CN102865995A

CN102865995A - 一种实验用造波装置

Info

Publication number: CN102865995A
Application number: CN2012103370872A
Authority: CN
Inventors: 王兴奎; 蔺秋生; 孟震; 任海涛; 李丹勋
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102865995B

Abstract

本发明涉及一种实验用造波装置，该装置包括控制单元、造波单元和支架三部分；其中，所述支架主要由滑轨、中横梁、转轮支撑板、皮带轮轴及一框架结构组成；所述造波单元主要由多组造波结构组成，每组造波结构主要由两块推波板、推杆、四个箱式直线轴承、连杆、悬臂杆、转轮、皮带轮及三角皮带组成，其中转轮由凸轮、凹轮相互咬合而成；轴承和连杆，四个箱式直线轴承分别沿两根相邻的滑轨同步滑动，连杆另一端连接在悬臂杆上，悬臂杆另一端固定在凹轮上，转轮固定在转轮支撑板上，三角皮带的两端分别连接转轮和皮带轮；不同组的造波机构的相邻两块推波板之间通过孔、槽连接。该装置结构稳定，精度高，造波能力强，具有极高的实用性和可推广性。

Description

一种实验用造波装置

技术领域

本发明属于水利水电工程试验研究领域，特别涉及一种在水槽或水池内生成波浪的装置。

背景技术

波浪运动对于堤岸、码头、海洋设施等水中建筑物的稳定性有重要影响，是河口、海岸地区泥沙输移的动力来源之一，是船舶航行综合性能的制约因素。在水槽或水池内进行波浪模拟的物理模型试验，需采用造波系统产生人工模拟波浪。

在机械式造波机中，按其扰水器形式的不同又可以分为不同的类型，目前，机械式造波机的扰水器多采用摇板结构，称为“摇板式造波机”。摇板式造波机主要由驱动机构(作用臂PA)和扰水器机构(摇板OA)两大部分组成，摇板OA在作用臂PA的控制下往复运动，通过控制A点的频率和振幅，从而在水槽或水池中产生模拟所需的规则波或不规则波MN，如图1所示。近年来出现了双摇板式和蛇形摇板式造波机。双摇板式即扰水器为上下铰接的两块板，可分别控制运行；蛇形摇板式造波机即扰水器为一组相互独立的摇板，利用各单块摇板运动时的相位差产生较为复杂的模拟波浪。相对于单摇板式造波机，双摇板式和蛇形摇板式造波机在模拟复杂波浪方面有了较大的进步，但受摇板本身的局限性，在浅水造波和多向不规则波造波方面仍略显不足。

为了能够在小水深工作时亦能够产生足够的波高，可以将摇板改为推板，推板平行往复运动，即可产生波浪。

随着波浪模拟技术的发展，试验模拟所需的波浪越来越复杂和多样性，实验人员对造波机的要求越来越高，包括波浪模拟的精度和多样性方面。

但是，现有的摇(推)板扰水器运动形式单一，单块板仅能进行摇摆运动或平推运动，不能适应越来越复杂的实验环境的要求。尤其是在制造三维不规则波、非线性波和极端波浪方面，现有机械式造波机的造波性能仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种改进的实验用造波装置，能够进行复杂扰水运动，从而可以产生更加复杂的模拟波浪，以满足不同试验研究的需求。该装置具有适应能力强、模拟精度高、稳定性好和易于控制等优点，具有极其重要的生产应用和推广价值。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种实验用造波装置，其特征在于，该装置包括控制单元、造波单元和支架三部分，该造波单元由多组造波结构组成蛇形推波板机构，能够进行复杂扰水运动；该支架为造波单元提供受力支撑，使得造波单元各组造波结构连成一体；控制单元提供动力输出并控制装置运动频率；

所述支架主要由滑轨、左横梁、中横梁、转轮支撑板、右横梁、侧板、皮带轮轴组成；左横梁、右横梁与两块侧板围成一框架结构，中横梁两端固定在侧板内壁上，皮带轮轴横跨在中横梁上，皮带轮轴两端通过轮轴支架固定在两块侧板，多根滑轨相互平行置于左横梁与中横梁之间，而多个转轮支撑板相互平行置于中横梁与右横梁之间；

所述造波单元主要由多组造波结构组成，每组造波结构主要由两块推波板、推杆、四个箱式直线轴承、连杆、悬臂杆、转轮、皮带轮及三角皮带组成，其中转轮由凸轮、凹轮相互咬合而成；推杆上端连接四个箱式直线轴承和连杆的一端，四个箱式直线轴承分别沿两根相邻的滑轨同步滑动，连杆另一端与悬臂杆一端相连接，悬臂杆另一端固定在凹轮上，转轮固定在转轮支撑板上，三角皮带的两端分别连接转轮和皮带轮；不同组的造波结构的相邻两块推波板之间通过孔槽连接，且具有重叠变形自由度。

所述支架还可包括下部支撑结构，该下部支撑结构置于上述框架结构的下面，该下部支撑结构由四根支撑脚和四根水平向支撑横梁组成，下部支撑结构各连接处均焊接而成。

所述控制单元可由脉冲发生器、电机驱动器、电源、步进电机和变速器组成；其中脉冲发生器与电机驱动器连接，电源分别与脉冲发生器和电机驱动器相连，为其提供电力输入，电机驱动器与步进电机相连，步进电机的输出轴与变速器的输入端相连，变速器输出端与固定皮带轮的皮带轮轴相连，变速器输出的扭矩传动至固定皮带轮的皮带轮轴上。

本发明装置的特点及有益效果：

本发明装置采用“蛇形”推波板机构，单块推波板平面倾斜角度可变，多块推波板相互组合使得推波板前沿可以形成比较光顺的曲线；由于造波装置的转轮设计了凸轮、凹轮咬合机构，可以在不同转轮之间实现多种组合，使得推波板前沿线形成多种曲线，实现了一机多用。

上述机械造波装置结构稳定，精度高，造波能力强，可以更好地满足实验环境对模拟各种复杂工况波浪的要求，具有极高的实用性和可推广性。

附图说明

图1为传统摇板式造波机的扰水器工作原理示意图；

图2为本发明造波机实施例；

图3为本发明造波机立面布置图；

图4为本发明造波机平面布置图；

图5为本发明实例推波板部件图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明所提出的一种实验用造波装置，总体结构如图2所示，包括控制单元、造波单元和支架三部分。该造波单元由由多组造波结构组成蛇形推波板机构，能够进行复杂扰水运动，从而可以产生更加复杂的模拟波浪；支架部分为造波单元提供受力支撑，使得造波单元各组造波结构连成一体；而控制单元属造波装置的外围设备，提供动力输出并控制装置运动频率。

支架主要由滑轨15、左横梁16、中横梁17、转轮支撑板23、右横梁24、侧板25、皮带轮轴33组成。左横梁16、右横梁24与两块侧板25围成一框架结构，中横梁17两端固定在侧板25内壁上，皮带轮轴33横跨在中横梁17上，皮带轮轴33两端通过轮轴支架固定在两块侧板25，多根滑轨15相互平行置于左横梁16与中横梁17之间，而多个转轮支撑板23相互平行置于中横梁17与右横梁24之间。

支架还可包括下部支撑结构，该下部支撑结构置于上述框架结构的下面，也可以省去而将支架直接放置在试验水槽上；支架部分的下部支撑结构由四根支撑脚26和四根水平向支撑横梁27组成，下部支撑结构各连接处均焊接而成。

造波单元主要由多组造波结构组成。每组造波结构主要由两块推波板11、推杆12、四个箱式直线轴承SC10UU 13、连杆14、悬臂杆21、转轮22、皮带轮31及三角皮带32组成，其中转轮22由凸轮22-1、凹轮22-2相互咬合而成。两块推波板11相邻两侧与推杆12铰接成一活动整体，如图5所示；推杆12上端连接四个箱式直线轴承SC10UU 13和连杆14一端，四个箱式直线轴承SC10UU 13分别沿两根相邻的滑轨15同步滑动，连杆14另一端与悬臂杆21一端连接，悬臂杆21另一端固定在凹轮22-2上，转轮22固定在转轮支撑板23上，三角皮带32的两端分别连接转轮22和皮带轮31。如图3所示。不同组的造波结构的相邻两块推波板之间通过铣孔、铣槽连接，且有一定的重叠变形自由度。控制单元由脉冲发生器41、电机驱动器42、电源43、步进电机44和变速器45组成。其中脉冲发生器41与电机驱动器42连接，电源43为脉冲发生器41和电机驱动器42提供电力输入，电机驱动器42与步进电机44相连，步进电机44的输出轴与变速器45的输入端相连，变速器45输出的扭矩传动至固定皮带轮31的皮带轮轴33上，如图2所示。

本发明的实验用造波装置工作原理简述如下：首先，根据实验工作需要确定“蛇形”推波板前沿曲线形状，这一曲线形状通过本造波装置的造波单元多组造波结构的机械连接得以实现；步进电机与变速器驱动同轴皮带轮转动，转动频率由脉冲发生器的输出频率控制；皮带轮通过三角皮带传动带动转轮旋转，并经悬臂杆、连杆、推杆带动推波板做水平方向的往复运动；不同组造波结构之间组合运动，即可在水槽或水池中产生复杂的模拟波浪。

上述造波装置各单元的具体实施方式及功能结合附图分别说明如下：

如图4所示，所述支架上部的左横梁16、右横梁24与两块侧板25组合成一长方形框架，置于下部支撑结构上面。如图2所示下部支撑结构的4只支撑脚26由规格为30mm×30mm×5mm的角钢焊接而成，高度均为600mm；水平向支撑横梁27由4根水平角钢焊接而成，规格为30mm×30mm×5mm，支撑横梁27的长、宽分别为700mm、400mm。下部支撑结构可以固定，也可随处移动，图2中显示为固定结构。如前述，所述下部支撑结构也可省去不用。

所述造波单元实施例的各组推波板形成“蛇形”，如图2、图5所示，由10块推波板组成，单块推波板高300m，宽45mm。每2块推波板铰接1根推杆，单块推波板可沿推杆立轴转动，形成5组“推波板-推杆”连接机构。相邻2组“推波板-推杆”机构的两块相邻推波板，部分重叠且有一定的重叠变形自由度，其中一块推波板自上而下有三个铣槽，而另一块推波板则对应有三个铣孔，铣槽的宽度15mm，铣孔直径4mm，则两块推波板重叠变形自由度约11mm。推波板的上述连接方式保证了各块推波板前沿线在平面上形成了比较光顺的曲线。单块推波板的尺寸可根据实验需要按比例放大，推波板的块数也可改变为任意偶数。所述推杆12为6mm厚钢板，为上宽下窄不规则形状，上端设置9个孔，其中8个孔用于固定箱式直线轴承(SC10UU)13，设在旁边的第9个孔用于连接连杆14。每根推杆12上端两边共固定4个箱式直线轴承13，4个轴承又分别沿2根滑轨15同步滑动，可保证推杆沿水平方向的直线运动。滑轨15直径10mm，长318mm，两端固定在左横梁16和中横梁17上。

所述每组造波结构转轮22由凸轮22-1、凹轮22-2两部分组成，造波结构的悬臂杆21固定在凹轮22-2上，转轮支撑板23固定在中横梁17和右横梁24上。所述造波结构悬臂杆21长、宽、厚分别为155mm、25mm、6mm，设3个铣槽和4个铣孔，铣槽用于与凹轮22-2固定，铣孔用于与连杆14连接，变换悬臂杆21与连杆14连接的铣孔位置，可改变所连接的箱式直线轴承(SC10UU)13的行程，从而达到改变推波板11行程的目的。凸轮22-1上设6个均匀分布的铣孔，通过调节凸轮22-1与凹轮22-2咬合的角度，可以在不同组的推波板11之间产生相位差。转轮22轴承采用深沟球轴承。

所述每组造波结构的连杆14两端分别连接悬臂杆21和推杆12，连杆14为7mm厚钢板，长、宽分别为320mm、20mm，两端用于连接的销钉孔直径8.5mm。皮带轮31与转轮的凸轮22-1通过三角皮带32连接，多个皮带轮31沿皮带轮轴33同轴转动，并由变速器45驱动。

本实施例控制单元的步进电机44选用北京四通电机有限责任公司生产的86BYG250B型步进电机，电机驱动器42选用高性能伺服式数字步进电机驱动器2HD8080，脉冲发生器41选用宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲发生器控制电机转动频率，脉冲发生器和电机驱动器的供电电源43选用无锡天豪电子有限公司生产的DC48V开关电源，变速器45选用炫丽蜗杆减速器。

Claims

1.一种实验用造波装置，其特征在于，该装置包括控制单元、造波单元和支架三部分，该造波单元由多组造波结构组成蛇形推波板机构，能够进行复杂扰水运动；该支架为造波单元提供受力支撑，使得造波单元各组造波结构连成一体；控制单元提供动力输出并控制装置运动频率；

所述支架主要由多根滑轨、左横梁、中横梁、转轮支撑板、右横梁、侧板、皮带轮轴组成；左横梁、右横梁与两块侧板围成一框架结构，中横梁两端固定在侧板内壁上，皮带轮轴横跨在中横梁上，皮带轮轴两端通过轮轴支架固定在两块侧板上，多根滑轨相互平行置于左横梁与中横梁之间，而多个转轮支撑板相互平行置于中横梁与右横梁之间；

所述造波单元主要由多组造波结构组成，每组造波结构主要由两块推波板、推杆、四个箱式直线轴承、连杆、悬臂杆、转轮、皮带轮及三角皮带组成，其中转轮由凸轮、凹轮相互咬合而成；推杆上端连接四个箱式直线轴承和连杆的一端，四个箱式直线轴承分别沿两根相邻的滑轨同步滑动，连杆另一端与悬臂杆一端相连接，悬臂杆另一端固定在凹轮上，转轮固定在转轮支撑板上，三角皮带的两端分别连接转轮和皮带轮；不同组的造波机构的相邻两块推波板之间通过孔槽连接，且具有重叠变形自由度。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述支架还包括下部支撑结构，该下部支撑结构置于上述框架结构的下面，该下部支撑结构由四根支撑脚和四根水平向支撑横梁组成，下部支撑结构各连接处均焊接而成。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述控制单元由脉冲发生器、电机驱动器、电源、步进电机和变速器组成；其中脉冲发生器与电机驱动器连接，电源分别与脉冲发生器和电机驱动器相连，为其提供电力输入，电机驱动器与步进电机相连，步进电机的输出轴与变速器的输入端相连，变速器输出端与固定皮带轮的皮带轮轴相连。