推板式造波機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

李學兵

(遼寧軌道交通職業(yè)學院 數(shù)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(xiàn)象，對航海有著重要的影響，不管是建設(shè)海港、制造船舶，還是進行海洋資源的開發(fā)，都要去研究波浪。為了能更好地研究波浪，國內(nèi)外的很多專家學者早就開始了對造波機的研究開發(fā)工作，目前已經(jīng)有了多種形式的造波機問世，并被應用于實際中。最早出現(xiàn)的造波機使用了曲柄連桿結(jié)構(gòu)，這種造波機結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功能也相對簡單，只能造出普通的規(guī)則波。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，人們開始將液壓系統(tǒng)應用于造波機，這樣一來，能產(chǎn)生不規(guī)則波的造波機出現(xiàn)了。1957年，荷蘭瓦格寧根大學設(shè)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(shè)計了使用沖箱式造波機的實驗室，能夠模擬長峰規(guī)則波和不規(guī)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(nèi)外造波技術(shù)的研究進入了一個全新的領(lǐng)域，本文研究的是一種推板式造波機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 推板式造波機設(shè)計參數(shù)的計算

造波機設(shè)計中所需要的基本參數(shù)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(shè)計參數(shù)需要明確以下初始參數(shù)：水深h(范圍數(shù)據(jù))，波的周期T(范圍數(shù)據(jù))，推波板寬度d，推波板運動機構(gòu)的初設(shè)質(zhì)量m。

課題設(shè)計的要求如下：①工作環(huán)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(jié)構(gòu)質(zhì)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(shù)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(jù)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(shù),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(jié)果如表1所示。考慮設(shè)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(jù)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(jù)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(jù)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(qū)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(shù)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(jù)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(shè)計參數(shù)的確定

根據(jù)上述計算，取整之后確定的設(shè)計參數(shù)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(shè)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(tǒng)(機械機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、推波板)及控制系統(tǒng)組成。推波板的直線往復運動是由交流伺服電機軸的轉(zhuǎn)動帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),通過絲杠的螺母變?yōu)橹本€運動，利用SolidWorks軟件建模，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 造波機推波板的設(shè)計

推波板是造波過程中主要依靠的零件，波浪的產(chǎn)生主要靠推波板的往復運動。根據(jù)課題要求(水槽寬0.7 m，深1.4 m)，還有模塊化的設(shè)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(huán)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(jié)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(shè)計的要求。

1-底板；2-交流伺服電機；3-聯(lián)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(gòu)；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(jié)論

作為產(chǎn)生人工波浪的重要裝置，造波機在船舶的設(shè)計制造、海洋平臺的設(shè)計等領(lǐng)域扮演著重要角色。本文主要是對造波機的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計探究，并對重要部件進行設(shè)計校核，以便設(shè)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(shè)海港、設(shè)計船舶之前，在實驗室內(nèi)進行模擬，得到可靠的實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)深入分析，可以更好地保證實際項目的工程質(zhì)量。

圖3 推波板的有限元應力分析報告