基于循环载荷的高山滑雪板疲劳指数检测设备的研究

任志敏（河北省产品质量监督检验研究院 河北 石家庄 050227）

1、研究背景

在大众冬季冰雪运动中，滑雪越来越受到人们的青睐。越野滑雪是在低山丘岭地带（平地、下坡、上坡各约占1/3）长距离滑行，虽然远不如高山滑雪的乐趣和魅力，但从安全和健身角度而言，更具有广泛的参与性。越野滑雪一年四季都可以进行练习，有雪期进行雪上练习，无雪期可采用越野滑轮进行练习，越野滑雪不受地形的约束，人们只需要准备好越野滑雪装备，在公园、马路、田间等宽阔的地方都可以进行练习，不受年龄的限制，小到会走路的儿童，大到百岁的老人均可进行练习。因此，越野滑雪是一项老少皆宜的有氧运动。

高山滑雪由越野滑雪发展而来，1936 年成为冬奥会项目，运动员要在高耸的雪山陡坡上完成快速滑降和回转动作。相比较而言，高山滑雪更有难度且更危险，它的规范竞赛项目有：滑降、超级大回转、大回转、回转、全能等。高山滑雪的技术种类很多，如不同的滑雪技术，多变的转变技术，应急的加速、减速、停止技术，惊险的跳跃技术及特殊技术等。

作为奥运会项目，将速度与技巧完美地结合在一起，一直深受广大群众的喜爱，但同时由于高速滑行，对运动员的人身安全构成极大的安全隐患。高山滑雪板是高山滑雪运动必备装备，在高山滑雪运动中扮演着不可或缺的重要角色。

高山滑雪板的疲劳指数是评定产品质量的重要的指标。调查发现，高山滑雪运动中滑雪板会受到不断的弯曲、挠曲、变形等循环载荷的作用。滑雪运动中滑雪板的性能直接影响滑雪运动的效果，滑雪板的弯曲刚度及形状对滑雪运动的影响引起了越来越多的关注。当滑雪板的疲劳指数指标不达标时，在滑雪时极易导致滑雪板变形或断裂，给滑雪人员带来伤害，甚至造成事故。

国内高山滑雪板生产加工过程的质量控制，所使用的检测设备主要采用自制简易工装，检测设备比较落后并且不符合国际标准有关测试项目的要求。通过研发具有自主知识产权的测试设备，有助于提高我国冰雪运动装备检测设备的稳定可靠性和科技含量，打破国外对我国冰雪运动装备检测设备的垄断局面。

2、理论依据

高山滑雪板疲劳指数的定义为滑雪板对形状和刚度变化的抵抗力。目前我国还未制定高山滑雪板的疲劳指数的检测方法的国家标准，现阶段国内和国际上大量的高山滑雪板的疲劳指数依据国际标准ISO 6266-2013《高山滑雪板疲劳指数测定—循环载荷试验》进行检测。本文依据国际标准ISO 6266-2013 规定的设备原理，对滑雪板的疲劳指数检测设备进行研究。

（1）将滑雪板放入设备上，以2-3Hz 的频率对滑雪板进行20000 次载荷循环；

（2）试验后，按照ISO 6266-2013 规定的公式计算滑雪板的底拱高度和中心弹簧常数的永久形变的百分比，即为疲劳指数。

3、设备设计

3.1、设备原理

模拟滑雪板在受到多次高频的载荷作用时，通过测量滑雪板产生的形变，来判定滑雪板是否达到标准要求。采用PC端上位机和PLC 控制系统自动对试验力值和位移进行采集，通过伺服电机和曲柄连杆结构，对试样施加高频多次的循环加载。PLC 控制系统会根据加载的力值和位移数据进行系统分析并在PC 端上显示出力值—位移变量曲线图。检测数据具有峰值保持功能和数据储存功能，便于对产品检测数据信息调取和追溯。运用伺服电机系统控制试验加载过程，采用人机交换系统和PLC 控制系统自动对实验数据进行采集，根据每次试验的数据进行自动计算，并对试样进行分析判定。

3.2、设备结构解析

设备外观，如图1 所示。

图1 测试设备结构图

1.施力部分，2.夹具工装，3.循环加载部分，4.设备机箱。

设备主要由加载系统、数据采集测试系统和夹具组成，主机控制系统采用PLC人机界面，伺服电机作为设备的驱动部分。

（1）加载系统。

采用曲柄连杆结构装置实现标准要求（3 次/s）频率的往复动作，对被测样品进行疲劳模拟过程，检测数据由传感器实时传输至PLC 操作系统显示分析，进而对样品进行试验标定。充分考虑到测试系统的应用性和实用性，测试系统设计增加了测试行程长度无极可调功能，尽可能地满足不同规格的样品测试需求。行程可调装置由滑动模组连接配合，调节简单便捷，运行安全。可调节行程设计既保证了设备参数的精度，又扩大了循环载荷的频率区间，在满足标准的同时，增加了对试样的性能参数进行更深一步研究的能力。

循环加载功能是由伺服电机、减速机以及曲柄连杆结构等相互配合从而实现的。由上位机通过脉冲频率控制伺服电机的转速，由曲柄连杆结构将圆周运动转换成直线往复运动。由导轨、滑块、梯形丝杆等组成冲程调节装置，通过调节手柄控制冲程长度。其结构如图2 所示。

图2 循环加载系统

（2）数据采集测试系统。

底拱高度测量采用可移动式数显千分表。中心弹簧常数的测量采用直线模组与伺服电机（0.75KW）为主要驱动装置设计，利用压力传感器传输测试数据。具有测试频率可调，重量轻，便于操作等优点。

专用工装夹具配有百分表固定卡槽，测试过程便捷安全。在满足标准的同时，不但拓展了测试范围，又增强了对试样的性能进行更深一步的研究能力。

1.试样夹具，2.加载杆，3.固定板，4.调节手柄，5.导轨，6.曲柄中心，7.梯形丝杆，8.同步带，9.减速机，10.伺服电机。

加载速度可调功能结构是由步进电机通过联轴器、同步带带动滚珠丝杆组成的，通过系统程序控制脉冲发送频率和数量，从而控制步进电机旋转速度，实现加载速度可调功能。

系统采用PC 上位机和PLC 控制系统自动对载荷力和位移进行采集，通过力值和位移传感器传输检测数据，对试样进行分析判定。为了得到更全面的数据分析，PLC 控制系统会对过程中的数据进行分析，并在显示屏上显示力值的变量曲线图，如图3 所示。

图3 数据采集测试系统

1.限位开关，2.加载横梁，3.导轨，4.滚珠丝杆，5.步进电机，6.力值传感器，7.施力支点。

（3）夹具。

依据国际标准ISO 6266-2013《高山滑雪板性能测定 第4 部分 循环载荷》中规定的测试方法及要求，如图4 所示。标准要求：试验机有两个支撑辊，横向和纵向均可调节，支撑辊直径应约为50mm，支撑辊应装有带弹簧的夹辊，避免滑雪板抬起。驱动机构包含一个带有曲轴销的盘状飞轮，连接杆和带有夹紧装置的推杆。曲轴销和旋转轴间的距离应可调。冲程频率应在2-3Hz。夹紧夹具应具有在枢轴上旋转的接头以及带弹性橡胶层的钳口。

图4 夹具

1.锁紧手柄，2.试样夹具，3.固定支架，4.直线导轨，5.调节手柄，6.弹簧，7.支撑辊，8.升降台。

4、创新点

本设备的研制实现了对滑雪板的疲劳性能的准确测量，对滑雪板的质量评定提供科学有效的技术支撑，具有以下创新点：

（1）采用“三位一体式”设计。即一机可兼容滑雪板疲劳指数、底拱高度、中心弹簧常数三个不同试验项目的测试需要。既能节省使用空间，降低能耗，又能达到降低使用成本提升工作效率的目的；

（2）测试行程可以无极调节。设备行程长度装置具有0-100mm 任意位置调节功能，将原本标准中的固定频率设计为可调频率，更加方便灵活，适应和满足更多样品的疲劳性能测试；

（3）系统软件具有数据显示、曲线变化、模拟图像、峰值保持、数据查询等智能功能。具有测试数据无线传输功能，实现无纸化、智能化测试功能；

（4）人性化设计。设备的外形结构设计符合人机工程学，保证了操作使用的舒适性。

5、滑雪板选购建议

滑雪板选购一般要考虑滑雪人员的身高体重和力量。一般的高山滑雪（又称阿尔卑斯滑雪）比赛，通常分为高山速降、大回转、小回转等项目，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为长弯（Long Turns）、短弯（Short Turns）、旋转（Pivot）、短摆（Short Swing）等。不论竞技滑雪还是旅游滑雪，滑降都是技术的基础，转弯都是技术的精华。用物理学的原理可以简单地解释滑雪运动原理，雪道的坡度可以使滑雪者获得滑降速度，而在下滑过程中移动身体重心，用腿脚对雪板加力，则可以使滑雪者获得转弯所需的向心力。无论是速度和技巧，都需要通过雪板来体现，喜欢速度的滑雪者，其加速主要通过对雪板加力，获得雪地对雪板的反作用力来实现高速转弯和转弯加速的，速度越快，所需的转弯半径越大，离心力对雪板的加力就要足够大；喜欢技巧的滑雪者，其转向也是通过对雪板加力，获得雪地对雪板的反作用力来实现小半径转弯和转弯加速的。根据物理学原理，滑雪者的体重越重、速度越快、转弯半径越大，离心力就越大，保持滑行状态所需要的反作用力就越大，要想获得更大的反作用力，就需要滑雪者对雪板施加更大腿力和脚力。

板长的可选范围是与技术水平和力量成正比的，水平越高，对雪板的控制能力越强，可选范围就更广，同样，力量越强，可以从雪板获得的反作用力就越强，可选的板子就越长，越接近身高；喜欢大回转的，板长可以超过身高，因为越长的雪板，如果身体灵活、腿脚力量劲道，可以高速完成小回转，板长滑行不同水平的滑雪者体现滑雪者的技巧。

喜欢技巧的滑雪者，我们建议购买转弯半径小的雪板。喜欢速度的滑雪者，则可以不考虑转弯半径，购买对力量反应敏感、稳定性高的雪板就可以了。

不论是购买哪种雪板，都需要考虑自己的身高体重和力量，根据身高推算雪板的长度只能是参考，体重、技术水平、滑行方式都是重要的参考因素。以水平刚达到高级和喜欢短弯的两位滑雪者为例，体重大的滑雪者，往往需要较大的转弯向心力，可以选择长一些的雪板，而标准体重的人，则可以按照身高减去12cm 左右来选择雪板。总的来说，长的雪板，速度占优，短小的雪板，灵活占优。

滑雪是人板高度合一的运动，面对不同的滑雪者，同一块雪板的雪地表现则是完全不同的。做同样转弯半径的短弯滑行，使用相同转弯半径的雪板，力道十足的滑雪者和动作轻盈的滑雪者都能展示各自的技巧，体会滑雪的乐趣。

6、结语

本设备的研制达到了高山滑雪板疲劳性能的国际标准的测试要求，解决了人工测试的不科学、不便捷的技术问题，使高山滑雪板的检测工作更加高效，实现了科学检测和快速检测，为我国开展冰雪运动的生产企业的质量控制提供了技术支撑和装备保障。