叶连凤，王灵美，易仲成，杨海庆

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌 443000）

0 引言

进入21世纪，当人民的生活水平达到一定的水准后，人们对健康意识的提高以及更高生活品质的追求使得跑步机应运而生并深受百姓欢迎。跑步机是多年来国际上最为广泛使用的健身器材之一，以电机驱动跑带，人在跑带上进行被动跑步运动，通过控制电机的不同转速，锻炼者可以自行选用不同速度进行跑步训练[1]。跑步机分为机械式和电动式，机械式以人力为动力，驱动跑步机运转，需要人体付出更大的蹬力，容易产生疲劳和运动损伤，目前逐渐被电动跑步机替代[2]。

HR5系列履带式自发电跑步机采用多项先进技术自主研发的新概念绿色跑步机。当人在跑步机上运动，不输出用电时，则通过蓄电池将电量存储以备用输出[3]。该系列跑步机采用弹性橡胶弧形跑台、履带式跑带贴合技术、自发电控制技术及轴承传动技术，其仪表可以轻松地记录运动员的距离[4]、时间、步数、运动速度、最高速度、心率、卡路里等参数。

该跑步按照Q/HS02－2014标准进行检验，检验项目包括：连续运行试验、准确度试验、紧急停止装置、自发电系统输出直流电压和产品功能等。其中连续运行试验、准确度试验十分重要，是该产品交到用户前的试验重点和使用寿命的保障基础。

1 检验项目及要求

1.1 准确度试验

准确度试验包括时间准确度、距离准确度、速度准确度试验项目，具体操作如下。

1.2 连续运行试验

（1）时间准确度。待跑步机匀速平稳运转后测试人员以某一时间作为开始运动，记录该时间为开始时间，同时按下秒表计时，运动5 min后，记录该时间为停止时间，显示时间（t）=停止时间-开始时间，显示值与秒表的误差要求≤1%。

（2）距离准确度。待跑步机匀速平稳运转后测试人员计数做标记的跑步板经过某一固定位置的次数，记录在该固定位置显示运动距离即开始距离，测试不低于50圈，记录在该固定位置运行某圈数的显示运动距离即停止距离，计算距离（s）=圈数×3.6，显示距离（s）=停止距离-开始距离，显示值与计算值误差要求≤5%。

（3）速度准确度。分别测量跑步速度约7 km/h、12 km/h。

待跑步机匀速平稳运转后测试人员计数做标记的跑步板经过某一固定位置的次数，测试人员同时按秒表计时，测试不低于20圈，距离（s）=圈数×3.6，速度=距离/时间，显示实时速度值与计算值误差要求≤5%。

跑步机设置最大限制速度后，启动跑步机，速度缓慢上升到10～12 km/h后，定速运行，进行不小于30 min连续试验后，将跑步机速度缓慢调节到17～18 km/h，再运行2 min。跑步机在运转中显示正常，整机无异响；测试完成后检查产品各连接部位和支撑部位不得松动，跑步带上螺钉不得松动或脱出，跑带不得有偏移。

2 实际操作中遇到的问题

（1）速度准确度试验：HR5系列履带式自发电跑步机的仪表速度控制功能是控制跑步的最高速度，运动速度由使用者通过处于不同区域随心调节。检验人员在测试跑步机时无法定速运行20圈以上，通过检验人员运动带动跑步机运行无法准确测定跑步机的实际运行速度，因此也无法得到准确的速度值。

（2）连续运行试验：该系列跑步机出厂前必须连续运行且时间不小于30 min。由于该跑步机需要运动人员利用重力作用带动跑步带实现跑步运动，体能消耗大。光靠检验人员无法完成所有跑步机30 min的测试，必须通过设备实现此项测试。

3 解决方案

为了保证跑步机产品的检验质量，解决检验人员无法完成速度准确度试验和跑步机30 min连续测试的问题，以及缩短检验时间，进行了多次试验，最终决定模拟电动自行车的原理设计了专用检测设备，替代检验人员完成跑步机30 min连续运行试验。

3.1 专用检测设备主要组成

专用检测设备主要由直流稳压恒流开关电源、调速手柄、控制器、无刷电机和测试架4部分组成。直流稳压恒流开关电源主要实现将输入交流电压130～260 V变化时，能达到良好的稳定输出电压为48 V供控制器和无刷电机供电功能；转动调速手柄用来检测不同的电压值；控制器是用来控制电机的转动；无刷电机是用来带动测试架上的滚筒的转动；测试架用来连接跑步机并带动其跑合。

3.2 专用检测设备工作原理

直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成[5]。直流稳压恒流开关电源经过一个控制器给电机供电，电机放在跑台的滚筒内，电机的转动带动滚筒的旋转，控制器连接一个调速手柄，转动调速手柄可以让控制器检测不同的电压值，控制器根据电压值的大小，模拟调节输送给电机电压的高低，从而控制了电机的转动，控制方框图如图1所示。

调速手柄选用带自动巡航功能，把调速手柄转到所需的角度，跑台的滚筒达到相应速度后，在5 s（时间可变）内调速手柄不转动，则滚筒就保持这个速度转动，这时操作者就可以松开调速手柄，免去手一直拧着调速手柄之累。自动巡航后只有松开调速手柄，并重新旋转调速手柄，即可以再次调节滚筒的速度。

其工作原理借用电动自行车的控制原理。无刷直流电动机是电动自行车的主要部件。它借助电机霍尔传感器信号，通过驱动控制电路来驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定次序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转[6]。选用市场上电动自行车比较常用的24管48-72 V 1 500 W的带自动巡航功能控制器和其配套的72 V 1 500 W直流无刷大功率电机。

根据HR5系列履带式自发电跑步机的结构，测试架设计成由底部固定支架、顶端活动支架、滚筒、千斤顶、脚轮支架组成。其中底部固定支架用支撑顶端活动支架及连接跑步机，固定支架上的档距大于跑步机最外挡，防止干涉；固定支架上安装有脚轮支架用于连接跑步机脚轮，防止跑台与跑步机运转时产生相对运动；固定支架与活动支架之间通过千斤顶连接，主要用于调节活动支架的高度，滚筒内装有电机，用于跑合跑步机，滚筒及电机的固定主要靠活动支架。跑步机结构图和测试架示意图分别如图2和图3所示。

图1 控制方框图

图2 跑步机结构图

3.3 加工专用检测设备的样机验证试验

根据设计方案，加工出专用检测设备的样机并将其连接到跑步机带动跑步机运行。转动调速手柄，跑步机运行速度能够在0～20 km/h范围内定速运行；调速手柄转动到检验人员所需的跑步机显示速度时，启动自动巡航使跑步机一直恒速运行。检验人员可以根据产品检验规范要求轻松地完成连续运行试验和速度准确度测试。

图3 测试架示意图

3.4 专用检测设备的优点

（1）该专用检测设备的直流稳压恒流开关电源、调速手柄、控制器、无刷电机都是现有易采购的产品，只要采购回来后按要求接好线即可使用，降低了加工难度。

（2）该设备操作简便，制造简单，维护方便。

（3）将测试架进行局部的改进即可以推广到其它系列跑步机进行测试。

4 结论

本文提出了一种适用于检验HR5系列跑步机速度准确度和连续运行试验的专用检测设备。从方案上论述了专用检测设备的实现途径。根据设计方案，加工出了试验样机并进行了试验。试验结果表明该专用检测设备设计合理，能够准确地测定跑步机的实际运行速度和带动跑步机运行进行跑合测试。该跑步机结构及各功能稳定性，达到了预期的效果，缩短了检验时间，节省了人力。