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清华大学摩擦学国家重点实验室助力冬奥会冰雪项目:冰雪表面摩擦减阻

清华大学摩擦学国家重点实验室助力冬奥会冰雪项目:冰雪表面摩擦减阻

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  • Time of issue:2022-02-22
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清华大学摩擦学国家重点实验室助力冬奥会冰雪项目:冰雪表面摩擦减阻

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  2022年2月4日,第二十四届冬季奥林匹克运动会在北京国家体育场盛大开幕,15大项、109小项冰雪项目在银装素裹的北京-张家口上映。2020年以来在清华大学摩擦学国家重点实验室汪家道、马丽然、翁鼎、张琳、陈磊、马原等带领研发团队(刘媛、石志峰、董唱、黄致韬、王浩宇、庞作波、于亚东、李兆昕、侯雅聪、魏玉举、高梦琦、张继、张传彬、王子立、宋乐乐、冯绍桐等)承担了“冬季项目运动减阻关键技术及平台研究”、参与了“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”等两项科技部“科技冬奥”重点专项,开展了一系列从场地、装备到技术的研发工作,并与速滑、短道速滑、钢架雪车、越野滑雪等相关项目的国家队技术部门、教练、运动员及相关训练场馆建立了沟通协调机制,充分利用摩擦学国家重点实验室在摩擦学领域的资源优势,将理论成果、基础实验及场地测试紧密结合,完成了冰雪摩擦减阻及测评研究等相关任务,贯彻了习近平总书记提出的“中国冰雪运动必须走科技创新之路”的精神。



二七厂会议现场和团队成员进行装备场地测试 


冰雪表面测力装置的研发
  团队通过结构优化设计,研发了适应冬奥运动环境下的冰雪表面摩擦在线测力装置。其中,智能穿戴式冰鞋装置在其他装备不变的情况下,于原冰刀鞋基础上加了测力传感器,重量微增、高度不变,最大程度上实现了运动员零差别感设计,对运动员在冰面滑行时的各方向力进行精准测量。当运动员穿上智能冰鞋,动作反应的力学数据可被实时测量,是数据分析和运动员训练效果评估的重要手段。拖拉式冰雪表面摩擦测力装置(在CCTV-10“解码科技史-利刃破冰”节目中报道)能够对法向载荷及摩擦力进行实时测量。该装置通用性强,可以实现不同冰雪项目(冰刀、雪板、冰球、雪车等)的摩擦力在线测量。 

 




制冰溶液在二七厂训练基地的浇冰测试结果


冰刀处理技术
  短道速滑和速度滑冰运动中,冰刀刀刃与冰面直接接触,其摩擦行为直接影响运动员的成绩。为此,团队成员与短道速滑和速度滑冰运动队进行了多次沟通交流,针对冰刀的结构、使用工况、磨损行为,提出了表面处理技术,使得冰刀刀刃耐磨性大幅提升,长时间滑行后冰刀刀刃的形貌仍能够保持完好,实现前进方向降低摩擦系数的同时增加侧向蹬冰力,有助于运动员维持速度,提高比赛成绩,处理冰刀已经交付国家队。

 


制冰溶液在二七厂训练基地的浇冰测试结果


冰刀处理技术
  短道速滑和速度滑冰运动中,冰刀刀刃与冰面直接接触,其摩擦行为直接影响运动员的成绩。为此,团队成员与短道速滑和速度滑冰运动队进行了多次沟通交流,针对冰刀的结构、使用工况、磨损行为,提出了表面处理技术,使得冰刀刀刃耐磨性大幅提升,长时间滑行后冰刀刀刃的形貌仍能够保持完好,实现前进方向降低摩擦系数的同时增加侧向蹬冰力,有助于运动员维持速度,提高比赛成绩,处理冰刀已经交付国家队。

 



国家队训练基地冰刀应用测试


钢架雪车国家队技术支持
  钢架雪车项目速度极高和危险性大,因此,钢架雪车要求在满足滑行速度的同时保证稳定性,雪车底部的管刃对其滑行和姿态控制起着重要作用。团队通过对国家队现役多款钢架雪车管刃形貌综合扫描和分析,掌握了不同型号刀刃的使用规律,此外还提出了管刃减摩、防侧滑的表面微结构制备方案,为钢架雪车国家队训练提供了有力的支持,并为后续钢架雪车装备的性能优化奠定了基础。



团队与钢架雪车国家队领队与教练对接讨论


  钢架雪车的鞍是固定运动员身体的唯一支撑部件,与运动员的合体性显著影响了运动员的操控稳定性。目前我国的钢架雪车鞍为3mm钢板手工焊接弯制,存在刚性不足和疲劳后开焊的问题。团队针对国家队运动员定制鞍的需求开展了风洞测试,根据流场特征提出了鞍面的气动减阻开孔设计,通过仿形设计和金属3D打印,为闫文港制备了一体式新鞍,具有重量轻、强度高的特点,已交付国家队形成应用示范。
 



钢架雪车金属3D打印定制鞍


  通过全方位的科技助力,初步探明了钢架雪车运动的基本规律,为我国钢架雪车未来的装备选择和性能优化奠定了科学基础。
长效减阻越野雪板
  越野滑雪项目在冬奥会中占比较大,比赛距离普遍较长,出发时雪板打的减阻蜡会快速磨损,使得雪板阻力上升。汪家道团队从雪蜡与雪面的摩擦磨损机制出发,提出了将蜡以热力学非平衡态的过程烧结在UPE膜中,同时添加石墨烯实现固体润滑,配合微观存在的体相减阻蜡提高润滑减阻距离。该团队从烧结设备、模具、开槽设备等基础装备开始自行设计制造,克服了烧结工艺、粘接工艺、后处理工艺等一系列技术封锁和工艺障碍,最终实现了同样打蜡与进口原装板相同摩擦系数且雪蜡磨损后摩擦系数优于进口原装板的性能,并于2022年1月28日交付了65副长效减阻雪板。

 


 
雪板烧结工艺及成品
 

  在一年多的努力下,团队克服困难,结合实验探究了冰雪摩擦减阻机理及应用技术,开发了冬奥会运动条件下的冰雪摩擦测评方法,研究了冰雪项目摩擦调控技术与装备,支撑和助力现有及未来冰上运动的发展。团队成员也得到了锻炼,践行了潜心科研,矢志报国的精神。在未来,团队成员将会始终保持科研热情和吃苦精神,为国家建设,社会进步做出应尽的贡献。 
 

转载 | 清华大学摩擦学国家重点实验室

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