新型雙鉸鏈結構速度滑冰冰刀的設計研究

宋 來，楊春懷

（黑龍江省體育科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150008）

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新型雙鉸鏈結構速度滑冰冰刀的設計研究

宋 來，楊春懷

（黑龍江省體育科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150008）

摘 要：進入20世紀，世界速度滑冰運動借助現代科學與技術方法，使運動水平不斷提高，特別是KLAP冰刀的研究與應用推動了運動成績的飛躍。隨著速度滑冰成績的不斷提高，尋找速度滑冰冰刀新結構成了未來發展的趨勢。通過新型KLAP速滑冰刀鉸鏈結構進行分析研究，結合鞋墊式壓力傳感器測試分析，提出將新型冰刀鉸鏈壓力點后移并附有鉸鏈過程蓄能、下刀有彈性緩沖的新型結構的速滑冰刀鉸鏈結構設計。尋找運動員在運動過程中冰刀鉸鏈結構的力學機理，發現不足并進行改進，已達到探索冰刀結構技術潛能的目的。

關鍵詞：新型；雙鉸鏈結構；速度滑冰冰刀；設計研究

KLAP冰刀的主體結構是在冰鞋和刀之間安裝一個單鉸鏈裝置[1]， 通過該裝置允許在蹬冰結束時刻足能夠趾屈， 以保證整個刀刃與冰面保持全接觸[2]，大幅度提高了運動成績。然而，速度滑冰運動水平并未達到速度的極限，速滑運動強國研究人員還在繼續研究挖掘包括KLAP冰刀結構技術在內的技術性潛能，實現未來運動成績再次突破。速度滑冰冰刀結構技術是指新型KLAP速滑冰刀各結構構件組成功能和單一零件性能產生物理效應。新型KLAP速滑冰刀多個構件合理組合確保冰刀應有的性能效果，而每個構件各有自己的功能和性能，影響著冰刀總體性能[3-4]。基于冰刀結構技術，受到輪滑運動項目的啟發[5]，本研究針對新型KLAP速滑冰刀鉸鏈結構進行分析研究，結合鞋墊式壓力傳感器測試分析，尋找結構在運動過程中的力學機理，發現不足并進行改進，已達到探索冰刀結構技術潛能、為我國自主新型冰刀的研究積累實驗經驗和數據，研發新型冰刀鉸鏈結構，達到提高運動成績的目的。

1 KLAP速滑冰刀鉸鏈結構技術分析

1.1 冰刀總體結構

圖1鉸鏈架是冰鞋和冰刀之間的連接構件，并可使冰鞋以冰刀前托位為原點(支點)旋轉一定角度。這一結構技術關鍵是固定冰刀前托位鉸鏈支點和后托位的位置，也確定了冰刀壓力中心點和弧度中心位置。冰刀平衡支點位置是指冰刀管前端鉸鏈托架的中心點位置和后托跟的中心點位置。它的合理位置應該是冰鞋前腳掌趾跟中心到腳跟的中心位置。一般運動員的冰刀是通用商品，平衡點出廠前在生產線上就固定下來了。而優秀運動員的冰刀的前、后托位點是可根據自己的技術特點向生產廠家定制或自行處理改變的。

1.2 KLAP冰刀鉸鏈結構性能分析

1.2.1 鉸鏈結構及運動方式性能優點

增加的鉸鏈結構將運動運動員蹬冰后程冰刀后根部抬起，這種運動方式釋放踝關節蹬冰的能量，延長蹬冰距離。關鍵的技術是蹬冰結束時冰刀還保持平行于冰面[9]，減小了蹬冰結束時冰刀與冰面的阻力，使速度滑冰成績大幅度提高。

1.2.2 前托位鉸鏈

由于冰鞋前部(腳的前掌部)與鉸鏈桿的鏈接位置，在結束蹬冰鉸鏈過程中，支點與蹬冰發力點形成了費力杠桿距離，致使蹬冰力效應不能完全發揮[10-11]。圖2展示了現有的鉸鏈桿與冰刀結合的方式在結束蹬冰支點前移的現象，這種現象影響蹬冰的效果。

圖 2 鉸鏈壓力支點和蹬冰壓力點距離示意Figure 2.Distance of Hinge Pressure Point and Stroking Pressure Point

1.2.3 冰鞋與冰刀剛體結合結構在落冰時的剛性沖擊力

無論是傳統冰刀還是新型冰刀冰鞋的結構組合都是剛性體(硬質材料)的結合，在冰刀下刀瞬間會產生較大的剛體制動力[12-14]。基于以上冰刀鉸鏈結構的優缺點分析，在新型冰刀的研制中，保持KLAP原有冰刀鉸鏈結構性能優勢和剔除存在的問題是要解決的技術關鍵，如圖3 冰刀下刀瞬間0～70 kg波峰所示 。

圖3 下刀瞬間產生的0-70 kg剛性制動力波峰Figure 3.Crest of 0-70 kg Rigid Braking Force at the Moment of Gliding

2 新型雙鉸鏈結構冰刀的設計

2.1 設計結構示意

本研究提出新型雙鉸鏈架冰刀，壓力點后移并附有鉸鏈過程蓄能、下刀有彈性緩沖的新型結構的速滑冰刀鉸鏈結構的設計(圖4)。

圖4 新型雙鉸鏈結構冰刀示意Figre 4.New Double Hinge Blade

2.2 主要結構性能

2.2.1 壓層鉸鏈架前后連接螺栓(2)和(14)

將連接冰鞋(1)和壓層鉸鏈架(9)前端和后端固定成一體。

2.2.2 鉸鏈蓄能壓簧(3)和冰鞋回彈彈簧(7)

在冰鞋鉸鏈旋轉時壓縮彈簧彎曲蓄積冰鞋鉸鏈過程的能量在冰刀上，并在蹬冰結束時釋放助推身體，在冰刀離開冰面時將冰刀回彈扣到鉸鏈架(9)上。

2.2.3 冰刀前固定托(4)和鉸鏈架固定柱(13)

固定冰刀前托位置、固定鉸鏈架前端成動態原點，使鉸鏈架后端卡住固定。

2.2.4 鉸鏈架前鉸鏈軸(6)

固定鉸鏈架前端成動態原點和冰刀前支點。2.2.5 壓層鉸鏈架與鉸鏈軸(8)

固定在鉸鏈架(9)的前端鉸鏈軸(6)后端，使壓層鉸鏈架以軸在鉸鏈架上轉動。使冰鞋在鉸鏈架上鉸鏈運動，而蹬動壓力點要在鉸鏈架中間。

2.2.6 鉸鏈架

成橋型鉸鏈架，與壓層鉸鏈架(10)和冰刀的結合體，在蹬冰過程壓層鉸鏈架在其上鉸鏈運動時，使蹬冰的壓力在鉸鏈架兩端受力壓在冰刀中間。使蹬冰的壓力在鉸鏈架兩端受力壓在冰刀中間。

2.2.7 緩沖彈簧(11)、緩沖橡膠柱(12)

固定在鉸鏈架和在冰刀中間的后端，冰刀落冰時，使剛性壓力得到緩沖變小。

3 新型雙鉸鏈結構冰刀工作原理

3.1 著冰緩沖減小剛性沖擊制動阻力

如圖5、6所示，浮腿冰刀著冰時，緩沖彈簧(11)、緩沖橡膠柱(12)逐漸受壓縮，使剛性沖擊力得到緩沖，在持續0～0.2 s后過度到自由滑階段才恢復身體質量壓力。

由于浮腿著冰的時段正是支撐腿最大蹬冰結束時，浮腿的剛性沖擊制動阻力得到緩沖變小，使支撐腿蹬動力量獲得的滑動速度提高，見圖7。

圖5 自由滑Figure 5.Free Skating

圖6 落冰緩沖Figure 6.Fropping Buffer

圖7 剛性沖擊制動力峰值減小Figure 7.Decreased Peak of Rigid Braking Force

3.2 蹬冰最大用力階段壓力點保持在在冰刀中部

壓層鉸鏈架(10)的鉸鏈軸(8)，固定在鉸鏈架(9)的前端，在壓層鉸鏈架鉸鏈運動時，壓力通過鉸鏈架鉸形成的橋分解到鉸鏈架(9)的兩端，壓在冰刀的中部(圖8～9)。

3.2.1 蹬冰最大用力階段壓力點保持在冰刀中部可減小蹬冰的摩擦力

蹬冰的滑動摩擦力是指兩個有相對滑動的物體間在接觸面上產生的阻礙時它們相對滑動的力。滑動摩擦力的大小跟正壓力成正比。滑動摩擦力的大小計算公式為f =μN，式中的μ為動摩擦因數，N為正壓力，它只跟材料、接觸面粗糙程度有關，跟接觸面積無關。然而，在冰刀滑行中，冰刀單位面積壓強的變化影響摩擦力。冰刀單位面積上受到的壓力為壓強。即：壓強=壓力/受力面積。壓強的大小，不僅與壓力的大小有關，也與受力面積大小有關。在摩擦因數和壓力大小固定時，減小冰刀刃支撐面積就增大了對冰面的壓強，可增加切入冰面的深度而增加摩擦力，見圖10。

圖8 蹬冰結束釋放能量Figure 8.Unleashing the Energy after Stroking

圖9 鉸鏈蹬冰蓄能Figure 9.Energy Storage of Hinge Stroking

圖10 冰刀壓力點變化冰刀單位受力面積變化Figure 10.Change of Pressure Point of Blade and Change of Unit Stressed Area of Blade

圖10中顯示，現有KLAP冰刀在蹬冰結束段腳跟抬起鉸鏈運動過程中，冰刀支點中心前移到冰刀前端1/2處時，冰刀有效壓冰長度縮短了0～17.5 mm(235.44 mm-218.34 mm=17.5 mm)。通過新型壓層雙鉸鏈結構的設計，冰刀在蹬冰結束段腳跟抬起的鉸鏈運動過程中，壓力通過鉸鏈架形成的橋分解到鉸鏈架(9)的兩端，使壓力中心在冰刀的中部，可減小鉸鏈蹬冰過程的摩擦力。

3.2.2 減小了鉸鏈蹬冰過程的費力杠桿

基于杠桿平衡條件動力乘動力臂等于阻力乘阻力臂的原理，動力臂(L1)小于阻力臂(L2)時，為費力杠桿。現有KALP冰刀鉸鏈結構圖2所示，由于冰鞋的前腳掌部為受力點，并在鉸鏈桿的鏈接位置，與鉸鏈點有50 mm的距離，此50 mm的距離成為費力杠桿。在結束蹬冰鉸鏈過程中，支點與蹬冰發力點形成了費力杠桿距離，減小了腿的蹬冰力。

3.2.3 鉸鏈蹬冰(最大用力蹬冰階段)壓縮彈簧蓄能

在冰鞋鉸鏈旋轉時壓縮鉸鏈蓄能壓簧(3)和冰鞋回彈彈簧(7)彎曲，蓄積冰鞋鉸鏈過程的壓力能量在冰刀上(圖6)，并在蹬冰結束時釋放力量繼續推冰0～0.2 s，助推身體滑進。

3.3 實體結構與初級實驗

基于以上結構設計理論與工作原理，對設計的新的冰刀鉸鏈結構正在進行初級加工和樣件滑行實驗。取得了較好的實踐效果并使設計成果得到初步驗證(圖11～12)。

圖11 已完成的新型鉸鏈結構冰刀初級加工樣件Figure 11. Primary Sample of Completed New Hinge Blade

圖12 研究人員進行新型鉸鏈結構冰刀滑行實驗Figure 12.Gliding Experiments on New Hinge Blade

4 結語

新的冰刀鉸鏈結構技術設計中，增加的壓層鉸鏈結構，此結構既保留了原KLAP冰刀鉸鏈結構的優點，并使蹬冰壓力點位置至于腳掌下，在鉸鏈過程中減掉了費力杠桿部分，增加了內置彈簧和外置彈簧可使鉸鏈過程的壓力進行存儲并在蹬冰結束時釋放，在鉸鏈架下部的緩沖彈簧和橡膠柱可起到緩沖冰刀接觸冰面時的剛性沖擊造成的制動阻力。冰刀的在蹬冰結束段腳跟抬起鉸鏈運動過程中，壓力通過鉸鏈架鉸形成的橋分解到鉸鏈架的兩端，壓在冰刀的中部，可減小鉸鏈蹬冰過程的蹬動摩擦力。在鉸鏈架下部的緩沖彈簧和橡膠柱可起到緩沖冰刀接觸冰面時的剛性沖擊造成的制動阻力。以上設計在理論上有提高滑行速度的可能性。

冰刀的初級加工實驗，取得了較好的實踐效果并使設計成果得到初步驗證。

設計的新型雙鉸鏈結構冰刀在進行初級加工和滑行試驗中，取得了較好的實踐效果，使設計得到初步驗證。對進一步深化研究開發有一定的借鑒，新的設計到商品化開發還需要很長的路要走，建議有關部門給予支持，繼續深化研究開發以達到預期研究目的。

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中圖分類號：G818.3

文獻標識碼：A

文章編號：1002–3488（2015）06–0092–05

收稿日期：2015–09–01；修回日期：2015–10–11

第一作者簡介：宋來(1984–)，女，黑龍江佳木斯人，碩士，助理研究員，研究方向為運動生物化學。

Research on the Design of New Double Hinge Structure of Speed Skating Blade

SONG Lai，YANG Chun-huai

（Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China）

Abstract：In the 20th century， speed skating with the help of modern science and technology， makes a constant improvementfor the standards of sports， especially the research and application of KLAP blade promoted the performance of sports. With the constant improvement of the performance of speed skating， finding the new structure of speed skating blade has become the trend of the development of the future. By researching and analyzing the new KLAP hinge structure of speed skating blade，combined with the insole pressure sensor testing analysis， put forward the hinge design of putting new pressure point of blade hinge backwith hinge a energy storage and elastic buffer of speed skating. Looking for mechanics mechanism of blade hinge sturcture in the movements， fi nd out defi ciencies and improvements so as to reach the purpose of exploring the potential of structure technology of blade.

Key words：new type； double hinge structure； speed skating； design research