高山滑雪初學者手扶雪上練習器的設計與試驗

王科潤

摘要：針對高山滑雪初學者雪板控制能力弱、受傷風險高及學習進度慢等問題，設計了一種高山滑雪初學者手扶雪上練習器。本文對練習器的基本結構、工作原理及環(huán)狀雪橇的幾何參數(shù)進行了詳細分析與優(yōu)化設計，從人機工程學角度闡述了自控制動舌制動受力原理，并借助有限元分析軟件驗證了自控制動舌的強度，試驗以扭簧線徑為因素，制動距離為考核指標，對器具的自控制動舌的性能進行測試，結果表明：當自控制動舌扭簧線徑為2.5mm時，制動距離為4.8m，滿足器具設計要求。通過建立器具轉(zhuǎn)向平面運動模型確定手控制動舌的作用面積至少為328mm²，因此綜合考慮手控制動舌的工作面尺寸設計為36mm×20mm。

關鍵詞：高山滑雪；扁馬蹄形環(huán)狀雪橇；制動舌；初學者；雪上練習器

中圖分類號：G808 文獻標識碼：A 文章編號：1008-2808（2018）03-0032-05

隨著冬奧“北京周期”的開啟，進一步推進冰雪運動的廣泛普及與提高，越來越多的人將滑雪作為戶外運動的最佳選擇。由于滑雪運動初學者不具備控制雪板的能力，難以在短時間內(nèi)掌握滑雪技術，若無專業(yè)教練指導保護，獨自練習經(jīng)常出現(xiàn)滑摔甚至受傷現(xiàn)象，而初學者聘請教練的費用較高且教練數(shù)量有限，難以滿足滑雪旺季的實際需求，絕大多數(shù)的初學者均未聘請教練，鋌而走險，導致每年受傷人數(shù)眾多，這一現(xiàn)象限制了滑雪人口數(shù)量的增長，不利于滑雪運動的長期發(fā)展。

為降低受傷幾率，解決滑雪人口數(shù)量眾多與初學者聘請教練費用昂貴及滑雪旺季教練數(shù)量供應不足間的矛盾，本文設計了一種適用于滑雪初學者的輔助練習器，對保證初學者人身安全、縮短初學者滑雪入門時間及提高人們對滑雪運動的熱情具有重要意義。

1高山滑雪初學者手扶雪上練習器的整機設計

1.1設計目標

結合國內(nèi)外大型滑雪場初級滑雪道的主要參數(shù)，本文設計的高山滑雪初學者手扶雪上練習器使用環(huán)境為：雪道變向處角度大于135°，寬度大于20m，坡度小于8°，停止區(qū)開闊平緩長度大于20m，雪道長度為200m。

本文設計的高山滑雪初學者手扶雪上練習器旨在為初學者滑雪提供一種結構簡單、安全可靠、運行靈活的器具，降低滑雪過程中的危險系數(shù)，為初學者自行練習提供可靠保障，現(xiàn)對器具提出以下要求：（1）初學者對器具失去控制時，器具可對周邊人員提供保護；（2）使用過程中可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)；（3）器具置于雪場雪面不產(chǎn)生下陷且便于攜帶。

1.2整機結構和工作原理

高山滑雪初學者手扶雪上練習器主要由固定連接架、扁馬蹄形環(huán)狀雪橇、制動拉線、制動手柄、防踏攔網(wǎng)、自控制動舌等組成，如圖1所示。

使用時，將器具放置于雪場雪面上，練習者雙手扶著握把，穿上雪板站立在左、右側(cè)的扁馬蹄形環(huán)狀雪橇之間，此時，在自控制動舌與雪面接觸配合控制下器具在雪面上靜止，當初學者雙手推壓左、右側(cè)的握把時，由于雙手的壓力使自控制動舌克服彈簧的扭力，左、右側(cè)的扁馬蹄形環(huán)狀雪橇底部上發(fā)生向上方的轉(zhuǎn)動，消除制動阻力，器具開始滑行練習使用。當運行中需要停止滑行時，雙手同時拉緊左、右側(cè)的制動手柄，通過制動拉線使左、右側(cè)的手控制動舌轉(zhuǎn)動，與雪面接觸產(chǎn)生阻力，完成制動停止運行。單獨拉緊一側(cè)的制動手柄，即可完成本器具轉(zhuǎn)彎運行（實現(xiàn)回轉(zhuǎn)練習）。當初學者的雙手全部離開握把時，在彈簧的扭力作用下，自控制動舌恢復到初始位置，與雪面接觸產(chǎn)生阻力，器具靜止。左、右側(cè)的防踏攔網(wǎng)和前側(cè)的限位擋網(wǎng)可分別防止初學者的滑雪板誤踏在左、右側(cè)的扁馬蹄形環(huán)狀雪橇上或從器具前端滑出，避免對初學者造成傷害。器具的主要參數(shù)如表1所示。

2高山滑雪初學者手扶雪上練習器的關鍵

部件設計2.1環(huán)狀雪橇設計

器具采用兩個扁馬蹄形環(huán)狀雪橇平行對稱連接組合構成的流線型坦克狀器體，以保證器具結構簡單穩(wěn)定可靠且行走阻力較小。

接地比壓是雪橇單位面積上所承載的垂直載荷，是雪上機械的一個非常重要的技術參數(shù)，它直接決定器具行駛的通過性和穩(wěn)定性，其表達式為：

當器具的接地段過長時會導致轉(zhuǎn)向性能變差，過短則使雪橇對雪地的壓力分布不均勻，降低器具穩(wěn)定性，綜合考慮雪橇的接地段長度取為1m。W為人對器具的壓力與器具重力之和，預計為200N，雪地不下陷的最大接地比壓約為3000Pa。將相關參數(shù)代入式（1）可得雪橇寬度為0.033m，設計時取為0.05m。

2.2自控制動舌設計

自控制動舌的作用是當初學者摔倒時，雙手脫把，在扭力彈簧扭力的作用下，自控制動舌彈出，與雪面接觸產(chǎn)生阻力，器具停止，與防踏攔網(wǎng)共同對操縱人員起到保護作用。自控制動舌工作狀態(tài)受力示意圖如圖2所示。

器具在沿坡面方向受力有：

為保證所設計的自控制動舌具有足夠的強度能對練習者提供保護，運用有限元軟件對其強度進行分析，利用三維建模軟件建立自控制動舌幾何模型，并導入至有限元分析軟件中。為提高仿真運行速度及精度，對其幾何模型進行簡化處理，將倒角、圓角簡化為直角，在螺栓孔處設置為鉸接連接方式，對自控制動舌施加平行于坡面方向的作用力F_ax大小為6N，網(wǎng)格劃分如圖3所示，有限元分析結果如圖4所示。

圖4a結果顯示最大應力為23.96MPa，遠小于不銹鋼的極限屈服強度，圖4b結果顯示最大形變?yōu)?.0001mm，形變及其微小可忽略不計，自控制動舌設計合理滿足設計要求。

2.3手控制動舌設計

回轉(zhuǎn)是整個滑雪運動的核心部分，回轉(zhuǎn)過程靠改變雪橇角度與雙腿的用力實現(xiàn)，對于初學者來說較難掌握，本文設計的手扶雪上練習器結合犁式回轉(zhuǎn)的動作要領，特設計左手拉緊制動柄使器具向右回轉(zhuǎn)，與左板蹬板向右回轉(zhuǎn)保持一致，同理可實現(xiàn)左轉(zhuǎn)。

為確定手控制動舌的結構參數(shù)，建立器具轉(zhuǎn)彎過程的平面運動學模型，如圖5所示，考慮初學者尚未熟練掌握回轉(zhuǎn)技巧，回轉(zhuǎn)過程中的制動力全部由器具提供且行駛速度平穩(wěn)。

變向時器具繞瞬時旋轉(zhuǎn)中心C₂旋轉(zhuǎn)，取外側(cè)雪橇縱向軸線上微元dy如圖6所示，作用于該微元的地面切向反作用力dF₂大小與單位長度的正壓力成正比，那么沿雪橇接地段縱向中心線有：

式（13）代入相關參數(shù)可得，F(xiàn)_R4為4.3N，根據(jù)前期測定可確定手控制動舌受到的雪面均布載荷P約為9500Pa，由式（14）可確定手控制動舌的受力面積至少為453mm²，因此綜合考慮手控制動舌的工作面尺寸設計為36mm×20mm。

3高山滑雪初學者手扶雪上練習器試驗與分析

自控制動舌工作時由雙齒扭簧提供扭力，因此扭簧線徑對工作性能好壞起到重要作用，為使選用的扭簧可滿足工作性能且安全可靠，本文采用試驗方法對扭簧直徑進行選取。

2018年2月25日于哈爾濱名都滑雪場對器具進行場地試驗，分別對安裝扭簧線徑為1mm、1.5mm、2mm的器具進行多次測試，當器具在雪坡上快速行駛時，釋放器具對其制動距離進行測量，試驗過程如圖7a所示。試驗發(fā)現(xiàn)安裝扭簧線徑為1mm、1.5mm、2mm的器具在比較平整的雪面上制動深度不夠，在不平整的雪面上借助于顛動的力量可小幅度彈出，制動效果較差，滿足不了器具隨時制動的需求，因此這3種線徑的扭簧不適用于該器具。

2018年3月18日于哈爾濱體育學院（帽兒山）冠軍滑雪場對分別安裝扭簧線徑為2.5mm、3mm的器具進行多次測試，當器具在雪坡上快速行駛時，釋放器具對其制動距離進行測量，試驗過程如圖7b所示。試驗發(fā)現(xiàn)安裝扭簧線徑為3mm的器具在使用者并未釋放時自控制動舌便已經(jīng)彈出，深入雪面形成阻力導致無法正?；校斁€徑為2.5mm時自控制動舌工作效果最佳，制動距離為4.8m，因此選用線徑為2.5mm的雙齒扭簧。

4結論

（1）結合高山滑雪場初級滑雪道的主要參數(shù)，研究設計了一種高山滑雪初學者手扶雪上練習器，闡述分析了器具結構組成與工作原理，該器具接地比壓小于3000Pa，擁有自控與手控兩種制動方式，為高山滑雪初學者的練習提供了可靠保證。

（2）將接地比壓作為參考因素，優(yōu)化設計了環(huán)狀雪橇的幾何參數(shù)；理論分析了自控制動舌工作時的受力情況，并對其進行有限元分析驗證其結構合理性；建立器具轉(zhuǎn)向平面運動模型，確定了手控制動舌的作用面積。

（3）為選配合適的扭簧，以扭簧線徑為因素，制動距離為考核指標，對器具的自控制動舌性能進行測試，結果表明，當自控制動舌扭簧線徑為2.5mm時制動距離為4.8m，效果最佳，滿足器具設計要求。