关于乒乓球硬度检测方法的探讨与设想

2013-12-03李玉华周一届

中国体育科技 2013年2期

李玉华，周一届

Jiangnan University，Wuxi 214122，China.

1 引言

乒乓球硬度检测方法自1963年开始试行，经过3次修订，于1998年正式发布实施，至今一直没有变动［8－9］。此方法手工操作、人工读数，存在效率低下、检测时间长，检测误差大的缺点。随着乒乓球运动的升温，乒乓球需求量也在逐年增加，这种检测方法越来越不适应于现代生产线的要求［2］。同时，现代检测仪器发展迅速，研究一套适应于现代检测技术和仪器的检测方法对于提高生产效率意义重大。

基于上述情况，本研究探讨了两种乒乓球硬度检测的新方法，并通过实验验证两种新检测方法的合理性。

2 乒乓球硬度检测方法

2.1 现行检测方法

GB／T 20045－2005中规定乒乓球硬度检测方法为：将样球放在铜环球座上，球的接缝线应与铜环球座平面平行，旋转调节盘将百分表指针校至零点，然后摇动手柄向逆时针旋转两圈，即球顶受压，百分表开始走动，待计时针走动15s时记下百分表指针读数，测量仪器如图1［4］。

测试方法是以乒乓球形变量来确定硬度值。测试方法规定读数前需停留15s时间，而在乒乓球运动中对球的击打都是瞬间完成，停留15s不具有明确的科学依据，并且在实际操作中程序繁琐，影响生产效率。

2.2 乒乓球硬度检测新方法

2.2.1 新方法测试装置

图1 波氏硬度仪示意图Figure 1. Wave’s Hardness Meter

现代检测仪器有着反应灵敏，参数设置方便，实时输出实验数据的优点［6］，利用这些优点，可迅速精确的测量乒乓球的硬度值。检测新方法的测试装置采用型号LRXPLUS 5KN的电子材料实验仪，如图2。该仪器测量精度≦0.8%，测量速度0.01～1020mm／min，负载0～5KN，位移1～1 370mm，主要用于材料的拉伸或压缩性能测试，测试后可自动输出负载－形变量大小曲线图。

图2 电子材料实验仪示意图Figure 2. Electronic Material Test Instrument

自制乒乓球球座，材料采用不锈钢，上端斜面凹槽放置乒乓球，中间孔与实验仪台面的立柱相配合，组成乒乓球硬度测试装置，局部剖面图如图3所示。

图3 乒乓球硬度检测实验装置图Figure 3. Table Tennis Hardness Test Device

实验用球采用市场购买的同一批次的红双喜一、二、三星乒乓球，三种星球各70只，并进行编号，分别为一星1号、一星2号……一星70号、二星1号……以此类推。实验之前将所有实验用球放在温度20℃～25℃，相对湿度50%～60%的条件下稳定72h。

将球座安装到电子材料实验仪的立柱上，乒乓球放置在球座的凹槽上，保证球座、乒乓球、加载轴A（升降轴）的中心线在同一竖直线上，组成乒乓球硬度检测新方法的实验平台，如图4。

2.2.2 两种乒乓球硬度检测新方法

方法一：限定极限载荷测量乒乓球的形变量。

测试原理与现行方法相同，但无需停留时间，受载达到极限载荷后直接测量形变量，测试程序如下：

1.将一星1号乒乓球放在球座上，尽量保证乒乓球接缝线与球座水平线互相平行。使加载轴A以12mm／min的速度下移，待乒乓球受到载荷大小为50N的时候立即停止，并让A轴返回初始位置，记录此实验的形变量与负载－形变量大小曲线图。将乒乓球平稳旋转180°，采用同样方法实验乒乓球另一端。

图4 乒乓球硬度检测实验平台示意图Figure 4. Table Tennis Hardness Experimental Platform

2.将一星2号、一星3号……一星10号等10个乒乓球分别放在球座上，采用上述方法重复实验，记录形变量大小与负载－变形大小曲线图。

3.将球分别换成二星、三星乒乓球，重复1）—2）实验步骤。

4.将极限载荷改变为60N、70N和80N，重复上述实验步骤。

方法二：限定极限形变量测量对应的载荷值。

测试原理是在相同形变量下，通过承受载荷值的大小来衡量乒乓球硬度值，即对乒乓球逐渐施加负载，当乒乓球形变量达到限定形变量后，立即停止加载，通过此时载荷值大小对乒乓球硬度进行分级，测试程序如下：

1.将一星51号乒乓球放在球座上，尽量保证乒乓球接缝线与球座水平线互相平行。保持A轴以12mm／min的速度向下运动，碰到乒乓球后继续匀速下降直至乒乓球的下陷深度为0.8mm，记录此时乒乓球所承受的载荷大小与形变量的曲线图，并记录相关数据。

2.更换新的一星乒乓球，重复实验步骤1）10次，并记录相关数据。

3.分别对二星、三星级乒乓球重复上述步骤，并记录相关数据。

4.将极限形变量改变为1mm、1.2mm，重复上述实验步骤。

3 新方法测试结果与讨论

3.1 测试实验数据及处理结果

通过电子材料实验仪，输出每次实验的数据值，并通过matlab工具将数据拟合为乒乓球形变量与载荷之间的曲线图。

1.由方法一测到的数据可以以图5、图6、图7和表1显示如下：

图5为一星乒乓球在极限载荷为50N时形变量随载荷变化的曲线图，其中1、2、3、4、5号曲线分别为任意抽取的5次实验值，6号曲线为5条曲线的平均［6］。

图5 极限载荷为50N时，一星级乒乓球（北极）伸长－负载曲线图Figure 5. Cure of 1Star Table Tennis（North Pole）Extension－Deformation at Limit Load of 50N

图6是一、二、三星级乒乓球（各10个，测两端）在极限载荷为50N时的最大形变量的分布图。

图6 载荷为50N时，不同星级乒乓球最大变形分布图Figure 6. Maximum Deformation Distribution about Different Star Table at Limit Load of 50N

一、二、三星球在极限载荷为50N、60N、70N时的情况下，乒乓球一端的形变量，结果如表1。

表1 不同星级乒乓球受载后一端形变量一览表Table 1 Type Variable about Different Star Table Tennis after Loaded

实验中，由于测试极限载荷为80N时，3种星级乒乓球均出现了压溃变形（图7只给出压溃前部分变形），故测试数据在表1中没有列入。分别对3种星级乒乓球进行4种不同极限载荷的测试，并运用matlab将实验结果拟合为图7：

图7 乒乓球在受到不同极限载荷时伸长－负载曲线图Figure 7. Curve of Extension－Load at Different Limit Load of Table Tennis

2.在第二种测试实验中，分别对三种不同星级乒乓球进行三种不同极限形变量的测试，每种实验测试10个乒乓球，每个乒乓球测试两端，实验样本量均为20。由方法二测得的数据可由图8和表2显示如下：

图8为一、二、三星乒乓球在限定形变量为1.2mm时，其伸长－负载曲线图，对应的载荷如表2：

图8 乒乓球在极限形变量为1.2mm时伸长－负载曲线图Figure 8. Curve of Extension－Load at Limit Form Variable of Table Tennis of 1.2mm

实验中对不同星级乒乓球分别测试在承受极限形变量为0.8mm、1mm和1.2mm时，乒乓球所承受的最大载荷，结果如表2所示。

表2 乒乓球发生相同形变量所承受最大载荷一览表Table 2 Maximum Load after Table Tennis at the Same Type Variable

3.2 研究结果及分析

1.由图5可知，乒乓球的形变量与所加载荷成近似线性关系；由图6可知，在极限载荷为50N的情况下，不同星级的乒乓球对应不同的形变量，并且三星形变量＜二星形变量＜一星形变量，符合不同星级乒乓球的分级情况。由表1和图7可得，当极限载荷分别为50N、60N、70N时，乒乓球均呈现不同的形变量，且不同星级乒乓球的形变量是不同的，因此，均可分辨出乒乓球的硬度。

采用SPSS 16.0统计工具对乒乓球在受到50N的载荷下，3种星球的形变量作相关统计分析的计算［5］。

实验中每种测试重复实验10个球，每个实验用球测试两端，实验样本容量n均为20，且让检验水准α＝0.05，输出结果如下：

表3说明，乒乓球形变量指数P＝0.072＞α＝0.05，3组的乒乓球形变量指数均通过方差齐性检验，可以采用单因素方差分析对3个总体均值做检验。

表4表明，乒乓球形变量指数的方差分析F＝55.715，且其相伴概率P＝0.000＜α＝0.05，说明3组数值之间不全相等。又因为α＝0.05，分别对数值进行两两检验，结果证明3组不全相等。

表3 方差齐性检验乒乓球形变量指数一览表Table 3 Test of Homogeneity of Variances Type Variable Index of Table Tennis

表4 方差分析一览表Table 4 ANOVA

由上述统计检验结果可得到，极限载荷为50N时，3种不同星级的乒乓球形变量数值具有统计意义的显著影响。此外，从提高测试效率方面来看，加载到预定载荷的时间越短，效率越高，同时在检测过程中对乒乓球的加载力越小，对乒乓球的伤害越小。因此，可限定极限载荷为50N，应用方法一，作为对乒乓球硬度分级的新方法［3，7］。

2.由GB／T20045中对乒乓球硬度的分级标准可得，乒乓球形变量0.8mm～1.0mm，因此方法二中对乒乓球形变量的极限载荷初步定为0.8mm、1.0mm以及1.2 mm。从图8和表2可得，在极限形变量相同时，硬度较小的球所承受载荷始终小于硬度较大的球（一星球所承受载荷＜二星球所承受载荷＜三星球所承受载荷）。

通过SPSS 16.0统计工具对乒乓球在极限形变量为0.8mm情况下，不同星级乒乓球承受的载荷大小数值进行计算，可得载荷大小数值P＝0.668＞α＝0.05，即3组乒乓球载荷数值均通过方差齐性检验，可以采用单因素方差分析对3个总体均值做检验。

又因为指数的方差分析F＝93.724，且其相伴概率P＝0.000＜α＝0.05，说明3组数值之间不全相等。最后经过两两数值检验，证明3组数值不全相等。

由图8、表2以及统计检验结果可考虑方法二作为测量乒乓球硬度的参考方法。同时，随着极限形变量的增加，乒乓球所承受的载荷值也变大，但总体保持高星级球所承受载荷要大于低星球所承受载荷值。考虑到检测效率和对乒乓球的影响程度，可以将0.8mm作为乒乓球硬度检测方法的极限载荷值，并应用方法二作为乒乓球硬度分级的新方法。

3.在采用新方法测量乒乓球硬度的实验过程中，某些乒乓球出现不符合本身星级的情况。分析原因可能是由于在出厂检测过程中，由于手工操作，工作量大，个别乒乓球未能严格按照现行分级标准进行分级。因此，亟需设计一套操作简单、效率更高的检测方法和检测仪器。