推板式造波機的機械結構設計

李學兵

(遼寧軌道交通職業學院 數控工程系，遼寧 沈陽 110023)

0 引言

波浪，是一種非常普遍的自然現象，對航海有著重要的影響，不管是建設海港、制造船舶，還是進行海洋資源的開發，都要去研究波浪。為了能更好地研究波浪，國內外的很多專家學者早就開始了對造波機的研究開發工作，目前已經有了多種形式的造波機問世，并被應用于實際中。最早出現的造波機使用了曲柄連桿結構，這種造波機結構簡單，成本低廉，功能也相對簡單，只能造出普通的規則波。隨著液壓技術的發展，人們開始將液壓系統應用于造波機，這樣一來，能產生不規則波的造波機出現了。1957年，荷蘭瓦格寧根大學設計制造的世界上第一座耐波性水池正式投入使用。同一年，英國人設計了使用沖箱式造波機的實驗室，能夠模擬長峰規則波和不規則波。美國人在1958年建造的泰勒矩形水池使用了空氣式造波機。20世紀90年代以后，國內外造波技術的研究進入了一個全新的領域，本文研究的是一種推板式造波機的機械結構設計。

1 推板式造波機設計參數的計算

造波機設計中所需要的基本參數有最大行程、最大速率、最大負載和最大功率。

計算造波機的設計參數需要明確以下初始參數：水深h(范圍數據)，波的周期T(范圍數據)，推波板寬度d，推波板運動機構的初設質量m。

課題設計的要求如下：①工作環境：實驗室，水槽的基本尺寸為寬0.7 m、高1.4 m、長約3 m，造波機工作最大水深0.6 m；②試驗擬造波：最大波高0.4 m，周期0.6 s～2.2 s。

因水槽寬度為0.7 m，所以用一個單元板就可以完成，取單元板寬l=0.50 m(考慮到造波機與水槽的間隙)，造波機模塊的運動結構質量m=250 kg。參照前人計算方法，計算時將水深h、周期T按一定范圍劃分以方便計算。

最終確定的參數如下：

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 推波板最大行程的計算

根據式(1)可以計算出不同的水深、周期下的最大波高Hmax：

Hmax=0.142λtanh(kh).

(1)

其中：k為波數,即k=2π/λ；h為波槽水深；λ為波長,λ=(gT2/2π)×tanh(kh),g為重力加速度。

計算結果如表1所示。考慮設計要求,取Hmax=44.94 cm能滿足課題要求。

表1 各種水深周期下的波高Hmax cm

波高H與推波板行程S之比為：

(2)

根據表1和式(2),能夠計算出不同周期、不同水深條件下推波板的最大行程，如表2所示。

表2 各種水深周期和波高下推波板的最大行程Smax cm

1.2 推波板最大運動速度的計算

根據式(3)可以計算出推波板的最大運動速度：

(3)

其中:ω為波浪的圓頻率,ω=2π/T。根據式(3)計算出推波板的最大運動速度，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 造波板最大負載力的計算

由于造波機是采用伺服電機驅動滾珠絲杠帶動推波板的往復直線運動，所以該摩擦阻力可以近似為0,利用勢函數理論計算造波機負載力：

(4)

將位移、加速度代入式(4)得：

(5)

其中：l為推波板的寬度，l=50cm；mA和DA為中間變量。mA和DA可由式(6)、式(7)和式(8)確定：

ω2+kngtan(knh)=0.

(6)

(7)

(8)

其中：ρ為水密度;kn為中間變量。

根據式(5)計算，得到各種水深、周期下推波板最大推力，如表4所示。

1.4 造波機最大功率的計算

因為推力為：

那么功率為：

P(t)=F(t)·v(t).

即：

(9)

由式(9)可計算出各種水深、周期下的推波板最大功率Pmax，如表5所示。

表4 各種水深、周期下的推波板最大推力Fmax N

表5 各種水深、周期下的推波板最大功率Pmax W

1.5 造波機設計參數的確定

根據上述計算，取整之后確定的設計參數如下：

推波板的最大行程Smax=0.7 m；推波板的最大運動速度vmax=0.8 m/s；造波板最大負載力Fmax=5 000 N；造波機最大功率Pmax=3 000 W。

2 總體方案設計

本文研究的是推板式水槽造波機，該造波機主要由機械系統(機械機構、驅動系統、推波板)及控制系統組成。推波板的直線往復運動是由交流伺服電機軸的轉動帶動滾珠絲杠旋轉,通過絲杠的螺母變為直線運動，利用SolidWorks軟件建模，其總體結構如圖1所示。

3 造波機推波板的設計

推波板是造波過程中主要依靠的零件，波浪的產生主要靠推波板的往復運動。根據課題要求(水槽寬0.7 m，深1.4 m)，還有模塊化的設計思路，將推波板的尺寸定為高1.0 m、寬0.50 m、厚度為0.008 m(8 mm)。考慮到推波板的工作環境(水槽)，推波板材料選不銹鋼，牌號為0Cr18，其抗拉強度≥520 MPa，硬度≤187HBS。推波板受到波浪的推力可以當做均布力來處理，然后用SolidWorks軟件進行有限元分析，推波板位移分析結果如圖2所示,應力分析報告如圖3所示。

由圖3可知，最大應力為2.22×104Pa，遠小于材料的許用應力，符合設計的要求。

1-底板；2-交流伺服電機；3-聯軸器；4-支撐座裝置；5-滾珠絲杠;6-U型梁;7-螺母;8-滑臺機構；9-滑臺支架;10-推波板;11-推波板支架

圖2 推波板的位移云圖

4 結論

作為產生人工波浪的重要裝置，造波機在船舶的設計制造、海洋平臺的設計等領域扮演著重要角色。本文主要是對造波機的機械結構進行設計探究，并對重要部件進行設計校核，以便設計出能夠應用在實驗室中的造波機，從而能在實驗水池中制造出各種波形的波浪，為在建設海港、設計船舶之前，在實驗室內進行模擬，得到可靠的實驗數據，依據這些數據深入分析，可以更好地保證實際項目的工程質量。

圖3 推波板的有限元應力分析報告