李玉華，周一屆

Jiangnan University，Wuxi 214122，China.

1 引言

乒乓球硬度檢測(cè)方法自1963年開(kāi)始試行，經(jīng)過(guò)3次修訂，于1998年正式發(fā)布實(shí)施，至今一直沒(méi)有變動(dòng)［8－9］。此方法手工操作、人工讀數(shù)，存在效率低下、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)誤差大的缺點(diǎn)。隨著乒乓球運(yùn)動(dòng)的升溫，乒乓球需求量也在逐年增加，這種檢測(cè)方法越來(lái)越不適應(yīng)于現(xiàn)代生產(chǎn)線的要求［2］。同時(shí)，現(xiàn)代檢測(cè)儀器發(fā)展迅速，研究一套適應(yīng)于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和儀器的檢測(cè)方法對(duì)于提高生產(chǎn)效率意義重大。

基于上述情況，本研究探討了兩種乒乓球硬度檢測(cè)的新方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種新檢測(cè)方法的合理性。

2 乒乓球硬度檢測(cè)方法

2.1 現(xiàn)行檢測(cè)方法

GB／T 20045－2005中規(guī)定乒乓球硬度檢測(cè)方法為：將樣球放在銅環(huán)球座上，球的接縫線應(yīng)與銅環(huán)球座平面平行，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)盤(pán)將百分表指針校至零點(diǎn)，然后搖動(dòng)手柄向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩圈，即球頂受壓，百分表開(kāi)始走動(dòng)，待計(jì)時(shí)針走動(dòng)15s時(shí)記下百分表指針讀數(shù)，測(cè)量?jī)x器如圖1［4］。

測(cè)試方法是以乒乓球形變量來(lái)確定硬度值。測(cè)試方法規(guī)定讀數(shù)前需停留15s時(shí)間，而在乒乓球運(yùn)動(dòng)中對(duì)球的擊打都是瞬間完成，停留15s不具有明確的科學(xué)依據(jù)，并且在實(shí)際操作中程序繁瑣，影響生產(chǎn)效率。

2.2 乒乓球硬度檢測(cè)新方法

2.2.1 新方法測(cè)試裝置

圖1 波氏硬度儀示意圖Figure 1. Wave’s Hardness Meter

現(xiàn)代檢測(cè)儀器有著反應(yīng)靈敏，參數(shù)設(shè)置方便，實(shí)時(shí)輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)［6］，利用這些優(yōu)點(diǎn)，可迅速精確的測(cè)量乒乓球的硬度值。檢測(cè)新方法的測(cè)試裝置采用型號(hào)LRXPLUS 5KN的電子材料實(shí)驗(yàn)儀，如圖2。該儀器測(cè)量精度≦0.8%，測(cè)量速度0.01～1020mm／min，負(fù)載0～5KN，位移1～1 370mm，主要用于材料的拉伸或壓縮性能測(cè)試，測(cè)試后可自動(dòng)輸出負(fù)載－形變量大小曲線圖。

圖2 電子材料實(shí)驗(yàn)儀示意圖Figure 2. Electronic Material Test Instrument

自制乒乓球球座，材料采用不銹鋼，上端斜面凹槽放置乒乓球，中間孔與實(shí)驗(yàn)儀臺(tái)面的立柱相配合，組成乒乓球硬度測(cè)試裝置，局部剖面圖如圖3所示。

圖3 乒乓球硬度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖Figure 3. Table Tennis Hardness Test Device

實(shí)驗(yàn)用球采用市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的同一批次的紅雙喜一、二、三星乒乓球，三種星球各70只，并進(jìn)行編號(hào)，分別為一星1號(hào)、一星2號(hào)……一星70號(hào)、二星1號(hào)……以此類推。實(shí)驗(yàn)之前將所有實(shí)驗(yàn)用球放在溫度20℃～25℃，相對(duì)濕度50%～60%的條件下穩(wěn)定72h。

將球座安裝到電子材料實(shí)驗(yàn)儀的立柱上，乒乓球放置在球座的凹槽上，保證球座、乒乓球、加載軸A（升降軸）的中心線在同一豎直線上，組成乒乓球硬度檢測(cè)新方法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4。

2.2.2 兩種乒乓球硬度檢測(cè)新方法

方法一：限定極限載荷測(cè)量乒乓球的形變量。

測(cè)試原理與現(xiàn)行方法相同，但無(wú)需停留時(shí)間，受載達(dá)到極限載荷后直接測(cè)量形變量，測(cè)試程序如下：

1.將一星1號(hào)乒乓球放在球座上，盡量保證乒乓球接縫線與球座水平線互相平行。使加載軸A以12mm／min的速度下移，待乒乓球受到載荷大小為50N的時(shí)候立即停止，并讓A軸返回初始位置，記錄此實(shí)驗(yàn)的形變量與負(fù)載－形變量大小曲線圖。將乒乓球平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)180°，采用同樣方法實(shí)驗(yàn)乒乓球另一端。

圖4 乒乓球硬度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Figure 4. Table Tennis Hardness Experimental Platform

2.將一星2號(hào)、一星3號(hào)……一星10號(hào)等10個(gè)乒乓球分別放在球座上，采用上述方法重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄形變量大小與負(fù)載－變形大小曲線圖。

3.將球分別換成二星、三星乒乓球，重復(fù)1）—2）實(shí)驗(yàn)步驟。

4.將極限載荷改變?yōu)?0N、70N和80N，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

方法二：限定極限形變量測(cè)量對(duì)應(yīng)的載荷值。

測(cè)試原理是在相同形變量下，通過(guò)承受載荷值的大小來(lái)衡量乒乓球硬度值，即對(duì)乒乓球逐漸施加負(fù)載，當(dāng)乒乓球形變量達(dá)到限定形變量后，立即停止加載，通過(guò)此時(shí)載荷值大小對(duì)乒乓球硬度進(jìn)行分級(jí)，測(cè)試程序如下：

1.將一星51號(hào)乒乓球放在球座上，盡量保證乒乓球接縫線與球座水平線互相平行。保持A軸以12mm／min的速度向下運(yùn)動(dòng)，碰到乒乓球后繼續(xù)勻速下降直至乒乓球的下陷深度為0.8mm，記錄此時(shí)乒乓球所承受的載荷大小與形變量的曲線圖，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.更換新的一星乒乓球，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟1）10次，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.分別對(duì)二星、三星級(jí)乒乓球重復(fù)上述步驟，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.將極限形變量改變?yōu)?mm、1.2mm，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

3 新方法測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

通過(guò)電子材料實(shí)驗(yàn)儀，輸出每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)值，并通過(guò)matlab工具將數(shù)據(jù)擬合為乒乓球形變量與載荷之間的曲線圖。

1.由方法一測(cè)到的數(shù)據(jù)可以以圖5、圖6、圖7和表1顯示如下：

圖5為一星乒乓球在極限載荷為50N時(shí)形變量隨載荷變化的曲線圖，其中1、2、3、4、5號(hào)曲線分別為任意抽取的5次實(shí)驗(yàn)值，6號(hào)曲線為5條曲線的平均［6］。

圖5 極限載荷為50N時(shí)，一星級(jí)乒乓球（北極）伸長(zhǎng)－負(fù)載曲線圖Figure 5. Cure of 1Star Table Tennis（North Pole）Extension－Deformation at Limit Load of 50N

圖6是一、二、三星級(jí)乒乓球（各10個(gè)，測(cè)兩端）在極限載荷為50N時(shí)的最大形變量的分布圖。

圖6 載荷為50N時(shí)，不同星級(jí)乒乓球最大變形分布圖Figure 6. Maximum Deformation Distribution about Different Star Table at Limit Load of 50N

一、二、三星球在極限載荷為50N、60N、70N時(shí)的情況下，乒乓球一端的形變量，結(jié)果如表1。

表1 不同星級(jí)乒乓球受載后一端形變量一覽表Table 1 Type Variable about Different Star Table Tennis after Loaded

實(shí)驗(yàn)中，由于測(cè)試極限載荷為80N時(shí)，3種星級(jí)乒乓球均出現(xiàn)了壓潰變形（圖7只給出壓潰前部分變形），故測(cè)試數(shù)據(jù)在表1中沒(méi)有列入。分別對(duì)3種星級(jí)乒乓球進(jìn)行4種不同極限載荷的測(cè)試，并運(yùn)用matlab將實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合為圖7：

圖7 乒乓球在受到不同極限載荷時(shí)伸長(zhǎng)－負(fù)載曲線圖Figure 7. Curve of Extension－Load at Different Limit Load of Table Tennis

2.在第二種測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)三種不同星級(jí)乒乓球進(jìn)行三種不同極限形變量的測(cè)試，每種實(shí)驗(yàn)測(cè)試10個(gè)乒乓球，每個(gè)乒乓球測(cè)試兩端，實(shí)驗(yàn)樣本量均為20。由方法二測(cè)得的數(shù)據(jù)可由圖8和表2顯示如下：

圖8為 一、二、三星乒乓球在限定形變量為1.2mm時(shí)，其伸長(zhǎng)－負(fù)載曲線圖，對(duì)應(yīng)的載荷如表2：

圖8 乒乓球在極限形變量為1.2mm時(shí)伸長(zhǎng)－負(fù)載曲線圖Figure 8. Curve of Extension－Load at Limit Form Variable of Table Tennis of 1.2mm

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同星級(jí)乒乓球分別測(cè)試在承受極限形變量為0.8mm、1mm和1.2mm時(shí)，乒乓球所承受的最大載荷，結(jié)果如表2所示。

表2 乒乓球發(fā)生相同形變量所承受最大載荷一覽表Table 2 Maximum Load after Table Tennis at the Same Type Variable

3.2 研究結(jié)果及分析

1.由圖5可知，乒乓球的形變量與所加載荷成近似線性關(guān)系；由圖6可知，在極限載荷為50N的情況下，不同星級(jí)的乒乓球?qū)?yīng)不同的形變量，并且三星形變量＜二星形變量＜一星形變量，符合不同星級(jí)乒乓球的分級(jí)情況。由表1和圖7可得，當(dāng)極限載荷分別為50N、60N、70N時(shí)，乒乓球均呈現(xiàn)不同的形變量，且不同星級(jí)乒乓球的形變量是不同的，因此，均可分辨出乒乓球的硬度。

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)工具對(duì)乒乓球在受到50N的載荷下，3種星球的形變量作相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析的計(jì)算［5］。

實(shí)驗(yàn)中每種測(cè)試重復(fù)實(shí)驗(yàn)10個(gè)球，每個(gè)實(shí)驗(yàn)用球測(cè)試兩端，實(shí)驗(yàn)樣本容量n均為20，且讓檢驗(yàn)水準(zhǔn)α＝0.05，輸出結(jié)果如下：

表3說(shuō)明，乒乓球形變量指數(shù)P＝0.072＞α＝0.05，3組的乒乓球形變量指數(shù)均通過(guò)方差齊性檢驗(yàn)，可以采用單因素方差分析對(duì)3個(gè)總體均值做檢驗(yàn)。

表4表明，乒乓球形變量指數(shù)的方差分析F＝55.715，且其相伴概率P＝0.000＜α＝0.05，說(shuō)明3組數(shù)值之間不全相等。又因?yàn)棣粒?.05，分別對(duì)數(shù)值進(jìn)行兩兩檢驗(yàn)，結(jié)果證明3組不全相等。

表3 方差齊性檢驗(yàn)乒乓球形變量指數(shù)一覽表Table 3 Test of Homogeneity of Variances Type Variable Index of Table Tennis

表4 方差分析一覽表Table 4 ANOVA

由上述統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果可得到，極限載荷為50N時(shí)，3種不同星級(jí)的乒乓球形變量數(shù)值具有統(tǒng)計(jì)意義的顯著影響。此外，從提高測(cè)試效率方面來(lái)看，加載到預(yù)定載荷的時(shí)間越短，效率越高，同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)乒乓球的加載力越小，對(duì)乒乓球的傷害越小。因此，可限定極限載荷為50N，應(yīng)用方法一，作為對(duì)乒乓球硬度分級(jí)的新方法［3，7］。

2.由GB／T20045中對(duì)乒乓球硬度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可得，乒乓球形變量0.8mm～1.0mm，因此方法二中對(duì)乒乓球形變量的極限載荷初步定為0.8mm、1.0mm以及1.2 mm。從圖8和表2可得，在極限形變量相同時(shí)，硬度較小的球所承受載荷始終小于硬度較大的球（一星球所承受載荷＜二星球所承受載荷＜三星球所承受載荷）。

通過(guò)SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)工具對(duì)乒乓球在極限形變量為0.8mm情況下，不同星級(jí)乒乓球承受的載荷大小數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，可得載荷大小數(shù)值P＝0.668＞α＝0.05，即3組乒乓球載荷數(shù)值均通過(guò)方差齊性檢驗(yàn)，可以采用單因素方差分析對(duì)3個(gè)總體均值做檢驗(yàn)。

又因?yàn)橹笖?shù)的方差分析F＝93.724，且其相伴概率P＝0.000＜α＝0.05，說(shuō)明3組數(shù)值之間不全相等。最后經(jīng)過(guò)兩兩數(shù)值檢驗(yàn)，證明3組數(shù)值不全相等。

由圖8、表2以及統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果可考慮方法二作為測(cè)量乒乓球硬度的參考方法。同時(shí)，隨著極限形變量的增加，乒乓球所承受的載荷值也變大，但總體保持高星級(jí)球所承受載荷要大于低星球所承受載荷值?？紤]到檢測(cè)效率和對(duì)乒乓球的影響程度，可以將0.8mm作為乒乓球硬度檢測(cè)方法的極限載荷值，并應(yīng)用方法二作為乒乓球硬度分級(jí)的新方法。

3.在采用新方法測(cè)量乒乓球硬度的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，某些乒乓球出現(xiàn)不符合本身星級(jí)的情況。分析原因可能是由于在出廠檢測(cè)過(guò)程中，由于手工操作，工作量大，個(gè)別乒乓球未能嚴(yán)格按照現(xiàn)行分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)。因此，亟需設(shè)計(jì)一套操作簡(jiǎn)單、效率更高的檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器。

4 結(jié)論

1.設(shè)計(jì)合理的球座，并安裝在電子材料實(shí)驗(yàn)儀上，組成一套高效率、高準(zhǔn)確率的乒乓球硬度檢測(cè)儀，以替代GB／T20045中的波氏硬度儀，從而達(dá)到降低勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)率的目的。

2.提出兩種乒乓球硬度檢測(cè)新方法。方法一，利用高靈敏度、高精度儀器，逐漸對(duì)乒乓球加載，當(dāng)載荷達(dá)到50N時(shí)即可停止，測(cè)量此時(shí)乒乓球發(fā)生的形變量，并以此作分級(jí)；方法二，采用新式乒乓球硬度檢測(cè)儀，限定乒乓球極限形變量0.8mm，當(dāng)達(dá)到此形變量時(shí)，測(cè)量此時(shí)載荷值，并以此作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

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