可變風阻式龍舟訓練器結構設計

劉榮輝，陳 晨，周修宇

(1.吉林農業科技學院 機械與土木工程學院，吉林 吉林 132101；2.北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

龍舟運動作為一項傳統賽事，已經在多個國家開展.這種水上的運動賽事局限了它的訓練條件，它所要求的訓練場地和氣候情況是非常苛刻的，而且費用較高，對大多數喜歡龍舟運動的人來說，長期進行水上訓練是不切實際的，只能通過龍舟訓練器材在陸地進行訓練.龍舟運動是一個多個體的、相互運動的、復雜的動力系統，各部分的運動都會造成龍舟的加速或減速[1-2].本文設計了一款可變風阻式的龍舟模擬訓練器，在陸地訓練時，利用風阻模擬真實水阻，能夠實現很好的訓練效果.

1 劃槳動作分析

完整的劃槳周期包括:入水、拉槳、出水和空中移槳.其中受運動員個人習慣和訓練方式影響，劃槳動作不完全相同，槳葉運動軌跡也略有差異.槳葉在水中與水流方向垂直時，效率最高，理想的劃槳狀態是槳葉在水中全程與水速方向垂直.實際劃槳過程中，運動員上身前屈，上側手臂略微彎曲，下側手臂水平前伸，以保證劃槳作用位移，上臂下壓伸直使槳桿和豎直方向成15°～25°，雙臂迅速下移，將槳插入水中.基于腰部和肩背用上身發力帶動雙臂拉槳，手臂劃到腰部時，下側手臂快速向內側轉動來撥動槳葉，接著下臂的肘部向外，雙臂配合向上運動使槳葉出水.出水后，軀干向前彎曲，雙臂配合擺槳向前，槳桿歸位，至此完成一個周期的劃槳動作[3-4].整個過程要求運動員動作協調、連貫，才能產生更大的推動力.

2 方案設計

龍舟訓練器由機身單元、風阻單元、凸輪變力單元、伸縮式船槳單元等組成.其中風阻單元與凸輪變力單元共同組成了可變式風阻單元[5].龍舟訓練器整體方案設計如圖1所示.

圖1 龍舟訓練器方案設計

機身單元由支撐架、座椅、腳踏板、顯示器、滑輪支架等部分組成，是龍舟訓練器材的主干支架，主要起到了支撐和連接器材各部分零件的作用.其中主支架包含繞繩單元，使用輕繩連接船槳與風阻單元，為裝置提供動力.如圖2為機身方案設計圖.

圖2 機身方案設計

腳踏板A通過滑軌安裝在機身上，可以根據不同運動員身高情況任意調整腳踏板A的位置.而腳踏板B則是另外一種劃槳姿勢——側身劃槳進行時所使用的.滑輪支架上安放多個繞繩滑輪，然后槳桿通過輕繩繞過滑輪與風阻單元相連接.

風阻單元主要由外風罩、葉柵機構、內轉風箱組成.葉柵機構由多個弧形離心葉片以及葉片盤組成，考慮到噪音、震動沖擊等因素，選用前向弧形離心葉片柵，此種形式弧形葉片圓周均布，徑向距離大，減小了噪音，同時效率較高.訓練器工作時，葉柵機構隨空心軸轉動的同時還會上下出入內轉風箱[6].內轉風箱底部有鏤空縫隙，但由于縫隙較小，內轉風箱可近似看作完全封閉.采用弧形離心葉片與徑向葉片相比，在提供同等風量的條件下，會大大降低葉片的損耗，并且符合空氣動力學原理.風阻單元方案設計示意圖如圖3所示.

圖3 風阻單元方案設計圖

凸輪變力單元主要由擬合凸輪、錐齒輪、輔助齒輪、直線推桿、空心軸、繞繩滑輪組成.考慮到實際情況下的水阻呈現周期性變化，故利用凸輪機構來模擬相應的周期性變化.依據水阻的周期變化規律進行凸輪廓線設計.與其相連的推桿由于加入了直線軸承保證了推桿在豎直方向上的直線運動.錐齒輪實現相互垂直方向上的運動傳遞，輔助齒輪的加入保證了傳動比的設計要求.凸輪變力單元如圖4所示.

圖4 凸輪變力單元方案設計圖

3 結構設計

龍舟訓練器的整體結構設計包括：凸輪變力單元機構設計、風阻單元傳動機構設計、伸縮船槳機構設計，以及其他輔助機構的設計.在整體結構設計的過程中，充分考慮到模擬效果對訓練的影響，以運動員劃槳力為動力，通過輕繩傳遞至風阻機構，完成一次規律變化的周期劃槳過程.總體裝配如圖5所示.

圖5 陸地龍舟訓練器設計效果示意圖

3.1 凸輪變力單元結構設計

圖6 凸輪變力單元結構圖

擬合凸輪設計時應當結合劃槳入水到出水的各個階段受力變化情況進行分析.根據前文分析，考慮劃槳回程模擬過程的情況，在傳動機構末端連接平面渦卷恒力彈簧以保證柔性索復位，在設計凸輪時彈簧拉伸受力較小且在有效圈數內變化不大，故此處忽略彈簧受力，按照各階段對應比例計算出槳葉入水各個階段的受力變化情況(選擇若干特殊階段，方便計算)即為擬合凸輪所用數據.一個拉槳周期內槳葉入水受力變化如表1.

表1 各時間點槳葉受力變化情況

根據表1槳葉受力變化曲線圖得到凸輪尺寸曲線變化圖，根據圖解法確定基圓尺寸進而描點設計出擬合凸輪.設計出的擬合凸輪結構如圖7所示.

圖7 擬合凸輪結構示意圖

3.2 風阻單元傳動結構設計

風阻單元與凸輪變力機構共同組成了風阻單元傳動結構.其中動力來源于運動員劃槳，然后通過滑輪傳遞至凸輪變力單元，最終傳遞到風阻單元，完成一次訓練.如圖8所示為本產品的動力傳遞順序圖.

圖8 訓練器動力傳遞順序圖

風阻單元葉柵機構中的葉片采用了弧形離心葉片，與傳統的徑向離心葉片相比，弧形離心葉片具有在提供同等風量的條件下其損耗會大大降低且噪音較小的優點，并且符合空氣動力學原理[8].

據理論計算，單葉片阻力

F風(t)=ρ風Q風α風V風,

(1)

其中Q風=vA=ωRLD,M=FR,

(2)

有M風=Nα風ρ風ω2R3LD

(3)

其中R為葉片與旋轉中心距離，L為葉片長度，D為葉片等效寬度，N為葉片數量，欲使對應槳頻的槳葉受阻與繞繩滑輪處拉力相同，結合仿真結果，取28str/min、0 m/s的槳葉平均受力F為63 N.擬定葉片長度L為80 mm，葉片有效寬度D=26 mm，代入各數據，計算葉片數量和葉輪半徑見表2.

表2 葉片數量與葉輪半徑備選參數

綜合葉片間距合理、凸輪行程及基圓不宜過大等因素考慮，選取葉片數量為28個、葉輪半徑206 mm.圖9所示為葉柵機構圖.

圖9 葉柵機構圖

如圖10所示，風阻傳動結構中，葉柵機構通過直線推桿的連接在擬合凸輪的帶動下，改變其與空氣的接觸面積從而改變了風阻大小，完成劃槳的拉伸訓練.

圖10 風阻單元傳動結構三維設計圖

3.3 機身結構設計及有限元分析

3.3.1 機身結構設計

機身單元作為訓練器的主干支架，用來支撐和連接各部分機構.機身上裝有滑軌，供使用者調節腳踏板位置.機身末端為滑輪組支架，機身底部留有繞線空間.如圖11所示為機身結構圖.

圖11 機身結構圖

3.3.2 腳踏板結構強度有限元分析

為了校核材料合理性，采用ANSYS有限元模塊對零件進行結構靜力學分析[9-10].在建立有限元模型時，采用了Quad4(十節點四面體)單元對腳踏板進行網格自動劃分.材料為普通碳素結構鋼，查表可知其σc為235 MPa.腳踏板結構的分析實體模型如圖12所示，有限元分析及網格劃分模型如圖13所示.

圖12 腳踏板結構的實體模型

圖13 腳踏板結構的有限元模型

經過ANSYS workbench有限元模塊計算后，該部件的綜合應力分布云圖，應變分布云圖如圖14、15所示.

圖14 腳踏板等效應力分布云圖

圖15 腳踏板等效位移分布云圖

根據ANSYS workbench結構靜力學分析計算結果，在靜載荷作用下，腳踏板最大應力值和最大應變值見表3.

表3 腳踏板結構的強度及剛度

由分析數據可知，在靜載荷作用下，腳踏板上部與機身交接處應力最大，此區域的應力值為215.27 MPa≤σc，因此腳踏板強度足夠.

3.3.3 滑輪支架結構強度有限元分析

滑輪支架材料為普通碳素結構鋼，用于支撐連接槳桿與風阻單元的滑輪組，同時也是為器材提供動力組成的一部分，因此校核該部分結構的強度及剛度也是十分重要的.

同樣采用ANSYS有限元模塊進行結構靜力學分析，經計算后該部件的綜合應力分布云圖，應變分布云圖如圖16、17所示.

圖16 滑輪支架等效應力分布云圖

圖17 滑輪支架等效位移分布云圖

根據ANSYS workbench結構靜力學分析計算結果，在靜載荷作用下，滑輪支架最大應力值和最大應變值見表4.

表4 滑輪支架結構的強度及剛度

由分析數據可知，在靜載荷作用下，滑輪支架底端螺栓連接處應力最大，此區域的應力值為48.377 MPa≤σc(235 MPa)，因此滑輪支架強度足夠.

4 結 論

在對完整劃槳周期分析的基礎上，進行了龍舟訓練器總體方案設計和各單元的結構設計.采用了ANSYS對關鍵部件進行了強度校核，并得出了以下結論：

(1)根據結構靜力學分析計算，在靜載荷作用下，腳踏板上部與機身交接處應力最大，且最大應力215.27 MPa≤σc，因此腳踏板強度足夠.

(2)根據結構靜力學分析計算，在靜載荷作用下，滑輪支架底端螺栓連接處應力最大，且最大應力48.377 MPa≤σc，因此滑輪支架強度足夠.