转阀控制式造波实验台的设计与实验

李 硕， 刘 毅， 王 涛， 蒋 澎

(1.安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南 232001；2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100)

0 引 言

目前进行波浪模拟教学与研究，船舶水动力性能研究以及海岸工程海洋工程等领域的研究越来越受到重视[1]，其中造波仪器在各种研究与教学中都处于十分重要的位置[2]。造波机由控制系统、驱动系统和推波板等组成，在控制系统的作用下，驱动系统带动推波板按照一定的规律运动，推波板推动水体，进而形成各种形式的模拟水波浪，用于研究波浪对行船、码头、及堤坝等水中建筑物的作用[3-4]。由于水池中的实验需要动用大型设备和较多的实验人员，导致波浪生成研究能耗大，用时长，效率低，不方便进行研究和实验[5-6]。因此,如何建立控制简单的造波试验台是解决上述问题的关键。

本文基于电液转阀控制技术[7-10]设计了一种推板和摇板造波集成的液压造波平台[11]，并根据造波机设计参数的实验要求，设计了造波机构以及液压系统，完成了试验台的液压元件的设计和选型，并成功搭建了液压造波实验平台，用于水动力学研究与教学。

1 实验台的工作原理

1.1 造波机械结构原理

造波机构在水槽宽0.6 m、高0.9 m、长12 m的水槽中工作，因此造波板设计尺寸为长1.1 m、宽0.6 m，并设计与其配合使用的连杆滑块等。本试验台造波机械结构可分别作为遥板造波和推板造波使用。如图1所示，当滑块1固定，液压缸4往复运动带动滑块2在导轨3上移动，滑块2通过连杆5、6以及铰链连接带动造波板7绕连杆7、8交点处的轴承做摇摆运动，达到摇板造波目的。当滑块1与滑块2固定连接后，液压缸4往复运动时，滑块1与滑块2同时运动，由于连杆5、8都是与滑块固连，因此此时造波板7在水平方向往复推进运动，达到推板造波目的。

1,2-滑块,3-导轨,4-液压缸,5、6、8-连杆,7-造波板

1.2 转阀控制式液压系统的原理

在造波过程中，由于液压缸要频繁地换向,因此使用转阀来控制，这样能更好地控制换向的频率和幅度，使得造出的波浪达到预期的效果。

由变量柱塞泵5和比例溢流阀4组成可调压的液压系统能源装置，电液溢流阀14作为安全阀，高压油液通过转阀9控制驱动液压缸工作，其中转阀左端为混合式轴向步进电动机12通过控制阀口的开口大小来控制流量，右端为伺服电动机8通过控制阀芯的旋转达到换向的目的，液压造波系统的工作原理图如图2所示。

1-主油箱,2-高压球阀,3-过滤器,4-比例溢流阀,5-变量柱塞泵,6-电动机,7-单向阀,8-伺服电动机,9-转阀,10-液压缸,11-造波板,12-轴向步进电动机,13-蓄能瓶,14-电磁溢流阀,15-风冷却器,16-叶片泵

图2 液压系统原理图

1.3 线性造波的理论

目前，线性造波理论广泛应用于波浪水槽中。规则波浪的振幅ai取决于造波机的不同造波形式的传递函数。波浪模拟实验的水动力传递模型如图3所示。假设水的深度为d，距水槽底部d1和d2处的造波板振幅分别是e1、e2，e为水面处的振幅。k为波数，k与波的角速度ω满足弥散公式：ω2=gktanhkd，且ω=2πfi，fi为造波板的工作频率，即液压缸的工作频率。由势流理论可知，即在不同阶段，波浪的波幅ai与造波板振幅e的关系为：

(1)

图3 水力传递模型

对于推板式造波机，

e1=e2=e,d1=d,d2=0

则：

(2)

对于摇板式造波机,

e1=e,e2=0,d1=d,d2=0

则：

(3)

本实验台水槽高0.9 m，水深设定为0.5 m。根据弥散公式，波数k和T的计算值如表1所示。

2 实验台元件设计和选型

现拟定推板造波实验目标波高为60 mm，摇板造波实验实验目标波高为30 mm。

试验台设计理论目标波幅ai所对应的造波板振幅e，根据公式Ti=ai/e，以及表1中数据，得出在d=0.5 m不同频率下的数据如表2所示。

表1 水利传递关系对应参数

表2 波幅ai与e的数值对应表

为满足实验目标波高，推波板振幅e满足0～100 mm即行程200 mm；需要造波板运动频率0～3 Hz；造波板运动速度0～0.4 m/s,工作推力达到0～10 kN，工作压力0～18 MPa。

2.1 转阀的设计

转阀作为一种实现油路状态改变或者调节流量的控制阀，具有换向灵敏、可靠度高的特点[12]。

图4展示了电液转阀的油路换向原理。图4(a)所示为电液转阀阀芯Ⅰ、Ⅲ台肩的阀口处于开启状态，Ⅱ、Ⅳ台肩的阀口处于关闭状态，油液由P口流向B口，A口流向T口，进而推动液压缸活塞杆水平直线运动；图4(b)当阀芯旋转90°时，电液转阀阀芯Ⅰ、Ⅲ台肩的阀口关闭，Ⅱ、Ⅳ台肩的阀口开启，油液由P口流向A口，B口流向T口，此时液压缸反方向运动。再让阀芯旋转90°，阀芯台肩Ⅰ、Ⅲ的节流口又逐渐打开，阀芯台肩Ⅱ、Ⅳ的节流口逐渐关闭，回至图4(a)状态。阀芯的连续旋转，使得油液的油路不断换向，推动液压缸往回运动。

(a) 转阀的工作位置Ⅰ

(b) 转阀的工作位置Ⅱ

造波板的运动频率,即液压缸的运动频率由转阀控制，频率计算公式：

(4)

式中:f为转阀频率；m为阀芯旋转1周，阀芯与阀套窗口沟通的次数；n为阀芯的转速,r/min。

本实验台造波板的运动频率为0～3 Hz，设计中取m=2，则n的取值范围为0～90 r/min。选择型号为ECMA-C20604R8的伺服电动机，其转速为0～3 000 r/min满足要求。阀口轴向导通宽度由轴向位移控制，轴向位移由混合式直线步进电动机控制，选择型号为57M42-12-002的步进电动机，最小步进位移0.05 mm满足精度要求。

图5展示了本实验设计的转阀，其主要设计参数如表3所示。转阀的阀芯旋转1周，液压缸实现2次往复运动，这样即使当电动机转速很低的情况下，也能满足实验要求。在其两端各有伺服电动机和步进电动机(见表3)分别控制阀芯的旋转和左右移动，以此来控制液压缸的往复运动和流量的大小。电液转阀的阀芯的开口和阀套开口互相对应，都有4个台肩，每个台肩上对称分布2个开口，且阀芯上的两个相邻台肩的阀口呈90°分布。当交流伺服电动机驱动阀芯连续旋转时，电液转阀的阀口过流面积发生周期性的变化，使得油液的方向不停的发生改变、从而使得液压缸的频率可控可调。

图5 转阀的三维设计图

元件型号规格元件型号规格比例溢流阀DBE10-30B/315XY电磁溢流阀DBW10B1-5X/315UG24Z5L油箱EXD-250A风冷却器DT-3过滤器TF-160X180L-Y工控机DVP-06XA

2.2 液压缸的选型

由造波机构机械结构可知，推板式比摇版式造波推动的水多，所需驱动力更大，因此采取推板式造波时推板所需的驱动力来作为设计条件，设计条件参考造波机设计参数[13-15]。

由于实验产生规则波，因此采用双作用活塞杆缸，选择型号为CKM20-40-28-28-200-N04-V-WL的ATOS液压缸，其缸径40 mm，活塞杆直径28 mm，行程200 mm，并带有MTS(EHK0100MD34001)位移传感器。液压缸的最大推力达到10 kN,满足实验要求，自带的位移传感器便于数据采集。

2.3 液压泵与电动机的选型

根据实验所要达到的要求，造波板运动频率为0～3 Hz，造波板运动行程0～200 mm，液压缸速度为0～0.4 m/s,此时推动液压缸所需流量为

(5)

式中:Q为流量；v为液压缸运动速度；D为缸径,40 mm；d为活塞杆直径,28 mm。

瞬时最大流量一般为平均流量的2倍，取最大流量为32 L/min，根据系统所需压力及流量要求和系统工作特性的要求，液压泵选用Rexroth的轴向变量柱塞泵型号：A10VSO28DR/31R-PPA12N00，其最大输出流量为40 L/min，满足为系统提供稳定的恒压源的要求，采用溢流阀调节工作压力。

本实验台工作时常用工作压力不超过18 MPa。常用输出功率：

(6)

式中:Np为泵输出功率；p为最大系统工作压力；Q为最大流量。

电机的输出功率:

(7)

式中:NE为电机输出功率；Np为泵输出功率；ηp泵的总效率，对于此液压泵为0.9。

根据计算结果，选择电动机型号为ABB公司的M2QA-160M4A。电动机额定功率为11 kW,满足实验要求。

2.4 液压管路尺寸的确定

油管的计算主要是确定油管内径和管壁的厚度。油管内径的计算公式为

(8)

式中：d为油管内径；q为通过油管的流量；v为油管中推荐的流速，吸油管取0.5～1.5 m/s，压油管取2.5～5 m/s，回油管取1.5～2.5 m/s。

本实验台最大流量为32 L/min,油管中流速为0～0.4 m/s，选取内径大于12 mm即满足要求。考虑到工作压力为0～18 MPa的要求，选用内径为22 mm，外径为35 mm的标准规格的橡胶管,其一般工作压力为22 MPa满足实验要求。

2.5 其他元件的选择

根据液压系统原理图以及系统的工况，其他液压元件的型号与参数列于表4中。

表4 不同油压下的波高数据 mm

3 造波实验

3.1 实验台布置

根据液压系统的设计，将电动机、柱塞泵、比例阀等液压元件集成在液压泵站平台，并将计算机与PLC控制系统连接起来，使得控制实验能够更简易的操作。图6所示为转阀式液压造波实验台实物。

3.2 实验台测试

启动试验台，调节转阀的开口和频率，进行造波实验。不同油压、阀芯开口、频率下的波高数据由YWH200-DXX数字波高仪采得，图7所示为波高仪采得数据，波高仪采集的数据直接传送给电脑，再进行数据处理。

图7 波高仪的波高数据

3.3 实验结果分析

采集波高仪的数据，由于波浪不稳定的特性，使得在同样的实验条件下，所采的波高数据会有所偏差，多组数据取平均值来作为来作为实验结果。

推板造波时，在保持水深为0.5 m、转阀阀口开度为2.0 mm、供油压力为1 MPa的情况下，转阀控制液压缸的频率达到1.0、1.2、1.4 Hz,采集到的实验波高数据分别为64.2、53.3、38.4 mm(见表5),达到了推板式造波实验目标波高60 mm的要求。摇板造波时，在保持水深为0.5 m、转阀阀口开度为2.0 mm、供油压力分别为1 MPa的情况下，转阀频率达到1.0、1.2、1.5 Hz。采集实验波高数据分别为30.7、33.3、30 mm(见表6),达到了实验目标波高30 mm的要求。这几组数据虽与表2中的理论数据有所出入，但都基本相符。从表中可以得出，波高随着油压的增大而增大；实验的变量参数阀芯开口Xv越大，产生的波高越高，且在阀口开口较小时波高变化的越明显；转阀频率f越大，波高越小。

表5 推板式造波实验数据表

表6 摇板式造波实验数据表

4 结 语

本文设计了一种控制简单、实验方便，并实现推板与摇板两种造波形式集成于一体的液压造波实验平台，在基于电液转阀控制技术基础上，完成了本实验平台的造波机构和液压系统的设计以及液压元件的设计工作，并成功完成液压实验平台的搭建，模拟了造波实验。实验结果分析表明：在相同条件下，推板造波高度效果比摇板造波更好；波高随着油压的增大而增大；随着阀口的增大，波高也随之增大，并且在阀芯开口较小时，波高变化越明显；波高随着频率的递增而减小。上述结果表明,该实验平台能够较好地完成造波实验，易于控制变量参数及数据采集，能够为学生实验和教学示范，以及进一步的水动力学实验研究提供较好的实验平台。