鄭明輝 陳錦波

氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機設(shè)計

鄭明輝 陳錦波

針對網(wǎng)球運動訓(xùn)練中的技術(shù)要求和存在的問題，設(shè)計了新式的網(wǎng)球訓(xùn)練機，包括氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機的工作原理和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行了基于能量守恒定律伯努利方程的網(wǎng)球運動分析，豐富了教學(xué)手段，提高了教學(xué)質(zhì)量。

氣壓式；網(wǎng)球訓(xùn)練機；設(shè)計；伯努利方程

網(wǎng)球運動深受群眾喜愛，在我國普及迅速。但對于初學(xué)者來說，要想在短時間內(nèi)提高網(wǎng)球技術(shù)，沒有先進的訓(xùn)練設(shè)施是很難實現(xiàn)的。因此設(shè)計一種科技含量高、價格低、美觀耐用、大容量的網(wǎng)球訓(xùn)練機，具有廣闊的社會效益和經(jīng)濟效益。氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機在設(shè)計理念上采用了電動控制與氣壓技術(shù)相結(jié)合，不僅解決了上下旋轉(zhuǎn)不易控制等問題，而且增加了發(fā)射的準(zhǔn)確性，可以人為地將發(fā)球速度控制在60～180公里/小時，且可發(fā)出平擊球、上旋球、下旋球、中場、后場高壓球等，為使用者提供底線、中場、網(wǎng)前等各種訓(xùn)練，并可自動雙向發(fā)球，便于單人正、反手跑動訓(xùn)練或雙人同時訓(xùn)練，為教學(xué)、訓(xùn)練或單人使用帶來極大的方便。

1 氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機設(shè)計原理

本次設(shè)計的氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機主要包括供球系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)，供球系統(tǒng)用于網(wǎng)球儲存，其作用是儲存網(wǎng)球并將網(wǎng)球隨時按要求供給發(fā)射系統(tǒng)，同時不能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；動力系統(tǒng)包括空氣壓縮機和氣壓控制閥，以空氣為工作介質(zhì)，將氣壓能轉(zhuǎn)化為網(wǎng)球運動的機械能，并且實現(xiàn)壓力和速度可調(diào)；發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)射筒、發(fā)射氣缸、換向汽缸等，用于貯存發(fā)射能，使網(wǎng)球能夠以較大的動能向不同方向運動。訓(xùn)練機工作原理如圖1(a)所示，主要結(jié)構(gòu)組成有儲球箱、備球盤、氣動馬達、閥門、進球管道、出球管道、雙層管道、發(fā)球汽缸、換向汽缸、閥門控制汽缸、以及空壓機等。圖1(b)為出球管道剖視圖；圖1(c)為備球盤示意圖。[1]

圖1 氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機1-儲球箱 2-閥門 3-閥門控制汽缸 4-進球管道 5-雙層管道 6-出球管道 7-換向汽缸 8-發(fā)球汽缸 9-空壓機 10-氣動馬達 11-備球盤12-出球膛 13出球膛內(nèi)襯片 14-雙層管道套管 15-雙層管道內(nèi)襯 16-網(wǎng)球 17-軟管 18-備球盤 19-閥門 20-進球管道 21-轉(zhuǎn)軸 22-擋球環(huán)

圖1(a)中備球盤11在空壓機9上面，在儲球箱1底部，由氣動馬達10帶動，其圓周旁開設(shè)兩個或多個容球孔洞，容球孔洞轉(zhuǎn)動時周期性經(jīng)過儲球箱底部的弧形缺口，從而可以從儲球箱中獲取網(wǎng)球以存儲與容球孔洞中并隨容球孔洞轉(zhuǎn)動。當(dāng)閥門2打開，并且容球孔洞帶著網(wǎng)球轉(zhuǎn)到進球管道上方時，網(wǎng)球自動落下，完成一個取球過程。這種取球方式不僅不會造成網(wǎng)球在儲球箱中卡死，而且還不用阻球片。方便可靠，設(shè)計簡單。之所以備球盤用氣動馬達帶動是考慮到電機的轉(zhuǎn)速問題，以及氣壓馬達的轉(zhuǎn)速控制及價格問題。出球管道6接近發(fā)球汽缸8的一端為圖1(b)中軟管17。

圖1(b)中，接近出球口的一端為硬質(zhì)出球膛12，在軟管17和出球膛12之間設(shè)有一段雙層管道5，其外層為硬質(zhì)材料，內(nèi)設(shè)一層內(nèi)襯，內(nèi)襯可以是軟質(zhì)內(nèi)襯，也可以是硬質(zhì)內(nèi)襯，圖1(b)中雙層管道15與出球膛12及軟管17連接為套接。在圖1(a)中的出球膛內(nèi)壁一側(cè)設(shè)置如圖1(b)中的表面粗糙的出球膛內(nèi)襯片13，變換其上下位置，可以使發(fā)出來的球具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，獲得上旋球、下旋球、側(cè)旋球。

本次設(shè)計的網(wǎng)球訓(xùn)練機可實現(xiàn)四大功能，包括練習(xí)時間控制、發(fā)球頻率控制、發(fā)球速度控制、發(fā)球方向控制等，是由硬件配合軟件控制的高技術(shù)設(shè)計，其工作過程如下。

(1) 啟動電源，設(shè)定好工作時間，發(fā)球方向(定向發(fā)球還是變向發(fā)球)，發(fā)球速度。按“開始”鍵，過半分鐘，程序自動進入運行；

(2)初始動作是令電磁鐵D1得電，閥門汽缸3活塞向左運動，閥門2打開，備球盤中的球落入進球管道，傳感器S1促發(fā)，S1控制D1失電，閥門2關(guān)閉，進球管道加壓，網(wǎng)球被推至雙層管道處夾住，傳感器S2促發(fā)；

(3)S2促發(fā)后，電磁鐵D2由傳感器S2控制得電，發(fā)球汽缸8動作，活塞桿高速撞擊網(wǎng)球，使網(wǎng)球獲得較快的速度向外射出。網(wǎng)球通過硬質(zhì)出球膛時促發(fā)傳感器S3；

(4)S3促發(fā)后，控制D2失電，發(fā)球汽缸8活塞桿收回。同時由軟件控制經(jīng)過設(shè)定時間后，D1得電，重復(fù)下一個循環(huán)。此處系統(tǒng)時間設(shè)定由頻率設(shè)定后的轉(zhuǎn)換時間控制。

(5)為防止設(shè)備工作后網(wǎng)球停留于發(fā)球管道內(nèi)，在離工作結(jié)束時間還有一分鐘的時候，軟件控制進入設(shè)備使D1斷電，過5s后令D2得電，再過5s后令D2斷電，其他處為常態(tài)。

(6)電磁鐵D3由軟件控制，若開始時設(shè)定為定向發(fā)球，則D3不動作；若開始時設(shè)定變向發(fā)球，則軟件控制D3得失電。

2 基于伯努利方程的網(wǎng)球運動分析

2.1 網(wǎng)球旋轉(zhuǎn)運動力學(xué)分析。

網(wǎng)球運動中的擊球，是飛進中的球與運動員揮拍迎擊來球的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，網(wǎng)球擊球產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動包括平擊球、上旋球、下旋球、側(cè)旋球，如圖2(a)平擊球，擊球的力量正對來球，產(chǎn)生正向擊打力p1，并通過網(wǎng)球的球心，可高達400多磅，因此不會使球產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩[2]，球在行進過程中本身不旋轉(zhuǎn)，球在球拍上的停留時間很短；如圖2(b)上旋球，在擊球的瞬間除了對網(wǎng)球施加正向擊打力p1，還給球拍附加一個垂直于正向的向上的旋轉(zhuǎn)力T，則球?qū)凑斋@得的相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速繞著球心軸線旋轉(zhuǎn)，作向上的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)力T越大，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也越大，球在球拍上的停留時間比平擊球長，網(wǎng)球運動中的正手提拉球就是從球的后下方正向擊球時，附加一個向上提拉的動作產(chǎn)生上旋運動的；如圖2(c)下旋球，其形成原理與上旋球是一致的，不同的是所附加的旋轉(zhuǎn)力T的方向是向下的；側(cè)旋球的形成原理與上旋球、下旋球是一致的，不同的是所附加的旋轉(zhuǎn)力T的方向是在球的側(cè)邊，[3]它可以與正向擊球力平行或垂直，如果是在球的右側(cè)且平行于正向擊球力p1，則球繞著鉛垂線逆時針旋轉(zhuǎn)，反之則順時針旋轉(zhuǎn)。

圖2 網(wǎng)球運動旋轉(zhuǎn)方式

2.2 基于伯努利方程的網(wǎng)球運動分析。

根據(jù)液壓氣動技術(shù)伯努利方程，如式(1)，式(1)是流體(液體、氣體)能量守恒

(1)

定律在流體力學(xué)中的一種表達形式，P為流體產(chǎn)生的壓力，v為流體的流速，物理意義是指流動的流體具有的壓力能p/密度 、位置能zg 、動能 V2/2 三種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和不變，即能量守恒，流速越快則壓力越小，流速越慢則壓力越大。基于如式(1)的能量原理，網(wǎng)球拍面對球產(chǎn)生較大的摩擦力，網(wǎng)球快速旋轉(zhuǎn)，并帶動周圍的空氣一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)球向前飛行時，令球體上沿向前旋轉(zhuǎn)，球體上沿旋轉(zhuǎn)的氣流由于受到迎面的空氣阻力而降低流速，而球體下沿的氣流由于與球飛行的方向一致而流速加快，此為上旋球，上旋球的上沿空氣壓力大，下沿壓力小，則飛行弧線低，而且較短，球落地時對地面產(chǎn)生向后的摩擦力，使得網(wǎng)球產(chǎn)生前沖運動。

2.3 設(shè)計特點。

本次設(shè)計的氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機具有以下優(yōu)點。(1) 本設(shè)計的取球方式與其他類型發(fā)球機不同，具有不會造成網(wǎng)球在儲球箱中卡死，而且還不用阻球片，方便可靠，設(shè)計簡單，能夠取用各式各樣的網(wǎng)球；(2) 由于在出球管道的中部設(shè)置了一雙層管道，可根據(jù)發(fā)球需要更換由軟硬不同質(zhì)地材料內(nèi)襯制成的雙層管道，從而能發(fā)出硬、短兩種性質(zhì)的網(wǎng)球；(3) 在出球膛內(nèi)層一側(cè)增加了一層表面粗糙的內(nèi)襯片，從而使網(wǎng)球通過粗糙摩擦片的摩擦，使球從出球口出來時具有旋轉(zhuǎn)性，只要變換出球膛內(nèi)摩擦片的上下位置，便可使發(fā)出來的球具有上旋、下旋、側(cè)旋的不同旋轉(zhuǎn)功能；(4) 價格低廉。

3 結(jié)論

氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機的設(shè)計不但解決了初學(xué)者練習(xí)技術(shù)的難題，而且充分發(fā)揮了資源優(yōu)勢，節(jié)省人力，實現(xiàn)了訓(xùn)練的自動化，效果良好。[4]氣壓式控制系統(tǒng)操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計中力求傳動路徑短，控制部分從實際出發(fā)，在滿足設(shè)計要求的前提下，盡可能降低成本，其性價比較高，具有一定的推廣價值，極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展。

[1]范順成.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000．

[2]王小平.滾動中摩擦力的方向和作功[J].運城高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2000，(12).

[3]章朝暉.網(wǎng)球?qū)W練問答[M].北京：北京體育大學(xué)出版社,2003：81-85.

[4]何四平.網(wǎng)球自動發(fā)射器的研制[J].機械設(shè)計與制造，2007，(3).

DesigningofthePressure-typedTennisTrainingMachine

Zhang Minghui Chen Jinbo

As for the technical requirements and problems the paper put forward a new tennis training machine, including the pressure working and operating construction for the tennis training machine, the designing enriched the teaching methods and improved the quality of teaching.

pressure-typed ；tennis training machine；design；Bernoulli's equation

ClassNo.:G818.3DocumentMark:A

王洪英 鄭英玲)

鄭明輝，碩士，講師，福建工程學(xué)院機電及自動化工程系，福建·福州。郵政編碼：350108

福建省教育廳A類科技項目(JA09181)

1672-6758(2010)05-0152-2

G818.3

A