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清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室助力冬奧會冰雪項目：冰雪表面摩擦減阻
最新動態(tài)
2022年2月4日，第二十四屆冬季奧林匹克運動會在北京國家體育場盛大開幕，15大項、109小項冰雪項目在銀裝素裹的北京-張家口上映。2020年以來在清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室汪家道、馬麗然、翁鼎、張琳、陳磊、馬原等帶領(lǐng)研發(fā)團隊（劉媛、石志峰、董唱、黃致韜、王浩宇、龐作波、于亞東、李兆昕、侯雅聰、魏玉舉、高夢琦、張繼、張傳彬、王子立、宋樂樂、馮紹桐等）承擔(dān)了“冬季項目運動減阻關(guān)鍵技術(shù)及平臺研究”、參與了“冬季運動與訓(xùn)練比賽高性能服裝研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”等兩項科技部“科技冬奧”重點專項，開展了一系列從場地、裝備到技術(shù)的研發(fā)工作，并與速滑、短道速滑、鋼架雪車、越野滑雪等相關(guān)項目的國家隊技術(shù)部門、教練、運動員及相關(guān)訓(xùn)練場館建立了溝通協(xié)調(diào)機制，充分利用摩擦學(xué)國家重點實驗室在摩擦學(xué)領(lǐng)域的資源優(yōu)勢，將理論成果、基礎(chǔ)實驗及場地測試緊密結(jié)合，完成了冰雪摩擦減阻及測評研究等相關(guān)任務(wù)，貫徹了習(xí)近平總書記提出的“中國冰雪運動必須走科技創(chuàng)新之路”的精神。
二七廠會議現(xiàn)場和團隊成員進行裝備場地測試
冰雪表面測力裝置的研發(fā)
團隊通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，研發(fā)了適應(yīng)冬奧運動環(huán)境下的冰雪表面摩擦在線測力裝置。其中，智能穿戴式冰鞋裝置在其他裝備不變的情況下，于原冰刀鞋基礎(chǔ)上加了測力傳感器，重量微增、高度不變，最大程度上實現(xiàn)了運動員零差別感設(shè)計，對運動員在冰面滑行時的各方向力進行精準測量。當(dāng)運動員穿上智能冰鞋，動作反應(yīng)的力學(xué)數(shù)據(jù)可被實時測量，是數(shù)據(jù)分析和運動員訓(xùn)練效果評估的重要手段。拖拉式冰雪表面摩擦測力裝置（在CCTV-10“解碼科技史-利刃破冰”節(jié)目中報道）能夠?qū)Ψㄏ蜉d荷及摩擦力進行實時測量。該裝置通用性強，可以實現(xiàn)不同冰雪項目（冰刀、雪板、冰球、雪車等）的摩擦力在線測量。
制冰溶液在二七廠訓(xùn)練基地的澆冰測試結(jié)果
冰刀處理技術(shù)
短道速滑和速度滑冰運動中，冰刀刀刃與冰面直接接觸，其摩擦行為直接影響運動員的成績。為此，團隊成員與短道速滑和速度滑冰運動隊進行了多次溝通交流，針對冰刀的結(jié)構(gòu)、使用工況、磨損行為，提出了表面處理技術(shù)，使得冰刀刀刃耐磨性大幅提升，長時間滑行后冰刀刀刃的形貌仍能夠保持完好，實現(xiàn)前進方向降低摩擦系數(shù)的同時增加側(cè)向蹬冰力，有助于運動員維持速度，提高比賽成績，處理冰刀已經(jīng)交付國家隊。
制冰溶液在二七廠訓(xùn)練基地的澆冰測試結(jié)果
冰刀處理技術(shù)
短道速滑和速度滑冰運動中，冰刀刀刃與冰面直接接觸，其摩擦行為直接影響運動員的成績。為此，團隊成員與短道速滑和速度滑冰運動隊進行了多次溝通交流，針對冰刀的結(jié)構(gòu)、使用工況、磨損行為，提出了表面處理技術(shù)，使得冰刀刀刃耐磨性大幅提升，長時間滑行后冰刀刀刃的形貌仍能夠保持完好，實現(xiàn)前進方向降低摩擦系數(shù)的同時增加側(cè)向蹬冰力，有助于運動員維持速度，提高比賽成績，處理冰刀已經(jīng)交付國家隊。
國家隊訓(xùn)練基地冰刀應(yīng)用測試
鋼架雪車國家隊技術(shù)支持
鋼架雪車項目速度極高和危險性大，因此，鋼架雪車要求在滿足滑行速度的同時保證穩(wěn)定性，雪車底部的管刃對其滑行和姿態(tài)控制起著重要作用。團隊通過對國家隊現(xiàn)役多款鋼架雪車管刃形貌綜合掃描和分析，掌握了不同型號刀刃的使用規(guī)律，此外還提出了管刃減摩、防側(cè)滑的表面微結(jié)構(gòu)制備方案，為鋼架雪車國家隊訓(xùn)練提供了有力的支持，并為后續(xù)鋼架雪車裝備的性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
團隊與鋼架雪車國家隊領(lǐng)隊與教練對接討論
鋼架雪車的鞍是固定運動員身體的唯一支撐部件，與運動員的合體性顯著影響了運動員的操控穩(wěn)定性。目前我國的鋼架雪車鞍為3mm鋼板手工焊接彎制，存在剛性不足和疲勞后開焊的問題。團隊針對國家隊運動員定制鞍的需求開展了風(fēng)洞測試，根據(jù)流場特征提出了鞍面的氣動減阻開孔設(shè)計，通過仿形設(shè)計和金屬3D打印，為閆文港制備了一體式新鞍，具有重量輕、強度高的特點，已交付國家隊形成應(yīng)用示范。
鋼架雪車金屬3D打印定制鞍
通過全方位的科技助力，初步探明了鋼架雪車運動的基本規(guī)律，為我國鋼架雪車未來的裝備選擇和性能優(yōu)化奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
長效減阻越野雪板
越野滑雪項目在冬奧會中占比較大，比賽距離普遍較長，出發(fā)時雪板打的減阻蠟會快速磨損，使得雪板阻力上升。汪家道團隊從雪蠟與雪面的摩擦磨損機制出發(fā)，提出了將蠟以熱力學(xué)非平衡態(tài)的過程燒結(jié)在UPE膜中，同時添加石墨烯實現(xiàn)固體潤滑，配合微觀存在的體相減阻蠟提高潤滑減阻距離。該團隊從燒結(jié)設(shè)備、模具、開槽設(shè)備等基礎(chǔ)裝備開始自行設(shè)計制造，克服了燒結(jié)工藝、粘接工藝、后處理工藝等一系列技術(shù)封鎖和工藝障礙，最終實現(xiàn)了同樣打蠟與進口原裝板相同摩擦系數(shù)且雪蠟?zāi)p后摩擦系數(shù)優(yōu)于進口原裝板的性能，并于2022年1月28日交付了65副長效減阻雪板。
雪板燒結(jié)工藝及成品
在一年多的努力下，團隊克服困難，結(jié)合實驗探究了冰雪摩擦減阻機理及應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)了冬奧會運動條件下的冰雪摩擦測評方法，研究了冰雪項目摩擦調(diào)控技術(shù)與裝備，支撐和助力現(xiàn)有及未來冰上運動的發(fā)展。團隊成員也得到了鍛煉，踐行了潛心科研，矢志報國的精神。在未來，團隊成員將會始終保持科研熱情和吃苦精神，為國家建設(shè)，社會進步做出應(yīng)盡的貢獻?！?/span>
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