推板式造波機的機械結構設計

張建巧，羅兆偉，孫 旋

（邢臺職業技術學院，河北 邢臺054000）

造波機作為一種重要的實驗室裝置，能夠根據目標人物生成符合要求的波浪，包含規則波、不規則波、二維波、三維波以及有特殊要求的波，在船舶、港口、海岸及海洋工程等領域占有重要的位置。

1 推板式造波機機械機構設計總體方案

1.1 造波機及推板式造波機生成波浪的原理簡述

目前，世界范圍內對造波機的分類方式擁有多種標準，但業內人士通常根據造波機的驅動方式，將之分為電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動共三種類型。如果按照造波機與水體互相作用的實際情況進行分類，造波機可被分為氣壓式造波機與機械式造波機兩個大類。一般來說，氣壓式造波機的工作原理是通過改變空氣壓力的方式，迫使水體形態發生變化，從而產生波浪。但此種方式由于空氣壓縮性變化范圍不夠穩定，因此生成波浪的精度不足，且無法承受超出一定范圍的負載。因此，只能應用于低負載的實驗。機械式造波機的工作原理為經過系統性、機械性的設計之后，將一部分機械部件設置成“可動”狀態之后，通過該類機械部件的運動使水體狀態發生變化，進而產生波浪。屬于機械式造波機的主流類別為搖擺式造波機、推板式造波機、沖箱式造波機、轉筒式造波機。其中，推板式造波機的工作原理為引入造波板，將之放置在特定的機械結構及直線導軌中，通過計算機進行遠端智能控制，當機械機構發生變動時，造波板也會沿著直線導軌進行周而復始的運動，從而周期性地形成波浪。在此過程中，造波板在每個周期中能夠行進的最大距離和運行的速度，是決定波浪最大高度的主要因素，而造波板完整行進一個周期的時間（即造波板的運動頻率），從根本上決定波浪的生成時間。

1.2 推板式造波機總體機械結構設計

水槽推板式造波機是推板式造波機中的一種常見類型。一般情況下，水槽推板式造波機的總體機械結構設計方案應該滿足如下條件：①完整的機械系統。包含機械結構（使造/推波板有序行進的系機械系統，包含導軌及其他材料、設備）、動力驅動系統（使推板式造波機自動運轉的裝置，可外接）、控制系統（計算機總控端，設計人員將有關參數確認完畢之后，將之編寫成智能控制程序，之后根據實驗目標或其他任務的特定需求，對推波板的形成、速度等進行設定）。上述三項內容為水槽推波板式造波機的核心架構，少了任何一項，造波機都不可能正常開展工作。②推波板造波機必須依賴推波板進行往復式的直線運動而產生波浪，因此推波板造波機的機械機構中必須含有交流伺服電機軸。此種裝置的存在目的是，能夠在自身轉動的過程中，帶動滾珠絲杠進行旋轉，在絲杠螺母的作用下，使推波板維持反復的直線運動。根據SolidWorks 軟件進行建模分析后發現，完整的推波板造波機總體機械結構應該包含如下裝置：地板、交流伺服電機、聯軸器、支撐座裝置、滾珠絲杠、U 形梁、螺母、滑臺機構、滑臺支架、推波板、推波板支承系統（如果是簡單的結構，只需設置簡易的支架即可）[1]。

2 推板式造波機機械結構參數的計算確認

上文所述的內容可以被劃分為“硬件部分”，若要使其正常開展工作，還需要對“軟件部分”——有關參數進行測算。筆者對推板式造波機進行設計時，按照以下參數進行：水槽的總長度達到3 m，寬度和高度分別為0.7 m 和1.4 m；造波機所有系統的整體工作最大水深為0.6 m。實驗要求在推板式造波機的作用下，形成波浪的最大波高應該圍0.4 m，最小波浪周期為0.6 s，最大周期為2.2 s。本文選用了0Crl8不銹鋼材料制成的推波板，其寬度為0.5 m，因此可以將單元板寬l取值為0.5 m；經過稱量，造波機機械新系統中進行往復直線運動的結構總體質量m為250 kg。因此，可供計算的參數如下：作業深度h可以從0.2 m 開始逐漸深入（每次增加0.1 m），最大深度為0.6 m；運動周期T從0.6 s 開始逐漸增加（每次增加0.2 s），最大周期為2.2 s，l=0.5 m，m=250 kg。

2.1 推波板最大行程的計算過程簡述

在推波板作用下形成的波浪，其最大波高Bmax與作業深度h的關系滿足Bmax=kh的關系。其中k為波數，具體數值可以通過2π/λ進行計算。其中λ表示波長，與重力加速度g、周期、作業深度的關系為：

經過代入轉化計算之后，能夠得出最大波高Bmax=0.142λtanh，代入實際數值，得出Bmax≈45 cm，符合實驗要求。波高B與推波板行程S之間的關系為：

代入計算后可知：當周期T為0.6 s、作業水深為0.2 m時，最大行程為4.3 m；保持周期不變，作業深度提升至0.6 m 時，最大行程為3.99 m。當周期T為2.2 s，作業水深為0.2 m 時，最大行程為40.22 m；當作業水深為0.4 m 時，最大行程為52.24 m；作業水深達到0.6 m 時，最大行程可達58.72 m[2]。

2.2 推波板最大運動速度的計算過程簡述

推波板最大運動速度Vmax與波浪的圓頻率ω之間的關系為Vmax=ωS/2，將ω=2π/T代入計算之后，得出推波板的最大移動速度如下：當周期T為0.6 s、作業深度為0.2 m 時，推波板最大移動速度Vmax=0.225 3 m/s；相同周期下，作業深度達到0.6 m 時，最大移動速度Vmax=0.208 8 m/s；當周期T為2.2 s、作業深度為0.6 m 時，推波板最大運動速度Vmax=0.574 1 m/s；保持周期不變，加深作業深度至0.6 m，推波板最大移動速度Vmax可達0.838 1 m/s。

2.3 造波板承受的最大負載力計算過程簡述

推板式造波機在工作過程中，位移X、速度X1、加速度A分別滿足如下規律：X=Ssinωt/2，X1=ωScosωt/2，A=ω2Ssinωt/2。如前文所述，由于交流伺服電機軸的存在，通過驅動滾珠絲杠的方式為推波板提供動力。在此種模式下，摩擦阻力可以忽略不計。根據勢函數理論可以得出，造波板承受的負載力與其他參數之間的關系為：

變換計算后可以得出：

公式（3）中的DA、mA可視為中間變量，代入作業環境下水的密度進行計算后可以得出：當周期T為0.6 s、作業深度為0.2 m 時，造波板承受的最大負載力為536.2 N；保持周期不變，將深度提升至0.4 m 時，造波板承受的最大負載力為569.3 N；深度提升至0.6 m 時，造波板承受的最大負載力上升至進600 N。當周期T為1.6 s、作業水深為0.2 m時，最大負載力為542.4 N；保持周期不變，作業深度為0.4 m 時，最大負載力為1 047.5 N；作業水深為0.6 m，最大負載力為2 684.8 N。當周期增加至最大值，達到2.2 s 且作業深度達到0.6 m 時，最大負載力達到2 785.6 N。

2.4 推板式造波機最大功率計算過程簡述

推板式造波機的最大功率P（t）=F（t）·v（t），代入上文提到的公式（4），經過變換后得出：

經過計算后得到：周期為0.6 s、作業深度為0.2 m，造波機最大功率為96.2 W；保持周期不變，提升作業深度至0.4 m，最大功率為115.3 W；提升作業深度至0.6 m，最大功率可達134.5 W。將周期提升至1.6 s，作業深度保持在0.2 m，最大功率可達251.3 W；保持周期不變，深度提升至0.4 m，最大功率可達1 076.5 W；深度提升至0.6 m，最大功率可達1 743.6 W。將周期提升至2.2 s，作業深度保持在0.2 m，最大功率可達356.6 W；保持周期不變，深度提升至0.4 m，最大功率可達1 437.2 W；深度提升至0.6 m，最大功率可達27 85.6 W。

3 結語

自20 世紀90 年代之后，造波機已經逐漸實現了完全的計算機控制。隨著技術的不斷發展，只需圍繞推波板的最大行程、推波板的最大運行速度、推板式造波機的最大功率、造波板承受的最大負載力等參數等進行精確計算，并將精確參數輸入計算機控制程序中，推板式造波機核心機械結構的運行框架即可被視為成功搭建，之后將其他材料設備按部就班地完成安裝，方可投入使用。