王科潤(rùn)

摘要：針對(duì)高山滑雪初學(xué)者雪板控制能力弱、受傷風(fēng)險(xiǎn)高及學(xué)習(xí)進(jìn)度慢等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高山滑雪初學(xué)者手扶雪上練習(xí)器。本文對(duì)練習(xí)器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及環(huán)狀雪橇的幾何參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，從人機(jī)工程學(xué)角度闡述了自控制動(dòng)舌制動(dòng)受力原理，并借助有限元分析軟件驗(yàn)證了自控制動(dòng)舌的強(qiáng)度，試驗(yàn)以扭簧線徑為因素，制動(dòng)距離為考核指標(biāo)，對(duì)器具的自控制動(dòng)舌的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：當(dāng)自控制動(dòng)舌扭簧線徑為2.5mm時(shí)，制動(dòng)距離為4.8m，滿足器具設(shè)計(jì)要求。通過(guò)建立器具轉(zhuǎn)向平面運(yùn)動(dòng)模型確定手控制動(dòng)舌的作用面積至少為328mm²，因此綜合考慮手控制動(dòng)舌的工作面尺寸設(shè)計(jì)為36mm×20mm。

關(guān)鍵詞：高山滑雪；扁馬蹄形環(huán)狀雪橇；制動(dòng)舌；初學(xué)者；雪上練習(xí)器

中圖分類號(hào)：G808 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-2808（2018）03-0032-05

隨著冬奧“北京周期”的開啟，進(jìn)一步推進(jìn)冰雪運(yùn)動(dòng)的廣泛普及與提高，越來(lái)越多的人將滑雪作為戶外運(yùn)動(dòng)的最佳選擇。由于滑雪運(yùn)動(dòng)初學(xué)者不具備控制雪板的能力，難以在短時(shí)間內(nèi)掌握滑雪技術(shù)，若無(wú)專業(yè)教練指導(dǎo)保護(hù)，獨(dú)自練習(xí)經(jīng)常出現(xiàn)滑摔甚至受傷現(xiàn)象，而初學(xué)者聘請(qǐng)教練的費(fèi)用較高且教練數(shù)量有限，難以滿足滑雪旺季的實(shí)際需求，絕大多數(shù)的初學(xué)者均未聘請(qǐng)教練，鋌而走險(xiǎn)，導(dǎo)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(zhǎng)，不利于滑雪運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)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(xué)者聘請(qǐng)教練費(fèi)用昂貴及滑雪旺季教練數(shù)量供應(yīng)不足間的矛盾，本文設(shè)計(jì)了一種適用于滑雪初學(xué)者的輔助練習(xí)器，對(duì)保證初學(xué)者人身安全、縮短初學(xué)者滑雪入門時(shí)間及提高人們對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)的熱情具有重要意義。

1高山滑雪初學(xué)者手扶雪上練習(xí)器的整機(jī)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外大型滑雪場(chǎng)初級(jí)滑雪道的主要參數(shù)，本文設(shè)計(jì)的高山滑雪初學(xué)者手扶雪上練習(xí)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(zhǎng)度大于20m，雪道長(zhǎng)度為200m。

本文設(shè)計(jì)的高山滑雪初學(xué)者手扶雪上練習(xí)器旨在為初學(xué)者滑雪提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、運(yùn)行靈活的器具，降低滑雪過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)，為初學(xué)者自行練習(xí)提供可靠保障，現(xiàn)對(duì)器具提出以下要求：（1）初學(xué)者對(duì)器具失去控制時(shí)，器具可對(duì)周邊人員提供保護(hù)；（2）使用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)；（3）器具置于雪場(chǎng)雪面不產(chǎn)生下陷且便于攜帶。

1.2整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

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

使用時(shí)，將器具放置于雪場(chǎng)雪面上，練習(xí)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(shí)，在自控制動(dòng)舌與雪面接觸配合控制下器具在雪面上靜止，當(dāng)初學(xué)者雙手推壓左、右側(cè)的握把時(shí)，由于雙手的壓力使自控制動(dòng)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(dòng)，消除制動(dòng)阻力，器具開始滑行練習(xí)使用。當(dāng)運(yùn)行中需要停止滑行時(shí)，雙手同時(shí)拉緊左、右側(cè)的制動(dòng)手柄，通過(guò)制動(dòng)拉線使左、右側(cè)的手控制動(dòng)舌轉(zhuǎn)動(dòng)，與雪面接觸產(chǎn)生阻力，完成制動(dòng)停止運(yùn)行。單獨(dú)拉緊一側(cè)的制動(dòng)手柄，即可完成本器具轉(zhuǎn)彎運(yùn)行（實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)練習(xí)）。當(dāng)初學(xué)者的雙手全部離開握把時(shí)，在彈簧的扭力作用下，自控制動(dòng)舌恢復(fù)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(xué)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(duì)初學(xué)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(xué)者手扶雪上練習(xí)器的關(guān)鍵

部件設(shè)計(jì)2.1環(huán)狀雪橇設(shè)計(jì)

器具采用兩個(gè)扁馬蹄形環(huán)狀雪橇平行對(duì)稱連接組合構(gòu)成的流線型坦克狀器體，以保證器具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)械的一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，它直接決定器具行駛的通過(guò)性和穩(wěn)定性，其表達(dá)式為：

當(dāng)器具的接地段過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向性能變差，過(guò)短則使雪橇對(duì)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(zhǎng)度取為1m。W為人對(duì)器具的壓力與器具重力之和，預(yù)計(jì)為200N，雪地不下陷的最大接地比壓約為3000Pa。將相關(guān)參數(shù)代入式（1）可得雪橇寬度為0.033m，設(shè)計(jì)時(shí)取為0.05m。

2.2自控制動(dòng)舌設(shè)計(jì)

自控制動(dòng)舌的作用是當(dāng)初學(xué)者摔倒時(shí)，雙手脫把，在扭力彈簧扭力的作用下，自控制動(dòng)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(duì)操縱人員起到保護(hù)作用。自控制動(dòng)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(shè)計(jì)的自控制動(dòng)舌具有足夠的強(qiáng)度能對(duì)練習(xí)者提供保護(hù)，運(yùn)用有限元軟件對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析，利用三維建模軟件建立自控制動(dòng)舌幾何模型，并導(dǎo)入至有限元分析軟件中。為提高仿真運(yùn)行速度及精度，對(duì)其幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將倒角、圓角簡(jiǎn)化為直角，在螺栓孔處設(shè)置為鉸接連接方式，對(duì)自控制動(dòng)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(jié)果如圖4所示。

圖4a結(jié)果顯示最大應(yīng)力為23.96MPa，遠(yuǎn)小于不銹鋼的極限屈服強(qiáng)度，圖4b結(jié)果顯示最大形變?yōu)?.0001mm，形變及其微小可忽略不計(jì)，自控制動(dòng)舌設(shè)計(jì)合理滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3手控制動(dòng)舌設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)是整個(gè)滑雪運(yùn)動(dòng)的核心部分，回轉(zhuǎn)過(guò)程靠改變雪橇角度與雙腿的用力實(shí)現(xiàn)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)較難掌握，本文設(shè)計(jì)的手扶雪上練習(xí)器結(jié)合犁式回轉(zhuǎn)的動(dòng)作要領(lǐng)，特設(shè)計(jì)左手拉緊制動(dòng)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(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。

為確定手控制動(dòng)舌的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立器具轉(zhuǎn)彎過(guò)程的平面運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖5所示，考慮初學(xué)者尚未熟練掌握回轉(zhuǎn)技巧，回轉(zhuǎn)過(guò)程中的制動(dòng)力全部由器具提供且行駛速度平穩(wěn)。

變向時(shí)器具繞瞬時(shí)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(zhǎng)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(guān)參數(shù)可得，F(xiàn)_R4為4.3N，根據(jù)前期測(cè)定可確定手控制動(dòng)舌受到的雪面均布載荷P約為9500Pa，由式（14）可確定手控制動(dòng)舌的受力面積至少為453mm²，因此綜合考慮手控制動(dòng)舌的工作面尺寸設(shè)計(jì)為36mm×20mm。

3高山滑雪初學(xué)者手扶雪上練習(xí)器試驗(yàn)與分析

自控制動(dòng)舌工作時(shí)由雙齒扭簧提供扭力，因此扭簧線徑對(duì)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(yàn)方法對(duì)扭簧直徑進(jìn)行選取。

2018年2月25日于哈爾濱名都滑雪場(chǎng)對(duì)器具進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)，分別對(duì)安裝扭簧線徑為1mm、1.5mm、2mm的器具進(jìn)行多次測(cè)試，當(dāng)器具在雪坡上快速行駛時(shí)，釋放器具對(duì)其制動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)過(guò)程如圖7a所示。試驗(yàn)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(dòng)深度不夠，在不平整的雪面上借助于顛動(dòng)的力量可小幅度彈出，制動(dòng)效果較差，滿足不了器具隨時(shí)制動(dòng)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(xué)院（帽兒山）冠軍滑雪場(chǎng)對(duì)分別安裝扭簧線徑為2.5mm、3mm的器具進(jìn)行多次測(cè)試，當(dāng)器具在雪坡上快速行駛時(shí)，釋放器具對(duì)其制動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)過(guò)程如圖7b所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)安裝扭簧線徑為3mm的器具在使用者并未釋放時(shí)自控制動(dòng)舌便已經(jīng)彈出，深入雪面形成阻力導(dǎo)致無(wú)法正?；校?dāng)線徑為2.5mm時(shí)自控制動(dòng)舌工作效果最佳，制動(dòng)距離為4.8m，因此選用線徑為2.5mm的雙齒扭簧。

4結(jié)論

（1）結(jié)合高山滑雪場(chǎng)初級(jí)滑雪道的主要參數(shù)，研究設(shè)計(jì)了一種高山滑雪初學(xué)者手扶雪上練習(xí)器，闡述分析了器具結(jié)構(gòu)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(dòng)方式，為高山滑雪初學(xué)者的練習(xí)提供了可靠保證。

（2）將接地比壓作為參考因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)了環(huán)狀雪橇的幾何參數(shù)；理論分析了自控制動(dòng)舌工作時(shí)的受力情況，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)合理性；建立器具轉(zhuǎn)向平面運(yùn)動(dòng)模型，確定了手控制動(dòng)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(dòng)距離為考核指標(biāo)，對(duì)器具的自控制動(dòng)舌性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，當(dāng)自控制動(dòng)舌扭簧線徑為2.5mm時(shí)制動(dòng)距離為4.8m，效果最佳，滿足器具設(shè)計(jì)要求。