體育木地板抗?jié)L動載荷的檢測方法及分析

劉 佳，周志芳，王宏棣，花 軍，張 昊，王旭東*

(1.北京中教國體技術檢測有限公司，北京 100176；2.黑龍江省木材科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；3.東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

體育木地板與普通木地板的區(qū)別在于其具有特殊的運動保護功能[1-2]?？?jié)L動載荷性能是體育木地板抵御往復滾動載荷破壞能力的重要性能指標，主要表征地板面層材質及涂飾材料的性能[3]。該指標直接影響體育木地板的運動技術性能，因此對抗?jié)L動載荷性能的檢測方法和儀器設備研究一直是體育木地板研究領域的一個熱點。

目前國內外關于體育木地板抗?jié)L動載荷性能的檢測方法和檢測儀器方面的研究較為匱乏，存在檢測方法陳舊、檢測儀器結構簡單、檢測方法單一、檢測精度不足等問題。在國外，體育木地板抗?jié)L動載荷性能的檢測方法之一是德國標準DIN18032：2001.2，應用至今一直未進行修訂，方法較為陳舊。另一個常用的檢測方法是歐盟標準BS EN 1569-2020(CEN) 《Surfaces for sports areas-Determination of the behaviour under a rolling load》(體育場表面滾動負荷下表面性能的測定)，其較為詳細介紹測試小車作為檢測儀器以及檢測軌道等測試要點，如圖1所示[4]。圖1(a)中，檢測小車主要由鋼制的檢測輪、輔助輪、車體支撐板、小車推手等組成，配重質量起檢測運行過程中調節(jié)作用；圖1(b)中檢測軌道規(guī)定了檢測軌道尺寸，加速、勻速及減速區(qū)域要求、儀器滾壓區(qū)域與地板位置關系等。歐盟標準細致地對滾動載荷方法進行敘述，雖然檢測方法較新，但因檢測設備是人為簡易小車、測試速度由人行走控制、測量誤差大等問題，不符合體育木地板的精準檢測要求。

圖1 DIN EN 1569-1999標準中測試小車及檢測軌道示意圖

在國內，體育木地板抗?jié)L動載荷性能的檢測依據是標準GB/T 20239-2015《體育館用木質地板》，該標準中規(guī)定的具體方法為：檢測鋼輪直徑76 mm，橡膠輥壓輪彈性體硬度型號78Ashore，輥壓軌道至少1 000 mm，檢測中保證儀器不傾斜；檢測值為：查看體育地板輥壓后是否有毛刺、裂紋、斷裂、劈裂、漆膜破壞，與檢測滾道垂直將木質地板鋸開查看內部結構變化，殘余壓痕≤0.5 mm，精確至0.1 mm。本文是在該方法的基礎上研究如何進一步提升檢測過程的科學性和檢測結果的精度。

綜上所述，在國內外關于體育木地板抗?jié)L動載荷檢測標準及方法中，最突出的問題為：檢測方法陳舊、檢測誤差大、檢測精度不足。因此，本文以解決上述問題作為切入點，通過探究激光位移傳感器工作原理、激光位移傳感器測量殘余壓痕方法、體育木地板抗?jié)L動載荷檢測過程三方面內容，為體育木地板抗?jié)L動載荷性能檢測提出新的解決方案。

1 基于激光測距技術的抗?jié)L動載荷性能檢測方法

激光測距技術即應用激光位移傳感器實現(xiàn)精確測距的方法，其主要測量工具是激光位移傳感器。激光位移傳感器可以分為接觸傳感器和非接觸傳感器，接觸式的傳感器相比于非接觸傳感器測量精度較高，但由于體育木地板抗?jié)L動載荷在進行檢測時地板會產生一定的形變且在檢測過程中，傳感器處于移動狀態(tài)，接觸式傳感器無法保持平穩(wěn)接觸性[5-7]。因此，考慮體育木地板抗?jié)L動載荷性能的實際檢測過程，選用非接觸式傳感器。

1.1 激光位移傳感器工作原理

激光位移傳感器以激光器作為光源，采用三角測距原理進行探測。三角測距原理為：激光發(fā)射器發(fā)出的光線作為發(fā)射極，經過透鏡聚焦后垂直射入被測體育木地板表面上，當滾動輪帶動激光位移傳感器在體育地板表面移動時，反射光也會發(fā)生變化，反射方向上光線通過透鏡在探測器成像，進而計算出被測物體的位移[8-9]。體育木地板抗?jié)L動載荷性能檢測過程中激光位移傳感器工作原理如圖2所示。

圖2 激光位移傳感器工作原理

激光位移傳感器在體育地板滾動載荷實際檢測過程為：激光發(fā)射極發(fā)出激光射線；射線經透鏡聚焦射到體育木地板面層每塊地板單元的中心信號采集點上；因體育木地板面層地板表面平整度存在差值a，光線會產生與入射方向不同夾角的反射光線；反射光線射入至激光接收極上后，經透鏡聚焦照射到探測器上產生位移b。

激光位移傳感器計算求解位移大小過程為[10-11]：通過激光接收極的探測器得到位移信號b，信號處理器由式(1)可以得出滾動輪帶動激光位移傳感器在體育地板移動的距離a。

(1)

式中：a為激光位移傳感器移動的距離，μm；b為探測器探測位移，μm；c為透鏡至探測器距離，μm；d為透鏡至檢測體育木地板表面的距離，μm；θ為發(fā)射極光線與接收極光線夾角，°。

1.2 雙位移傳感器、兩列掃描點及兩次掃描差值測量的檢測方法

體育木地板抗?jié)L動載荷性能測量結果用體育木地板的殘余壓痕深度來表示，殘余壓痕是體育木地板面層抵抗外力破壞及判定體育木地板使用壽命長短的重要指標。依據GB/T 20239-2015《體育館用木質地板》標準中抗?jié)L動載荷性能檢測方法，及激光位移傳感器在體育木地板抗?jié)L動載荷檢測的工作原理，考慮激光位移傳感器對體育木地板殘余壓痕測量的適配程度及提升檢測精度要求，將激光位移傳感器應用于體育木地板殘余壓痕檢測中，提出雙位移傳感器、兩列掃描點檢測及兩次掃描差值測量檢測方法。具體檢測方法描述如下：

1.2.1 雙位移傳感器設置

體育木地板進行抗?jié)L動載荷性能檢測過程中，依據標準檢測鋼輪在體育木地板表面進行反復輥壓150次，滾動載荷最主要探測指標為體育地板在滾動載荷滾壓下的殘余壓痕深度。由于體育木地板面層地板初始平整度存在一定差異且受滾動載荷后也會產生不同程度的變形，而激光位移傳感器只可以探測一維平面內的深度變化值。因此，基于激光位移傳感器工作原理及體育木地板抗?jié)L動載荷性能測試標準要求，設計如圖3所示雙位移傳感器設置的探測方案。

圖3 雙位移傳感器設置探測方案示意圖

圖3所示的雙激光檢測器探測方案具體檢測布置為：測距儀1位于滾壓輪后，其用于檢測經滾壓輪滾壓后，體育木地板表面產生殘余壓痕深度變化；測距儀2位于滾壓輪側邊，用于檢測滾動載荷在體育木地板表面滾壓前后壓痕相比于未施加滾動載荷表面層進行壓痕值對比計算。采用雙檢測器對比分析檢測方法，可有效提高體育木地板產生殘余壓痕的檢測精度。

1.2.2 兩列掃描點檢測

根據激光測距檢測儀的工作原理，在靜止狀態(tài)進行采集激光信號相比于運動狀態(tài)精確程度更高。因此，在實際信號采集時需要在被測體育地板表面進行虛擬掃描點標定，體育地板掃描點布置示意圖如圖4所示。

圖4 體育地板掃描點布置示意圖

圖4所示的檢測點分為1列掃描點與2列掃描點；1列掃描點用于測距儀1進行掃描檢測用；2列掃描點用于測距儀2進行掃描用；兩列掃描點相距30 mm；每列掃描點中每個掃描點相距為74 mm(掃描點距離為體育木地板面層地板單元寬度距離，實驗選用面層地板單塊拼裝寬度為74 mm)。

1.2.3 兩次掃描差值測量

體育木地板滾動載荷檢測采用雙激光測距儀檢測差值方案，其中測距儀1位于輥壓輪后面，輥壓輪在體育木地板滾壓后產生深度不同的壓痕；測距儀2位于滾壓輪側邊位，用于對比參數應用，具體檢測求解過程如圖5所示。

圖5 檢測求解過程

如圖5所描述：體育木地板進行抗?jié)L動載荷測試之前，應用測距儀1與測距儀2對體育木地板表面進行初次掃描，測試要求為跨越體育木地板面層地板的拼裝縫；對測距儀1與測距儀2所獲得的檢測值做差值得到初始差值；施加滾壓載荷進行滾壓150次后，對輥壓輪所產生的壓痕進行第二次掃描，同理獲得測距儀1與測距儀2的檢測差值；用第二次掃描差值減去第一次差值獲得最終差值即體育木地板表面壓痕深度值，采用兩次掃描的求解過程可以有效地避免因體育木地板在滾壓過程中發(fā)生形變帶來的誤差，較大地提升檢測精度。

綜上所述，體育木地板抗?jié)L動載荷性能檢測采用雙位移傳感器、兩列掃描點檢測及兩次掃描差值測量的檢測方法，在理論上可以有效解決檢測方法陳舊、檢測誤差大、檢測精度不足問題。

2 檢測方法的驗證實驗

為進一步驗證雙位移傳感器、兩列掃描點檢測及兩次差值測量檢測方法實施的可行性及檢測精度，以體育木地板面層地板作為研究對象，設計基于激光測距技術的體育木地板抗?jié)L動載荷檢測的驗證實驗。

2.1 實驗儀器與方法

實驗儀器主要采用自主設計的體育木地板滾動載荷檢測儀及體育地板面層地板。依據GB/T 20239-2015，采用體育木地板抗?jié)L動載荷檢測儀運行速度為0 mm/s～400 mm/s，施加載荷設置20 kg～300 kg；體育木地板面層地板材質為國產楓木，地板單塊尺寸為1 200 mm×74 mm，實驗拼裝尺寸為1 200 mm×1 200 mm。驗證試驗布置如圖6所示。

圖6 滾動載荷實驗檢測儀器布置

進行抗?jié)L動載荷驗證實驗時，鋼輪的滾壓路徑要包含單塊拼裝體育地板單元及地板接縫。在檢測過程中，滾壓輪在滾壓過體育木地板表面時會使其產生形變，包括彈性可恢復的變形和塑性變形，面層地板的拼裝縫也會在滾壓過程中產生一定變形，因此檢測點不能設置在拼裝縫上[12]。為進一步提高儀器的檢測精度，采用雙位移傳感器設置、兩列掃描點檢測及兩次掃描差值測量的檢測方法。其中，激光位移傳感器在檢測過程中，每列測試掃描點選取每塊體育木地板單元的中心點作為信號采集點，為虛擬點，如圖7所示。

圖7 體育地板面信號采集點布置示意圖

按照GB/T 20239-2015標準中關于體育木地板抗?jié)L動載荷檢測要求：選擇兩條至少1 000 mm長的檢測軌道，并包含面層地板中的接縫；檢測滾動速度為0.3±0.05 m/s，且在滾道上往返150次(雙線總計300次)，圖8為體育木地板放置與滾動載荷檢測儀布置示意圖。

圖8 體育地板滾動載荷檢測儀器布置示意圖

按圖8所示將體育木地板與滾動載荷檢測儀位置固定后，進行參數設定，本次滾動載荷檢測實驗參數設置為：施加載荷為260 kg；運行速度為300 mm/s；設置實驗滾壓次數為150次；檢測體育木地板面層地板尺寸為1 200 mm×1 200 mm。

依據激光位移傳感器工作原理，結合體育地板滾動載荷殘余壓痕檢測方法要求，降低地板生產及鋪裝過程中產生的實驗誤差，將抗?jié)L動載荷檢測實驗過程分成掃描過程及滾壓過程。其中，掃描過程分成一次掃描及二次掃描過程，掃描過程即在未施加載荷的條件下，對體育木地板表面進行掃描取點過程，如圖9(a)所示。滾壓過程即在施加滾壓載荷后，對體育木地板完成滾壓過程進行的第二次掃描取點過程，如圖9(b)所示。

圖9 體育地板滾動載荷儀檢測過程

進行掃描差值計算：通過圖4～圖9(a)所示的施加滾動載荷前對被檢測地板表面進行平整度一次掃描過程，依靠兩個探測儀對輥壓實驗前的體育木地板表面兩列檢測點進行掃面，產生的測量值做差，得到一次差值(為體育地板初始平整度差值)；通過完成圖4～圖9(b)所示釋放輥壓輪并施加載荷，啟動滾動載荷檢測儀并以0.3 m/s速度運行的滾壓動作過程，當輥壓輪完成預設載荷在體育地板150次(往返300次)的滾壓過程，將輥壓輪升起，同一次掃描過程對體育地板表面產生的壓痕進行二次掃描，將二次掃描數值與一次掃描數值進行插值計算，最終獲得的壓痕差值即為體育木地板在承受滾動載荷后產生的殘余壓痕深度。

2.2 實驗結果分析

經抗?jié)L動載荷測試后，體育木地板表面會產生圖10所示的殘余壓痕。

從圖10可以看出，進行抗?jié)L動載荷實驗過后體育木地板面層產生的殘余壓痕，按傳統(tǒng)方法很難精確獲得滾動載荷在體育木地板表面產生的殘余壓痕深度。為解決此問題，通過滾動載荷測量儀安裝的激光測距傳感器可精確檢測產生的殘余壓痕，圖11為體育木地板滾動載荷檢測儀進行實驗過程中實時產生滾動載荷殘余壓痕深度變化圖。

圖10 體育地板表面殘余壓痕

圖11 滾動載荷殘余壓痕深度變化

圖11中，縱坐標代表差值數值，橫坐標代表體育木地板選取檢測點坐標；綠色標記點代表初始掃描值，黃色標價點代表當前差值(即一次掃描值)，紅色標記點代表最終插值(二次掃描值與一次掃描值差值即殘余壓痕深度)，圖中不標記二次掃描值，白色標記點代表最大插值點。為更加直觀地得到各體育木地板表面檢測點壓痕深度，調取體育木地板滾動載荷測試儀后臺殘余壓痕坐標數值，如表1所示。

表1 儀器運行后臺參數

續(xù)表1

對上述表格中的14組數據進行整理，其中表中壓痕深度參數的正負代表初始定位時壓痕方向，橫坐標為每個檢測點之間距離(實驗單塊地板74mm寬度)。為更加直觀表示不同階段壓痕深度變化，采用圖12體育木地板各檢測點不同階段壓痕深度差值進行描述。其中，一次差值與二次差值進行做差，所得差的絕對值即為最終差值(壓痕深度值)。

圖12 體育地板檢測點不同階段壓痕深度差值圖

從圖12中可以清晰的得到體育木地板在不同方向、不同實驗組中產生壓痕深度的曲線變化情況，其中最大壓痕深度為0.1mm，檢測精度為0.01mm。在標準GB/T20239-2015《體育館用木質地板》中關于體育木地板抗?jié)L動載荷性能檢測值要求是殘余壓痕≤0.5mm精確到0.1mm，實驗體育木地板的檢測結果符合抗?jié)L動載荷標準檢測要求，該試樣達到室內體育木地板安裝與使用要求。

3 結論

(1)基于激光位移傳感器工作原理及滾動載荷檢測標準，提出了雙激光位移傳感器、兩列掃描點檢測，兩次掃描差值測量的檢測方法。

(2)依據提出的應用于體育木地板抗?jié)L動載荷殘余壓痕檢測的激光位移傳感器測試方法，設計并實施了體育木地板滾動載荷檢測實驗，得到滾壓實驗殘余壓痕變化參數及變化曲線，儀器檢測精度為0.01 mm。

綜上所述，體育木地板抗?jié)L動載荷檢測方法和實驗分析的研究，驗證了體育木地板抗?jié)L動載荷采用雙位移傳感器、兩列掃描點檢測及兩次掃描差值測量的檢測方法是可行性的，解決了檢測方法陳舊、檢測誤差大、檢測精度不足問題。