短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀连接装置

刘 晋，张 森，刘贵宝

（1.黑龙江工程学院 体育部，哈尔滨 150005；2.黑龙江省体育科学研究所，哈尔滨 150008）

短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀连接装置

刘 晋1，张 森2，刘贵宝2

（1.黑龙江工程学院 体育部，哈尔滨 150005；2.黑龙江省体育科学研究所，哈尔滨 150008）

摘 要：目的，为了我国运动员在今后的冬奥会上有所新突破，提出一种新型速滑冰刀连接装置。方法与内容，利用文献资料法、对比分析法和试验分析法，分析了Clap式速滑冰刀结构特点与不足，以及速滑冰刀结构相关研究进程，并在论述跖屈型新冰刀研究情况基础上，提出对屈趾型速滑冰刀的改进。结果，通过对国内外研究成果进行了结构力学和生物力学的对比，提出了符合速滑冰刀结构特点和符合人体生物力学特点的一种短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀连接装置。结论，这种新型速滑冰刀连接装置结构，有助于脚部跖趾关节发挥生理性功能，使冰刀与冰鞋的固定更加牢靠。将有可能提高速滑成绩。

关键词：短臂绞链；钢片软桥；屈趾型速滑冰刀；连接装置

1 研究目的

由于传统速滑冰刀与冰鞋都是固定在一起的，这种速滑冰刀与冰鞋固定方式，使得在蹬冰结束后冰刀刀尖有抠冰的现象，对速滑运动员滑行速度具有一定影响。在这种技术矛盾刺激需求下，荷兰人研制了一种Clap式速滑冰刀，Clap新式冰刀与传统冰刀的主要区别在于所设计的 “活动刀托”即前刀托与冰鞋形成铰链式连接，后刀托与冰鞋可自动分离，较好地解决了传统速滑冰刀在蹬冰结束后刀尖出现抠冰的问题。我国自1997年开始正式引入Clap式速滑冰刀，这种Clap式速滑冰刀自1984年问世以来[1]，经过14年不断应用推广，在1998年冬奥会正式使用之后风靡全球，引起速滑运动技术和运动成绩空前大飞跃，使得一大批世界记录不断刷新。

目前国际上公认为：Clap式速滑冰刀与传统速滑冰刀相比具有延长蹬冰作用时间；提高踝关节的灵活性；增大下肢关节蹬伸幅度；保持冰刀全刃与冰面接触和原有的滑行方向以及蹬冰方向，使之在踝关节充分跖屈的情况下结束蹬冰动作等作用。但是，不论Clap式速滑冰刀还是传统速滑冰刀，冰刀与冰鞋的刚性装置结构违背了人体脚部正常生理运动和生物力学的基本原理，限制了脚部跖趾关节的活动。为此，国内也相继研制了屈趾型速滑冰刀，虽然把冰鞋改成屈趾型速滑冰鞋，依旧还是没有脱离纵向固定冰鞋的方式。由于老式速滑冰刀和Clap式速滑冰刀仍然延续了速滑冰鞋的整体固定的结构方式，老式速滑冰刀在蹬冰结束时刀尖有抠冰的现象，KLAP式速滑冰刀在蹬冰时由全脚转为脚尖蹬冰。因此现有速滑冰刀。

2 研究内容

2.1 Clap式冰刀结构特点与不足

Clap式冰刀是国际速滑运动近20年来最为突出的革命性变化[2-3]。Clap式速滑冰刀的结构原理是长臂铰链的前端和后端与冰鞋的前部和后部连接在一起，长臂铰链的后支撑点与冰刀的后支撑点之间可以开合。这种Clap式冰刀改进新技术[4-5]，关键在于刀跟与冰鞋能随着蹬冰角度自动脱离和还原，根据鞋跟与冰刀分离声音命名音译为 “克来普”冰刀。其优越性是在蹬冰的全过程中，冰刀全刃可以有效地咬住冰面，能够将蹬冰最后阶段展踝的力量完全作用到冰面，不仅有利于延长蹬冰距离，还通过提高踝关节的灵活性和加大蹬冰腿膝关节的伸展范围，有效避免后程用刀尖蹬冰的现象，使速滑蹬冰技术在蹬冰角度、蹬冰腿膝关节的伸展幅度等方面更加符合人体运动力学结构特点[6]。研究表明[7]，采用Clap式冰刀每个单步时间减少、双支撑蹬冰阶段时间延长，与普通冰刀相比，单支撑所占时间比例缩短，双支撑所占时间比例延长，增强了双支撑蹬冰的作用，并认为这很可能就是使用新冰刀提高运动成绩的原因之一。现场观察发现，新冰刀蹬冰时造成冰面破损较小，从能量角度分析，减小能量的消耗以减小滑行的阻力也有助于提高运动成绩。Clap式冰刀可以认为是一种较为适合运动力学原理的"可弹式"速滑冰刀，但在向逐步符合人体自然生理运动的科技改革趋势中，Clap式冰刀仍然没有很好解决僵直鞋底所带来的负面影响[8]。根据跖趾关节运动测试结果[9]，相关研究发现Clap式速滑冰刀、鞋帮、鞋底一体化结构限制了足趾的运动，足部的拇长屈肌、趾长屈肌、足跟间肌、足蚓状肌、拇短屈肌、趾短屈肌、小趾短屈肌等根本没有参与速滑的蹬冰动作，相对来说降低和减少了运动员的蹬冰力量，影响运动员的滑行速度提高。

2.2 冰刀结构相关研究进程

自Clap式冰刀1997年公开引入我国，为了能使我国的青少年速滑运动员尽快地更换新型冰刀、适应新的技术，我国科研人员适时地开发研究了活动刀托连接装置[10]，可将普通速滑冰刀改装成新型冰刀。并就活动刀托连接装置的结构特点、性能实验结果及推广应用的意义进行阐述。国内速滑界普遍认识到速滑运动的成绩，除了与参赛运动员的运动技巧和体能有关外，还与运动器材的优劣密不可分。随后国内有关人员相继进行了相关冰刀结构改进工作。例如，为使速滑运动员既可在室内人工冰场使用，又可在室外天然冰面进行运动，有人在Clap式冰刀基础上研制了一种自锁装置[11]，当冰面状况不好时冰刀转换为非可弹状态，反之则为可弹状态。有人在陆地上进行了Clap式速滑冰刀模拟蹬冰过程的点位压力变化实验[12]，通过验证滑行过程的支撑面积、压力点的位置压力变化的数据，在Clap式冰刀结构技术正效应的基础上，进行了桥式双托位支撑Clap式冰刀结构力学设计。还有人探讨了新型速滑冰刀垫片的功能及对冰刀整体性能的微调作用[13]，介绍了垫片的使用方法，指出了优秀速滑运动员应充分利用这一环节提高运动成绩。为了在蹬冰阶段，足跟抬离足跟支点且通过前轴相对于刀管旋转时，前轴旋转允许脚折曲，而此时刀刃仍然充分接触冰面，有人设计研制了一种双铰链跖屈型可弹式速滑冰刀[14]，主要是在可弹式冰刀前脚掌部位设一个可以旋转的前轴。

2.3 跖屈型新冰刀研究情况

跖屈型新冰刀的实验室研究取得很大进展，这种冰鞋将大大提高运动员的输出功率，对今后的速滑运动产生深远的影响。研究人员对原屈趾型速滑冰刀鞋（国家专利公开号CN2659502，国家专利公开日：2004年12月1日）的专利技术进行了广泛的研究[15]，针对老式速滑冰刀和Clap式速滑冰刀的结构也进行了深入的探讨和研究。认为原屈趾型速滑冰刀在人体做跖屈蹬冰动作时，人体的蹬冰力量比现有速滑冰刀的蹬冰力量要大，运动员在速度滑冰起跑时，脚的跖趾关节动作符合人体运动生物力学特征；认为老式速滑冰刀限制了人体脚部踝关节和脚跖趾关节的运动，虽然Clap式速滑冰刀解决了限制人体脚部踝关节的运动，但是束缚人体脚的跖趾关节运动的问题始终没有解决，国外文献认为[16]：在测试纵跳产生的总能量和动能方面，跖屈鞋底比刚性鞋底大9 %，纵跳的能量上的变化反映到滑行结果，跖屈鞋底可能比当前的Clap冰刀提高3%的滑行速度。国内相关研究人员对速滑运动员强化踝、跖趾关节肌群力量训练的器材与方法进行了研究[17]，在没有屈趾型速滑冰刀和冰鞋的出现时，跖趾关节的力量训练对Clap式速滑冰刀是没有作用的，但是为屈趾型速滑冰刀的诞生提供了训练参考方法。

有关研究指出[18-22]，Clap冰刀的功效核心是以提高踝关节的灵活性来达到增大下肢各关节协调作用的目的，并在比较传统冰刀和clap冰刀肌群工作特点后，提出Clap冰刀技术动作的相关肌群强化训练重点。据此，研究人员对速滑运动员的陆地训练进行了长期的跟踪研究。运动员的陆地滑跳训练、运动员的陆地橡皮筋弯道训练、运动员的陆地拉轮胎（人拉）训练等，观察到运动员的脚部都是在做跖屈运动，有关研究人员和教练员针对专业速滑运动员和体校速滑运动员的跖屈运动时的力量进行了测试，当时的专业速滑运动员李雨的跖屈力量在300 kg以上、黑河体校速滑运动员的跖屈力量在150 kg以上。所以我们认为速滑冰刀的结构应该有所改变，改变成符合人体运动生物力学特征的速滑冰刀结构，改变成符合陆地训练模式的速滑冰刀结构。

2.4 屈趾型速滑冰刀的改进

研究人员对原屈趾型速滑冰刀鞋的结构进行了大胆的改造。对此，我们提出了把Clap式速滑冰刀的长铰链分节成三段，分别为短臂铰链、钢片软桥、冰鞋跟座。冰鞋与冰刀底座固定板的安装，通常用两个螺钉直接固定在底座上，或者用传统铆钉方式固定。固定板利用两点加固方法，将固定板牢牢固定在冰鞋和铰链上。短臂铰链可以解决限制人体脚部踝关节运动的问题；钢片软桥可以解决限制人体脚部跖趾关节运动的问题；冰鞋跟座可以解决与冰刀跟托恢复结合的问题。短臂铰链采用一定厚度的钢板冲压制成形，在短臂铰链翼面（铰链轴上方）的位置横向转两个孔，为固定专用屈趾型速滑冰鞋；短臂铰链的末端转两个小孔，用铆钉把钢片软桥固定在一起；钢片软桥的末端转个长条孔，冰鞋跟座的上方开有与钢片软桥等宽、等厚的槽，钢片软桥的末端卧在槽中，用螺栓与屈趾型速滑冰鞋连接在一起。

3 研究结果

图1是短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构图。铰链托（1）、短臂铰链（2）、复位扭簧（3）、钢片软桥（4）、冰鞋跟座（5）、冰刀跟托（6）。图2是短臂铰链结构示意图。短臂铰链轴(2A)、短臂铰链轴套(2B)、短臂铰链翼面(2C)、与冰鞋连接的螺栓孔(2D)、与钢片软桥连接的铆钉孔(2E)、与铰链轴托固定的螺栓两枚(2F)。在蹬冰阶段，人体重心几乎全部压在铰链点处，而且人体重心频繁发生左右移动，对铰链点结构的产生应力损坏性影响。短臂铰链结构在一定程度上能够加强铰链点对应负载能力。图3是复位扭簧结构示意图。复位扭簧中段(3A)、左右扭簧孔圈(3B)、左右扭簧别柄(3C)。铰链扭转角度范围一般在45°以内，对应弹簧的扭转角度＜75°，扭转力300N左右。为了使弹簧达到一定弹力，并且弹力会在使用期间内不会因为过度疲劳而消失，要求所选取的弹簧预应角度要适中。为此，对弹簧内径在设计上还需留有足够冗余量。图4是钢片软桥的结构示意图。与短臂铰链固定连接的铆钉孔(4A)、与冰鞋和冰鞋跟托螺栓连接的调整长孔(4B)。钢片软桥本身具有弹性势能储备能力，在蹬冰阶段对足底发力产生缓冲作用，同时为脚部跖趾关节运动释放一定自由度。图5是冰鞋跟座的结构示意图。能卧镶钢片软桥的浅槽(5A)、与钢片软桥末端长条孔相对应的倒T字形长条孔(5B)用来固定冰鞋后跟、冰鞋跟座的底部开有冰刀跟托槽(5C)用于和冰刀跟托的归位连接。

图1 短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构Figure 1 Speed skate blade adapter structure of plantar flexion type with short arm hinge and elastic steel bridge

图2 短臂铰链结构Figure 2 Structure of the short arm hinge

图3 复位扭簧结构Figure 3 Structure of the reset torsion spring

图4 钢片软桥的结构Figure 4 Structure of the elastic steel bridge

图5 冰鞋跟座的结构Figure 5 Structure of the skate heel seat

4 结论

研究认为短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构可以带来如下好处和有益效果。

1.短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构，符合人体脚部跖趾关节运动的生理习惯，如同人们在走、跑、跳的活动中，人体脚部的跖趾关节会发生生理性的跖屈。

2.短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构，符合常见的速滑运动员陆地模仿动作脚部的运动训练方式，如运动员的跑、跳运动一样趾跖关节参与运动。

3.短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构，解决了原屈趾型速滑冰刀鞋和Clap式速滑冰刀的纵向螺栓固定模式，采用了冰鞋的三角形固定模式，或者是冰鞋的跖趾关节处横向2个螺栓和冰鞋后跟1个螺栓固定形式（三角形固定模式），使冰刀与冰鞋的固定更加牢靠。

4.短臂铰链与钢片软桥的屈趾型速滑冰刀的结构，解决了跖屈冰鞋的弯曲刚性铰链达不到性能，钢片软桥的创新结构可以随着跖屈冰鞋的弯曲钢片软桥会发生相应的变化。

5.短臂铰链与钢片软桥的软铰链体和跖趾关节处可弯曲软冰鞋的诞生，将有可能大幅度提高速滑成绩，尤其是长距离速滑成绩。

6.短臂铰链与钢片软桥是解决新式屈趾型速滑冰刀的关键，仿造只能始终落后与他人，创新才能赶上和超越。

参考文献：

[1]杨树人， 高延军. 克莱普(Clap Skate)新式冰刀的结构与性能[J]. 哈尔滨体育学院学报， 2002，20(3)：39-40，42.

[2]杨春怀， 孙大鸣， 陈贵民. 新型速滑冰刀介绍[J]. 冰雪运动， 1997(4)： 49–50.

[3]齐丽敏， 杨斌霞， 董欣. 现代科学技术发展对速滑冰刀演变的影响[J]. 冰雪运动，2006(2)： 108–109.

[4]曹国林. 克莱普新式冰刀推动我国速滑运动[J]. 沈阳体育学院学报， 2003， 22 (3)：12–14.

[5]陈民盛， 覃晓红. 从对蹬冰加速理论的质疑点看克莱普冰刀的设计构想[J]. 天津体育学院学报， 2003(2)：30–32.

[6]李寅， 孙建华. 由蹬冰技术浅谈克莱普新式冰刀的优点[J]. 冰雪运动. 1998(2)：56，58

[7]王小虹， 王立国. 关于使用新式冰刀提高运动成绩的探讨[J]. 冰雪运动， 2001(4)：16–17

[8]刘文娟， 严力. 跖屈型新冰刀研究进展综述[J]. 冰雪运动， 2000(3)：53–54 .

[9]刘宪国， 刘贵宝， 刘文娟， 等.“屈趾型”速滑冰刀的研究报告[J]. 冰雪运动， 2004(1)：76–77。

[10]杨春怀， 张亮， 刘贵宝， 曹军. 活动刀托连接装置的开发应用研究[J]. 冰雪运动， 1998(2)：

[11]单满春， 符晓霞. 高级可弹式速滑冰刀的研制[J]. 冰雪运动， 2004(1)：78–79.

[12]关亚军， 李兴汉， 张春辉. 对KLAP冰刀点位压力实验及桥式双托位支撑冰刀的设计[J]. 冰雪运动，2002(4)： 84–86.

[13]孙国民， 杨春怀. 新型速滑冰刀垫片的功用[J]. 冰雪运动， 2000(2)： 60

[14]符晓霞， 单满春. 双铰链跖屈型可弹式速滑冰刀的研制[J]. 中小企业科技， 2004(4)：34–35.

[15]刘宪国. 屈趾型速滑冰刀鞋. 2003， 国家实用新型专利授权号CN2659502

[16]刘贵宝. klap冰刀铰链点定位和冰鞋跖屈对能量输出影响的研究[J]. 冰雪运动， 2002(2)：1–4.

[17]颜彤丹， 宋文利， 杨春怀. 速滑运动员强化踝、跖趾关节肌群力量训练的器材与方法[J]. 冰雪运动， 2002(3)：74–76.

[18]陈民盛， 张云， 覃晓红. Clap冰刀蹬冰技术动作原理的探讨[J]. 中国体育科技， 2003(10)：26–28.

[19]张少伟， 陈民盛. 克莱普(Clap)冰刀蹬冰机制研究情况综述[J]. 冰雪运动， 2005(6)：1–3.

[20]张春晖， 郑成雪. 试论科学技术发展与速度滑冰冰刀改革[J]. 冰雪运动， 2005(4)：64–66.

[21]陈民盛， 刘彤， 程湘南. Clap冰刀与传统冰刀蹬冰机制比较[J]. 体育学刊， 2006(1)： 108–110.

[22]宋臣， 张青， 吕松岭. 新、旧冰刀滑冰能量平衡的比较研究[J]. 冰雪运动， 2000(4)：3–4.

中图分类号：G807.4

文献标识码：A

文章编号：1002–3488（2015）03–0086–06

收稿日期：2015–01–11；修回日期：2015–02–09

第一作者简介：刘晋（1981–），男，黑龙江哈尔滨人，讲师，研究方向为体育教学与训练。

Speed Skate Blade Adapter of Plantar Flexion Type with
Short Arm Hinge and Elastic Steel Bridge

LIU Jin1， ZHANG Sen2， LIU Gui-bao2

（1.Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150005， China； 2.Heilongjiang Research Institute of Sports Science，Harbin 150008， China）

Abstract：Objective， in order to advance Chinese speed skaters to get new breakthroughs in future winter Olympics， the paper puts forward a new speed skate blade adapter. Methods and content，with the methods of literature information， contrast and experiment analysis， it analyzes the Clap skate’s structure and shortage， discusses the related research progress of speed skate structure，and basing on the development of speed skate of plantar flexion type， it presents a improvement for the plantar flexion skate. Results， by contrasting some domestic and overseas research findings from the viewpoints of structural mechanics and biomechanics， it develops a speed skate blade adapter of plantar flexion type with short arm hinge and elastic steel bridge， which adapter being as far as possible in accordance with the features of speed skate structure and human body biomechanics. Conclusion， the new skate adapter will be possible to improve the speed skaters’ performance by helping to the metatarsophalangeal joint bring its physiological function， and making the fixation between the blade and shoe more firmly.

Key words：short arm hinge； elastic steel bridge； speed skate blade of plantar flexion type；adapter