
co może niekiedy utrudniać operacje
sprzętowe.

Karabinki D-kształtne

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Kształt tych karabinków przypomina
literę D, jednak są one z jednej
strony nieco szersze. Umożliwia to
szersze otwarcie zamka karabinka,
co zwiększa ich funkcjonalność w
niewygodnych sytuacjach.

Karabinki asymetryczne D-
kształtne

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Ten kształt ma w zasadzie tylko
pewien typ karabinków zakręcanych.
Są bardzo wygodne w użyciu ze
względu na szerokie
otwarcie zamka oraz dużą ilość
miejsca na liny, taśmy i węzły.
Oprócz tego bardzo dobrze nadają
się do asekuracji przy pomocy
półwyblinki. Stąd zresztą wzięła
się ich nazwa "karabinek HMS".
Skrót pochodzi od niemieckiej nazwy
półwyblinki "Halbmastwurf".

Karabinki gruszkowate

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Wytrzymałość karabinka w sytuacji, gdy zamek nie jest zamknięty,
zmniejsza się. Może spaść nawet ponad o 50%. Z tego względu w
kluczowych dla bezpieczeństwa wspinacza sytuacjach i
elementach systemu asekuracyjnego stosuje się karabinki
wyposażone w blokadę zamka. Istnieją różne systemy blokady
zamka. Wszystkie one mają swoje wady i zalety oraz różne
obszary zastosowań, a co za tym idzie swoich zwolenników i
przeciwników.

Karabinki z blokadą zamka

twistlock

tri-act

tradycyjn
y

safelock

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Wspomniane powyżej typy karabinków redukują ryzyko zapomnienia o
zabezpieczeniu zamka przed przypadkowym otwarciem. Karabinki typu safelock i
tri-act posiadają mechanizm powodujący automatyczną blokadę zamka. Jednakże w
praktyce karabinki z takimi wymyślnymi systemami często bywają mniej wygodne w
użyciu, np. obsługa takich karabinków w rękawiczkach wymaga sporych
zdolności manualnych. Poza tym wszelkie bardziej złożone systemy blokowania
zamka są o wiele bardziej wrażliwe na zanieczyszczenia (np. piasek, błoto, lód) i
łatwiej ulegają uszkodzeniom. W dodatku cena również wzrasta. Karabinki z blokadą
zamka ze względu na kształt można podzielić na karabinki HMS (Gruszki) oraz D-
kształtne. Oprócz tego powszechnie są wykorzystywane do asekuracji z
zastosowaniem wszelkiego rodzaju przyrządów asekuracyjnych.

Karabinki z blokadą zamka

twistlock

tri-act

safelock

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

karabinki sprzętowe - ponieważ posiadają duży prześwit, dobrze nadają
się do noszenia przy uprzęży różnego rodzaju kostek, haków itp.,
zapewniając przy tym odpowiedni komfort użytkowania, zwłaszcza w
razie konieczności zabrania na wspinaczkę dużej ilości sprzętu,
 
karabinki jaskiniowe - w większości nie są one wyposażone w odchylany
zamek, a zamiast tego posiadają zamknięcie w postaci specjalnej
zakrętki (tzw. maillon rapide), zgodnie z nazwą, stosowane są głównie
przez grotołazów,

karabinki pomocnicze - posiadają znacznie mniejszą wytrzymałość, niż
pozostałe karabinki i nie wolno wykorzystywać ich do wspinaczki. Karabinki
te stosowane są do wpinania różnych elementów sprzętu. Na ich
korpusie zawsze znajduje się napis "not for climbing".

Inne typy karabinków

Oprócz omówionych typów karabinków wyróżnia się jeszcze:

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Wszystkie elementy sprzętu odpowiadające za bezpieczeństwo wspinacza
również karabinki powinny posiadać atesty (UIAA i/lub CE). Do wspinaczki
można bezpiecznie używać karabinków posiadających jeden z tych
atestów. Oznaczenia te oraz parametry czyli cechy wytrzymałościowe
najczęściej są wybite na długim ramieniu karabinka. Każdy karabinek
posiada następujące parametry:

Parametry karabinków:

-wytrzymałość wzdłuż osi podłużnej (pozioma strzałka) min.

22kN,

-wytrzymałość wzdłuż osi poprzecznej (pozioma strzałka),
-wytrzymałość przy otwartym zamku (symbol otwartego

karabinka) min 7kN.

Karabinki z atestem CE oprócz wspomnianych cech wytrzymałościowych
mają podane na korpusie również numer laboratorium wydającego atest
oraz oznaczenie literowe określające zakres zastosowań danego typu
karabinka.

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Stopy aluminium, z których produkuje się karabinki, podlegają procesowi
utleniania, o czym świadczy biały nalot pojawiający się zwłaszcza na
dłużej nie używanym sprzęcie. To oraz zanieczyszczenia (np. piasek) może
powodować zacinanie się zamków w karabinkach. W takiej sytuacji
zamki można przemyć naftą, a następnie napuścić preparatem
silikonowym. Można użyć też smaru WD-40, ale nie w nadmiernej
ilości, gdyż ściąga on brud.

Konserwacja karabinków:

Przy zakupie (nowych) karabinków warto zwrócić uwagę:

-zakres zastosowań (do czego dany karabinek ma służyć),
-atest UIAA lub/i CE,
-wytrzymałość przy otwartym zamku (7kN to absolutne minimum,
lepiej więcej), zwłaszcza karabinki bez blokady zamka,
-płynne uchylanie ramienia zamka,
-wygodna i płynna obsługa blokady zamka (jeśli karabinek ją
posiada),
-opinia osób używających sprzętu intensywnie na temat trwałości
(zamki w niektórych modelach potrafią się nie domykać,nawet
po kilku miesiącach użytkowania!).

Przybliżenie karabinka i wymagań mu
stawianych:

Karabinki są bardzo trwałym elementem sprzętu wspinaczkowego. Bardzo
wiele zależy w tym względzie od środowiska, w jakim są eksploatowane,
a także od sposobu, w jaki się z nimi na co dzień
obchodzimy. Zgodnie z normą CE karabinki mogą być użytkowane przez 10
lat. Większość uszkodzeń ma formę mikropęknięć i dlatego używanie
starych karabinków oraz kupowanie ich z drugiej ręki, może wiązać się z
ryzykiem. W takiej sytuacji należałoby dokładnie znać historię sprzętu.

Żywotność karabinków:

Na zmniejszenie wytrzymałości karabinka oraz jego szybsze zużycie
mają wpływ m.in. następujące czynniki:

-zanieczyszczenia (piasek, błoto, itp.),
-odpadnięcia,
-uderzenia (np. upadek z większej wysokości na kamienie),
-słona, morska woda (przyspiesza proces utleniania aluminium).

Nie wolno używać karabinków, których zamki się nie
domykają!

Wymagania stawiane karabinkom
wspinaczkowym:

Wymagania kształtowe:
-musi zmieścić się w 13 milimetrach średnicy,
-kiedy brama karabińczyka jest otwarta, powinien mieć co najmniej 15
milimetrów prześwitu.
-dwie liny o średnicach 11mm nie powinny się klinować wewnątrz
karabinka, niezależnie od tego, czy spoczywają na długim czy
krótkim ramieniu.
Obciążenie:

-potrzebna jest siła co najmniej 5N, aby otworzyć bramę,
-powinien wytrzymać obciążenie 800N bez deformacji plastycznych (musi
pozostać operatywny – musi pozostać możliwość otwarcia go za pomocą
ręki),
-nie może ulec zniszczeniu, gdy jego długie ramie jest obciążone siłą 20kN,
-nie może ulec zniszczeniu, gdy jego krótsze ramie jest obciążone siłą 7k,
-nie może ulec zniszczeniu, gdy siła 7kN jest zadana przy otwartym
karabinku.

Reszta wymagań:
-brama powinna zamykać się automatycznie,
-powinien być odporny na korozję (pH, UV i zmiany środowiska),
-wszystkie wymagania powinny być spełniane w temperaturach zarówno
niskich, jak i wysokich dla ludzkiego organizmu (założyliśmy od -40 do
+60 stopni Celsjusza).

Wymagania stawiane karabinkom wsp. (treść
norm):

Rodzaje karabinków:
* B (basic) – podstawowy, do ogólnego stosowania,
* D (directional) – kierunkowy, do stosowania w ekspresach,
* X (owalny) – wspinaczka hakowa, speleologia, ratownictwo,
* H (HMS) – do asekuracji za pomocą półwyblinki,
* K (klettersteig) – do autoasekuracji na via ferratach,
* Q (quick link) – speleologia (maillon rapide).

Wytrzymałość (minimalna wymagana) w osi podłużnej:

* X – 18 kN,
* B D H – 22 kN,
* K Q – 25 kN.

Wytrzymałość poprzeczna, na zamku karabinka:
* D – nie określa się
* B H K X – 7 kN
* Q – 10 kN

Wymagania stawiane karabinkom wsp. (treść
norm):

Wytrzymałość przy otwartym zamku:
* Q – nie określa się,
* K – 8 kN,
* B D – 7 kN,
* H – 6 kN,
* X – 5 kN.

Dodatkowo karabinki typu K powinny mieć większy prześwit – co najmniej
21 mm (pozostałe min. 15mm) oraz mają wytrzymywać test łamania siłą 8
kN. Muszą także być automatycznie zabezpieczane.

Wymagania wytrzymałościowe oraz oznaczenia karabinków
wspinaczkowych w zależności od zastosowania i kształtu opisuje
norma europejska EN 12275 (odpowiadająca jej polska norma
powinna nosić numer PN-EN 12275) oraz dyrektywa zalecająca
UIAA 121 – z których zostały zaczerpnięte powyższe dane.

Proces wyboru materiału:

W procesie wyboru materiału skorzystaliśmy
z oprogramowania, służącego do
komputerowego doboru materiałów, „Leksykon
materiałoznawstwa”.

Proces wyboru materiału:

1. Podstawowym kryterium, według którego dokonywaliśmy selekcji jest
wytrzymałość na rozciąganie Rm.:
Ponieważ według normy średnica karabińczyka nie powinna przekraczać
13 mm, a minimalna siła działająca na osi podłużnej 22 kN, wartość
naprężenia ustaliliśmy wg. wzoru – min. siła/pole powierzchni.

Rm wynosi 165.

2. Kryterium zawężającym, jest twardość, którą określiliśmy na poziomie 6
– 25
w skali HB.

Proces wyboru materiału:

3. Program wytypował trzy materiały :
Dwa materiały aluminowe oraz stop aluminum.

Materiały te spełniają również pozostałe założenia, więc odporność na
działanie środowiska, odpowiednio małą gęstość, zadowalającą twardość.

Aluminium wykazuje dużą odporność na korozję. Na powietrzu pokrywa się
cienką warstwą Al2O3, chroniącą przed korozją atmosferyczną, działaniem
wody,
stężonego kwasu azotowego, licznych kwasów organicznych, a także
siarkowodoru.
Natomiast kwasy redukujące HCl i HF, woda morska, pary i jony rtęci
powodują
przyspieszenie korozji aluminium.

Stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe aluminium, można
zwiększyć, nawet kilkakrotnie, przez wprowadzenie pierwiastków
stopowych oraz obróbkę
cieplną stopów. W porównaniu ze stalami stopy aluminium charakteryzują
się
znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze, większą udarnością.
Najogólniej, ze względu na sposób wytwarzania, stopy aluminium dzieli
się na: do obróbki plastycznej i odlewnicze.
Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze
i przeznaczone do obróbki plastycznej.

Proces wyboru materiału:

4. Z pośród wymienionych materiałów wybraliśmy stop aluminium En AW
– 6063, ponieważ:
- posiada najszerszą gamę technologii obróbki plastycznej (kucie,
walcowanie, utwardzenie wydzieleniowe, w tym starzenie, przesycanie,
wyżarzanie normalizujące),
- wszystkie materiały posiadają tę sama gęstość,
- wysoka twardość 73 HB,
- bardzo wysoka (w porównaniu z założeniami normy) wytrzymałość Rm
240,
- odporność na działanie temperatur.

Proces produkcji:

Karabinek aluminiowy produkowany jest z wykorzystywaniem technologii
kucia na zimno lub gorąco. Gorące kucie jest droższe, ale może być
zastosowane do tworzenia bardziej złożonych geometrii.

Produkcja rozpoczyna się z pręta aluminium, który poddawany jest
obróbce cieplnej, następnie pręt wygina się w kształt karabinka, po czym
następuje kucie, którego liczba stopni zależy od złożoności geometrii, ale
zwykle nie ma przekracza dwóch lub trzech uderzeń.
Wypływka jest odcinana po czym karabinek jest szlifowany i anodowany.

Obróbka cieplna:

-utwardzenie wydzieleniowe,
- przesycanie temp 52 st C,
- starzenie temp 175 st C.

Podsumowanie:

Wytypowany materiał powinien zostać poddany badaniom w celu
sprawdzenia jego technologicznej przydatności.
Wybór materiału jest uwarunkowany przez ścisłe kryteria, dlatego dobór
materiału na karabinek wspinaczkowy, oparliśmy na obowiązujących
normach i na wszystkich potrzebnych do prawidłowego funkcjonowania
parametrach użytkowych, które zostały podane wcześniej.
Sprzęt został zaprojektowany do użytku sportowego-ekstremalnego, jest
lekki i nie obciąża niepotrzebnie wspinającej się osoby.
Materiał jest odporny na warunki klimatyczne i środowisko inwazyjne, przy
tym zapewnia niezbędne bezpieczeństwo.

Bibliografia:

Leszek A. Dobrzański: Podstawy metodologii projektowania materiałowego,
Gliwice 2009.

Redakcja Leszek A. Dobrzański: Leksykon materiałoznawstwa, Gliwice
2006.

www.wikipedia.pl

www.decathlon.pl – ilustracje sprzętu.

Opracowali:

Łukasz Gałuszka,
Witold Gregorowicz,
Leszek Grolik.