推板式造波机的机械结构设计

张建巧，罗兆伟，孙 旋

（邢台职业技术学院，河北 邢台054000）

造波机作为一种重要的实验室装置，能够根据目标人物生成符合要求的波浪，包含规则波、不规则波、二维波、三维波以及有特殊要求的波，在船舶、港口、海岸及海洋工程等领域占有重要的位置。

1 推板式造波机机械机构设计总体方案

1.1 造波机及推板式造波机生成波浪的原理简述

目前，世界范围内对造波机的分类方式拥有多种标准，但业内人士通常根据造波机的驱动方式，将之分为电机驱动、液压驱动、气压驱动共三种类型。如果按照造波机与水体互相作用的实际情况进行分类，造波机可被分为气压式造波机与机械式造波机两个大类。一般来说，气压式造波机的工作原理是通过改变空气压力的方式，迫使水体形态发生变化，从而产生波浪。但此种方式由于空气压缩性变化范围不够稳定，因此生成波浪的精度不足，且无法承受超出一定范围的负载。因此，只能应用于低负载的实验。机械式造波机的工作原理为经过系统性、机械性的设计之后，将一部分机械部件设置成“可动”状态之后，通过该类机械部件的运动使水体状态发生变化，进而产生波浪。属于机械式造波机的主流类别为摇摆式造波机、推板式造波机、冲箱式造波机、转筒式造波机。其中，推板式造波机的工作原理为引入造波板，将之放置在特定的机械结构及直线导轨中，通过计算机进行远端智能控制，当机械机构发生变动时，造波板也会沿着直线导轨进行周而复始的运动，从而周期性地形成波浪。在此过程中，造波板在每个周期中能够行进的最大距离和运行的速度，是决定波浪最大高度的主要因素，而造波板完整行进一个周期的时间（即造波板的运动频率），从根本上决定波浪的生成时间。

1.2 推板式造波机总体机械结构设计

水槽推板式造波机是推板式造波机中的一种常见类型。一般情况下，水槽推板式造波机的总体机械结构设计方案应该满足如下条件：①完整的机械系统。包含机械结构（使造/推波板有序行进的系机械系统，包含导轨及其他材料、设备）、动力驱动系统（使推板式造波机自动运转的装置，可外接）、控制系统（计算机总控端，设计人员将有关参数确认完毕之后，将之编写成智能控制程序，之后根据实验目标或其他任务的特定需求，对推波板的形成、速度等进行设定）。上述三项内容为水槽推波板式造波机的核心架构，少了任何一项，造波机都不可能正常开展工作。②推波板造波机必须依赖推波板进行往复式的直线运动而产生波浪，因此推波板造波机的机械机构中必须含有交流伺服电机轴。此种装置的存在目的是，能够在自身转动的过程中，带动滚珠丝杠进行旋转，在丝杠螺母的作用下，使推波板维持反复的直线运动。根据SolidWorks 软件进行建模分析后发现，完整的推波板造波机总体机械结构应该包含如下装置：地板、交流伺服电机、联轴器、支撑座装置、滚珠丝杠、U 形梁、螺母、滑台机构、滑台支架、推波板、推波板支承系统（如果是简单的结构，只需设置简易的支架即可）[1]。

2 推板式造波机机械结构参数的计算确认

上文所述的内容可以被划分为“硬件部分”，若要使其正常开展工作，还需要对“软件部分”——有关参数进行测算。笔者对推板式造波机进行设计时，按照以下参数进行：水槽的总长度达到3 m，宽度和高度分别为0.7 m 和1.4 m；造波机所有系统的整体工作最大水深为0.6 m。实验要求在推板式造波机的作用下，形成波浪的最大波高应该围0.4 m，最小波浪周期为0.6 s，最大周期为2.2 s。本文选用了0Crl8不锈钢材料制成的推波板，其宽度为0.5 m，因此可以将单元板宽l取值为0.5 m；经过称量，造波机机械新系统中进行往复直线运动的结构总体质量m为250 kg。因此，可供计算的参数如下：作业深度h可以从0.2 m 开始逐渐深入（每次增加0.1 m），最大深度为0.6 m；运动周期T从0.6 s 开始逐渐增加（每次增加0.2 s），最大周期为2.2 s，l=0.5 m，m=250 kg。

2.1 推波板最大行程的计算过程简述

在推波板作用下形成的波浪，其最大波高Bmax与作业深度h的关系满足Bmax=kh的关系。其中k为波数，具体数值可以通过2π/λ进行计算。其中λ表示波长，与重力加速度g、周期、作业深度的关系为：

经过代入转化计算之后，能够得出最大波高Bmax=0.142λtanh，代入实际数值，得出Bmax≈45 cm，符合实验要求。波高B与推波板行程S之间的关系为：

代入计算后可知：当周期T为0.6 s、作业水深为0.2 m时，最大行程为4.3 m；保持周期不变，作业深度提升至0.6 m 时，最大行程为3.99 m。当周期T为2.2 s，作业水深为0.2 m 时，最大行程为40.22 m；当作业水深为0.4 m 时，最大行程为52.24 m；作业水深达到0.6 m 时，最大行程可达58.72 m[2]。

2.2 推波板最大运动速度的计算过程简述

推波板最大运动速度Vmax与波浪的圆频率ω之间的关系为Vmax=ωS/2，将ω=2π/T代入计算之后，得出推波板的最大移动速度如下：当周期T为0.6 s、作业深度为0.2 m 时，推波板最大移动速度Vmax=0.225 3 m/s；相同周期下，作业深度达到0.6 m 时，最大移动速度Vmax=0.208 8 m/s；当周期T为2.2 s、作业深度为0.6 m 时，推波板最大运动速度Vmax=0.574 1 m/s；保持周期不变，加深作业深度至0.6 m，推波板最大移动速度Vmax可达0.838 1 m/s。

2.3 造波板承受的最大负载力计算过程简述

推板式造波机在工作过程中，位移X、速度X1、加速度A分别满足如下规律：X=Ssinωt/2，X1=ωScosωt/2，A=ω2Ssinωt/2。如前文所述，由于交流伺服电机轴的存在，通过驱动滚珠丝杠的方式为推波板提供动力。在此种模式下，摩擦阻力可以忽略不计。根据势函数理论可以得出，造波板承受的负载力与其他参数之间的关系为：

变换计算后可以得出：

公式（3）中的DA、mA可视为中间变量，代入作业环境下水的密度进行计算后可以得出：当周期T为0.6 s、作业深度为0.2 m 时，造波板承受的最大负载力为536.2 N；保持周期不变，将深度提升至0.4 m 时，造波板承受的最大负载力为569.3 N；深度提升至0.6 m 时，造波板承受的最大负载力上升至进600 N。当周期T为1.6 s、作业水深为0.2 m时，最大负载力为542.4 N；保持周期不变，作业深度为0.4 m 时，最大负载力为1 047.5 N；作业水深为0.6 m，最大负载力为2 684.8 N。当周期增加至最大值，达到2.2 s 且作业深度达到0.6 m 时，最大负载力达到2 785.6 N。

2.4 推板式造波机最大功率计算过程简述

推板式造波机的最大功率P（t）=F（t）·v（t），代入上文提到的公式（4），经过变换后得出：

经过计算后得到：周期为0.6 s、作业深度为0.2 m，造波机最大功率为96.2 W；保持周期不变，提升作业深度至0.4 m，最大功率为115.3 W；提升作业深度至0.6 m，最大功率可达134.5 W。将周期提升至1.6 s，作业深度保持在0.2 m，最大功率可达251.3 W；保持周期不变，深度提升至0.4 m，最大功率可达1 076.5 W；深度提升至0.6 m，最大功率可达1 743.6 W。将周期提升至2.2 s，作业深度保持在0.2 m，最大功率可达356.6 W；保持周期不变，深度提升至0.4 m，最大功率可达1 437.2 W；深度提升至0.6 m，最大功率可达27 85.6 W。

3 结语

自20 世纪90 年代之后，造波机已经逐渐实现了完全的计算机控制。随着技术的不断发展，只需围绕推波板的最大行程、推波板的最大运行速度、推板式造波机的最大功率、造波板承受的最大负载力等参数等进行精确计算，并将精确参数输入计算机控制程序中，推板式造波机核心机械结构的运行框架即可被视为成功搭建，之后将其他材料设备按部就班地完成安装，方可投入使用。