新型双铰链结构速度滑冰冰刀的设计研究

宋 来，杨春怀

（黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008）



新型双铰链结构速度滑冰冰刀的设计研究

宋 来，杨春怀

（黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008）

摘 要：进入20世纪，世界速度滑冰运动借助现代科学与技术方法，使运动水平不断提高，特别是KLAP冰刀的研究与应用推动了运动成绩的飞跃。随着速度滑冰成绩的不断提高，寻找速度滑冰冰刀新结构成了未来发展的趋势。通过新型KLAP速滑冰刀铰链结构进行分析研究，结合鞋垫式压力传感器测试分析，提出将新型冰刀铰链压力点后移并附有铰链过程蓄能、下刀有弹性缓冲的新型结构的速滑冰刀铰链结构设计。寻找运动员在运动过程中冰刀铰链结构的力学机理，发现不足并进行改进，已达到探索冰刀结构技术潜能的目的。

关键词：新型；双铰链结构；速度滑冰冰刀；设计研究

KLAP冰刀的主体结构是在冰鞋和刀之间安装一个单铰链装置[1]， 通过该装置允许在蹬冰结束时刻足能够趾屈， 以保证整个刀刃与冰面保持全接触[2]，大幅度提高了运动成绩。然而，速度滑冰运动水平并未达到速度的极限，速滑运动强国研究人员还在继续研究挖掘包括KLAP冰刀结构技术在内的技术性潜能，实现未来运动成绩再次突破。速度滑冰冰刀结构技术是指新型KLAP速滑冰刀各结构构件组成功能和单一零件性能产生物理效应。新型KLAP速滑冰刀多个构件合理组合确保冰刀应有的性能效果，而每个构件各有自己的功能和性能，影响着冰刀总体性能[3-4]。基于冰刀结构技术，受到轮滑运动项目的启发[5]，本研究针对新型KLAP速滑冰刀铰链结构进行分析研究，结合鞋垫式压力传感器测试分析，寻找结构在运动过程中的力学机理，发现不足并进行改进，已达到探索冰刀结构技术潜能、为我国自主新型冰刀的研究积累实验经验和数据，研发新型冰刀铰链结构，达到提高运动成绩的目的。

1 KLAP速滑冰刀铰链结构技术分析

1.1 冰刀总体结构

图1铰链架是冰鞋和冰刀之间的连接构件，并可使冰鞋以冰刀前托位为原点(支点)旋转一定角度。这一结构技术关键是固定冰刀前托位铰链支点和后托位的位置，也确定了冰刀压力中心点和弧度中心位置。冰刀平衡支点位置是指冰刀管前端铰链托架的中心点位置和后托跟的中心点位置。它的合理位置应该是冰鞋前脚掌趾跟中心到脚跟的中心位置。一般运动员的冰刀是通用商品，平衡点出厂前在生产线上就固定下来了。而优秀运动员的冰刀的前、后托位点是可根据自己的技术特点向生产厂家定制或自行处理改变的。

1.2 KLAP冰刀铰链结构性能分析

1.2.1 铰链结构及运动方式性能优点

增加的铰链结构将运动运动员蹬冰后程冰刀后根部抬起，这种运动方式释放踝关节蹬冰的能量，延长蹬冰距离。关键的技术是蹬冰结束时冰刀还保持平行于冰面[9]，减小了蹬冰结束时冰刀与冰面的阻力，使速度滑冰成绩大幅度提高。

1.2.2 前托位铰链

由于冰鞋前部(脚的前掌部)与铰链杆的链接位置，在结束蹬冰铰链过程中，支点与蹬冰发力点形成了费力杠杆距离，致使蹬冰力效应不能完全发挥[10-11]。图2展示了现有的铰链杆与冰刀结合的方式在结束蹬冰支点前移的现象，这种现象影响蹬冰的效果。

图 2 铰链压力支点和蹬冰压力点距离示意Figure 2.Distance of Hinge Pressure Point and Stroking Pressure Point

1.2.3 冰鞋与冰刀刚体结合结构在落冰时的刚性冲击力

无论是传统冰刀还是新型冰刀冰鞋的结构组合都是刚性体(硬质材料)的结合，在冰刀下刀瞬间会产生较大的刚体制动力[12-14]。基于以上冰刀铰链结构的优缺点分析，在新型冰刀的研制中，保持KLAP原有冰刀铰链结构性能优势和剔除存在的问题是要解决的技术关键，如图3 冰刀下刀瞬间0～70 kg波峰所示 。

图3 下刀瞬间产生的0-70 kg刚性制动力波峰Figure 3.Crest of 0-70 kg Rigid Braking Force at the Moment of Gliding

2 新型双铰链结构冰刀的设计

2.1 设计结构示意

本研究提出新型双铰链架冰刀，压力点后移并附有铰链过程蓄能、下刀有弹性缓冲的新型结构的速滑冰刀铰链结构的设计(图4)。

图4 新型双铰链结构冰刀示意Figre 4.New Double Hinge Blade

2.2 主要结构性能

2.2.1 压层铰链架前后连接螺栓(2)和(14)

将连接冰鞋(1)和压层铰链架(9)前端和后端固定成一体。

2.2.2 铰链蓄能压簧(3)和冰鞋回弹弹簧(7)

在冰鞋铰链旋转时压缩弹簧弯曲蓄积冰鞋铰链过程的能量在冰刀上，并在蹬冰结束时释放助推身体，在冰刀离开冰面时将冰刀回弹扣到铰链架(9)上。

2.2.3 冰刀前固定托(4)和铰链架固定柱(13)

固定冰刀前托位置、固定铰链架前端成动态原点，使铰链架后端卡住固定。

2.2.4 铰链架前铰链轴(6)

固定铰链架前端成动态原点和冰刀前支点。2.2.5 压层铰链架与铰链轴(8)

固定在铰链架(9)的前端铰链轴(6)后端，使压层铰链架以轴在铰链架上转动。使冰鞋在铰链架上铰链运动，而蹬动压力点要在铰链架中间。

2.2.6 铰链架

成桥型铰链架，与压层铰链架(10)和冰刀的结合体，在蹬冰过程压层铰链架在其上铰链运动时，使蹬冰的压力在铰链架两端受力压在冰刀中间。使蹬冰的压力在铰链架两端受力压在冰刀中间。

2.2.7 缓冲弹簧(11)、缓冲橡胶柱(12)

固定在铰链架和在冰刀中间的后端，冰刀落冰时，使刚性压力得到缓冲变小。

3 新型双铰链结构冰刀工作原理

3.1 着冰缓冲减小刚性冲击制动阻力

如图5、6所示，浮腿冰刀着冰时，缓冲弹簧(11)、缓冲橡胶柱(12)逐渐受压缩，使刚性冲击力得到缓冲，在持续0～0.2 s后过度到自由滑阶段才恢复身体质量压力。

由于浮腿着冰的时段正是支撑腿最大蹬冰结束时，浮腿的刚性冲击制动阻力得到缓冲变小，使支撑腿蹬动力量获得的滑动速度提高，见图7。

图5 自由滑Figure 5.Free Skating

图6 落冰缓冲Figure 6.Fropping Buffer

图7 刚性冲击制动力峰值减小Figure 7.Decreased Peak of Rigid Braking Force

3.2 蹬冰最大用力阶段压力点保持在在冰刀中部

压层铰链架(10)的铰链轴(8)，固定在铰链架(9)的前端，在压层铰链架铰链运动时，压力通过铰链架铰形成的桥分解到铰链架(9)的两端，压在冰刀的中部(图8～9)。

3.2.1 蹬冰最大用力阶段压力点保持在冰刀中部可减小蹬冰的摩擦力

蹬冰的滑动摩擦力是指两个有相对滑动的物体间在接触面上产生的阻碍时它们相对滑动的力。滑动摩擦力的大小跟正压力成正比。滑动摩擦力的大小计算公式为f =μN，式中的μ为动摩擦因数，N为正压力，它只跟材料、接触面粗糙程度有关，跟接触面积无关。然而，在冰刀滑行中，冰刀单位面积压强的变化影响摩擦力。冰刀单位面积上受到的压力为压强。即：压强=压力/受力面积。压强的大小，不仅与压力的大小有关，也与受力面积大小有关。在摩擦因数和压力大小固定时，减小冰刀刃支撑面积就增大了对冰面的压强，可增加切入冰面的深度而增加摩擦力，见图10。

图8 蹬冰结束释放能量Figure 8.Unleashing the Energy after Stroking

图9 铰链蹬冰蓄能Figure 9.Energy Storage of Hinge Stroking

图10 冰刀压力点变化冰刀单位受力面积变化Figure 10.Change of Pressure Point of Blade and Change of Unit Stressed Area of Blade

图10中显示，现有KLAP冰刀在蹬冰结束段脚跟抬起铰链运动过程中，冰刀支点中心前移到冰刀前端1/2处时，冰刀有效压冰长度缩短了0～17.5 mm(235.44 mm-218.34 mm=17.5 mm)。通过新型压层双铰链结构的设计，冰刀在蹬冰结束段脚跟抬起的铰链运动过程中，压力通过铰链架形成的桥分解到铰链架(9)的两端，使压力中心在冰刀的中部，可减小铰链蹬冰过程的摩擦力。

3.2.2 减小了铰链蹬冰过程的费力杠杆

基于杠杆平衡条件动力乘动力臂等于阻力乘阻力臂的原理，动力臂(L1)小于阻力臂(L2)时，为费力杠杆。现有KALP冰刀铰链结构图2所示，由于冰鞋的前脚掌部为受力点，并在铰链杆的链接位置，与铰链点有50 mm的距离，此50 mm的距离成为费力杠杆。在结束蹬冰铰链过程中，支点与蹬冰发力点形成了费力杠杆距离，减小了腿的蹬冰力。

3.2.3 铰链蹬冰(最大用力蹬冰阶段)压缩弹簧蓄能

在冰鞋铰链旋转时压缩铰链蓄能压簧(3)和冰鞋回弹弹簧(7)弯曲，蓄积冰鞋铰链过程的压力能量在冰刀上(图6)，并在蹬冰结束时释放力量继续推冰0～0.2 s，助推身体滑进。

3.3 实体结构与初级实验

基于以上结构设计理论与工作原理，对设计的新的冰刀铰链结构正在进行初级加工和样件滑行实验。取得了较好的实践效果并使设计成果得到初步验证(图11～12)。

图11 已完成的新型铰链结构冰刀初级加工样件Figure 11. Primary Sample of Completed New Hinge Blade

图12 研究人员进行新型铰链结构冰刀滑行实验Figure 12.Gliding Experiments on New Hinge Blade

4 结语

新的冰刀铰链结构技术设计中，增加的压层铰链结构，此结构既保留了原KLAP冰刀铰链结构的优点，并使蹬冰压力点位置至于脚掌下，在铰链过程中减掉了费力杠杆部分，增加了内置弹簧和外置弹簧可使铰链过程的压力进行存储并在蹬冰结束时释放，在铰链架下部的缓冲弹簧和橡胶柱可起到缓冲冰刀接触冰面时的刚性冲击造成的制动阻力。冰刀的在蹬冰结束段脚跟抬起铰链运动过程中，压力通过铰链架铰形成的桥分解到铰链架的两端，压在冰刀的中部，可减小铰链蹬冰过程的蹬动摩擦力。在铰链架下部的缓冲弹簧和橡胶柱可起到缓冲冰刀接触冰面时的刚性冲击造成的制动阻力。以上设计在理论上有提高滑行速度的可能性。

冰刀的初级加工实验，取得了较好的实践效果并使设计成果得到初步验证。

设计的新型双铰链结构冰刀在进行初级加工和滑行试验中，取得了较好的实践效果，使设计得到初步验证。对进一步深化研究开发有一定的借鉴，新的设计到商品化开发还需要很长的路要走，建议有关部门给予支持，继续深化研究开发以达到预期研究目的。

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中图分类号：G818.3

文献标识码：A

文章编号：1002–3488（2015）06–0092–05

收稿日期：2015–09–01；修回日期：2015–10–11

第一作者简介：宋来(1984–)，女，黑龙江佳木斯人，硕士，助理研究员，研究方向为运动生物化学。

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