基于循環載荷的高山滑雪板疲勞指數檢測設備的研究

任志敏（河北省產品質量監督檢驗研究院 河北 石家莊 050227）

1、研究背景

在大眾冬季冰雪運動中，滑雪越來越受到人們的青睞。越野滑雪是在低山丘嶺地帶（平地、下坡、上坡各約占1/3）長距離滑行，雖然遠不如高山滑雪的樂趣和魅力，但從安全和健身角度而言，更具有廣泛的參與性。越野滑雪一年四季都可以進行練習，有雪期進行雪上練習，無雪期可采用越野滑輪進行練習，越野滑雪不受地形的約束，人們只需要準備好越野滑雪裝備，在公園、馬路、田間等寬闊的地方都可以進行練習，不受年齡的限制，小到會走路的兒童，大到百歲的老人均可進行練習。因此，越野滑雪是一項老少皆宜的有氧運動。

高山滑雪由越野滑雪發展而來，1936 年成為冬奧會項目，運動員要在高聳的雪山陡坡上完成快速滑降和回轉動作。相比較而言，高山滑雪更有難度且更危險，它的規范競賽項目有：滑降、超級大回轉、大回轉、回轉、全能等。高山滑雪的技術種類很多，如不同的滑雪技術，多變的轉變技術，應急的加速、減速、停止技術，驚險的跳躍技術及特殊技術等。

作為奧運會項目，將速度與技巧完美地結合在一起，一直深受廣大群眾的喜愛，但同時由于高速滑行，對運動員的人身安全構成極大的安全隱患。高山滑雪板是高山滑雪運動必備裝備，在高山滑雪運動中扮演著不可或缺的重要角色。

高山滑雪板的疲勞指數是評定產品質量的重要的指標。調查發現，高山滑雪運動中滑雪板會受到不斷的彎曲、撓曲、變形等循環載荷的作用。滑雪運動中滑雪板的性能直接影響滑雪運動的效果，滑雪板的彎曲剛度及形狀對滑雪運動的影響引起了越來越多的關注。當滑雪板的疲勞指數指標不達標時，在滑雪時極易導致滑雪板變形或斷裂，給滑雪人員帶來傷害，甚至造成事故。

國內高山滑雪板生產加工過程的質量控制，所使用的檢測設備主要采用自制簡易工裝，檢測設備比較落后并且不符合國際標準有關測試項目的要求。通過研發具有自主知識產權的測試設備，有助于提高我國冰雪運動裝備檢測設備的穩定可靠性和科技含量，打破國外對我國冰雪運動裝備檢測設備的壟斷局面。

2、理論依據

高山滑雪板疲勞指數的定義為滑雪板對形狀和剛度變化的抵抗力。目前我國還未制定高山滑雪板的疲勞指數的檢測方法的國家標準，現階段國內和國際上大量的高山滑雪板的疲勞指數依據國際標準ISO 6266-2013《高山滑雪板疲勞指數測定—循環載荷試驗》進行檢測。本文依據國際標準ISO 6266-2013 規定的設備原理，對滑雪板的疲勞指數檢測設備進行研究。

（1）將滑雪板放入設備上，以2-3Hz 的頻率對滑雪板進行20000 次載荷循環；

（2）試驗后，按照ISO 6266-2013 規定的公式計算滑雪板的底拱高度和中心彈簧常數的永久形變的百分比，即為疲勞指數。

3、設備設計

3.1、設備原理

模擬滑雪板在受到多次高頻的載荷作用時，通過測量滑雪板產生的形變，來判定滑雪板是否達到標準要求。采用PC端上位機和PLC 控制系統自動對試驗力值和位移進行采集，通過伺服電機和曲柄連桿結構，對試樣施加高頻多次的循環加載。PLC 控制系統會根據加載的力值和位移數據進行系統分析并在PC 端上顯示出力值—位移變量曲線圖。檢測數據具有峰值保持功能和數據儲存功能，便于對產品檢測數據信息調取和追溯。運用伺服電機系統控制試驗加載過程，采用人機交換系統和PLC 控制系統自動對實驗數據進行采集，根據每次試驗的數據進行自動計算，并對試樣進行分析判定。

3.2、設備結構解析

設備外觀，如圖1 所示。

圖1 測試設備結構圖

1.施力部分，2.夾具工裝，3.循環加載部分，4.設備機箱。

設備主要由加載系統、數據采集測試系統和夾具組成，主機控制系統采用PLC人機界面，伺服電機作為設備的驅動部分。

（1）加載系統。

采用曲柄連桿結構裝置實現標準要求（3 次/s）頻率的往復動作，對被測樣品進行疲勞模擬過程，檢測數據由傳感器實時傳輸至PLC 操作系統顯示分析，進而對樣品進行試驗標定。充分考慮到測試系統的應用性和實用性，測試系統設計增加了測試行程長度無極可調功能，盡可能地滿足不同規格的樣品測試需求。行程可調裝置由滑動模組連接配合，調節簡單便捷，運行安全。可調節行程設計既保證了設備參數的精度，又擴大了循環載荷的頻率區間，在滿足標準的同時，增加了對試樣的性能參數進行更深一步研究的能力。

循環加載功能是由伺服電機、減速機以及曲柄連桿結構等相互配合從而實現的。由上位機通過脈沖頻率控制伺服電機的轉速，由曲柄連桿結構將圓周運動轉換成直線往復運動。由導軌、滑塊、梯形絲桿等組成沖程調節裝置，通過調節手柄控制沖程長度。其結構如圖2 所示。

圖2 循環加載系統

（2）數據采集測試系統。

底拱高度測量采用可移動式數顯千分表。中心彈簧常數的測量采用直線模組與伺服電機（0.75KW）為主要驅動裝置設計，利用壓力傳感器傳輸測試數據。具有測試頻率可調，重量輕，便于操作等優點。

專用工裝夾具配有百分表固定卡槽，測試過程便捷安全。在滿足標準的同時，不但拓展了測試范圍，又增強了對試樣的性能進行更深一步的研究能力。

1.試樣夾具，2.加載桿，3.固定板，4.調節手柄，5.導軌，6.曲柄中心，7.梯形絲桿，8.同步帶，9.減速機，10.伺服電機。

加載速度可調功能結構是由步進電機通過聯軸器、同步帶帶動滾珠絲桿組成的，通過系統程序控制脈沖發送頻率和數量，從而控制步進電機旋轉速度，實現加載速度可調功能。

系統采用PC 上位機和PLC 控制系統自動對載荷力和位移進行采集，通過力值和位移傳感器傳輸檢測數據，對試樣進行分析判定。為了得到更全面的數據分析，PLC 控制系統會對過程中的數據進行分析，并在顯示屏上顯示力值的變量曲線圖，如圖3 所示。

圖3 數據采集測試系統

1.限位開關，2.加載橫梁，3.導軌，4.滾珠絲桿，5.步進電機，6.力值傳感器，7.施力支點。

（3）夾具。

依據國際標準ISO 6266-2013《高山滑雪板性能測定 第4 部分 循環載荷》中規定的測試方法及要求，如圖4 所示。標準要求：試驗機有兩個支撐輥，橫向和縱向均可調節，支撐輥直徑應約為50mm，支撐輥應裝有帶彈簧的夾輥，避免滑雪板抬起。驅動機構包含一個帶有曲軸銷的盤狀飛輪，連接桿和帶有夾緊裝置的推桿。曲軸銷和旋轉軸間的距離應可調。沖程頻率應在2-3Hz。夾緊夾具應具有在樞軸上旋轉的接頭以及帶彈性橡膠層的鉗口。

圖4 夾具

1.鎖緊手柄，2.試樣夾具，3.固定支架，4.直線導軌，5.調節手柄，6.彈簧，7.支撐輥，8.升降臺。

4、創新點

本設備的研制實現了對滑雪板的疲勞性能的準確測量，對滑雪板的質量評定提供科學有效的技術支撐，具有以下創新點：

（1）采用“三位一體式”設計。即一機可兼容滑雪板疲勞指數、底拱高度、中心彈簧常數三個不同試驗項目的測試需要。既能節省使用空間，降低能耗，又能達到降低使用成本提升工作效率的目的；

（2）測試行程可以無極調節。設備行程長度裝置具有0-100mm 任意位置調節功能，將原本標準中的固定頻率設計為可調頻率，更加方便靈活，適應和滿足更多樣品的疲勞性能測試；

（3）系統軟件具有數據顯示、曲線變化、模擬圖像、峰值保持、數據查詢等智能功能。具有測試數據無線傳輸功能，實現無紙化、智能化測試功能；

（4）人性化設計。設備的外形結構設計符合人機工程學，保證了操作使用的舒適性。

5、滑雪板選購建議

滑雪板選購一般要考慮滑雪人員的身高體重和力量。一般的高山滑雪（又稱阿爾卑斯滑雪）比賽，通常分為高山速降、大回轉、小回轉等項目，而普通的旅游式高山滑雪，通常只按照滑雪者的滑行方式分為長彎（Long Turns）、短彎（Short Turns）、旋轉（Pivot）、短擺（Short Swing）等。不論競技滑雪還是旅游滑雪，滑降都是技術的基礎，轉彎都是技術的精華。用物理學的原理可以簡單地解釋滑雪運動原理，雪道的坡度可以使滑雪者獲得滑降速度，而在下滑過程中移動身體重心，用腿腳對雪板加力，則可以使滑雪者獲得轉彎所需的向心力。無論是速度和技巧，都需要通過雪板來體現，喜歡速度的滑雪者，其加速主要通過對雪板加力，獲得雪地對雪板的反作用力來實現高速轉彎和轉彎加速的，速度越快，所需的轉彎半徑越大，離心力對雪板的加力就要足夠大；喜歡技巧的滑雪者，其轉向也是通過對雪板加力，獲得雪地對雪板的反作用力來實現小半徑轉彎和轉彎加速的。根據物理學原理，滑雪者的體重越重、速度越快、轉彎半徑越大，離心力就越大，保持滑行狀態所需要的反作用力就越大，要想獲得更大的反作用力，就需要滑雪者對雪板施加更大腿力和腳力。

板長的可選范圍是與技術水平和力量成正比的，水平越高，對雪板的控制能力越強，可選范圍就更廣，同樣，力量越強，可以從雪板獲得的反作用力就越強，可選的板子就越長，越接近身高；喜歡大回轉的，板長可以超過身高，因為越長的雪板，如果身體靈活、腿腳力量勁道，可以高速完成小回轉，板長滑行不同水平的滑雪者體現滑雪者的技巧。

喜歡技巧的滑雪者，我們建議購買轉彎半徑小的雪板。喜歡速度的滑雪者，則可以不考慮轉彎半徑，購買對力量反應敏感、穩定性高的雪板就可以了。

不論是購買哪種雪板，都需要考慮自己的身高體重和力量，根據身高推算雪板的長度只能是參考，體重、技術水平、滑行方式都是重要的參考因素。以水平剛達到高級和喜歡短彎的兩位滑雪者為例，體重大的滑雪者，往往需要較大的轉彎向心力，可以選擇長一些的雪板，而標準體重的人，則可以按照身高減去12cm 左右來選擇雪板。總的來說，長的雪板，速度占優，短小的雪板，靈活占優。

滑雪是人板高度合一的運動，面對不同的滑雪者，同一塊雪板的雪地表現則是完全不同的。做同樣轉彎半徑的短彎滑行，使用相同轉彎半徑的雪板，力道十足的滑雪者和動作輕盈的滑雪者都能展示各自的技巧，體會滑雪的樂趣。

6、結語

本設備的研制達到了高山滑雪板疲勞性能的國際標準的測試要求，解決了人工測試的不科學、不便捷的技術問題，使高山滑雪板的檢測工作更加高效，實現了科學檢測和快速檢測，為我國開展冰雪運動的生產企業的質量控制提供了技術支撐和裝備保障。