气压式网球训练机设计

郑明辉 陈锦波

气压式网球训练机设计

郑明辉 陈锦波

针对网球运动训练中的技术要求和存在的问题，设计了新式的网球训练机，包括气压式网球训练机的工作原理和机械结构设计，进行了基于能量守恒定律伯努利方程的网球运动分析，丰富了教学手段，提高了教学质量。

气压式；网球训练机；设计；伯努利方程

网球运动深受群众喜爱，在我国普及迅速。但对于初学者来说，要想在短时间内提高网球技术，没有先进的训练设施是很难实现的。因此设计一种科技含量高、价格低、美观耐用、大容量的网球训练机，具有广阔的社会效益和经济效益。气压式网球训练机在设计理念上采用了电动控制与气压技术相结合，不仅解决了上下旋转不易控制等问题，而且增加了发射的准确性，可以人为地将发球速度控制在60～180公里/小时，且可发出平击球、上旋球、下旋球、中场、后场高压球等，为使用者提供底线、中场、网前等各种训练，并可自动双向发球，便于单人正、反手跑动训练或双人同时训练，为教学、训练或单人使用带来极大的方便。

1 气压式网球训练机设计原理

本次设计的气压式网球训练机主要包括供球系统、动力系统、发射系统，供球系统用于网球储存，其作用是储存网球并将网球随时按要求供给发射系统，同时不能产生卡死现象；动力系统包括空气压缩机和气压控制阀，以空气为工作介质，将气压能转化为网球运动的机械能，并且实现压力和速度可调；发射系统包括发射筒、发射气缸、换向汽缸等，用于贮存发射能，使网球能够以较大的动能向不同方向运动。训练机工作原理如图1(a)所示，主要结构组成有储球箱、备球盘、气动马达、阀门、进球管道、出球管道、双层管道、发球汽缸、换向汽缸、阀门控制汽缸、以及空压机等。图1(b)为出球管道剖视图；图1(c)为备球盘示意图。[1]

图1 气压式网球训练机1-储球箱 2-阀门 3-阀门控制汽缸 4-进球管道 5-双层管道 6-出球管道 7-换向汽缸 8-发球汽缸 9-空压机 10-气动马达 11-备球盘12-出球膛 13出球膛内衬片 14-双层管道套管 15-双层管道内衬 16-网球 17-软管 18-备球盘 19-阀门 20-进球管道 21-转轴 22-挡球环

图1(a)中备球盘11在空压机9上面，在储球箱1底部，由气动马达10带动，其圆周旁开设两个或多个容球孔洞，容球孔洞转动时周期性经过储球箱底部的弧形缺口，从而可以从储球箱中获取网球以存储与容球孔洞中并随容球孔洞转动。当阀门2打开，并且容球孔洞带着网球转到进球管道上方时，网球自动落下，完成一个取球过程。这种取球方式不仅不会造成网球在储球箱中卡死，而且还不用阻球片。方便可靠，设计简单。之所以备球盘用气动马达带动是考虑到电机的转速问题，以及气压马达的转速控制及价格问题。出球管道6接近发球汽缸8的一端为图1(b)中软管17。

图1(b)中，接近出球口的一端为硬质出球膛12，在软管17和出球膛12之间设有一段双层管道5，其外层为硬质材料，内设一层内衬，内衬可以是软质内衬，也可以是硬质内衬，图1(b)中双层管道15与出球膛12及软管17连接为套接。在图1(a)中的出球膛内壁一侧设置如图1(b)中的表面粗糙的出球膛内衬片13，变换其上下位置，可以使发出来的球具有不同的旋转方向，获得上旋球、下旋球、侧旋球。

本次设计的网球训练机可实现四大功能，包括练习时间控制、发球频率控制、发球速度控制、发球方向控制等，是由硬件配合软件控制的高技术设计，其工作过程如下。

(1) 启动电源，设定好工作时间，发球方向(定向发球还是变向发球)，发球速度。按“开始”键，过半分钟，程序自动进入运行；

(2)初始动作是令电磁铁D1得电，阀门汽缸3活塞向左运动，阀门2打开，备球盘中的球落入进球管道，传感器S1促发，S1控制D1失电，阀门2关闭，进球管道加压，网球被推至双层管道处夹住，传感器S2促发；

(3)S2促发后，电磁铁D2由传感器S2控制得电，发球汽缸8动作，活塞杆高速撞击网球，使网球获得较快的速度向外射出。网球通过硬质出球膛时促发传感器S3；

(4)S3促发后，控制D2失电，发球汽缸8活塞杆收回。同时由软件控制经过设定时间后，D1得电，重复下一个循环。此处系统时间设定由频率设定后的转换时间控制。

(5)为防止设备工作后网球停留于发球管道内，在离工作结束时间还有一分钟的时候，软件控制进入设备使D1断电，过5s后令D2得电，再过5s后令D2断电，其他处为常态。

(6)电磁铁D3由软件控制，若开始时设定为定向发球，则D3不动作；若开始时设定变向发球，则软件控制D3得失电。

2 基于伯努利方程的网球运动分析

2.1 网球旋转运动力学分析。

网球运动中的击球，是飞进中的球与运动员挥拍迎击来球的协调和统一，网球击球产生的旋转运动包括平击球、上旋球、下旋球、侧旋球，如图2(a)平击球，击球的力量正对来球，产生正向击打力p1，并通过网球的球心，可高达400多磅，因此不会使球产生旋转力矩[2]，球在行进过程中本身不旋转，球在球拍上的停留时间很短；如图2(b)上旋球，在击球的瞬间除了对网球施加正向击打力p1，还给球拍附加一个垂直于正向的向上的旋转力T，则球将按照获得的相应的旋转转速绕着球心轴线旋转，作向上的旋转运动，旋转力T越大，旋转转速也越大，球在球拍上的停留时间比平击球长，网球运动中的正手提拉球就是从球的后下方正向击球时，附加一个向上提拉的动作产生上旋运动的；如图2(c)下旋球，其形成原理与上旋球是一致的，不同的是所附加的旋转力T的方向是向下的；侧旋球的形成原理与上旋球、下旋球是一致的，不同的是所附加的旋转力T的方向是在球的侧边，[3]它可以与正向击球力平行或垂直，如果是在球的右侧且平行于正向击球力p1，则球绕着铅垂线逆时针旋转，反之则顺时针旋转。

图2 网球运动旋转方式

2.2 基于伯努利方程的网球运动分析。

根据液压气动技术伯努利方程，如式(1)，式(1)是流体(液体、气体)能量守恒

(1)

定律在流体力学中的一种表达形式，P为流体产生的压力，v为流体的流速，物理意义是指流动的流体具有的压力能p/密度 、位置能zg 、动能 V2/2 三种形式的能量可以相互转换，但其总和不变，即能量守恒，流速越快则压力越小，流速越慢则压力越大。基于如式(1)的能量原理，网球拍面对球产生较大的摩擦力，网球快速旋转，并带动周围的空气一起旋转。当球向前飞行时，令球体上沿向前旋转，球体上沿旋转的气流由于受到迎面的空气阻力而降低流速，而球体下沿的气流由于与球飞行的方向一致而流速加快，此为上旋球，上旋球的上沿空气压力大，下沿压力小，则飞行弧线低，而且较短，球落地时对地面产生向后的摩擦力，使得网球产生前冲运动。

2.3 设计特点。

本次设计的气压式网球训练机具有以下优点。(1) 本设计的取球方式与其他类型发球机不同，具有不会造成网球在储球箱中卡死，而且还不用阻球片，方便可靠，设计简单，能够取用各式各样的网球；(2) 由于在出球管道的中部设置了一双层管道，可根据发球需要更换由软硬不同质地材料内衬制成的双层管道，从而能发出硬、短两种性质的网球；(3) 在出球膛内层一侧增加了一层表面粗糙的内衬片，从而使网球通过粗糙摩擦片的摩擦，使球从出球口出来时具有旋转性，只要变换出球膛内摩擦片的上下位置，便可使发出来的球具有上旋、下旋、侧旋的不同旋转功能；(4) 价格低廉。

3 结论

气压式网球训练机的设计不但解决了初学者练习技术的难题，而且充分发挥了资源优势，节省人力，实现了训练的自动化，效果良好。[4]气压式控制系统操作方便，结构简单，设计中力求传动路径短，控制部分从实际出发，在满足设计要求的前提下，尽可能降低成本，其性价比较高，具有一定的推广价值，极大地推动体育运动事业的发展。

[1]范顺成.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2000．

[2]王小平.滚动中摩擦力的方向和作功[J].运城高等专科学校学报，2000，(12).

[3]章朝晖.网球学练问答[M].北京：北京体育大学出版社,2003：81-85.

[4]何四平.网球自动发射器的研制[J].机械设计与制造，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 郑英玲)

郑明辉，硕士，讲师，福建工程学院机电及自动化工程系，福建·福州。邮政编码：350108

福建省教育厅A类科技项目(JA09181)

1672-6758(2010)05-0152-2

G818.3

A