高山滑雪初学者手扶雪上练习器的设计与试验

王科润

摘要：针对高山滑雪初学者雪板控制能力弱、受伤风险高及学习进度慢等问题，设计了一种高山滑雪初学者手扶雪上练习器。本文对练习器的基本结构、工作原理及环状雪橇的几何参数进行了详细分析与优化设计，从人机工程学角度阐述了自控制动舌制动受力原理，并借助有限元分析软件验证了自控制动舌的强度，试验以扭簧线径为因素，制动距离为考核指标，对器具的自控制动舌的性能进行测试，结果表明：当自控制动舌扭簧线径为2.5mm时，制动距离为4.8m，满足器具设计要求。通过建立器具转向平面运动模型确定手控制动舌的作用面积至少为328mm²，因此综合考虑手控制动舌的工作面尺寸設计为36mm×20mm。

关键词：高山滑雪；扁马蹄形环状雪橇；制动舌；初学者；雪上练习器

中图分类号：G808 文献标识码：A 文章编号：1008-2808（2018）03-0032-05

随着冬奥“北京周期”的开启，进一步推进冰雪运动的广泛普及与提高，越来越多的人将滑雪作为户外运动的最佳选择。由于滑雪运动初学者不具备控制雪板的能力，难以在短时间内掌握滑雪技术，若无专业教练指导保护，独自练习经常出现滑摔甚至受伤现象，而初学者聘请教练的费用较高且教练数量有限，难以满足滑雪旺季的实际需求，绝大多数的初学者均未聘请教练，铤而走险，导致每年受伤人数众多，这一现象限制了滑雪人口数量的增长，不利于滑雪运动的长期发展。

为降低受伤几率，解决滑雪人口数量众多与初学者聘请教练费用昂贵及滑雪旺季教练数量供应不足间的矛盾，本文设计了一种适用于滑雪初学者的辅助练习器，对保证初学者人身安全、缩短初学者滑雪入门时间及提高人们对滑雪运动的热情具有重要意义。

1高山滑雪初学者手扶雪上练习器的整机设计

1.1设计目标

结合国内外大型滑雪场初级滑雪道的主要参数，本文设计的高山滑雪初学者手扶雪上练习器使用环境为：雪道变向处角度大于135°，宽度大于20m，坡度小于8°，停止区开阔平缓长度大于20m，雪道长度为200m。

本文设计的高山滑雪初学者手扶雪上练习器旨在为初学者滑雪提供一种结构简单、安全可靠、运行灵活的器具，降低滑雪过程中的危险系数，为初学者自行练习提供可靠保障，现对器具提出以下要求：（1）初学者对器具失去控制时，器具可对周边人员提供保护；（2）使用过程中可实现回转；（3）器具置于雪场雪面不产生下陷且便于携带。

1.2整机结构和工作原理

高山滑雪初学者手扶雪上练习器主要由固定连接架、扁马蹄形环状雪橇、制动拉线、制动手柄、防踏拦网、自控制动舌等组成，如图1所示。

使用时，将器具放置于雪场雪面上，练习者双手扶着握把，穿上雪板站立在左、右侧的扁马蹄形环状雪橇之间，此时，在自控制动舌与雪面接触配合控制下器具在雪面上静止，当初学者双手推压左、右侧的握把时，由于双手的压力使自控制动舌克服弹簧的扭力，左、右侧的扁马蹄形环状雪橇底部上发生向上方的转动，消除制动阻力，器具开始滑行练习使用。当运行中需要停止滑行时，双手同时拉紧左、右侧的制动手柄，通过制动拉线使左、右侧的手控制动舌转动，与雪面接触产生阻力，完成制动停止运行。单独拉紧一侧的制动手柄，即可完成本器具转弯运行（实现回转练习）。当初学者的双手全部离开握把时，在弹簧的扭力作用下，自控制动舌恢复到初始位置，与雪面接触产生阻力，器具静止。左、右侧的防踏拦网和前侧的限位挡网可分别防止初学者的滑雪板误踏在左、右侧的扁马蹄形环状雪橇上或从器具前端滑出，避免对初学者造成伤害。器具的主要参数如表1所示。

2高山滑雪初学者手扶雪上练习器的关键

部件设计2.1环状雪橇设计

器具采用两个扁马蹄形环状雪橇平行对称连接组合构成的流线型坦克状器体，以保证器具结构简单稳定可靠且行走阻力较小。

接地比压是雪橇单位面积上所承载的垂直载荷，是雪上机械的一个非常重要的技术参数，它直接决定器具行驶的通过性和稳定性，其表达式为：

当器具的接地段过长时会导致转向性能变差，过短则使雪橇对雪地的压力分布不均匀，降低器具稳定性，综合考虑雪橇的接地段长度取为1m。W为人对器具的压力与器具重力之和，预计为200N，雪地不下陷的最大接地比压约为3000Pa。将相关参数代入式（1）可得雪橇宽度为0.033m，设计时取为0.05m。

2.2自控制动舌设计

自控制动舌的作用是当初学者摔倒时，双手脱把，在扭力弹簧扭力的作用下，自控制动舌弹出，与雪面接触产生阻力，器具停止，与防踏拦网共同对操纵人员起到保护作用。自控制动舌工作状态受力示意图如图2所示。

器具在沿坡面方向受力有：

为保证所设计的自控制动舌具有足够的强度能对练习者提供保护，运用有限元软件对其强度进行分析，利用三维建模软件建立自控制动舌几何模型，并导入至有限元分析软件中。为提高仿真运行速度及精度，对其几何模型进行简化处理，将倒角、圆角简化为直角，在螺栓孔处设置为铰接连接方式，对自控制动舌施加平行于坡面方向的作用力F_ax大小为6N，网格划分如图3所示，有限元分析结果如图4所示。

图4a结果显示最大应力为23.96MPa，远小于不锈钢的极限屈服强度，图4b结果显示最大形变为0.0001mm，形变及其微小可忽略不计，自控制动舌设计合理满足设计要求。

2.3手控制动舌设计

回转是整个滑雪运动的核心部分，回转过程靠改变雪橇角度与双腿的用力实现，对于初学者来说较难掌握，本文设计的手扶雪上练习器结合犁式回转的动作要领，特设计左手拉紧制动柄使器具向右回转，与左板蹬板向右回转保持一致，同理可实现左转。

为确定手控制动舌的结构参数，建立器具转弯过程的平面运动学模型，如图5所示，考虑初学者尚未熟练掌握回转技巧，回转过程中的制动力全部由器具提供且行驶速度平稳。

变向时器具绕瞬时旋转中心C₂旋转，取外侧雪橇纵向轴线上微元dy如图6所示，作用于该微元的地面切向反作用力dF₂大小与单位长度的正压力成正比，那么沿雪橇接地段纵向中心线有：

式（13）代入相关参数可得，F_R4为4.3N，根据前期测定可确定手控制动舌受到的雪面均布载荷P约为9500Pa，由式（14）可确定手控制动舌的受力面积至少为453mm²，因此综合考虑手控制动舌的工作面尺寸设计为36mm×20mm。

3高山滑雪初学者手扶雪上练习器试验与分析

自控制动舌工作时由双齿扭簧提供扭力，因此扭簧线径对工作性能好坏起到重要作用，为使选用的扭簧可满足工作性能且安全可靠，本文采用试验方法对扭簧直径进行选取。

2018年2月25日于哈尔滨名都滑雪场对器具进行场地试验，分别对安装扭簧线径为1mm、1.5mm、2mm的器具进行多次测试，当器具在雪坡上快速行驶时，释放器具对其制动距离进行测量，试验过程如图7a所示。试验发现安装扭簧线径为1mm、1.5mm、2mm的器具在比较平整的雪面上制动深度不够，在不平整的雪面上借助于颠动的力量可小幅度弹出，制动效果较差，满足不了器具随时制动的需求，因此这3种线径的扭簧不适用于该器具。

2018年3月18日于哈尔滨体育学院（帽儿山）冠军滑雪场对分别安装扭簧线径为2.5mm、3mm的器具进行多次测试，当器具在雪坡上快速行驶时，释放器具对其制动距离进行测量，试验过程如图7b所示。试验发现安装扭簧线径为3mm的器具在使用者并未释放时自控制动舌便已经弹出，深入雪面形成阻力导致无法正常滑行，而当线径为2.5mm时自控制动舌工作效果最佳，制动距离为4.8m，因此选用线径为2.5mm的双齿扭簧。

4结论

（1）结合高山滑雪场初级滑雪道的主要参数，研究设计了一种高山滑雪初学者手扶雪上练习器，阐述分析了器具结构组成与工作原理，该器具接地比压小于3000Pa，拥有自控与手控两种制动方式，为高山滑雪初学者的练习提供了可靠保证。

（2）将接地比压作为参考因素，优化设计了环状雪橇的几何参数；理论分析了自控制动舌工作时的受力情况，并对其进行有限元分析验证其结构合理性；建立器具转向平面运动模型，确定了手控制动舌的作用面积。

（3）为选配合适的扭簧，以扭簧线径为因素，制动距离为考核指标，对器具的自控制動舌性能进行测试，结果表明，当自控制动舌扭簧线径为2.5mm时制动距离为4.8m，效果最佳，满足器具设计要求。