比賽型安全跨欄架的研制

王 萍，王正珍，陳偉健

比賽型安全跨欄架的研制

王 萍1，2，王正珍2，陳偉健1

研制新型跨欄架，以解決以往比賽、訓(xùn)練中普遍存在的因打欄引發(fā)的“怕欄”和“摔欄”問(wèn)題，探究最大限度地提升跨欄過(guò)程的安全性、公平性和便捷性的方法，實(shí)現(xiàn)跨欄跑項(xiàng)目器材的革新和換代。利用設(shè)計(jì)概念試驗(yàn)并驗(yàn)證緩沖的可行性，使用緩沖阻力彈簧、底座抬升弧及欄板的開(kāi)啟機(jī)關(guān)等零部件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，且進(jìn)行滑動(dòng)抬升改進(jìn)為滾動(dòng)抬升等整體設(shè)計(jì)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)比賽型安全跨欄架的研究設(shè)計(jì)。通過(guò)延長(zhǎng)打欄時(shí)間以緩沖打欄沖量、降低打欄沖力，同時(shí)使運(yùn)動(dòng)員在跨欄過(guò)程中有更多反應(yīng)時(shí)間，以便對(duì)身體姿態(tài)進(jìn)行控制或?qū)?dòng)作進(jìn)行調(diào)整；通過(guò)彈簧提供的彈性阻力和欄板機(jī)關(guān)的吸力，提供范圍在3.6～4.0 kg的阻力，符合國(guó)際田聯(lián)的相關(guān)規(guī)定；通過(guò)底座抬升裝置，確保打欄過(guò)程中欄板頂端到地面的垂直距離保持不變；自動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì)和滾動(dòng)緩沖式底座充分考慮了欄架便捷性及節(jié)約制造成本。比賽型安全跨欄架有效提升跨欄架的安全性，并兼顧公平性和便捷性，且符合《田徑競(jìng)賽規(guī)則(2014—2015)》要求，可適用于比賽及訓(xùn)練，未來(lái)或?qū)?shí)現(xiàn)跨欄跑項(xiàng)目器材的重要變革。

跨欄架；比賽；安全；公平；緩沖；專利

跨欄架是跨欄跑項(xiàng)目的專用器材，它的每一次變革和升級(jí)，都對(duì)該項(xiàng)目的發(fā)展起到推動(dòng)和保障作用。目前比賽廣泛使用的“L”形配重跨欄架是1935年由“⊥”形跨欄架改進(jìn)而來(lái)，其底座設(shè)置了配重塊，與欄板在底座的支點(diǎn)作用下形成杠桿作用，只有受到不小于3.6 kg最多不超過(guò)4 kg的撞擊力時(shí)才會(huì)翻倒[24]，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員的減速。雖然與之前的欄架相比，打欄的安全性已有大幅提升，但仍表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)員與欄架二者間的短時(shí)間碰撞過(guò)程，因?yàn)樗矔r(shí)沖力大，打欄緩沖時(shí)間超出了人的生理反應(yīng)時(shí)間，運(yùn)動(dòng)員不能及時(shí)調(diào)整身體平衡，易引發(fā)“摔欄”致傷；加之當(dāng)今跨欄跑運(yùn)動(dòng)員平跑速度的不斷提高，選材高大化、高重心化趨勢(shì)日益明顯，“摔欄”受傷常常影響比賽和訓(xùn)練[3]。初學(xué)者和業(yè)余選手更因此產(chǎn)生“怕欄”心理，不利于跨欄跑項(xiàng)目的推廣和普及。于是，欄架的革新又重新為人們所關(guān)注。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外針對(duì)欄架展開(kāi)的研究，一方面集中在使用的便捷性或庫(kù)存及攜帶的方便性的改進(jìn)上，如自動(dòng)復(fù)位跨欄架、可折疊跨欄架；或者在配重跨欄架基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，方便欄高和配重的調(diào)節(jié)，如使用聯(lián)動(dòng)式調(diào)節(jié)或電動(dòng)調(diào)節(jié)欄高配重的跨欄架，但其安全性均未得到改善[1-2，7-10，13，16，20，21，23，25-28]；另一方面，集中在跨欄架的安全性提升方面，如欄板材質(zhì)使用橡皮筋或泡沫板做的跨欄架或膠輥包裹式跨欄架，或者是無(wú)阻力設(shè)計(jì)的，如門啟式跨欄架、磁鐵欄板跨欄架，但因片面追求安全性，而缺乏用于比賽的條件[4-6，11-12，14，15，19，22]。

針對(duì)跨欄架安全性、公平性、便捷性三者難以兼得的問(wèn)題，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了有效探索，先后研制出“二級(jí)緩沖式跨欄架”[18]和“滾動(dòng)緩沖式跨欄架底座”[17]，通過(guò)與體育用品公司及有關(guān)政府部門合作，目前正逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)明專利的工業(yè)化及產(chǎn)業(yè)化，旨在取代“L”形配重跨欄架，實(shí)現(xiàn)欄架的更新?lián)Q代。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 基于安全性考慮

針對(duì)打欄時(shí)間短、運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)不及時(shí)的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)思路著眼于設(shè)法延長(zhǎng)打欄時(shí)間。眾所周知，汽車設(shè)計(jì)師更青睞于三廂車，除了出于外型氣派的考量之外，最主要的還是基于安全的考慮。當(dāng)發(fā)生后車追尾時(shí)，三廂車對(duì)汽車前廂和后廂均可起到緩沖作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)司乘人員的保護(hù)。同樣，汽車安全氣囊的設(shè)計(jì)目的也是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的緩沖。因此，“緩沖”成為安全性設(shè)計(jì)里的第一個(gè)關(guān)鍵詞，其目的就是設(shè)法延長(zhǎng)打欄時(shí)間。

現(xiàn)在比賽用跨欄架的欄板是一個(gè)橫向絕對(duì)封閉的結(jié)構(gòu)，縱向奔跑的運(yùn)動(dòng)員在過(guò)欄時(shí)常因欄板所羈絆導(dǎo)致摔倒，設(shè)計(jì)時(shí)筆者采納了其他跨欄架的開(kāi)門式設(shè)計(jì)理念，以提升安全性。

1.2 基于公平性考慮

不加限制的開(kāi)門式設(shè)計(jì)容易致使運(yùn)動(dòng)員打欄獲益，與國(guó)際田聯(lián)的相關(guān)規(guī)定不符，因此，設(shè)計(jì)中必須添加門啟阻力裝置，即只有受到不小于3.6 kg最多不超過(guò)4 kg的撞擊力時(shí)[24]，才能開(kāi)啟欄架欄板，以使運(yùn)動(dòng)員盡可能的跨越過(guò)欄，而不是沖撞欄架。

1.3 基于運(yùn)動(dòng)成績(jī)考慮

“L”形配重跨欄架運(yùn)動(dòng)員打欄后會(huì)引發(fā)技術(shù)動(dòng)作變形，進(jìn)而影響其技術(shù)水平發(fā)揮；欄架安全性的提升有助于減輕運(yùn)動(dòng)員對(duì)欄架的心理畏懼，且開(kāi)門式欄板設(shè)計(jì)可避免其技術(shù)動(dòng)作的過(guò)度變形，以便更好發(fā)揮技術(shù)水平。欄架安全性的提升可有效減少“摔欄”受傷，進(jìn)而降低康復(fù)的時(shí)間成本，使運(yùn)動(dòng)員有更多的時(shí)間投入訓(xùn)練和參賽，有利于運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高。

2 研究方法

2.1 設(shè)計(jì)概念試驗(yàn)

移植自汽車碰撞吸能緩沖設(shè)計(jì)概念的二級(jí)緩沖概念，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證緩沖的可行性，分析比較得出：與汽車吸能緩沖的距離越長(zhǎng)越安全不同，欄架的緩沖距離必須在不影響過(guò)欄動(dòng)作和比賽形式的前提下確定。

2.2 零部件設(shè)計(jì)試驗(yàn)

欄架包括緩沖阻力彈簧的選擇，底座抬升弧的制造。最有效的方法為3D打印，但由于成本稍高，最后選用數(shù)控車床制作。欄板的開(kāi)啟機(jī)關(guān)，采用了門吸裝置的吸力設(shè)計(jì)，能達(dá)到固定力值開(kāi)啟的效果。

2.3 整體設(shè)計(jì)試驗(yàn)

為完美實(shí)現(xiàn)安全性、公平性以及便捷性這3項(xiàng)功能，對(duì)欄架的機(jī)械性能進(jìn)行試驗(yàn)得出：滑動(dòng)抬升效果要略遜于滾動(dòng)抬升效果。因此，提出了改進(jìn)方案——滾動(dòng)緩沖式底座設(shè)計(jì)。

3 技術(shù)方案

3.1 緩沖

當(dāng)運(yùn)動(dòng)員與欄架發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)打欄距離來(lái)增加緩沖時(shí)間，可有效分散打欄瞬時(shí)沖力，使打欄沖量得以逐步釋放，由此，讓運(yùn)動(dòng)員有足夠的反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)整身體平衡，降低“摔欄”受傷的發(fā)生率。

與汽車?yán)密嚿斫Y(jié)構(gòu)形變來(lái)吸能緩沖的技術(shù)不同，比賽型安全跨欄架采用一種可重復(fù)循環(huán)的彈性吸能緩沖技術(shù)。利用欄板、立柱在底座連接點(diǎn)為軸心構(gòu)成一個(gè)可前后擺動(dòng)的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，配以彈簧牽拉以使其向前擺動(dòng)時(shí)受到阻力。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員攻欄碰撞欄板時(shí)，便會(huì)受到彈簧的阻力作用，達(dá)到較為緩和地減速。對(duì)彈簧的彈力系數(shù)和欄板前擺的距離進(jìn)行調(diào)整，可達(dá)到與配重式跨欄架相同的減速效果。如圖1所示，本設(shè)計(jì)提出的二級(jí)緩沖技術(shù)是按照時(shí)間先后順序和空間前后順序，將打欄碰撞產(chǎn)生的沖力設(shè)計(jì)為a、b兩段依次進(jìn)行緩沖，其特點(diǎn)是緩沖力度隨時(shí)間逐漸增加，并可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定a、b兩段的緩沖效果(緩沖的大小)、緩沖時(shí)間及緩沖距離。

3.2 條件開(kāi)啟式欄板

本文的跨欄架開(kāi)門式設(shè)計(jì)理念是通過(guò)開(kāi)啟式的欄板設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐證明，開(kāi)啟式的欄板設(shè)計(jì)能大幅提高欄架使用的安全性，但與普通的“遇碰即開(kāi)”的欄板設(shè)計(jì)有所不同，采用的欄板設(shè)計(jì)必須既能提升安全性，又能體現(xiàn)跨欄跑的“障礙”精神。

“條件開(kāi)啟式欄板”是在開(kāi)啟式欄板的基礎(chǔ)上，增加限制機(jī)關(guān)，以使欄板必須在受到預(yù)設(shè)的外力條件時(shí)才能被開(kāi)啟。限制機(jī)關(guān)設(shè)置于兩欄板之間，采用磁性吸力或其他物理力閉合，它的開(kāi)啟需要受到大于或等于預(yù)設(shè)的推力作用。

圖 1 二級(jí)緩沖式跨欄架作用力變化坐標(biāo)圖Figure 1. Force Change Coordinate Graph of Two-stage Buffer-type Hurdle

注：其中a、b最大值分別為：a=3.6 kgf；b=0.4 kgf，時(shí)間t相對(duì)有所增加。

3.3 高度補(bǔ)償

“基于維持?jǐn)[動(dòng)物體垂直高度恒定方法”[18]，是一類針對(duì)欄架繞冠狀軸擺動(dòng)過(guò)程中，欄板頂端到地面的垂直距離發(fā)生損失而進(jìn)行差值補(bǔ)償?shù)姆椒?。以此為基礎(chǔ)，提出了高度補(bǔ)償方案，通過(guò)添加一種能補(bǔ)償高度損失值的底座設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)因欄架前擺運(yùn)動(dòng)而可能致使欄架在任一瞬時(shí)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致低重心過(guò)欄的運(yùn)動(dòng)員由于輕度擦欄從而獲取不正當(dāng)利益的問(wèn)題。其實(shí)質(zhì)是在底座增加底座抬升裝置，根據(jù)欄板擺動(dòng)角度值與其高度值之間的規(guī)律，由該裝置給予補(bǔ)償，從而使欄板高度不因前擺而發(fā)生高度降低、復(fù)位抬高，維護(hù)競(jìng)賽公平原則。如圖2所示，P點(diǎn)為欄架欄板最高點(diǎn)，Q點(diǎn)為立柱底端的最低點(diǎn)，0°≤θ≤30°，隨著θ擺動(dòng)角度的變化，Q點(diǎn)位移的集合形成底座抬升裝置的弧面。

圖 2 高度補(bǔ)償示意圖Figure 2. Schematic Diagram for Altitude Compensation

3.4 自動(dòng)復(fù)位

配重式跨欄架使用時(shí)需多次扶正來(lái)恢復(fù)其位置，耗費(fèi)大量人力，自動(dòng)復(fù)位可有效提升比賽和訓(xùn)練的效率，筆者將自動(dòng)復(fù)位技術(shù)與緩沖技術(shù)二者融合，提出滾動(dòng)緩沖式跨欄架底座設(shè)計(jì)，使欄架的緩沖過(guò)程與可逆向的自動(dòng)復(fù)位過(guò)程合二為一。如圖3所示，欄架自動(dòng)復(fù)位工作流程分為5步：初始狀態(tài)→立柱前擺(一級(jí)緩沖)→欄板開(kāi)啟(二級(jí)緩沖)→欄板復(fù)位→立柱復(fù)位(恢復(fù)初始狀態(tài))。

圖 3 比賽型安全跨欄架工作模式圖Figure 3. Work Mode Figure of the Safety Hurdle for Competition

4 工作原理

4.1 二級(jí)緩沖式設(shè)計(jì)

二級(jí)緩沖式設(shè)計(jì)，實(shí)則是第一級(jí)緩沖和第二級(jí)緩沖相互配合的接力緩沖的過(guò)程。第一級(jí)緩沖，為立柱前擺階段，欄架的前擺會(huì)受到彈簧的反方向拉力，拉力的大小、強(qiáng)弱與前擺的幅度大小成正比關(guān)系。第二級(jí)緩沖，為欄板開(kāi)啟階段，當(dāng)立柱前擺行程結(jié)束，運(yùn)動(dòng)員推力達(dá)到條件開(kāi)啟欄板時(shí)，欄板打開(kāi)，運(yùn)動(dòng)員的推力使欄板加速打開(kāi)，欄板彈簧反方向牽拉使欄板減速緩沖，牽拉力逐漸遞增至運(yùn)動(dòng)員完全通過(guò)欄架而結(jié)束。這種設(shè)計(jì)會(huì)給予打欄運(yùn)動(dòng)員由弱到強(qiáng)的阻力作用，漸增式降低打欄運(yùn)動(dòng)員的前進(jìn)速度，但可使得運(yùn)動(dòng)員在打欄初始階段有適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)整自身的平衡狀態(tài)，避免出現(xiàn)失衡跌倒。

4.2 固定推力開(kāi)啟

固定推力開(kāi)啟，系通過(guò)條件開(kāi)啟式欄板得以實(shí)現(xiàn)。其“開(kāi)啟條件”是在兩檔板裝有可閉合的機(jī)關(guān)，在磁性吸力或其他物理力的作用下閉合，并使欄板呈封閉狀態(tài)，須受到預(yù)設(shè)大小的外力作用時(shí)機(jī)關(guān)才能開(kāi)啟。二級(jí)緩沖式設(shè)計(jì)的順序必須在它的配合下才能完成。

4.3 高度恒定

高度恒定，系“基于維持?jǐn)[動(dòng)物體垂直高度恒定方法”[18]，針對(duì)欄架的立柱繞冠狀軸擺動(dòng)過(guò)程中，欄板頂端到地面的垂直距離發(fā)生損失而進(jìn)行差值補(bǔ)償?shù)姆椒?，旨在?shí)現(xiàn)高度補(bǔ)償。

如圖4所示，當(dāng)立柱以底座為支點(diǎn)前擺時(shí)，隨著擺動(dòng)幅度的增大，相應(yīng)的垂直高度降低(圖4左)，針對(duì)該問(wèn)題，提出如下解決方案(圖4右)。

圖4左為未增加高度抬升效果的柱體AX，以O(shè)點(diǎn)為軸順時(shí)針擺動(dòng)，隨著擺動(dòng)的角度增加，其高度也逐漸降低。擺動(dòng)角度為α?xí)r，頂點(diǎn)Y高度降低為PY，總損失高度等于PY與BM之和；擺動(dòng)角度為β時(shí)，頂點(diǎn)Z高度降低為QZ，總損失高度等于QZ與CN之和。

圖 4 高度恒定示意圖Figure 4. Schematic Diagram for Constant Altitude

注：左圖為未增加高度抬升效果的柱體AX；右圖為增加了抬升效果的柱體A′X′。其中，B′M′=PY+BM；C′M′=QZ+CN。

圖4右為增加了抬升效果的柱體A′X′，以O(shè)點(diǎn)為軸順時(shí)針擺動(dòng)，其特點(diǎn)是，柱體擺動(dòng)角度為α?xí)r，頂點(diǎn)Y′高度不變，總損失高度為B′M′，其中，B′M′=PY+BM；擺動(dòng)角度為β時(shí)，頂點(diǎn)Z′高度不變，總損失高度為C′M′，其中，C′M′=QZ+CN，即柱體底部高度補(bǔ)償，以保證柱體頂點(diǎn)高度不變。

5 研制過(guò)程

5.1 二級(jí)緩沖式跨欄架研制階段

沿二級(jí)緩沖式跨欄架的矢狀面，將其切分為左右對(duì)稱的兩部分，如圖5所示。欄架底座由抬升弧面、支撐柱、底座彈簧和底座主體4部分組成：1)抬升弧面是一個(gè)不規(guī)則的凹槽，它的弧度與立柱的角度擺幅以及長(zhǎng)度比有關(guān)，弧的組成是公式解的集合，計(jì)算公式為：L=(r+R)(1-cosθ)(0°≤θ≤30°)；2)支撐柱底端與底座主體固定連接，頂端橫向設(shè)置一軸銷，供擺動(dòng)立柱在上面旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)；3)底座彈簧的一端與支撐柱底端相連，另一端與擺動(dòng)立柱底端相連；4)底座主體是一塊長(zhǎng)方體的空心金屬管。欄架的擺動(dòng)立柱中下端為一鏤空貫穿式滑動(dòng)長(zhǎng)孔，并被支撐柱軸銷所貫穿，且以軸銷為支撐點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)與滑動(dòng)動(dòng)作；擺動(dòng)立柱下端與底座彈簧連接，并安裝有滑輪，可在底座抬升弧凹槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)立柱上方安裝垂直軸軸承并連接欄板。欄板外端可在擺動(dòng)立柱頂部旋轉(zhuǎn)，通過(guò)擺動(dòng)立柱與欄板之間的欄板彈簧連接保持原始狀態(tài)。欄板內(nèi)端與對(duì)稱另一欄板通過(guò)開(kāi)啟機(jī)關(guān)連接，開(kāi)啟機(jī)關(guān)是具有固定吸力的連接裝置，采用磁性吸力或其他物理力連接，須經(jīng)固定外力作用方能開(kāi)啟。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)員打欄時(shí)，欄架受到撞擊，首先進(jìn)入欄架立柱前擺階段(一級(jí)緩沖)，借助立柱前擺過(guò)程對(duì)沖力進(jìn)行緩沖，當(dāng)作用力達(dá)到開(kāi)啟機(jī)關(guān)的開(kāi)啟條件時(shí)，欄板開(kāi)啟，隨之進(jìn)入欄板緩沖階段(二級(jí)緩沖)，直至該運(yùn)動(dòng)員通過(guò)欄架(圖6)。

圖 5 二級(jí)緩沖式跨欄架細(xì)節(jié)圖Figure 5. Detail Image of Two-stage Buffer-type Hurdle

圖 6 二級(jí)緩沖式跨欄架工作流程圖Figure 6. Work Flow Chart of Two-stage Buffer-type Hurdle

5.2 滾動(dòng)緩沖式底座研制階段

欄架的滾動(dòng)緩沖式底座是在二級(jí)緩沖式跨欄架基礎(chǔ)上的進(jìn)一步完善，該底座由立柱、彎管、底座、彈簧、立柱連桿和底座連桿組成(圖7)。彎管是一條弧形管并與立柱固定連接，底座是弧形槽并與彎管弧形管相切，同時(shí)使得彎管可以在底座弧形槽上前后方向滾動(dòng)。彎管底部和底座弧形槽均具有卡齒，彎管在底座弧形槽中滾動(dòng)時(shí)依靠卡齒對(duì)應(yīng)咬合。立柱與底座前端連接有彈簧，左半部欄架和右半部欄架由立柱連桿和底座連桿連接[17]。

圖 7 滾動(dòng)緩沖式底座圖Figure 7. Base of Scrolling Buffer-type Hurdle

注：1.立柱；2.彎管；3.底座；4.彈簧；5.立柱連桿；6.底座連桿。

6 合理性、科學(xué)性及可行性分析

6.1 合理性分析

1.推倒力。本研究中的比賽型安全跨欄架通過(guò)彈簧提供的彈性阻力和欄板機(jī)關(guān)的吸力，共同提供范圍在3.6～4.0 kg的阻力，滿足了《田徑競(jìng)賽規(guī)則(2014—2015)》[24]關(guān)于“欄架需承受3.6 kg最多不超過(guò)4 kg的撞擊力方可被推倒”的規(guī)定。

2.欄架高度不變?！短飶礁?jìng)賽規(guī)則(2014-2015)》[24]要求“制作欄架時(shí)，欄架高度的允許誤差為±3 mm”。本研究中的比賽型安全跨欄架采用基于“補(bǔ)高度差法”的底座抬升裝置，能實(shí)現(xiàn)欄架在前擺期間的有效工作行程內(nèi)，欄板頂端到地面的垂直距離保持不變；由于有欄板機(jī)關(guān)的吸力，在前擺期間可保證欄板只有承受到足夠的水平推倒力才會(huì)被打開(kāi)。因此，欄架向前擺動(dòng)不會(huì)對(duì)比賽的形式產(chǎn)生影響。

3.欄架高度的調(diào)節(jié)?！短飶礁?jìng)賽規(guī)則(2014-2015)》[24]要求“欄架高度可按不同項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整”。本研究中的比賽型安全跨欄架通過(guò)調(diào)整立柱的長(zhǎng)度及底座抬升裝置的弧度，順利實(shí)現(xiàn)對(duì)欄架高度的調(diào)節(jié)。運(yùn)動(dòng)員跨欄實(shí)驗(yàn)和專家論證將進(jìn)一步對(duì)比賽型安全跨欄架的應(yīng)用提供實(shí)證性依據(jù)。

6.2 科學(xué)性分析

針對(duì)運(yùn)動(dòng)員跨欄過(guò)程中的打欄現(xiàn)象，依據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，物體所受的沖量等于它的動(dòng)量增量。當(dāng)力隨時(shí)間改變時(shí)，物體所受的沖量指該力的作用對(duì)時(shí)間的積累效果，即力對(duì)時(shí)間的積分。運(yùn)動(dòng)員打欄時(shí)，在運(yùn)動(dòng)員與欄架碰撞的過(guò)程中，欄架所受的沖量等于欄架的動(dòng)量增量。

由沖量公式I=F×t可知，當(dāng)沖量大小恒定不變時(shí)，時(shí)間越短，沖力越大。在運(yùn)動(dòng)員打欄過(guò)程中，使用“L”形配重跨欄架時(shí)，因?yàn)榇驒跁r(shí)間極短，欄架受到的沖力就很大，而運(yùn)動(dòng)員受到的反作用力與欄架受到的沖力大小相等，方向相反，因此，運(yùn)動(dòng)員受到的反作用力也很大。由動(dòng)量沖量公式I=m×(v末-v初)可知，運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量越大，打欄前、后的速度差越大，欄架受到的沖量就越大，當(dāng)打欄時(shí)間恒定不變時(shí)，欄架受到的沖力就越大，運(yùn)動(dòng)員受到的反作用力也越大。因此，隨著跨欄跑運(yùn)動(dòng)員平跑速度的不斷提高，以及選材高大化、高重心化趨勢(shì)的日益明顯，由于“L”形配重跨欄架運(yùn)動(dòng)員打欄時(shí)間短，欄架對(duì)運(yùn)動(dòng)員的反作用力大，引發(fā)的傷害事故常會(huì)造成嚴(yán)重后果。

比賽型安全跨欄架通過(guò)延長(zhǎng)打欄時(shí)間以緩沖打欄沖量、減小打欄沖力，即減小欄架對(duì)人體的反作用力，使運(yùn)動(dòng)員在跨欄過(guò)程中受傷的機(jī)率降低。另外，延長(zhǎng)打欄時(shí)間，可使運(yùn)動(dòng)員在跨欄過(guò)程中有更多的反應(yīng)時(shí)間，對(duì)身體姿態(tài)進(jìn)行控制或?qū)?dòng)作進(jìn)行調(diào)整，防止“摔欄”現(xiàn)象的發(fā)生。運(yùn)動(dòng)員“怕欄”心理會(huì)因此明顯減輕，有利于跨欄跑項(xiàng)目的推廣和普及，同時(shí)利于運(yùn)動(dòng)員水平的發(fā)揮。

6.3 可行性分析

1.欄架高度不變。通常情況下，一般的開(kāi)門式欄架在以立柱下端或底座為支點(diǎn)向前擺動(dòng)時(shí)，欄板頂端到地面的垂直距離會(huì)伴隨著擺幅增大而降低，影響了比賽的公平性。本研究中的比賽型安全跨欄架通過(guò)在底座添加“前擺抬升裝置”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前擺過(guò)程中損失高度的補(bǔ)償，很好地解決了上述問(wèn)題。具體方案有二：1)為了減少前擺抬升裝置的機(jī)械摩擦，在立柱底部和滑動(dòng)立柱長(zhǎng)孔處均改用滑輪，以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦；2)提出了滾動(dòng)抬升底座設(shè)計(jì)，使抬升裝置與底座融為一體，使欄架運(yùn)行的摩擦大幅減小，零件數(shù)量也隨之大為減少。

2.推倒力。在跨欄架的制造過(guò)程中，因?yàn)閺椥宰枇Φ扔趶椈傻木髲?qiáng)系數(shù)與彈簧長(zhǎng)度的乘積，通過(guò)確定彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)與長(zhǎng)度規(guī)格，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧的彈性阻力的控制，加之對(duì)欄板機(jī)關(guān)的吸力控制，使彈性阻力和吸力之和滿足《田徑競(jìng)賽規(guī)則(2014-2015)》[24]的規(guī)定。

3.運(yùn)動(dòng)成績(jī)。欄架安全性的提升有助于減輕運(yùn)動(dòng)員對(duì)欄架的心理畏懼，且開(kāi)門式欄板設(shè)計(jì)可避免其技術(shù)動(dòng)作的過(guò)度變形，以便更好地發(fā)揮技術(shù)水平；同時(shí)，可有效減少“摔欄”受傷，降低康復(fù)的時(shí)間成本，使運(yùn)動(dòng)員有更多的時(shí)間投入訓(xùn)練和參賽，從而有利于運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高。

本研究目前已經(jīng)制作了樣品，待運(yùn)動(dòng)員跨欄實(shí)驗(yàn)和專家對(duì)運(yùn)動(dòng)員跨欄實(shí)驗(yàn)的論證后，可實(shí)現(xiàn)比賽型安全跨欄架的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。

7 結(jié)語(yǔ)

跨欄架安全性、公平性與便捷性一直是欄架發(fā)展的方向，而三者之間存在矛盾，目前體育競(jìng)賽中所使用的欄架往往以保障公平性為首要因素，進(jìn)而以犧牲欄架的部分安全性為代價(jià)，一定程度上制約了跨欄跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。針對(duì)跨欄架器材發(fā)展中存在的矛盾問(wèn)題，以二級(jí)緩沖式跨欄架為主體的比賽型安全跨欄架的研制，給出了很好的解決方案：1)通過(guò)兩級(jí)緩沖來(lái)分散打欄沖力，延長(zhǎng)打欄時(shí)間，有效提升欄架的安全性；2)基于“維持?jǐn)[動(dòng)物體垂直高度恒定原理”，進(jìn)行高度補(bǔ)償，確保欄板的高度不發(fā)生改變；在緩沖過(guò)程中，設(shè)計(jì)固定的阻尼值，以到達(dá)減速的目的，這些都保證了欄架的公平性；3)自動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì)和滾動(dòng)緩沖式底座都充分考慮到欄架的便捷性及對(duì)制造成本的節(jié)約。因此，本文所述的比賽型安全跨欄架較好地解決了欄架安全性、公平性、便捷性三者難以兼得的難題，且符合《田徑競(jìng)賽規(guī)則(2014-2015)》要求，可適用于比賽及訓(xùn)練，未來(lái)或?qū)?shí)現(xiàn)跨欄跑項(xiàng)目器材的重要變革。

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Development of the Safety Hurdle for Competition

WANG Ping1,2,WANG Zheng-zhen2,CHEN Wei-jian1

The development of new hurdle is to solve the problems of fear and fell bar in previous hurdling training and competition,explore the safety,fairness and convenience methods to maximize the hurdling process,and achieve the innovation and change of hurdling equipment. Using the design concept test to verify the feasibility of buffer,the buffer resistance spring,base uplifted arc and steeplechase organs and other spare parts are used to design the test. Moreover,the experimental design of improvement of sliding uplift for rolling the lifting realize the design of safety hurdle. Through prolong the fell bar impulse,the momentum of athletes is reduced,the athletes have more time to react in the hurdling process,in order to control the body posture or adjust the action; suction provided by a spring elastic resistance and the tailgate organs to provide range in 3.6～4.0 kg of the resistance,consistent with the relevant provisions of the IAAF. Through the base lifting device,to ensure that the perpendicular distance fell bar at the top of the hurdle to the ground remained unchanged; automatic reset design and rolling type buffer base take full account of the hurdling convenience and saving manufacturing cost. Game-type safety hurdle effectively enhance the safety of hurdle,taking into account the fair and convenient and in line with the athletic competition rules (2014-2015) ,suitable for competition and training. In the future,the significant innovation of hurdling equipment can be made.

hurdle;competition;safe;fairness;buffer;patent

1002-9826(2016)03-0140-06

10.16470/j.csst.201603021

2015-12-03；

2016-03-29

廣東省公益研究與能力建設(shè)項(xiàng)目(2014A020220013)。

王萍(1974-)，女，湖南祁陽(yáng)人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、體育工程，Tel：(0668)2923579，E-mail：wp2923@163.com；王正珍(1956-)，女，山東泰安人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇蟊娊∩砝碚撆c應(yīng)用，Tel：(010)62989167，E-mail：zhengzhenwang1005@126.com；陳偉健(1989-)，男，廣東茂名人，主要研究方向?yàn)轶w育教育訓(xùn)練學(xué)、體育工程，Tel：(0668)2923579，E-mail：544296371@qq.com。

1. 廣東石油化工學(xué)院 體育學(xué)系，廣東 茂名 525000；2.北京體育大學(xué) 運(yùn)動(dòng)康復(fù)系，北京 100084 1.Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China; 2.Beijing Sport University,Beijing 100084,China.

G818.3

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