比赛型安全跨栏架的研制

王 萍，王正珍，陈伟健

比赛型安全跨栏架的研制

王 萍1，2，王正珍2，陈伟健1

研制新型跨栏架，以解决以往比赛、训练中普遍存在的因打栏引发的“怕栏”和“摔栏”问题，探究最大限度地提升跨栏过程的安全性、公平性和便捷性的方法，实现跨栏跑项目器材的革新和换代。利用设计概念试验并验证缓冲的可行性，使用缓冲阻力弹簧、底座抬升弧及栏板的开启机关等零部件设计试验，且进行滑动抬升改进为滚动抬升等整体设计试验，实现比赛型安全跨栏架的研究设计。通过延长打栏时间以缓冲打栏冲量、降低打栏冲力，同时使运动员在跨栏过程中有更多反应时间，以便对身体姿态进行控制或对动作进行调整；通过弹簧提供的弹性阻力和栏板机关的吸力，提供范围在3.6～4.0 kg的阻力，符合国际田联的相关规定；通过底座抬升装置，确保打栏过程中栏板顶端到地面的垂直距离保持不变；自动复位设计和滚动缓冲式底座充分考虑了栏架便捷性及节约制造成本。比赛型安全跨栏架有效提升跨栏架的安全性，并兼顾公平性和便捷性，且符合《田径竞赛规则(2014—2015)》要求，可适用于比赛及训练，未来或将实现跨栏跑项目器材的重要变革。

跨栏架；比赛；安全；公平；缓冲；专利

跨栏架是跨栏跑项目的专用器材，它的每一次变革和升级，都对该项目的发展起到推动和保障作用。目前比赛广泛使用的“L”形配重跨栏架是1935年由“⊥”形跨栏架改进而来，其底座设置了配重块，与栏板在底座的支点作用下形成杠杆作用，只有受到不小于3.6 kg最多不超过4 kg的撞击力时才会翻倒[24]，从而实现运动员的减速。虽然与之前的栏架相比，打栏的安全性已有大幅提升，但仍表现为运动员与栏架二者间的短时间碰撞过程，因为瞬时冲力大，打栏缓冲时间超出了人的生理反应时间，运动员不能及时调整身体平衡，易引发“摔栏”致伤；加之当今跨栏跑运动员平跑速度的不断提高，选材高大化、高重心化趋势日益明显，“摔栏”受伤常常影响比赛和训练[3]。初学者和业余选手更因此产生“怕栏”心理，不利于跨栏跑项目的推广和普及。于是，栏架的革新又重新为人们所关注。

近年来，国内、外针对栏架展开的研究，一方面集中在使用的便捷性或库存及携带的方便性的改进上，如自动复位跨栏架、可折叠跨栏架；或者在配重跨栏架基础上稍作改进，方便栏高和配重的调节，如使用联动式调节或电动调节栏高配重的跨栏架，但其安全性均未得到改善[1-2，7-10，13，16，20，21，23，25-28]；另一方面，集中在跨栏架的安全性提升方面，如栏板材质使用橡皮筋或泡沫板做的跨栏架或胶辊包裹式跨栏架，或者是无阻力设计的，如门启式跨栏架、磁铁栏板跨栏架，但因片面追求安全性，而缺乏用于比赛的条件[4-6，11-12，14，15，19，22]。

针对跨栏架安全性、公平性、便捷性三者难以兼得的问题，笔者所在研究团队进行了有效探索，先后研制出“二级缓冲式跨栏架”[18]和“滚动缓冲式跨栏架底座”[17]，通过与体育用品公司及有关政府部门合作，目前正逐步实现发明专利的工业化及产业化，旨在取代“L”形配重跨栏架，实现栏架的更新换代。

1 设计思路

1.1 基于安全性考虑

针对打栏时间短、运动员反应不及时的现象，设计思路着眼于设法延长打栏时间。众所周知，汽车设计师更青睐于三厢车，除了出于外型气派的考量之外，最主要的还是基于安全的考虑。当发生后车追尾时，三厢车对汽车前厢和后厢均可起到缓冲作用，实现对司乘人员的保护。同样，汽车安全气囊的设计目的也是为了实现对外力的缓冲。因此，“缓冲”成为安全性设计里的第一个关键词，其目的就是设法延长打栏时间。

现在比赛用跨栏架的栏板是一个横向绝对封闭的结构，纵向奔跑的运动员在过栏时常因栏板所羁绊导致摔倒，设计时笔者采纳了其他跨栏架的开门式设计理念，以提升安全性。

1.2 基于公平性考虑

不加限制的开门式设计容易致使运动员打栏获益，与国际田联的相关规定不符，因此，设计中必须添加门启阻力装置，即只有受到不小于3.6 kg最多不超过4 kg的撞击力时[24]，才能开启栏架栏板，以使运动员尽可能的跨越过栏，而不是冲撞栏架。

1.3 基于运动成绩考虑

“L”形配重跨栏架运动员打栏后会引发技术动作变形，进而影响其技术水平发挥；栏架安全性的提升有助于减轻运动员对栏架的心理畏惧，且开门式栏板设计可避免其技术动作的过度变形，以便更好发挥技术水平。栏架安全性的提升可有效减少“摔栏”受伤，进而降低康复的时间成本，使运动员有更多的时间投入训练和参赛，有利于运动成绩的提高。

2 研究方法

2.1 设计概念试验

移植自汽车碰撞吸能缓冲设计概念的二级缓冲概念，通过试验验证缓冲的可行性，分析比较得出：与汽车吸能缓冲的距离越长越安全不同，栏架的缓冲距离必须在不影响过栏动作和比赛形式的前提下确定。

2.2 零部件设计试验

栏架包括缓冲阻力弹簧的选择，底座抬升弧的制造。最有效的方法为3D打印，但由于成本稍高，最后选用数控车床制作。栏板的开启机关，采用了门吸装置的吸力设计，能达到固定力值开启的效果。

2.3 整体设计试验

为完美实现安全性、公平性以及便捷性这3项功能，对栏架的机械性能进行试验得出：滑动抬升效果要略逊于滚动抬升效果。因此，提出了改进方案——滚动缓冲式底座设计。

3 技术方案

3.1 缓冲

当运动员与栏架发生碰撞时，通过延长打栏距离来增加缓冲时间，可有效分散打栏瞬时冲力，使打栏冲量得以逐步释放，由此，让运动员有足够的反应时间来调整身体平衡，降低“摔栏”受伤的发生率。

与汽车利用车身结构形变来吸能缓冲的技术不同，比赛型安全跨栏架采用一种可重复循环的弹性吸能缓冲技术。利用栏板、立柱在底座连接点为轴心构成一个可前后摆动的活动结构，配以弹簧牵拉以使其向前摆动时受到阻力。当运动员攻栏碰撞栏板时，便会受到弹簧的阻力作用，达到较为缓和地减速。对弹簧的弹力系数和栏板前摆的距离进行调整，可达到与配重式跨栏架相同的减速效果。如图1所示，本设计提出的二级缓冲技术是按照时间先后顺序和空间前后顺序，将打栏碰撞产生的冲力设计为a、b两段依次进行缓冲，其特点是缓冲力度随时间逐渐增加，并可以根据实际需要，设定a、b两段的缓冲效果(缓冲的大小)、缓冲时间及缓冲距离。

3.2 条件开启式栏板

本文的跨栏架开门式设计理念是通过开启式的栏板设计来实现的。实践证明，开启式的栏板设计能大幅提高栏架使用的安全性，但与普通的“遇碰即开”的栏板设计有所不同，采用的栏板设计必须既能提升安全性，又能体现跨栏跑的“障碍”精神。

“条件开启式栏板”是在开启式栏板的基础上，增加限制机关，以使栏板必须在受到预设的外力条件时才能被开启。限制机关设置于两栏板之间，采用磁性吸力或其他物理力闭合，它的开启需要受到大于或等于预设的推力作用。

图 1 二级缓冲式跨栏架作用力变化坐标图Figure 1. Force Change Coordinate Graph of Two-stage Buffer-type Hurdle

注：其中a、b最大值分别为：a=3.6 kgf；b=0.4 kgf，时间t相对有所增加。

3.3 高度补偿

“基于维持摆动物体垂直高度恒定方法”[18]，是一类针对栏架绕冠状轴摆动过程中，栏板顶端到地面的垂直距离发生损失而进行差值补偿的方法。以此为基础，提出了高度补偿方案，通过添加一种能补偿高度损失值的底座设计，应对因栏架前摆运动而可能致使栏架在任一瞬时的高度发生变化，导致低重心过栏的运动员由于轻度擦栏从而获取不正当利益的问题。其实质是在底座增加底座抬升装置，根据栏板摆动角度值与其高度值之间的规律，由该装置给予补偿，从而使栏板高度不因前摆而发生高度降低、复位抬高，维护竞赛公平原则。如图2所示，P点为栏架栏板最高点，Q点为立柱底端的最低点，0°≤θ≤30°，随着θ摆动角度的变化，Q点位移的集合形成底座抬升装置的弧面。

图 2 高度补偿示意图Figure 2. Schematic Diagram for Altitude Compensation

3.4 自动复位

配重式跨栏架使用时需多次扶正来恢复其位置，耗费大量人力，自动复位可有效提升比赛和训练的效率，笔者将自动复位技术与缓冲技术二者融合，提出滚动缓冲式跨栏架底座设计，使栏架的缓冲过程与可逆向的自动复位过程合二为一。如图3所示，栏架自动复位工作流程分为5步：初始状态→立柱前摆(一级缓冲)→栏板开启(二级缓冲)→栏板复位→立柱复位(恢复初始状态)。

图 3 比赛型安全跨栏架工作模式图Figure 3. Work Mode Figure of the Safety Hurdle for Competition

4 工作原理

4.1 二级缓冲式设计

二级缓冲式设计，实则是第一级缓冲和第二级缓冲相互配合的接力缓冲的过程。第一级缓冲，为立柱前摆阶段，栏架的前摆会受到弹簧的反方向拉力，拉力的大小、强弱与前摆的幅度大小成正比关系。第二级缓冲，为栏板开启阶段，当立柱前摆行程结束，运动员推力达到条件开启栏板时，栏板打开，运动员的推力使栏板加速打开，栏板弹簧反方向牵拉使栏板减速缓冲，牵拉力逐渐递增至运动员完全通过栏架而结束。这种设计会给予打栏运动员由弱到强的阻力作用，渐增式降低打栏运动员的前进速度，但可使得运动员在打栏初始阶段有适当的反应时间来调整自身的平衡状态，避免出现失衡跌倒。

4.2 固定推力开启

固定推力开启，系通过条件开启式栏板得以实现。其“开启条件”是在两档板装有可闭合的机关，在磁性吸力或其他物理力的作用下闭合，并使栏板呈封闭状态，须受到预设大小的外力作用时机关才能开启。二级缓冲式设计的顺序必须在它的配合下才能完成。

4.3 高度恒定

高度恒定，系“基于维持摆动物体垂直高度恒定方法”[18]，针对栏架的立柱绕冠状轴摆动过程中，栏板顶端到地面的垂直距离发生损失而进行差值补偿的方法，旨在实现高度补偿。

如图4所示，当立柱以底座为支点前摆时，随着摆动幅度的增大，相应的垂直高度降低(图4左)，针对该问题，提出如下解决方案(图4右)。

图4左为未增加高度抬升效果的柱体AX，以O点为轴顺时针摆动，随着摆动的角度增加，其高度也逐渐降低。摆动角度为α时，顶点Y高度降低为PY，总损失高度等于PY与BM之和；摆动角度为β时，顶点Z高度降低为QZ，总损失高度等于QZ与CN之和。

图 4 高度恒定示意图Figure 4. Schematic Diagram for Constant Altitude

注：左图为未增加高度抬升效果的柱体AX；右图为增加了抬升效果的柱体A′X′。其中，B′M′=PY+BM；C′M′=QZ+CN。

图4右为增加了抬升效果的柱体A′X′，以O点为轴顺时针摆动，其特点是，柱体摆动角度为α时，顶点Y′高度不变，总损失高度为B′M′，其中，B′M′=PY+BM；摆动角度为β时，顶点Z′高度不变，总损失高度为C′M′，其中，C′M′=QZ+CN，即柱体底部高度补偿，以保证柱体顶点高度不变。

5 研制过程

5.1 二级缓冲式跨栏架研制阶段

沿二级缓冲式跨栏架的矢状面，将其切分为左右对称的两部分，如图5所示。栏架底座由抬升弧面、支撑柱、底座弹簧和底座主体4部分组成：1)抬升弧面是一个不规则的凹槽，它的弧度与立柱的角度摆幅以及长度比有关，弧的组成是公式解的集合，计算公式为：L=(r+R)(1-cosθ)(0°≤θ≤30°)；2)支撑柱底端与底座主体固定连接，顶端横向设置一轴销，供摆动立柱在上面旋转与滑动；3)底座弹簧的一端与支撑柱底端相连，另一端与摆动立柱底端相连；4)底座主体是一块长方体的空心金属管。栏架的摆动立柱中下端为一镂空贯穿式滑动长孔，并被支撑柱轴销所贯穿，且以轴销为支撑点作旋转摆动与滑动动作；摆动立柱下端与底座弹簧连接，并安装有滑轮，可在底座抬升弧凹槽内运动；摆动立柱上方安装垂直轴轴承并连接栏板。栏板外端可在摆动立柱顶部旋转，通过摆动立柱与栏板之间的栏板弹簧连接保持原始状态。栏板内端与对称另一栏板通过开启机关连接，开启机关是具有固定吸力的连接装置，采用磁性吸力或其他物理力连接，须经固定外力作用方能开启。

当运动员打栏时，栏架受到撞击，首先进入栏架立柱前摆阶段(一级缓冲)，借助立柱前摆过程对冲力进行缓冲，当作用力达到开启机关的开启条件时，栏板开启，随之进入栏板缓冲阶段(二级缓冲)，直至该运动员通过栏架(图6)。

图 5 二级缓冲式跨栏架细节图Figure 5. Detail Image of Two-stage Buffer-type Hurdle

图 6 二级缓冲式跨栏架工作流程图Figure 6. Work Flow Chart of Two-stage Buffer-type Hurdle

5.2 滚动缓冲式底座研制阶段

栏架的滚动缓冲式底座是在二级缓冲式跨栏架基础上的进一步完善，该底座由立柱、弯管、底座、弹簧、立柱连杆和底座连杆组成(图7)。弯管是一条弧形管并与立柱固定连接，底座是弧形槽并与弯管弧形管相切，同时使得弯管可以在底座弧形槽上前后方向滚动。弯管底部和底座弧形槽均具有卡齿，弯管在底座弧形槽中滚动时依靠卡齿对应咬合。立柱与底座前端连接有弹簧，左半部栏架和右半部栏架由立柱连杆和底座连杆连接[17]。

图 7 滚动缓冲式底座图Figure 7. Base of Scrolling Buffer-type Hurdle

注：1.立柱；2.弯管；3.底座；4.弹簧；5.立柱连杆；6.底座连杆。

6 合理性、科学性及可行性分析

6.1 合理性分析

1.推倒力。本研究中的比赛型安全跨栏架通过弹簧提供的弹性阻力和栏板机关的吸力，共同提供范围在3.6～4.0 kg的阻力，满足了《田径竞赛规则(2014—2015)》[24]关于“栏架需承受3.6 kg最多不超过4 kg的撞击力方可被推倒”的规定。

2.栏架高度不变。《田径竞赛规则(2014-2015)》[24]要求“制作栏架时，栏架高度的允许误差为±3 mm”。本研究中的比赛型安全跨栏架采用基于“补高度差法”的底座抬升装置，能实现栏架在前摆期间的有效工作行程内，栏板顶端到地面的垂直距离保持不变；由于有栏板机关的吸力，在前摆期间可保证栏板只有承受到足够的水平推倒力才会被打开。因此，栏架向前摆动不会对比赛的形式产生影响。

3.栏架高度的调节。《田径竞赛规则(2014-2015)》[24]要求“栏架高度可按不同项目进行调整”。本研究中的比赛型安全跨栏架通过调整立柱的长度及底座抬升装置的弧度，顺利实现对栏架高度的调节。运动员跨栏实验和专家论证将进一步对比赛型安全跨栏架的应用提供实证性依据。

6.2 科学性分析

针对运动员跨栏过程中的打栏现象，依据经典力学理论，物体所受的冲量等于它的动量增量。当力随时间改变时，物体所受的冲量指该力的作用对时间的积累效果，即力对时间的积分。运动员打栏时，在运动员与栏架碰撞的过程中，栏架所受的冲量等于栏架的动量增量。

由冲量公式I=F×t可知，当冲量大小恒定不变时，时间越短，冲力越大。在运动员打栏过程中，使用“L”形配重跨栏架时，因为打栏时间极短，栏架受到的冲力就很大，而运动员受到的反作用力与栏架受到的冲力大小相等，方向相反，因此，运动员受到的反作用力也很大。由动量冲量公式I=m×(v末-v初)可知，运动员质量越大，打栏前、后的速度差越大，栏架受到的冲量就越大，当打栏时间恒定不变时，栏架受到的冲力就越大，运动员受到的反作用力也越大。因此，随着跨栏跑运动员平跑速度的不断提高，以及选材高大化、高重心化趋势的日益明显，由于“L”形配重跨栏架运动员打栏时间短，栏架对运动员的反作用力大，引发的伤害事故常会造成严重后果。

比赛型安全跨栏架通过延长打栏时间以缓冲打栏冲量、减小打栏冲力，即减小栏架对人体的反作用力，使运动员在跨栏过程中受伤的机率降低。另外，延长打栏时间，可使运动员在跨栏过程中有更多的反应时间，对身体姿态进行控制或对动作进行调整，防止“摔栏”现象的发生。运动员“怕栏”心理会因此明显减轻，有利于跨栏跑项目的推广和普及，同时利于运动员水平的发挥。

6.3 可行性分析

1.栏架高度不变。通常情况下，一般的开门式栏架在以立柱下端或底座为支点向前摆动时，栏板顶端到地面的垂直距离会伴随着摆幅增大而降低，影响了比赛的公平性。本研究中的比赛型安全跨栏架通过在底座添加“前摆抬升装置”，实现了对前摆过程中损失高度的补偿，很好地解决了上述问题。具体方案有二：1)为了减少前摆抬升装置的机械摩擦，在立柱底部和滑动立柱长孔处均改用滑轮，以滚动摩擦代替滑动摩擦；2)提出了滚动抬升底座设计，使抬升装置与底座融为一体，使栏架运行的摩擦大幅减小，零件数量也随之大为减少。

2.推倒力。在跨栏架的制造过程中，因为弹性阻力等于弹簧的倔强系数与弹簧长度的乘积，通过确定弹簧的倔强系数与长度规格，实现对弹簧的弹性阻力的控制，加之对栏板机关的吸力控制，使弹性阻力和吸力之和满足《田径竞赛规则(2014-2015)》[24]的规定。

3.运动成绩。栏架安全性的提升有助于减轻运动员对栏架的心理畏惧，且开门式栏板设计可避免其技术动作的过度变形，以便更好地发挥技术水平；同时，可有效减少“摔栏”受伤，降低康复的时间成本，使运动员有更多的时间投入训练和参赛，从而有利于运动成绩的提高。

本研究目前已经制作了样品，待运动员跨栏实验和专家对运动员跨栏实验的论证后，可实现比赛型安全跨栏架的工业化、产业化。

7 结语

跨栏架安全性、公平性与便捷性一直是栏架发展的方向，而三者之间存在矛盾，目前体育竞赛中所使用的栏架往往以保障公平性为首要因素，进而以牺牲栏架的部分安全性为代价，一定程度上制约了跨栏跑运动的发展。针对跨栏架器材发展中存在的矛盾问题，以二级缓冲式跨栏架为主体的比赛型安全跨栏架的研制，给出了很好的解决方案：1)通过两级缓冲来分散打栏冲力，延长打栏时间，有效提升栏架的安全性；2)基于“维持摆动物体垂直高度恒定原理”，进行高度补偿，确保栏板的高度不发生改变；在缓冲过程中，设计固定的阻尼值，以到达减速的目的，这些都保证了栏架的公平性；3)自动复位设计和滚动缓冲式底座都充分考虑到栏架的便捷性及对制造成本的节约。因此，本文所述的比赛型安全跨栏架较好地解决了栏架安全性、公平性、便捷性三者难以兼得的难题，且符合《田径竞赛规则(2014-2015)》要求，可适用于比赛及训练，未来或将实现跨栏跑项目器材的重要变革。

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Development of the Safety Hurdle for Competition

WANG Ping1,2,WANG Zheng-zhen2,CHEN Wei-jian1

The development of new hurdle is to solve the problems of fear and fell bar in previous hurdling training and competition,explore the safety,fairness and convenience methods to maximize the hurdling process,and achieve the innovation and change of hurdling equipment. Using the design concept test to verify the feasibility of buffer,the buffer resistance spring,base uplifted arc and steeplechase organs and other spare parts are used to design the test. Moreover,the experimental design of improvement of sliding uplift for rolling the lifting realize the design of safety hurdle. Through prolong the fell bar impulse,the momentum of athletes is reduced,the athletes have more time to react in the hurdling process,in order to control the body posture or adjust the action; suction provided by a spring elastic resistance and the tailgate organs to provide range in 3.6～4.0 kg of the resistance,consistent with the relevant provisions of the IAAF. Through the base lifting device,to ensure that the perpendicular distance fell bar at the top of the hurdle to the ground remained unchanged; automatic reset design and rolling type buffer base take full account of the hurdling convenience and saving manufacturing cost. Game-type safety hurdle effectively enhance the safety of hurdle,taking into account the fair and convenient and in line with the athletic competition rules (2014-2015) ,suitable for competition and training. In the future,the significant innovation of hurdling equipment can be made.

hurdle;competition;safe;fairness;buffer;patent

1002-9826(2016)03-0140-06

10.16470/j.csst.201603021

2015-12-03；

2016-03-29

广东省公益研究与能力建设项目(2014A020220013)。

王萍(1974-)，女，湖南祁阳人，副教授，硕士，主要研究方向为运动生物力学、体育工程，Tel：(0668)2923579，E-mail：wp2923@163.com；王正珍(1956-)，女，山东泰安人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为大众健身理论与应用，Tel：(010)62989167，E-mail：zhengzhenwang1005@126.com；陈伟健(1989-)，男，广东茂名人，主要研究方向为体育教育训练学、体育工程，Tel：(0668)2923579，E-mail：544296371@qq.com。

1. 广东石油化工学院 体育学系，广东 茂名 525000；2.北京体育大学 运动康复系，北京 100084 1.Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China; 2.Beijing Sport University,Beijing 100084,China.

G818.3

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