冬奥科技——滑雪板的减震方法

2015年7月31日年北京成功获得2022年冬奥会的举办权,这必将极大地促进我国冬季运动的普及与发展。滑雪是普及度很高的冬季运动项目,因此滑雪板的市场需求量非常大。滑雪运动大多在户外山坡上进行,凹凸不平的山坡即使覆盖一层厚厚的积雪也难免会引起滑雪板的振动,人处于这种振动下一段时间后就会产生疲劳感,而这种疲劳感会导致动作缓慢吃力,甚至造成严重的安全事故。基于上述事实,科研人员提出将这种振动能量通过压电换能装置转化成其他形式的能量这一可行方案,根据能量守恒原理,滑雪板的振动幅度就会大大减低,从而达到缓解滑雪者振动疲劳的目的。

压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。某些电介质,如石英、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)、压电陶瓷等物质,在沿一定方向上受到外力的作用时,不仅几何尺寸发生变化,而且内部会产生极化现象,从而在某些表面上出现电荷,形成电场。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向发生改变时,电荷的极性也随之改变。压电效应是可逆的,当在电介质的极化方向上施加外电场,这些电介质的几何尺寸也会发生变化,去掉电场后,电介质的变形也随之消失,这种效应称之为逆压电效应。

常用的压电材料大致可以分为三类:压电单晶、有机压电薄膜和压电陶瓷。压电单晶为单晶体,常用的有α—石英(SiO 2 )、铌酸锂(LiNbO 3 )、钽酸锂(LiTaO 3 )等。

石英是压电单晶中最具有代表性的,其应用非常广泛。但是石英的压电常数不高,不能满足滑雪板换能器能量转化量大、转化迅速的特点,因此不宜选用。其他压电单晶的压电常数为石英的2.5-3.5倍,但价格比较贵,也不宜选用。水溶性压电晶体,如酒石酸钾钠(NaKO 4 H 4 O 5 ·4H 2 O)压电常数较高,但容易受潮,机械强度低,性能不稳定,也不符合相应的性能要求。有机压电薄膜易于大批量生产,且具有面积大、柔软不易破碎等优点,但是其压电特性不是很好,因此不适合选用。压电陶瓷为多晶体,常用的有钛酸钡(BaTiO 3 )、锆钛酸铅(PZT)等。在一定温度下极化处理后的压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多,一般比石英高数百倍,此外压电陶瓷制作方便,成本低,因此适合作为压电换能装置的压电材料。

滑雪板的振动是无规律振动,因此压电陶瓷产生的电荷是瞬间和交替的,其提供的能量也是不稳定的,而且在电能提取过程中存在阻尼效应(当滑雪板振动的机械能传递给压电陶瓷后,会在压电陶瓷内产生交流电压,如果材料内部电阻过大或者过小,根据压电效应的可逆性,产生的电能未传给电容器而是再次转化为振动,从而降低减振效果),因此应先将产生的电荷储存至电容器,经过控制电路的调压后,将电容器中存储的电能转移至锂电池(具有能量密度高、质量轻、寿命长、容量保持性好以及温度适应范围大的优点)中,控制电路控制锂电池供电给LED灯的时间(滑雪板闲置时LED灯熄灭)。电路原理图如下图所示。

滑雪板的振动形式固定,因此要想压电换能器发挥最大的作用,压电陶瓷的布置就必须符合一定条件。压电换能器在滑雪板里的布置如下图所示:

灰色部分为压电陶瓷,白色部分为电容器、控制电路、整流电路、锂电池的封装体,紫色部分为LED灯。

本文介绍的这种新型雪橇板属于概念设计,要真正完美地做出产品来还需要做很多验证、优化工作。首先就是压电换能器各个部件的尺寸参数、物理参数的确定,这需要通过实验来确定最优数值,如电容器的尺寸和电容、压电陶瓷的厚度和长度、LED灯的功率等。其次是确定压电换能器在滑雪板上的最佳布置方案,如封装体和LED灯的位置、压电陶瓷的布置密度等,如果布置不合理,可能导致更为严重的共振问题,使新设计失去意义。

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