Приборостроение. Информатика
УДК 629.114, 796.012
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ 
И РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ 
ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА СПОРТИВНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ
Докт. техн. наук, доц. КАЧАНОВ И. В., 
канд. техн. наук, доц. ПАВЛОВИЧ А. Э., асп. ШЕЛЕГ А. А.
Белорусский национальный технический университет
Использование современных технологий на 
основе спортивной инженерии как специаль­
ного раздела науки и техники по исследованию 
и созданию эффективных тренажеров является 
одним из путей совершенствования физической 
культуры и спорта.
Любой спортивный тренажер имеет глав­
ный элемент -  нагрузочное устройство. Тради­
ционно это блок грузов, пружина, эластомер, 
инерционный маховик или фрикционное уст­
ройство. Эффективность работы тренажеров 
с такими нагрузочными устройствами недоста­
точна из-за высокой инерционности создавае­
мой нагрузки, которая может привести к трав­
мам и не позволяет пользователю достигнуть 
желаемого результата. Опыты показывают, что 
в обычных тренажерах инерционные силы ис­
кажают показатели сопротивления, особенно 
при высоких скоростях. Даже при использова­
нии эксцентриков данные тренажеры должным 
образом работать могут только с медленными 
контролируемыми движениями.
В то же время биомеханика движений тре­
нирующегося имеет свою специфику, которая 
заключается в том, что постоянно возникают 
быстротечные изменения векторов скорости 
и усилий, создаваемых спортсменами. Это 
влияет на условия проектирования специаль­
ных средств по отработке техники выполнения 
приемов в определенном виде спорта. Для ре­
шения этой проблемы предлагается в качестве 
нагрузочных устройств применять силовые ци­
линдры с гидро- или пневмоприводом.
По конструкции и условиям обслуживания 
проще пневмопривод, поэтому он был принят 
за основу при проектировании тренажеров для 
профессиональной подготовки спортсменов, 
занимающихся атлетическими видами спорта и 
силовыми единоборствами. В результате осна­
щения тренажеров пневматической системой 
их работа, в сравнении со спортивными трена­
жерами, в которых применены другие системы 
нагружения, становится бесшумной. Сущест­
венно возрастает максимально создаваемое на 
тренажере усилие, уменьшаются его вес и габа­
риты, появляется возможность плавного и 
комфортного изменения нагрузки, и, что самое 
важное, пневмопривод обеспечивает безынер- 
ционность этой нагрузки.
Научно-творческой группой первичной ор­
ганизации 0 0  «БРСМ» БИТУ на базе научно- 
исследовательских лабораторий кафедры «Гид­
равлика» был разработан и исследован спор­
тивный тренажер на основе пневмопривода для 
специальной тренировки и отработки техниче­
ских приемов в армрестлинге (борьбе на руках) 
[1]. Тренажер позволяет отрабатывать различ­
ные технические приемы с созданием необхо­
димой нагрузки и сопротивления, динамики и 
направления воздействия на биозвено. Конст­
рукция тренажера и способ создания нагрузки и 
сопротивления на нем запатентованы [2, 3]. 
Сущность такой конструкции показана на 
принципиальной схеме (рис. 1). «Рука соперни­
ка» представляет собой регулируемую по высо­
те стойку 1 с двумя шарнирами -  2 «локоть» и 3 
«кисть», которые поджаты фрикционными 
поршнями 4 и 5. Шарнир 2 закреплен в блоке 6, 
соединенном с пневмоцилиндром 7, а шарнир 3 
жестко связан с рукояткой 8. Регулировка на­
грузки на штоке пневмоцилиндра 7, на поршне 
4 шарнира 2 и на поршне 5 шарнира 3 осущест­
вляется с помощью редукторов давления 9, 10, 
11 и отслеживается с помощью силомеров 12. 
Для экспериментальных исследований рабочих 
характеристик тренажера в схему введены тен­
зометрические датчики 14, которые встроены в 
рукоятку 8, фрикционные поршни 4, 5 и в эла­
Вестник БИТУ, № 2, 2009 57
Приборостроение. Информатика
стичную опору 15. Давление в пневмоприводе 
регистрируется с помощью потенциометриче­
ских датчиков 16, а биометрические параметры 
руки тренирующегося -  с помощью специаль­
ных повязок 17. Съем необходимых электро­
сигналов проводится с помощью измеритель­
ного устройства 18.
12
Рис. 1. Принципиальная схема спортивного тренажера с 
пневматическим приводом для армрестлинга: 1 -  стойка 
регулируемая; 2 -  шарнир «локоть»; 3 -  шарнир «кисть»; 
4, 5 -  фрикционные поршни; 6 -  блок; 7 -  пневмоцилиндр; 
8 -  рукоятка; 9-11 -  редукторы давления; 12 -  силоизме- 
рители; 14 -  тензодатчики; 15 -  опора; 16 -  датчики 
давления; 17 -  повязки для измерения биометриче­
ских показателей мышц руки; 18 -  регистрирующая аппа­
ратура
Затем устанавливают максимальное значе­
ние давления редукторами 9, 10 для стопорения 
блока 6 и шарнира 2 от перемещений. После 
этого редуктором 11 устанавливают необходи­
мую нагрузку сопротивления перемещению 
рукоятки и, воздействуя на нее, осуществляют 
отработку необходимых движений. При этом в 
процессе выполнения упражнений можно из­
менять силовой режим сопротивления рукоятки 
тем же редуктором 9.
Для отработки кистевых движений предва­
рительно задают необходимые высоту и поло­
жение стойки, а также положение рукоятки.
Для отработки движений предплечья мани­
пуляции с редукторами 9-11 аналогичны, толь­
ко здесь «стопорят» шарнир 3 рукоятки, а шар­
нир 2 освобождают от фиксации. Для имитации
сопротивления руки соперника это делают для 
блока 6, фиксируя шарниры 2 и 3.
Другое применение пневмопривода пред­
ставлено на принципиальной схеме (рис. 2) 
тренажера по совершенствованию движений и 
развитию силы, силовой выносливости спорт­
сменов. Выполнение упражнений на таком тре­
нажере заменяет традиционные жимы, толка­
ния штанги из различных положений (лежа, 
сидя и стоя).
Рис. 2. Принципиальная схема тренажера с пневмоприво­
дом для отработки жимов в атлетических видах спорта: 
1 -  скамья; 2 -  стойки регулируемые по высоте; 3 -  гриф; 
4 -  пневмоцилиндры; 5 -  редуктор давления; 6 -  соедини­
тельный шланг; 7 -  силоизмеритель; 8 -  направляющие 
грифа 3; 9 -  ограничители хода штоков цилиндров 4
Тренажер с пневмоприводом позволяет 
плавно изменять нагрузочный режим на грифе 
3 через регулирование редуктором 5 давления 
сжатого воздуха в силовых пневмоцилиндрах 4 
с отслеживанием величины нагрузки через си­
лоизмеритель 7. При этом за счет регулируе­
мых по высоте ограничителей 9 обеспечивают­
ся безопасность выполнения жимов лежа, 
а также начальное нижнее положение снятого 
грифа со стоек. Кроме того, сам спортсмен при 
необходимости может уменьшить величину 
нагрузки, даже во время выполнения упражне­
ния, за счет нажатия пальцем на кнопку сброса 
атмосферного клапана, встроенного в гриф.
Еще одним примером применения пневмо­
привода является использование его в конст­
рукции тренажера (рис. 3, 4) для развития силы 
мышц ног, который заменяет травмоопасное уп­
ражнение «приседание со штангой на плечах».
58 Вестник БИТУ, № 2, 2009
Приборостроение. Информатика
Рис. 3. Общее устройство тренажера с пневмоприводом 
для тренировки ног: 1 -  основание; 2 -  стойка; 3 -  тяга; 
4 -  тросовая система; 5 -  ремень с зацепом; 6 -  маховичок 
редуктора давления; 7 -  рукоятка крана переключения; 
8 -  зацепы устройства для развития свода стоп; 9 -  шкала 
прибора усилий; 10 -  контактное кольцо источника био­
потенциалов; 11 -  тензоплощадка; 12 -  штуцер подвода 
сжатого воздуха
При работе на таком тренажере позвоноч­
ник тренирующегося практически разгружен, 
так как через тросовую систему 4 осуществля­
ется преодоление снизу сопротивления пнев­
моцилиндра 14 (рис. 4).
Рис. 4. Принципиальная схема тренажера с пневмоприво­
дом для тренировки ног: 1 -  основание; 2 -  стойка; 3 -  
трос; 4 -  редуктор давления; 5 -  кран разобщительный; 
6 -  штурвал; 7 -  рукоятка; 8 -  пневмолинии; 9 -  шкала; 
10 -  стрелка; 11 -  пневмоцилиндр шкалы; 12 -  штуцер 
подвода сжатого воздуха; 13 -  соединительный шланг; 
14 -  большой силовой пневмоцилиндр; 15 -  гибкая на­
правляющая троса; 16 -  малый силовой пневмоцилиндр; 
17 -  зацеп для пальцев стопы
Кроме того, имеется возможность трениров­
ки свода стопы через пневмозацепы 8 (рис. 3), 
17 (рис. 4).
Таким образом, пневмопривод может при­
меняться в разнообразных тренировочных уст­
ройствах, служащих как для общего оздоровле­
ния, так и для профессиональной подготовки 
в различных видах спорта.
Характер движения биозвеньев спортсмена 
на таких тренажерах -  от медленного и плавно­
го до взрывного. Поэтому при моделировании 
процессов, происходящих в пневмоприводе, 
необходимо учитывать его следящее действие и 
быстродействие.
При анализе результатов теоретических ис­
следований [4-6] были выявлены математиче­
ские модели, которые подходят для определе­
ния статических и динамических характеристик 
пневмопривода спортивных тренажеров. Наи­
более точной при определении быстродействия 
срабатывания пневмопривода является модель 
[6] на основе электропневмоаналогии, матема­
тического описания разветвленных пневмоце­
пей и уравнения расхода воздуха через местные 
сопротивления с учетом переходных характе­
ристик ДЕ-звеньев. На основе этого исследова­
ния были позднее составлены математические 
модели [7, 8], которые позволяют также оп­
ределять с достаточной степенью точности 
статические характеристики пневмопривода 
и его элементов на основе уравнений равно­
весия элементов следящего пневмоаппарата 
с отрицательной обратной связью. В этих моде­
лях применены простые операторы булевой 
алгебры.
Точность рассмотренных математических 
моделей [6-8] основана на результатах ста­
тистических данных многочисленных экспери­
ментов по продувке клапанов пневмоаппаратов 
и трубопроводов ранее широко известных кон­
струкций пневмоприводов.
Так как отечественные конструкции спор­
тивных тренажеров с пневмоприводом сущест­
вуют в единственном числе, а зарубежные 
аналоги не нашли широкого распространения 
в нашей стране из-за их дороговизны и узкой 
специфики применения, для создания матема­
тический модели пневмопривода спортивных 
тренажеров теоретические выкладки [6-8] не 
могут быть задействованы в полной мере.
Вестник БИТУ, № 2, 2009 59
Приборостроение. Информатика
Проанализировав известные методики [4-8] 
определения рабочих характеристик пневмо­
привода, было выявлено, что в теоретических 
исследованиях [6] применялась гиперболиче­
ская функция расхода воздуха без учета нали­
чия критического режима его течения в отли­
чие от теоретических исследований [4, 5], кото­
рые не требуют трудоемких многочисленных 
экспериментов по определению коэффициентов 
расхода пневмосопротивлений.
Поэтому в разработанной математической 
модели пневмопривода спортивных тренажеров 
заимствовано разбиение переходного процесса 
течения сжатого воздуха на два режима (докри- 
тический и надкритический). При этом опреде­
ляется момент перехода этих режимов при до­
стижении критического режима с учетом опе­
раторов булевой алгебры, которые применя­
лись также при определении переходных ре­
жимов впуска-выпуска сжатого воздуха через 
редуктор давления или иной пневмоаппарат 
следящего действия.
При проектировании описанных выше кон­
струкций тренажеров применялись два ва­
рианта расчетной схемы регулирования давле­
ния в силовых пневмоцилиндрах 7 (рис. 1), 
4 (рис. 2), 14 и 16 (рис. 4):
• традиционная система регулирования че­
рез редуктор давления 2 (рис. 5);
Рис. 5. Расчетная схема управляющей части пневмопри­
вода с традиционной схемой регулирования нагрузки: 
1 -  пневмоцилиндр; 2 -  редуктор давления
• запатентованная система [3], которая по­
зволяет обеспечить автоматическое регулиро­
вание нагрузки на спортивном тренажере через 
переменные пневмо дроссели 3, 4 в цикличе­
ском режиме или по определенному заданному 
закону (рис. 6).
В математической модели, с помощью ко­
торой определяются рабочие характеристики
пневматического привода и выбираются конст­
руктивные параметры элементов тренажера, 
применяется известная методика по расчету 
пневмоприводов в машиностроении [5] на ос­
нове дифференциальной формы характеристи­
ческого уравнения состояния
Vodp = RTdQ, (1)
где Vo -  текущий заполняемый объем в пневмо­
приводе тренажера, складывающийся из што­
ковой полости пневмоцилиндра и объемов тру­
бопроводов; dp -  приращение давления сжатого 
воздуха; R -  газовая постоянная; Т -  темпера­
тура сжатого воздуха; dQ -  приращение массы 
сжатого воздуха в пневмоприводе.
Рис. б. Расчетаая схема управляющей части пневмопри­
вода с запатентованной системой [3] регулирования на­
грузки: 1 -  пневмоцилиндр; 2 -  редуктор давления; 3, 4 -  
пневмодроссели
Реализация математической модели по оп­
ределению статических и динамических харак­
теристик пневмопривода осуществляется с по­
мощью элементов булевой алгебры в Excel или 
в MathCAD для итоговых уравнений заполне­
ния и опорожнения текущего объема Vo'.
V = VoP^hIRTG',
to = ln(p^lio/pцO)Vo/RTG,
(2)
(3)
где V и to -  время наполнения и опорожнения 
текущего объема до необходимого давления; 
РцН и рцО -  текущее значение давления сжатого 
воздуха в штоковой полости цилиндра при ее 
наполнении и опорожнении; рцЩ -  исходное 
значение давления сжатого воздуха перед опо­
рожнением штоковой полости цилиндра 1; G -  
расход сжатого воздуха через редуктор давле­
ния, трубопроводы (рис. 5, 6) и пневмодроссели 
3, 4 (рис. 6).
60 Вестник БИТУ, № 2, 2009
Приборостроение. Информатика
Уравнения расхода сжатого воздуха G со­
ставлялись по известной методике [4] с учетом 
скорости распространения звука в воздухе, 
а также значений газовой постоянной, давления 
в системе питания, коэффициента расхода, 
проходного сечения трубопроводов и редукто­
ров давления, а также с учетом характера тече­
ния сжатого воздуха по отногпению к критиче­
скому режиму его течения (р^ь^Ръ  ^ = 0,528). 
При этом расход воздуха через редуктор 
в пневмоцилиндр происходит с показателем по­
литропы, равным 1,4, в докритическом (p^Jp^i > 
> 0,528) и надкритическом турбулентных режи­
мах іршвіірш, < 0,528) на основе формул Сен- 
Венана и Ванцеля [9]:
ками, принципиальная схема которого приве­
дена на рис. 7.
Г
<^ 2 = (и / ’)э/^ в.
л
1- -
вых V ^вых у
2RT
; (4)
(5)
где G], G2 -  расход воздуха в докритическом и 
надкритическом режимах истечения; ( ц / ) э  -  эк­
вивалентное пневмосопротивление (произведе­
ние коэффициента расхода и плогцади проход­
ного сечения) редуктора и соединительного 
трубопровода (рис. 5), а также дросселей 3, 4 
(рис. 6); />вых, Рц -  текугцие значения давления 
на выходе из редуктора и в гптоковой полости 
пневмоцилиндра.
Задаюгцими нагрузку элементами разработан­
ной конструкции пневматического привода яв­
ляются редукторы 9-11 (рис. 1), 5 (рис. 2) и 4 
(рис. 4). Это пневматические аппараты с отрица­
тельной обратной связью [10], в которых следя- 
гцее действие обеспечивается за счет равновесия 
сил на их диафрагменно-клапанной системе.
Результаты расчетных характеристик пнев­
мопривода спортивного тренажера выявили 
некоторые недостатки упомянутых редукто­
ров -  сравнительно болыпой гистерезис стати­
ческой характеристики, значительные привод­
ные усилия на органах управления и плохое 
быстродействие срабатывания всего привода. 
Поэтому вместо традиционных конструкций 
редукторов давления была разработана ориги­
нальная конструкция пневматического следя- 
гцего элемента с улучгпенными характеристи­
Рис. 7. Принципиальная схема усовершенствованной 
конструкции пневмоаппарата следящего действия: 1, 2 
и 3, 5 -  соответственно неподвижные и подвижные пла­
стины из технической керамики; 4 -  тяга; 6 -  шток; 7 -  
поршень; 8 -  следящая пружина; 9 -  силовой пневмоци- 
линдр; Рп -  давления сжатого воздухе на входе в аппа­
рат и в штоковой полости силового пневмоцилиндра
Принцип действия такого пневмоаппарата 
основан на взаимном перемегцении подвижных 
пластин 3 и 5 относительно друг друга. За счет 
высокого качества обработки соприкасаюгцих- 
ся поверхностей этих пластин, выполненных из 
технической керамики, усилие перемегцения 
тяги 4 составляет не более ЮН, что удобно для 
ее дистанционного управления с помогцью тро­
са Баудена или электромагнита следягцего дей­
ствия. Поэтому такой пневмоаппарат может 
быть установлен непосредственно в гптоко­
вой полости силового цилиндра в отличие, на­
пример, от редуктора 4 (рис. 4), который сооб- 
гцается с силовым цилиндром 14 с помогцью 
удлиненного трубопровода. Это направлено 
на повыгпение бьгстродействггя срабатывания 
пневмопривода спортивного тренажера.
Процесс слежения изменения давленггя р^ 
в гптоковой полости силового цилиггдра от пе- 
ремегценггя тяги 4 обеспечивается при усло­
вии достижения равновесия сил, действую- 
гцггх с двух сторон на поргпень 7 пневмоаппа­
рата (рис. 7), когда прекрагцается движение 
гптока 6.
На основе такого же принципа устроена 
конструкция любого из электропневматггческих 
дросселей 3, 4 (рис. 6). Принципиальная схема 
(рис. 8) уггравляюгцей части пневмопривода 
с запатентованной системой [3] регулирования 
нагрузки упростится, а быстродействие сраба­
тывания самого пневмопривода улучгпится, что 
необходимо для оперативного и комфортного
Вестник БИТУ, № 2, 2009 61
Приборостроение. Информатика
выполнения упражнении на спортивных трена­
жерах.
Рис. 8. Принципиальная схема электроуправляемых дрос­
селей: 1 -  дроссель впуска; 2 -  то же выпуска; 3, 4 -  не­
подвижные пластины из технической керамики; 5 -  тяга; 
6 -  электромагниты следящего действия; 7 -  капилляр­
ные каналы; 8 -  штуцеры; 9 -  силовой пневмоцилиндр; 
Рвх и />ц -  давления сжатого воздухе на входе в дроссель 1 
и в штоковой полости силового пневмоцилиндра; -  
атмосферное давление на выпуске из дросселя 2
В Ы В О Д Ы
1. Для повышения управления возникаю­
щими быстротечными изменениями векторов 
скорости и усилий, создаваемых на спортивных 
тренажерах профессиональной направленности, 
предлагается применять следящий пневматиче­
ский привод, в частности для тренировки тяже­
лоатлетов, армрестлингистов и атлетов, зани­
мающихся пауэрлифтингом или силовым трое­
борьем.
2. При проектировании новых конструкций 
спортивных тренажеров с пневматическим 
приводом необходимо выбирать технические 
схемы и средства, направленные не только на 
повышение спортивного мастерства, но и на 
снижение травматизма и повышение комфорт­
ности выполнения упражнений.
3. Для повышения эффективности участия 
тренера в тренировочном процессе, а также для 
обеспечения этого процесса по заданной про­
грамме предлагается применение запатенто­
ванной схемы (рис. 6 [3]) регулирования давле­
ния сжатого воздуха в силовом цилиндре.
4. Снижение усилий на органах управления 
пневматическим приводом, а также дистанци­
онное регулирование давления сжатого воздуха 
в силовом цилиндре могут быть обеспечены за 
счет применения новых конструкций пневмо­
аппаратов (рис. 7, 8).
5. На основе дифференциальной формы ха­
рактеристического уравнения состояния (1) оп­
ределяется время заполнения и опорожнения 
штоковой части силового цилиндра пневмати­
ческого привода спортивного тренажера. При 
этом удобнее всего расход воздуха принимать с 
показателем политропы 1,4 в докритическом и 
надкритическом турбулентных режимах тече­
ния воздуха через местные сопротивления. 
Причем переход критического режима такого 
течения при моделировании рекомендуется от­
слеживать с помощью элементов булевой ал­
гебры, реализуемых в электронных таблицах 
или численными методами на базе MathCAD.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Павлович, А. Э. Армрестлинг: человек против ма­
шины. Инновации и здоровый образ жизни / А. Э. Павло­
вич, И. В. Качанов, А. А. Шелег // Беларуская думка. -  
2008.- № 3 .- С . 100-103.
2. Устройство для тренировки армрестлеров: пат. 
2580U Респ. Беларусь, МИК А63В 21/00, приоритет 
13.07.2005, опубл. 30.04.2006 // И. В. Качанов, И. В. Бель­
ский, А. Э. Павлович, А. А. Шелег.
3. Способ регулирования силовой нагрузки на спор­
тивном тренажере: пат. 10565С1 Респ. Беларусь, МИК 
А63В 21/008, приоритет 30.11.2005, опубл. 30.08.2007 //
A. А. Шелег.
4. Хользунов, А. Г. Основы расчета пневматических 
приводов / А. Г. Хользунов. -М .: Машгиз, 1959.
5. Герц, Е. В. Расчет пневмопривода / Е. В. Герц, 
Г. В. Крейнин. -М .: Машиностроение, 1975.
6. Мет люк, Н. Ф. Динамика пневматических и гид­
равлических приводов автомобилей / И. Ф. Метлюк, В. И. Ав­
тушко. -М .: Машиностроение, 1980.
7. Павлович, А. Э. Улучшение характеристик пнев­
матического тормозного привода прицепных МТА путем 
совершенствования пневмоаппаратов: автореф. ... дис. 
канд. техн. наук / А. Э. Павлович. -  Минск: Белорусский 
политехнический институт, 1985.
8. Гиль, С. В. Динамика следящих пневматических 
аппаратов мобильных машин: автореф. ... дис. канд. техн. 
наук / С. В. Гиль. -  Минск: Белорусская государствен­
ная политехническая академия, 2000.
9. Погорелов, В. И. Газодинамические расчеты пнев­
матических приборов / В. И. Погорелов. -  Л.: Мапш- 
ностроение, 1971.
10. Дмитриев, В. П  Основы пневмоавтоматики /
B. И. Дмитриев, В. Г. Градецкий. -  М.: Машиностроение, 
1973.
Поступила 11.11.2008
62 Вестник БИТУ, № 2, 2009