關(guān)于乒乓球硬度檢測方法的探討與設(shè)想

李玉華，周一屆

Jiangnan University，Wuxi 214122，China.

1 引言

乒乓球硬度檢測方法自1963年開始試行，經(jīng)過3次修訂，于1998年正式發(fā)布實施，至今一直沒有變動［8－9］。此方法手工操作、人工讀數(shù)，存在效率低下、檢測時間長，檢測誤差大的缺點。隨著乒乓球運動的升溫，乒乓球需求量也在逐年增加，這種檢測方法越來越不適應于現(xiàn)代生產(chǎn)線的要求［2］。同時，現(xiàn)代檢測儀器發(fā)展迅速，研究一套適應于現(xiàn)代檢測技術(shù)和儀器的檢測方法對于提高生產(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的新方法，并通過實驗驗證兩種新檢測方法的合理性。

2 乒乓球硬度檢測方法

2.1 現(xiàn)行檢測方法

GB／T 20045－2005中規(guī)定乒乓球硬度檢測方法為：將樣球放在銅環(huán)球座上，球的接縫線應與銅環(huán)球座平面平行，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)盤將百分表指針校至零點，然后搖動手柄向逆時針旋轉(zhuǎn)兩圈，即球頂受壓，百分表開始走動，待計時針走動15s時記下百分表指針讀數(shù)，測量儀器如圖1［4］。

測試方法是以乒乓球形變量來確定硬度值。測試方法規(guī)定讀數(shù)前需停留15s時間，而在乒乓球運動中對球的擊打都是瞬間完成，停留15s不具有明確的科學依據(jù)，并且在實際操作中程序繁瑣，影響生產(chǎn)效率。

2.2 乒乓球硬度檢測新方法

2.2.1 新方法測試裝置

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

現(xiàn)代檢測儀器有著反應靈敏，參數(shù)設(shè)置方便，實時輸出實驗數(shù)據(jù)的優(yōu)點［6］，利用這些優(yōu)點，可迅速精確的測量乒乓球的硬度值。檢測新方法的測試裝置采用型號LRXPLUS 5KN的電子材料實驗儀，如圖2。該儀器測量精度≦0.8%，測量速度0.01～1020mm／min，負載0～5KN，位移1～1 370mm，主要用于材料的拉伸或壓縮性能測試，測試后可自動輸出負載－形變量大小曲線圖。

圖2 電子材料實驗儀示意圖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，中間孔與實驗儀臺面的立柱相配合，組成乒乓球硬度測試裝置，局部剖面圖如圖3所示。

圖3 乒乓球硬度檢測實驗裝置圖Figure 3. Table Tennis Hardness Test Device

實驗用球采用市場購買的同一批次的紅雙喜一、二、三星乒乓球，三種星球各70只，并進行編號，分別為一星1號、一星2號……一星70號、二星1號……以此類推。實驗之前將所有實驗用球放在溫度20℃～25℃，相對濕度50%～60%的條件下穩(wěn)定72h。

將球座安裝到電子材料實驗儀的立柱上，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新方法的實驗平臺，如圖4。

2.2.2 兩種乒乓球硬度檢測新方法

方法一：限定極限載荷測量乒乓球的形變量。

測試原理與現(xiàn)行方法相同，但無需停留時間，受載達到極限載荷后直接測量形變量，測試程序如下：

1.將一星1號乒乓球放在球座上，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的時候立即停止，并讓A軸返回初始位置，記錄此實驗的形變量與負載－形變量大小曲線圖。將乒乓球平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)180°，采用同樣方法實驗乒乓球另一端。

圖4 乒乓球硬度檢測實驗平臺示意圖Figure 4. Table Tennis Hardness Experimental Platform

2.將一星2號、一星3號……一星10號等10個乒乓球分別放在球座上，采用上述方法重復實驗，記錄形變量大小與負載－變形大小曲線圖。

3.將球分別換成二星、三星乒乓球，重復1）—2）實驗步驟。

4.將極限載荷改變?yōu)?0N、70N和80N，重復上述實驗步驟。

方法二：限定極限形變量測量對應的載荷值。

測試原理是在相同形變量下，通過承受載荷值的大小來衡量乒乓球硬度值，即對乒乓球逐漸施加負載，當乒乓球形變量達到限定形變量后，立即停止加載，通過此時載荷值大小對乒乓球硬度進行分級，測試程序如下：

1.將一星51號乒乓球放在球座上，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的速度向下運動，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，重復實驗步驟1）10次，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.分別對二星、三星級乒乓球重復上述步驟，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.將極限形變量改變?yōu)?mm、1.2mm，重復上述實驗步驟。

3 新方法測試結(jié)果與討論

3.1 測試實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

通過電子材料實驗儀，輸出每次實驗的數(shù)據(jù)值，并通過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時形變量隨載荷變化的曲線圖，其中1、2、3、4、5號曲線分別為任意抽取的5次實驗值，6號曲線為5條曲線的平均［6］。

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

圖6是一、二、三星級乒乓球（各10個，測兩端）在極限載荷為50N時的最大形變量的分布圖。

圖6 載荷為50N時，不同星級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

實驗中，由于測試極限載荷為80N時，3種星級乒乓球均出現(xiàn)了壓潰變形（圖7只給出壓潰前部分變形），故測試數(shù)據(jù)在表1中沒有列入。分別對3種星級乒乓球進行4種不同極限載荷的測試，并運用matlab將實驗結(jié)果擬合為圖7：

圖7 乒乓球在受到不同極限載荷時伸長－負載曲線圖Figure 7. Curve of Extension－Load at Different Limit Load of Table Tennis

2.在第二種測試實驗中，分別對三種不同星級乒乓球進行三種不同極限形變量的測試，每種實驗測試10個乒乓球，每個乒乓球測試兩端，實驗樣本量均為20。由方法二測得的數(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，其伸長－負載曲線圖，對應的載荷如表2：

圖8 乒乓球在極限形變量為1.2mm時伸長－負載曲線圖Figure 8. Curve of Extension－Load at Limit Form Variable of Table Tennis of 1.2mm

實驗中對不同星級乒乓球分別測試在承受極限形變量為0.8mm、1mm和1.2mm時，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，不同星級的乒乓球?qū)煌男巫兞?，并且三星形變量＜二星形變量＜一星形變量，符合不同星級乒乓球的分級情況。由表1和圖7可得，當極限載荷分別為50N、60N、70N時，乒乓球均呈現(xiàn)不同的形變量，且不同星級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)計工具對乒乓球在受到50N的載荷下，3種星球的形變量作相關(guān)統(tǒng)計分析的計算［5］。

實驗中每種測試重復實驗10個球，每個實驗用球測試兩端，實驗樣本容量n均為20，且讓檢驗水準α＝0.05，輸出結(jié)果如下：

表3說明，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)均通過方差齊性檢驗，可以采用單因素方差分析對3個總體均值做檢驗。

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，說明3組數(shù)值之間不全相等。又因為α＝0.05，分別對數(shù)值進行兩兩檢驗，結(jié)果證明3組不全相等。

表3 方差齊性檢驗乒乓球形變量指數(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)計檢驗結(jié)果可得到，極限載荷為50N時，3種不同星級的乒乓球形變量數(shù)值具有統(tǒng)計意義的顯著影響。此外，從提高測試效率方面來看，加載到預定載荷的時間越短，效率越高，同時在檢測過程中對乒乓球的加載力越小，對乒乓球的傷害越小。因此，可限定極限載荷為50N，應用方法一，作為對乒乓球硬度分級的新方法［3，7］。

2.由GB／T20045中對乒乓球硬度的分級標準可得，乒乓球形變量0.8mm～1.0mm，因此方法二中對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，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SPSS 16.0統(tǒng)計工具對乒乓球在極限形變量為0.8mm情況下，不同星級乒乓球承受的載荷大小數(shù)值進行計算，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)值均通過方差齊性檢驗，可以采用單因素方差分析對3個總體均值做檢驗。

又因為指數(shù)的方差分析F＝93.724，且其相伴概率P＝0.000＜α＝0.05，說明3組數(shù)值之間不全相等。最后經(jīng)過兩兩數(shù)值檢驗，證明3組數(shù)值不全相等。

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

3.在采用新方法測量乒乓球硬度的實驗過程中，某些乒乓球出現(xiàn)不符合本身星級的情況。分析原因可能是由于在出廠檢測過程中，由于手工操作，工作量大，個別乒乓球未能嚴格按照現(xiàn)行分級標準進行分級。因此，亟需設(shè)計一套操作簡單、效率更高的檢測方法和檢測儀器。

4 結(jié)論

1.設(shè)計合理的球座，并安裝在電子材料實驗儀上，組成一套高效率、高準確率的乒乓球硬度檢測儀，以替代GB／T20045中的波氏硬度儀，從而達到降低勞動力，提高生產(chǎn)率的目的。

2.提出兩種乒乓球硬度檢測新方法。方法一，利用高靈敏度、高精度儀器，逐漸對乒乓球加載，當載荷達到50N時即可停止，測量此時乒乓球發(fā)生的形變量，并以此作分級；方法二，采用新式乒乓球硬度檢測儀，限定乒乓球極限形變量0.8mm，當達到此形變量時，測量此時載荷值，并以此作為分級標準。

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