新型雙鉸鏈結(jié)構(gòu)速度滑冰冰刀的設(shè)計(jì)研究

宋 來，楊春懷

（黑龍江省體育科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150008）

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新型雙鉸鏈結(jié)構(gòu)速度滑冰冰刀的設(shè)計(jì)研究

宋 來，楊春懷

（黑龍江省體育科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150008）

摘 要：進(jìn)入20世紀(jì)，世界速度滑冰運(yùn)動(dòng)借助現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)方法，使運(yùn)動(dòng)水平不斷提高，特別是KLAP冰刀的研究與應(yīng)用推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)成績(jī)的飛躍。隨著速度滑冰成績(jī)的不斷提高，尋找速度滑冰冰刀新結(jié)構(gòu)成了未來發(fā)展的趨勢(shì)。通過新型KLAP速滑冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，結(jié)合鞋墊式壓力傳感器測(cè)試分析，提出將新型冰刀鉸鏈壓力點(diǎn)后移并附有鉸鏈過程蓄能、下刀有彈性緩沖的新型結(jié)構(gòu)的速滑冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。尋找運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不足并進(jìn)行改進(jìn)，已達(dá)到探索冰刀結(jié)構(gòu)技術(shù)潛能的目的。

關(guān)鍵詞：新型；雙鉸鏈結(jié)構(gòu)；速度滑冰冰刀；設(shè)計(jì)研究

KLAP冰刀的主體結(jié)構(gòu)是在冰鞋和刀之間安裝一個(gè)單鉸鏈裝置[1]， 通過該裝置允許在蹬冰結(jié)束時(shí)刻足能夠趾屈， 以保證整個(gè)刀刃與冰面保持全接觸[2]，大幅度提高了運(yùn)動(dòng)成績(jī)。然而，速度滑冰運(yùn)動(dòng)水平并未達(dá)到速度的極限，速滑運(yùn)動(dòng)強(qiáng)國(guó)研究人員還在繼續(xù)研究挖掘包括KLAP冰刀結(jié)構(gòu)技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)性潛能，實(shí)現(xiàn)未來運(yùn)動(dòng)成績(jī)?cè)俅瓮黄啤Ｋ俣然督Y(jié)構(gòu)技術(shù)是指新型KLAP速滑冰刀各結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成功能和單一零件性能產(chǎn)生物理效應(yīng)。新型KLAP速滑冰刀多個(gè)構(gòu)件合理組合確保冰刀應(yīng)有的性能效果，而每個(gè)構(gòu)件各有自己的功能和性能，影響著冰刀總體性能[3-4]?；诒督Y(jié)構(gòu)技術(shù)，受到輪滑運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的啟發(fā)[5]，本研究針對(duì)新型KLAP速滑冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，結(jié)合鞋墊式壓力傳感器測(cè)試分析，尋找結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的力學(xué)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不足并進(jìn)行改進(jìn)，已達(dá)到探索冰刀結(jié)構(gòu)技術(shù)潛能、為我國(guó)自主新型冰刀的研究積累實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，研發(fā)新型冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的目的。

1 KLAP速滑冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

1.1 冰刀總體結(jié)構(gòu)

圖1鉸鏈架是冰鞋和冰刀之間的連接構(gòu)件，并可使冰鞋以冰刀前托位為原點(diǎn)(支點(diǎn))旋轉(zhuǎn)一定角度。這一結(jié)構(gòu)技術(shù)關(guān)鍵是固定冰刀前托位鉸鏈支點(diǎn)和后托位的位置，也確定了冰刀壓力中心點(diǎn)和弧度中心位置。冰刀平衡支點(diǎn)位置是指冰刀管前端鉸鏈托架的中心點(diǎn)位置和后托跟的中心點(diǎn)位置。它的合理位置應(yīng)該是冰鞋前腳掌趾跟中心到腳跟的中心位置。一般運(yùn)動(dòng)員的冰刀是通用商品，平衡點(diǎn)出廠前在生產(chǎn)線上就固定下來了。而優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的冰刀的前、后托位點(diǎn)是可根據(jù)自己的技術(shù)特點(diǎn)向生產(chǎn)廠家定制或自行處理改變的。

1.2 KLAP冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)性能分析

1.2.1 鉸鏈結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式性能優(yōu)點(diǎn)

增加的鉸鏈結(jié)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)員蹬冰后程冰刀后根部抬起，這種運(yùn)動(dòng)方式釋放踝關(guān)節(jié)蹬冰的能量，延長(zhǎng)蹬冰距離。關(guān)鍵的技術(shù)是蹬冰結(jié)束時(shí)冰刀還保持平行于冰面[9]，減小了蹬冰結(jié)束時(shí)冰刀與冰面的阻力，使速度滑冰成績(jī)大幅度提高。

1.2.2 前托位鉸鏈

由于冰鞋前部(腳的前掌部)與鉸鏈桿的鏈接位置，在結(jié)束蹬冰鉸鏈過程中，支點(diǎn)與蹬冰發(fā)力點(diǎn)形成了費(fèi)力杠桿距離，致使蹬冰力效應(yīng)不能完全發(fā)揮[10-11]。圖2展示了現(xiàn)有的鉸鏈桿與冰刀結(jié)合的方式在結(jié)束蹬冰支點(diǎn)前移的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象影響蹬冰的效果。

圖 2 鉸鏈壓力支點(diǎn)和蹬冰壓力點(diǎn)距離示意Figure 2.Distance of Hinge Pressure Point and Stroking Pressure Point

1.2.3 冰鞋與冰刀剛體結(jié)合結(jié)構(gòu)在落冰時(shí)的剛性沖擊力

無論是傳統(tǒng)冰刀還是新型冰刀冰鞋的結(jié)構(gòu)組合都是剛性體(硬質(zhì)材料)的結(jié)合，在冰刀下刀瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的剛體制動(dòng)力[12-14]。基于以上冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，在新型冰刀的研制中，保持KLAP原有冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)和剔除存在的問題是要解決的技術(shù)關(guān)鍵，如圖3 冰刀下刀瞬間0～70 kg波峰所示 。

圖3 下刀瞬間產(chǎn)生的0-70 kg剛性制動(dòng)力波峰Figure 3.Crest of 0-70 kg Rigid Braking Force at the Moment of Gliding

2 新型雙鉸鏈結(jié)構(gòu)冰刀的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

本研究提出新型雙鉸鏈架冰刀，壓力點(diǎn)后移并附有鉸鏈過程蓄能、下刀有彈性緩沖的新型結(jié)構(gòu)的速滑冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(圖4)。

圖4 新型雙鉸鏈結(jié)構(gòu)冰刀示意Figre 4.New Double Hinge Blade

2.2 主要結(jié)構(gòu)性能

2.2.1 壓層鉸鏈架前后連接螺栓(2)和(14)

將連接冰鞋(1)和壓層鉸鏈架(9)前端和后端固定成一體。

2.2.2 鉸鏈蓄能壓簧(3)和冰鞋回彈彈簧(7)

在冰鞋鉸鏈旋轉(zhuǎn)時(shí)壓縮彈簧彎曲蓄積冰鞋鉸鏈過程的能量在冰刀上，并在蹬冰結(jié)束時(shí)釋放助推身體，在冰刀離開冰面時(shí)將冰刀回彈扣到鉸鏈架(9)上。

2.2.3 冰刀前固定托(4)和鉸鏈架固定柱(13)

固定冰刀前托位置、固定鉸鏈架前端成動(dòng)態(tài)原點(diǎn)，使鉸鏈架后端卡住固定。

2.2.4 鉸鏈架前鉸鏈軸(6)

固定鉸鏈架前端成動(dòng)態(tài)原點(diǎn)和冰刀前支點(diǎn)。2.2.5 壓層鉸鏈架與鉸鏈軸(8)

固定在鉸鏈架(9)的前端鉸鏈軸(6)后端，使壓層鉸鏈架以軸在鉸鏈架上轉(zhuǎn)動(dòng)。使冰鞋在鉸鏈架上鉸鏈運(yùn)動(dòng)，而蹬動(dòng)壓力點(diǎn)要在鉸鏈架中間。

2.2.6 鉸鏈架

成橋型鉸鏈架，與壓層鉸鏈架(10)和冰刀的結(jié)合體，在蹬冰過程壓層鉸鏈架在其上鉸鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)，使蹬冰的壓力在鉸鏈架兩端受力壓在冰刀中間。使蹬冰的壓力在鉸鏈架兩端受力壓在冰刀中間。

2.2.7 緩沖彈簧(11)、緩沖橡膠柱(12)

固定在鉸鏈架和在冰刀中間的后端，冰刀落冰時(shí)，使剛性壓力得到緩沖變小。

3 新型雙鉸鏈結(jié)構(gòu)冰刀工作原理

3.1 著冰緩沖減小剛性沖擊制動(dòng)阻力

如圖5、6所示，浮腿冰刀著冰時(shí)，緩沖彈簧(11)、緩沖橡膠柱(12)逐漸受壓縮，使剛性沖擊力得到緩沖，在持續(xù)0～0.2 s后過度到自由滑階段才恢復(fù)身體質(zhì)量壓力。

由于浮腿著冰的時(shí)段正是支撐腿最大蹬冰結(jié)束時(shí)，浮腿的剛性沖擊制動(dòng)阻力得到緩沖變小，使支撐腿蹬動(dòng)力量獲得的滑動(dòng)速度提高，見圖7。

圖5 自由滑F(xiàn)igure 5.Free Skating

圖6 落冰緩沖Figure 6.Fropping Buffer

圖7 剛性沖擊制動(dòng)力峰值減小Figure 7.Decreased Peak of Rigid Braking Force

3.2 蹬冰最大用力階段壓力點(diǎn)保持在在冰刀中部

壓層鉸鏈架(10)的鉸鏈軸(8)，固定在鉸鏈架(9)的前端，在壓層鉸鏈架鉸鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力通過鉸鏈架鉸形成的橋分解到鉸鏈架(9)的兩端，壓在冰刀的中部(圖8～9)。

3.2.1 蹬冰最大用力階段壓力點(diǎn)保持在冰刀中部可減小蹬冰的摩擦力

蹬冰的滑動(dòng)摩擦力是指兩個(gè)有相對(duì)滑動(dòng)的物體間在接觸面上產(chǎn)生的阻礙時(shí)它們相對(duì)滑動(dòng)的力。滑動(dòng)摩擦力的大小跟正壓力成正比?；瑒?dòng)摩擦力的大小計(jì)算公式為f =μN(yùn)，式中的μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，N為正壓力，它只跟材料、接觸面粗糙程度有關(guān)，跟接觸面積無關(guān)。然而，在冰刀滑行中，冰刀單位面積壓強(qiáng)的變化影響摩擦力。冰刀單位面積上受到的壓力為壓強(qiáng)。即：壓強(qiáng)=壓力/受力面積。壓強(qiáng)的大小，不僅與壓力的大小有關(guān)，也與受力面積大小有關(guān)。在摩擦因數(shù)和壓力大小固定時(shí)，減小冰刀刃支撐面積就增大了對(duì)冰面的壓強(qiáng)，可增加切入冰面的深度而增加摩擦力，見圖10。

圖8 蹬冰結(jié)束釋放能量Figure 8.Unleashing the Energy after Stroking

圖9 鉸鏈蹬冰蓄能Figure 9.Energy Storage of Hinge Stroking

圖10 冰刀壓力點(diǎn)變化冰刀單位受力面積變化Figure 10.Change of Pressure Point of Blade and Change of Unit Stressed Area of Blade

圖10中顯示，現(xiàn)有KLAP冰刀在蹬冰結(jié)束段腳跟抬起鉸鏈運(yùn)動(dòng)過程中，冰刀支點(diǎn)中心前移到冰刀前端1/2處時(shí)，冰刀有效壓冰長(zhǎng)度縮短了0～17.5 mm(235.44 mm-218.34 mm=17.5 mm)。通過新型壓層雙鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，冰刀在蹬冰結(jié)束段腳跟抬起的鉸鏈運(yùn)動(dòng)過程中，壓力通過鉸鏈架形成的橋分解到鉸鏈架(9)的兩端，使壓力中心在冰刀的中部，可減小鉸鏈蹬冰過程的摩擦力。

3.2.2 減小了鉸鏈蹬冰過程的費(fèi)力杠桿

基于杠桿平衡條件動(dòng)力乘動(dòng)力臂等于阻力乘阻力臂的原理，動(dòng)力臂(L1)小于阻力臂(L2)時(shí)，為費(fèi)力杠桿。現(xiàn)有KALP冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)圖2所示，由于冰鞋的前腳掌部為受力點(diǎn)，并在鉸鏈桿的鏈接位置，與鉸鏈點(diǎn)有50 mm的距離，此50 mm的距離成為費(fèi)力杠桿。在結(jié)束蹬冰鉸鏈過程中，支點(diǎn)與蹬冰發(fā)力點(diǎn)形成了費(fèi)力杠桿距離，減小了腿的蹬冰力。

3.2.3 鉸鏈蹬冰(最大用力蹬冰階段)壓縮彈簧蓄能

在冰鞋鉸鏈旋轉(zhuǎn)時(shí)壓縮鉸鏈蓄能壓簧(3)和冰鞋回彈彈簧(7)彎曲，蓄積冰鞋鉸鏈過程的壓力能量在冰刀上(圖6)，并在蹬冰結(jié)束時(shí)釋放力量繼續(xù)推冰0～0.2 s，助推身體滑進(jìn)。

3.3 實(shí)體結(jié)構(gòu)與初級(jí)實(shí)驗(yàn)

基于以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與工作原理，對(duì)設(shè)計(jì)的新的冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)正在進(jìn)行初級(jí)加工和樣件滑行實(shí)驗(yàn)。取得了較好的實(shí)踐效果并使設(shè)計(jì)成果得到初步驗(yàn)證(圖11～12)。

圖11 已完成的新型鉸鏈結(jié)構(gòu)冰刀初級(jí)加工樣件Figure 11. Primary Sample of Completed New Hinge Blade

圖12 研究人員進(jìn)行新型鉸鏈結(jié)構(gòu)冰刀滑行實(shí)驗(yàn)Figure 12.Gliding Experiments on New Hinge Blade

4 結(jié)語

新的冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)中，增加的壓層鉸鏈結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)既保留了原KLAP冰刀鉸鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并使蹬冰壓力點(diǎn)位置至于腳掌下，在鉸鏈過程中減掉了費(fèi)力杠桿部分，增加了內(nèi)置彈簧和外置彈簧可使鉸鏈過程的壓力進(jìn)行存儲(chǔ)并在蹬冰結(jié)束時(shí)釋放，在鉸鏈架下部的緩沖彈簧和橡膠柱可起到緩沖冰刀接觸冰面時(shí)的剛性沖擊造成的制動(dòng)阻力。冰刀的在蹬冰結(jié)束段腳跟抬起鉸鏈運(yùn)動(dòng)過程中，壓力通過鉸鏈架鉸形成的橋分解到鉸鏈架的兩端，壓在冰刀的中部，可減小鉸鏈蹬冰過程的蹬動(dòng)摩擦力。在鉸鏈架下部的緩沖彈簧和橡膠柱可起到緩沖冰刀接觸冰面時(shí)的剛性沖擊造成的制動(dòng)阻力。以上設(shè)計(jì)在理論上有提高滑行速度的可能性。

冰刀的初級(jí)加工實(shí)驗(yàn)，取得了較好的實(shí)踐效果并使設(shè)計(jì)成果得到初步驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)的新型雙鉸鏈結(jié)構(gòu)冰刀在進(jìn)行初級(jí)加工和滑行試驗(yàn)中，取得了較好的實(shí)踐效果，使設(shè)計(jì)得到初步驗(yàn)證。對(duì)進(jìn)一步深化研究開發(fā)有一定的借鑒，新的設(shè)計(jì)到商品化開發(fā)還需要很長(zhǎng)的路要走，建議有關(guān)部門給予支持，繼續(xù)深化研究開發(fā)以達(dá)到預(yù)期研究目的。

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中圖分類號(hào)：G818.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002–3488（2015）06–0092–05

收稿日期：2015–09–01；修回日期：2015–10–11

第一作者簡(jiǎn)介：宋來(1984–)，女，黑龍江佳木斯人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物化學(xué)。

Research on the Design of New Double Hinge Structure of Speed Skating Blade

SONG Lai，YANG Chun-huai

（Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China）

Abstract：In the 20th century， speed skating with the help of modern science and technology， makes a constant improvementfor the standards of sports， especially the research and application of KLAP blade promoted the performance of sports. With the constant improvement of the performance of speed skating， finding the new structure of speed skating blade has become the trend of the development of the future. By researching and analyzing the new KLAP hinge structure of speed skating blade，combined with the insole pressure sensor testing analysis， put forward the hinge design of putting new pressure point of blade hinge backwith hinge a energy storage and elastic buffer of speed skating. Looking for mechanics mechanism of blade hinge sturcture in the movements， fi nd out defi ciencies and improvements so as to reach the purpose of exploring the potential of structure technology of blade.

Key words：new type； double hinge structure； speed skating； design research