推板式造波机的机械结构设计

李学兵

(辽宁轨道交通职业学院 数控工程系，辽宁 沈阳 110023)

0 引言

波浪，是一种非常普遍的自然现象，对航海有着重要的影响，不管是建设海港、制造船舶，还是进行海洋资源的开发，都要去研究波浪。为了能更好地研究波浪，国内外的很多专家学者早就开始了对造波机的研究开发工作，目前已经有了多种形式的造波机问世，并被应用于实际中。最早出现的造波机使用了曲柄连杆结构，这种造波机结构简单，成本低廉，功能也相对简单，只能造出普通的规则波。随着液压技术的发展，人们开始将液压系统应用于造波机，这样一来，能产生不规则波的造波机出现了。1957年，荷兰瓦格宁根大学设计制造的世界上第一座耐波性水池正式投入使用。同一年，英国人设计了使用冲箱式造波机的实验室，能够模拟长峰规则波和不规则波。美国人在1958年建造的泰勒矩形水池使用了空气式造波机。20世纪90年代以后，国内外造波技术的研究进入了一个全新的领域，本文研究的是一种推板式造波机的机械结构设计。

1 推板式造波机设计参数的计算

造波机设计中所需要的基本参数有最大行程、最大速率、最大负载和最大功率。

计算造波机的设计参数需要明确以下初始参数：水深h(范围数据)，波的周期T(范围数据)，推波板宽度d，推波板运动机构的初设质量m。

课题设计的要求如下：①工作环境：实验室，水槽的基本尺寸为宽0.7 m、高1.4 m、长约3 m，造波机工作最大水深0.6 m；②试验拟造波：最大波高0.4 m，周期0.6 s～2.2 s。

因水槽宽度为0.7 m，所以用一个单元板就可以完成，取单元板宽l=0.50 m(考虑到造波机与水槽的间隙)，造波机模块的运动结构质量m=250 kg。参照前人计算方法，计算时将水深h、周期T按一定范围划分以方便计算。

最终确定的参数如下：

h=0.2，0.3，0.4，0.5，0.6(m)；

T=0.6，0.8，1.0，1.2，1.5，1.8，2，2.2(s)；

l=0.50 m；

m=250 kg。

1.1 推波板最大行程的计算

根据式(1)可以计算出不同的水深、周期下的最大波高Hmax：

Hmax=0.142λtanh(kh).

(1)

其中：k为波数,即k=2π/λ；h为波槽水深；λ为波长,λ=(gT2/2π)×tanh(kh),g为重力加速度。

计算结果如表1所示。考虑设计要求,取Hmax=44.94 cm能满足课题要求。

表1 各种水深周期下的波高Hmax cm

波高H与推波板行程S之比为：

(2)

根据表1和式(2),能够计算出不同周期、不同水深条件下推波板的最大行程，如表2所示。

表2 各种水深周期和波高下推波板的最大行程Smax cm

1.2 推波板最大运动速度的计算

根据式(3)可以计算出推波板的最大运动速度：

(3)

其中:ω为波浪的圆频率,ω=2π/T。根据式(3)计算出推波板的最大运动速度，如表3所示。

表3 不同水深周期下推波板的最大速度vmax cm/s

1.3 造波板最大负载力的计算

由于造波机是采用伺服电机驱动滚珠丝杠带动推波板的往复直线运动，所以该摩擦阻力可以近似为0,利用势函数理论计算造波机负载力：

(4)

将位移、加速度代入式(4)得：

(5)

其中：l为推波板的宽度，l=50cm；mA和DA为中间变量。mA和DA可由式(6)、式(7)和式(8)确定：

ω2+kngtan(knh)=0.

(6)

(7)

(8)

其中：ρ为水密度;kn为中间变量。

根据式(5)计算，得到各种水深、周期下推波板最大推力，如表4所示。

1.4 造波机最大功率的计算

因为推力为：

那么功率为：

P(t)=F(t)·v(t).

即：

(9)

由式(9)可计算出各种水深、周期下的推波板最大功率Pmax，如表5所示。

表4 各种水深、周期下的推波板最大推力Fmax N

表5 各种水深、周期下的推波板最大功率Pmax W

1.5 造波机设计参数的确定

根据上述计算，取整之后确定的设计参数如下：

推波板的最大行程Smax=0.7 m；推波板的最大运动速度vmax=0.8 m/s；造波板最大负载力Fmax=5 000 N；造波机最大功率Pmax=3 000 W。

2 总体方案设计

本文研究的是推板式水槽造波机，该造波机主要由机械系统(机械机构、驱动系统、推波板)及控制系统组成。推波板的直线往复运动是由交流伺服电机轴的转动带动滚珠丝杠旋转,通过丝杠的螺母变为直线运动，利用SolidWorks软件建模，其总体结构如图1所示。

3 造波机推波板的设计

推波板是造波过程中主要依靠的零件，波浪的产生主要靠推波板的往复运动。根据课题要求(水槽宽0.7 m，深1.4 m)，还有模块化的设计思路，将推波板的尺寸定为高1.0 m、宽0.50 m、厚度为0.008 m(8 mm)。考虑到推波板的工作环境(水槽)，推波板材料选不锈钢，牌号为0Cr18，其抗拉强度≥520 MPa，硬度≤187HBS。推波板受到波浪的推力可以当做均布力来处理，然后用SolidWorks软件进行有限元分析，推波板位移分析结果如图2所示,应力分析报告如图3所示。

由图3可知，最大应力为2.22×104Pa，远小于材料的许用应力，符合设计的要求。

1-底板；2-交流伺服电机；3-联轴器；4-支撑座装置；5-滚珠丝杠;6-U型梁;7-螺母;8-滑台机构；9-滑台支架;10-推波板;11-推波板支架

图2 推波板的位移云图

4 结论

作为产生人工波浪的重要装置，造波机在船舶的设计制造、海洋平台的设计等领域扮演着重要角色。本文主要是对造波机的机械结构进行设计探究，并对重要部件进行设计校核，以便设计出能够应用在实验室中的造波机，从而能在实验水池中制造出各种波形的波浪，为在建设海港、设计船舶之前，在实验室内进行模拟，得到可靠的实验数据，依据这些数据深入分析，可以更好地保证实际项目的工程质量。

图3 推波板的有限元应力分析报告