氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)設(shè)計(jì)

鄭明輝 陳錦波

氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)設(shè)計(jì)

鄭明輝 陳錦波

針對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的技術(shù)要求和存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了新式的網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)，包括氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了基于能量守恒定律伯努利方程的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)分析，豐富了教學(xué)手段，提高了教學(xué)質(zhì)量。

氣壓式；網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)；設(shè)計(jì)；伯努利方程

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)深受群眾喜愛(ài)，在我國(guó)普及迅速。但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，要想在短時(shí)間內(nèi)提高網(wǎng)球技術(shù)，沒(méi)有先進(jìn)的訓(xùn)練設(shè)施是很難實(shí)現(xiàn)的。因此設(shè)計(jì)一種科技含量高、價(jià)格低、美觀耐用、大容量的網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)，具有廣闊的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)在設(shè)計(jì)理念上采用了電動(dòng)控制與氣壓技術(shù)相結(jié)合，不僅解決了上下旋轉(zhuǎn)不易控制等問(wèn)題，而且增加了發(fā)射的準(zhǔn)確性，可以人為地將發(fā)球速度控制在60～180公里/小時(shí)，且可發(fā)出平擊球、上旋球、下旋球、中場(chǎng)、后場(chǎng)高壓球等，為使用者提供底線、中場(chǎng)、網(wǎng)前等各種訓(xùn)練，并可自動(dòng)雙向發(fā)球，便于單人正、反手跑動(dòng)訓(xùn)練或雙人同時(shí)訓(xùn)練，為教學(xué)、訓(xùn)練或單人使用帶來(lái)極大的方便。

1 氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)的氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)主要包括供球系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)，供球系統(tǒng)用于網(wǎng)球儲(chǔ)存，其作用是儲(chǔ)存網(wǎng)球并將網(wǎng)球隨時(shí)按要求供給發(fā)射系統(tǒng)，同時(shí)不能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；動(dòng)力系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)和氣壓控制閥，以空氣為工作介質(zhì)，將氣壓能轉(zhuǎn)化為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，并且實(shí)現(xiàn)壓力和速度可調(diào)；發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)射筒、發(fā)射氣缸、換向汽缸等，用于貯存發(fā)射能，使網(wǎng)球能夠以較大的動(dòng)能向不同方向運(yùn)動(dòng)。訓(xùn)練機(jī)工作原理如圖1(a)所示，主要結(jié)構(gòu)組成有儲(chǔ)球箱、備球盤、氣動(dòng)馬達(dá)、閥門、進(jìn)球管道、出球管道、雙層管道、發(fā)球汽缸、換向汽缸、閥門控制汽缸、以及空壓機(jī)等。圖1(b)為出球管道剖視圖；圖1(c)為備球盤示意圖。[1]

圖1 氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)1-儲(chǔ)球箱 2-閥門 3-閥門控制汽缸 4-進(jìn)球管道 5-雙層管道 6-出球管道 7-換向汽缸 8-發(fā)球汽缸 9-空壓機(jī) 10-氣動(dòng)馬達(dá) 11-備球盤12-出球膛 13出球膛內(nèi)襯片 14-雙層管道套管 15-雙層管道內(nèi)襯 16-網(wǎng)球 17-軟管 18-備球盤 19-閥門 20-進(jìn)球管道 21-轉(zhuǎn)軸 22-擋球環(huán)

圖1(a)中備球盤11在空壓機(jī)9上面，在儲(chǔ)球箱1底部，由氣動(dòng)馬達(dá)10帶動(dòng)，其圓周旁開(kāi)設(shè)兩個(gè)或多個(gè)容球孔洞，容球孔洞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周期性經(jīng)過(guò)儲(chǔ)球箱底部的弧形缺口，從而可以從儲(chǔ)球箱中獲取網(wǎng)球以存儲(chǔ)與容球孔洞中并隨容球孔洞轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)閥門2打開(kāi)，并且容球孔洞帶著網(wǎng)球轉(zhuǎn)到進(jìn)球管道上方時(shí)，網(wǎng)球自動(dòng)落下，完成一個(gè)取球過(guò)程。這種取球方式不僅不會(huì)造成網(wǎng)球在儲(chǔ)球箱中卡死，而且還不用阻球片。方便可靠，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。之所以備球盤用氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)是考慮到電機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題，以及氣壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制及價(jià)格問(wèn)題。出球管道6接近發(fā)球汽缸8的一端為圖1(b)中軟管17。

圖1(b)中，接近出球口的一端為硬質(zhì)出球膛12，在軟管17和出球膛12之間設(shè)有一段雙層管道5，其外層為硬質(zhì)材料，內(nèi)設(shè)一層內(nèi)襯，內(nèi)襯可以是軟質(zhì)內(nèi)襯，也可以是硬質(zhì)內(nèi)襯，圖1(b)中雙層管道15與出球膛12及軟管17連接為套接。在圖1(a)中的出球膛內(nèi)壁一側(cè)設(shè)置如圖1(b)中的表面粗糙的出球膛內(nèi)襯片13，變換其上下位置，可以使發(fā)出來(lái)的球具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，獲得上旋球、下旋球、側(cè)旋球。

本次設(shè)計(jì)的網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)可實(shí)現(xiàn)四大功能，包括練習(xí)時(shí)間控制、發(fā)球頻率控制、發(fā)球速度控制、發(fā)球方向控制等，是由硬件配合軟件控制的高技術(shù)設(shè)計(jì)，其工作過(guò)程如下。

(1) 啟動(dòng)電源，設(shè)定好工作時(shí)間，發(fā)球方向(定向發(fā)球還是變向發(fā)球)，發(fā)球速度。按“開(kāi)始”鍵，過(guò)半分鐘，程序自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行；

(2)初始動(dòng)作是令電磁鐵D1得電，閥門汽缸3活塞向左運(yùn)動(dòng)，閥門2打開(kāi)，備球盤中的球落入進(jìn)球管道，傳感器S1促發(fā)，S1控制D1失電，閥門2關(guān)閉，進(jìn)球管道加壓，網(wǎng)球被推至雙層管道處夾住，傳感器S2促發(fā)；

(3)S2促發(fā)后，電磁鐵D2由傳感器S2控制得電，發(fā)球汽缸8動(dòng)作，活塞桿高速撞擊網(wǎng)球，使網(wǎng)球獲得較快的速度向外射出。網(wǎng)球通過(guò)硬質(zhì)出球膛時(shí)促發(fā)傳感器S3；

(4)S3促發(fā)后，控制D2失電，發(fā)球汽缸8活塞桿收回。同時(shí)由軟件控制經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間后，D1得電，重復(fù)下一個(gè)循環(huán)。此處系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定由頻率設(shè)定后的轉(zhuǎn)換時(shí)間控制。

(5)為防止設(shè)備工作后網(wǎng)球停留于發(fā)球管道內(nèi)，在離工作結(jié)束時(shí)間還有一分鐘的時(shí)候，軟件控制進(jìn)入設(shè)備使D1斷電，過(guò)5s后令D2得電，再過(guò)5s后令D2斷電，其他處為常態(tài)。

(6)電磁鐵D3由軟件控制，若開(kāi)始時(shí)設(shè)定為定向發(fā)球，則D3不動(dòng)作；若開(kāi)始時(shí)設(shè)定變向發(fā)球，則軟件控制D3得失電。

2 基于伯努利方程的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)分析

2.1 網(wǎng)球旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析。

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的擊球，是飛進(jìn)中的球與運(yùn)動(dòng)員揮拍迎擊來(lái)球的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，網(wǎng)球擊球產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)包括平擊球、上旋球、下旋球、側(cè)旋球，如圖2(a)平擊球，擊球的力量正對(duì)來(lái)球，產(chǎn)生正向擊打力p1，并通過(guò)網(wǎng)球的球心，可高達(dá)400多磅，因此不會(huì)使球產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩[2]，球在行進(jìn)過(guò)程中本身不旋轉(zhuǎn)，球在球拍上的停留時(shí)間很短；如圖2(b)上旋球，在擊球的瞬間除了對(duì)網(wǎng)球施加正向擊打力p1，還給球拍附加一個(gè)垂直于正向的向上的旋轉(zhuǎn)力T，則球?qū)凑斋@得的相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速繞著球心軸線旋轉(zhuǎn)，作向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)力T越大，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也越大，球在球拍上的停留時(shí)間比平擊球長(zhǎng)，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的正手提拉球就是從球的后下方正向擊球時(shí)，附加一個(gè)向上提拉的動(dòng)作產(chǎn)生上旋運(yùn)動(dòng)的；如圖2(c)下旋球，其形成原理與上旋球是一致的，不同的是所附加的旋轉(zhuǎn)力T的方向是向下的；側(cè)旋球的形成原理與上旋球、下旋球是一致的，不同的是所附加的旋轉(zhuǎn)力T的方向是在球的側(cè)邊，[3]它可以與正向擊球力平行或垂直，如果是在球的右側(cè)且平行于正向擊球力p1，則球繞著鉛垂線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖2 網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方式

2.2 基于伯努利方程的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)分析。

根據(jù)液壓氣動(dòng)技術(shù)伯努利方程，如式(1)，式(1)是流體(液體、氣體)能量守恒

(1)

定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式，P為流體產(chǎn)生的壓力，v為流體的流速，物理意義是指流動(dòng)的流體具有的壓力能p/密度 、位置能zg 、動(dòng)能 V2/2 三種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和不變，即能量守恒，流速越快則壓力越小，流速越慢則壓力越大。基于如式(1)的能量原理，網(wǎng)球拍面對(duì)球產(chǎn)生較大的摩擦力，網(wǎng)球快速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)周圍的空氣一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)球向前飛行時(shí)，令球體上沿向前旋轉(zhuǎn)，球體上沿旋轉(zhuǎn)的氣流由于受到迎面的空氣阻力而降低流速，而球體下沿的氣流由于與球飛行的方向一致而流速加快，此為上旋球，上旋球的上沿空氣壓力大，下沿壓力小，則飛行弧線低，而且較短，球落地時(shí)對(duì)地面產(chǎn)生向后的摩擦力，使得網(wǎng)球產(chǎn)生前沖運(yùn)動(dòng)。

2.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

本次設(shè)計(jì)的氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1) 本設(shè)計(jì)的取球方式與其他類型發(fā)球機(jī)不同，具有不會(huì)造成網(wǎng)球在儲(chǔ)球箱中卡死，而且還不用阻球片，方便可靠，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能夠取用各式各樣的網(wǎng)球；(2) 由于在出球管道的中部設(shè)置了一雙層管道，可根據(jù)發(fā)球需要更換由軟硬不同質(zhì)地材料內(nèi)襯制成的雙層管道，從而能發(fā)出硬、短兩種性質(zhì)的網(wǎng)球；(3) 在出球膛內(nèi)層一側(cè)增加了一層表面粗糙的內(nèi)襯片，從而使網(wǎng)球通過(guò)粗糙摩擦片的摩擦，使球從出球口出來(lái)時(shí)具有旋轉(zhuǎn)性，只要變換出球膛內(nèi)摩擦片的上下位置，便可使發(fā)出來(lái)的球具有上旋、下旋、側(cè)旋的不同旋轉(zhuǎn)功能；(4) 價(jià)格低廉。

3 結(jié)論

氣壓式網(wǎng)球訓(xùn)練機(jī)的設(shè)計(jì)不但解決了初學(xué)者練習(xí)技術(shù)的難題，而且充分發(fā)揮了資源優(yōu)勢(shì)，節(jié)省人力，實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練的自動(dòng)化，效果良好。[4]氣壓式控制系統(tǒng)操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中力求傳動(dòng)路徑短，控制部分從實(shí)際出發(fā)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能降低成本，其性價(jià)比較高，具有一定的推廣價(jià)值，極大地推動(dòng)體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)的發(fā)展。

[1]范順成.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

[2]王小平.滾動(dòng)中摩擦力的方向和作功[J].運(yùn)城高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000，(12).

[3]章朝暉.網(wǎng)球?qū)W練問(wèn)答[M].北京：北京體育大學(xué)出版社,2003：81-85.

[4]何四平.網(wǎng)球自動(dòng)發(fā)射器的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，(3).

DesigningofthePressure-typedTennisTrainingMachine

Zhang Minghui Chen Jinbo

As for the technical requirements and problems the paper put forward a new tennis training machine, including the pressure working and operating construction for the tennis training machine, the designing enriched the teaching methods and improved the quality of teaching.

pressure-typed ；tennis training machine；design；Bernoulli's equation

ClassNo.:G818.3DocumentMark:A

王洪英 鄭英玲)

鄭明輝，碩士，講師，福建工程學(xué)院機(jī)電及自動(dòng)化工程系，福建·福州。郵政編碼：350108

福建省教育廳A類科技項(xiàng)目(JA09181)

1672-6758(2010)05-0152-2

G818.3

A