無極調節設計在滑雪板循環載荷振蕩中的應用

摘" 要：在傳統的滑雪板循環載荷檢測試驗器中，振蕩裝置的振幅調節一般是通過定位孔的曲柄調整來實現。這種調節方式只能測試固定的振幅參數，其他振幅參數測試需要估算，測試精度有較大局限。在該設計中，采用一種新的直線軸承搭配直線光軸導軌組合方式，通過旋轉螺母調節擺桿與擺桿的連接位置，可以實現振幅參數的無極調節。經測試驗證，這種無極調節設計可以測試任意參數，很好地適應測試樣本不同的循環載荷振蕩需要，且測試的穩定性和準確性也較好。

關鍵詞：滑雪板；循環載荷；振蕩裝置；無極調節；應用

中圖分類號：TH132" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0123-05

Abstracts： In the traditional snowboard cyclic load test， the amplitude adjustment of the oscillator is generally realized by adjusting the crank of the positioning hole. This adjustment mode can only test fixed amplitude parameters， other amplitude parameters need to be estimated， and the test accuracy is relatively limited. In this design， a new linear bearing with linear optical axis guide rail combination， by rotating the nut to adjust the pendulum rod and pendulum rod connection position， can realize the amplitude parameters of the stepless regulation. The test results show that this stepless regulation design can test any parameters， which can well adapt to the needs of different cyclic load oscillation of test samples， and the test stability and accuracy are good.

Keywords： snowboard; cyclic load; oscillator; stepless regulation; application

標準的循環載荷疲勞指數檢測，工作原理和檢測過程并不復雜。就是當檢測試件出現疲勞跡象時，檢測載荷傳感器監測的參數會發生顯著變化，以此判定檢測試件出現循環加載疲勞狀態的臨界數值[1-4]。

實現循環加載的疲勞監測，振蕩裝置的振幅調節是其中的重要環節[5-6]。振蕩柱對試件的振蕩振幅主要是通過調節擺桿位置來確定，當試驗運轉時，試件的振蕩頻率由安裝在試件下方的行程開關進行復核[7]。關于振蕩裝置的振幅調節，傳統的振幅調節技術主要通過定位孔的定值調節來完成[8]。近年來，利用精密液壓裝置來完成無極調節的技術也有一定范圍的應用[9]。相較而言，這2種技術各有優缺點。定值調節技術具有安裝簡便、成本低廉、定值點位系統魯棒性的特點，但有非定值區間檢測精度不高的缺陷。而基于液壓傳導的無極調節技術，雖然調節精度較高，但安裝復雜、使用成本較高，一般適用于超大尺寸試件檢測設備，應用場景有一定的局限。

在本課題中，針對國內冰雪運動裝備質量安全評價體系缺乏的實際問題，擬通過模擬滑雪板進行循環彎曲加壓的專項試驗，設計開發一種新型檢驗檢測設備。新開發的設備，要求能夠按照預設試驗譜線準確控制運行參數，自動運行至完成試驗，具備異常報警、運行監控、數據采集和數據保存等功能。而后通過進一步的實驗測試，來驗證本文所提出的無極調節設計方法的適用性。

1" 主要技術指標

本課題開發的滑雪板循環載荷檢測設備，主要參照了ISO 6266—2013《高山滑雪板疲勞指數的測定循環加載試驗》標準進行設計。檢測設備涉及的電機轉速范圍、滑雪板尺寸范圍、承載范圍及振幅控制等主要技術指標見表1。

測試對象主要為常規雙板滑雪板，如圖1所示，外形尺寸見表2。

2" 設計方案

2.1 整體結構

滑雪板循環載荷檢測設備的整體架構主要由機械系統、控制系統和采集系統3部分組成，如圖2所示。

2.2" 機械系統設計方案

滑雪板循環載荷檢測設備的機械系統主要由振蕩發生裝置、裝夾裝置和支撐裝置3部分組成。振蕩發生裝置主要由擺桿、調節擺桿、連桿、振蕩柱、行程導軌和力傳感器組成，如圖3所示。

2.3" 工作原理

滑雪板循環載荷檢測設備的工作原理，就是通過驅動電機帶動振蕩發生裝置的擺桿進行旋轉，使得與擺桿相連接的滑塊和振蕩柱在固定軌道上做直線往復運動，從而對試件產生循環壓力振蕩載荷。試件與振蕩發生裝置的振蕩柱接觸，該載荷由振蕩柱上的力傳感器進行傳遞。當試件出現疲勞裂紋時，載荷傳感器監測的參數會發生顯著變化，從而實現循環加載的疲勞監測，如圖4所示。

3" 載體振蕩發生裝置細節設計

3.1" 振蕩載荷發生裝置詳述

滑雪板循環載荷檢測的關鍵技術之一就是對試件進行振蕩載荷的實現，此過程需要借助振蕩載荷發生裝置來完成。該振蕩載荷發生裝置，主要是由電機和曲柄滑塊等幾部分完成。依據試驗對象的不同，即不同規格的滑雪板，因材質、尺寸等原因，要求的振蕩頻率及振幅皆不相同。為了滿足大部分的試驗要求，該發生裝置需要采用驅動電機輸出振蕩頻率，不同的振蕩頻率通過調節電機轉速進行更改。振蕩載荷施加通過擺桿滑塊機構實現，結構原理圖如圖5所示，詳細結構圖如圖6所示。該裝置主要由擺桿、調節擺桿、連桿、滑塊和力傳感器組成。主要運行方式為驅動電機帶動擺桿轉動，擺桿與調節擺桿固定在一起，是同時繞電機軸心旋轉的，連桿與調節擺桿相連，因滑塊是固定在直線導軌上的，只能執行直線往復運動，所以當連桿下端隨著調節擺桿旋轉時，會帶動滑塊進行上下方向的往復運動，完成振蕩動作。

這部分的裝配精度決定了整體檢測的振蕩精度，故擺桿等部件的尺寸及形狀精度均有較高要求。在本課題中，選取了2套連桿兩端選用高精度的密封深溝球軸承（型號：6202-2Z）、2套高精度直線導軌滑塊（型號：SCS20UU）、1套力傳感器（精度：0.2 N；型號：ZNLBM）。滑塊通過兩側連接的高精度直線導軌進行運動約束。為了有效減小摩擦力，選取了直線軸承搭配直線光軸導軌的組合方式，直線軸承及光軸均為高精度加工，光軸采用GCr15軸承鋼材質，承載能力強且更耐磨。

3.2" 振幅調整設計

設備的振幅調整是通過調整調節擺桿與擺桿的連接位置，確定滑雪板的振幅大小。當需要調整滑雪板的振幅時，應松開定位螺栓和調節擺桿的固定螺母2處的預緊，依據擺桿端面的標尺，進行位置調節，調節完成后，緊固定位螺栓和調節擺桿的固定螺母。此種方法可對振幅進行任意調節，且不具有限制因素，如圖7所示。為了保證振蕩頻率的準確性，此種無極調節設計還增加了高靈敏度、響應快、抗干擾強的振蕩計數設備。

4" 配套裝置設計

4.1" 夾持裝置

檢測設備夾持裝置設計為上下2塊的平板夾具形式。夾具材料選用鋁合金材質，因其硬度低，可有效保護滑雪板表面，且其重量低，可減小對振蕩載荷的影響。

4.2" 支撐裝置

滑雪板支撐裝置采用上下兩滾輪壓緊式結構設計。滾輪為金屬托輥外表面粘接橡膠，內部為高精度軸承支撐的形式，在支撐的基礎上，均能夠自由的轉動；滾輪高度可調，且調節范圍大，能夠對滑雪板起到限位的作用。

4.3" 電機選取

考慮到振蕩發生裝置所需極大的扭矩，故選取能提供大扭矩的三相異步電機，并通過控制變頻電機的頻率，調控其振蕩頻率。根據試驗要求，主動電機可以提供高轉速與大扭矩。扭矩關系可由曲柄滑塊的運動得出。

根據角度與應力換算

M1=PABR sin ， （1）

可得

M1=PABR（s 。" " " （2）

根據曲柄滑塊機構滑塊處所受力為588 N，曲柄處選擇回轉半徑為20 mm，可推算出曲柄所需輸出最大扭矩參數為18.32 N·m，即為電動機輸出所需達到扭矩為18.32 N·m。故選擇XYKS100L1-4-2.2Kw型號電機作為振蕩裝置驅動電機。

變頻驅動單元采用臺達系列VFD5A5MS43ANSAA，本系列具有以FOC控制為核心的高效能變頻驅動技術，其多元化的驅動控制及模塊化設計、豐富的產業應用功能及簡易維修低故障率的自我診斷特色，可為終端客戶有效節省建構及營運成本。

4.4" 自動控制系統

自動控制系統、數據采集系統組成框圖如圖8所示。

1）控制軟件操作界面主要分為電機參數設置及控制、原始數據記錄文件參數、時間調整和運行曲線4部分組成。在試驗器運行前，需要對試驗參數進行設置，主要為滑雪板的振動頻率和監控滑雪板疲勞失效的監控力值2項，設置完成后，直接點擊啟動，即可進行試驗。試驗進行中，可由運行曲線實時觀測滑雪板的力值，當力值較初始狀態的最大力值增大或降低設定預置百分比，試驗器將報警提示，并停止電機運轉。

2）控制系統由PLC和上位控制計算機組成，可實現對驅動電機精準控制及數據采集的要求。

3）試驗臺使用力傳感器選取精度為0.2 N的ZNLBM型傳感器，該傳感器已經在黑龍江華安精益計量技術研究院有限公司進行計量，并出具校準證書。

4.5 數據采集與處理系統

數據采集由PLC控制器負責，將力傳感器及滑雪板振蕩頻率信號傳輸到上位機，采集數據可根據需要轉換為Excel導出表格數據，便于存儲和數據處理。

5" 實驗驗證

滑雪板循環載荷振蕩測試設備安裝完成后，對測試器進行試運行。使用長1 500 mm的雙板滑雪板為試件，設定滑雪板的振蕩頻率為2 Hz，振幅50 mm，運行結果如圖9所示。

6" 結論

在滑雪板循環載荷振蕩測試設備開發過程中，本研究對其中關鍵的振蕩載荷發生裝置調節方式進行了改進創新。嘗試著由傳統的定位孔曲柄定值調節，改進為使用高精度旋轉螺母進行無極調節。這種設計既克服了定值調節非定值區間精度不高的缺陷，又避開了液壓傳導應用場景的局限。最后的實驗結果，驗證了本研究振蕩載荷無極調節設計的正確性和有效性。

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