CN109186937A - 超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置。在充有液体的模型箱左、右侧内壁分别装有造波单元和消波单元，造波液压缸和消波液压缸分别位于模型箱左、右侧外壁；造波单元底部挡块和消波单元底部挡块之间形成的凹槽内置有海床模型，海床模型中埋设海工结构物模型；模型箱外的两套液压驱动系统经离心机旋转接头分别向造波液压缸和消波液压缸提供液压动力。本发明适用于超重力条件下高频大幅造波；采用推板式造波，液压驱动系统至造波板的力转换系统相较伺服电机驱动所惯用的轮盘式力转换系统形式更为简单、可靠；在试验过程中，消波板距模型箱壁距离及其开孔率均可调节，可满足对不同工况波浪的模拟，提高消波效率。

Description

超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置

技术领域

本发明涉及土工离心模拟试验装置，尤其是涉及一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置。

背景技术

波浪是海洋工程及海岸工程等领域中需考虑的主要环境荷载之一。为研究波浪作用下海床地基土层及海工结构物的相互作用，试验中需要造波装置来实现波浪的模拟。近年来土工离心模拟技术的发展使得超重力条件下的波浪试验成为可能，土工离心机的缩尺缩时效应能够还原原型海床应力场，相较于常重力条件下的波浪试验能够反映现场尺寸的波浪-海床地基-海工结构物相互作用问题。

然而，随着世界各国的海洋开发不断向深海拓展，海工结构物将面临更大水深、更极端的波浪等更为严酷的服役环境。现有超重力条件下的造波装置一般采用伺服电机驱动摇板造波，由于电机输出力矩较小，仅适用于较低加速度和较低水深的工况；同时，一般采用离心机转机前预先安装并固定于模型箱另一侧的消波板进行消波，如若试验中波浪工况变化，由于无法调节消波板的位置及开孔率，导致消波效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，能够实现高离心加速度下的高频大幅造波，以开展极端波浪-海工结构物-土质海床地基相互作用研究；同时采用可调节的消波板进行高效消波，在试验中波浪工况变化时，仍能够较大限度地减少发射波对原始波浪的干扰。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括造波单元、消波单元、模型箱、海床模型、海工结构物模型和两套液压驱动系统；

在充有液体的模型箱左侧内壁装有造波单元，造波单元的造波液压缸装在模型箱的左侧外壁；模型箱右侧内壁装有消波单元，消波单元的消波液压缸装在模型箱右侧外壁；造波单元底部挡块和消波单元底部挡块之间形成的凹槽内置有海床模型，海床模型中埋设海工结构物模型；安装在模型箱外的两套液压驱动系统分别向造波液压缸和消波液压缸提供液压动力。

所述造波单元，包括造波液压缸、造波液压缸活塞杆、造波固联装置、造波板、两块造波板滑块、两条造波板导轨和造波单元底部挡块；

造波液压缸的造波液压缸活塞杆伸入模型箱左侧内壁，通过造波固联装置与造波板连接，造波板底部前后两侧分别装有造波板滑块，造波单元底部挡块固定在模型箱底面，造波单元底部挡块顶面前后两侧分别装有造波板导轨，两块造波板滑块和两条造波板导轨分别构成导轨副，造波板在造波液压缸活塞杆带动下能沿各自导轨副作直线往复运动，生成模拟波浪。

所述消波单元，包括消波液压缸、消波液压缸多级活塞杆、消波固联装置、消波板、消波板连接件、两条消波板导轨和消波单元底部挡块；

消波液压缸的消波液压缸多级活塞杆伸入模型箱右侧内壁，消波固联装置与消波板连接件连接，消波板连接件下部与消波板连接，消波板连接件上部前后两侧分别装有消波板滑块，消波单元底部挡块固定在模型箱底面，模型箱右侧顶面前后两侧分别装有消波板导轨，两块消波板滑块和两条消波板导轨分别构成导轨副，消波板能通过消波液压缸多级活塞杆带动沿各自导轨副作直线往复运动，调整消波板距模型箱箱壁距离，调节设定的模拟波浪。

所述两套液压驱动系统结构相同，均包括第一单向阀、第一液压站、增压器、离心机旋转接头、液压缸、第一过滤器、第二过滤器、第一流量监控计、第二流量监控计、第一压力监测计、第二压力监测计、第一回油箱、第一液压泵、第三过滤器、伺服阀、第二回油箱、第二液压泵、第四过滤器、第二液压站和第二单向阀；

第一液压站出口经第一单向阀和增压器接离心机旋转接头一个入口，离心机旋转接头出口有两条油路：第一油路经第一过滤器、第一流量监控计、第一压力监测计、液压缸上的伺服阀、第二回油箱、第二液压泵、第四过滤器、第二液压站、第二单向阀接离心机旋转接头另一个入口；第二油路经第二过滤器、第二流量监控计、第二压力监测计、液压缸、第一回油箱、第一液压泵、第三过滤器接第一液压站入口；两套液压驱动系统中的液压缸分别为造波液压缸和消波液压缸。

所述模型箱为铝合金的长方体，在模型箱的前面开有有机玻璃窗。

伺服电机固定在消波板连接件中部，丝杠-螺母结构与伺服电机相连，消波板由两块贴合的格栅式铝合金板组成，一块格栅式铝合金板顶端与消波板连接件下部固定，另一块格栅式铝合金板顶端固定在丝杠-螺母结构上；消波液压缸多级活塞杆带动消波板连接件沿设于模型箱顶部的消波板导轨水平向运动以调节消波板到模型箱箱壁的距离；通过伺服电机驱动，带动固定于丝杠-螺母结构的格栅式铝合金板位置发生偏移，使得两块格栅式铝合金板之间相对位置发生错动，从而调整消波板的开孔率。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)本发明适用于超重力条件下高频大幅造波。

2)采用推板式造波，液压驱动系统至造波板的力-转换系统相较伺服电机驱动所惯用的轮盘式力转换系统形式更为简单，可靠性加强。

3)在试验过程中，造波频率和幅值均可调节，以满足对不同工况波浪的模拟。

4)在试验过程中，消波板距模型箱壁距离及其开孔率均可调节，可满足对不同工况波浪的模拟，提高消波效率。

附图说明

图1是本发明的结构原理剖视图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1主视图。

图4是液压驱动系统图。

图5是消波单元局部结构放大图。

图中：1、造波单元，1-1、造波液压缸，1-2、造波液压缸活塞杆，1-3、造波固联装置，1-4、造波板，1-5、两块造波板滑块，1-6、两条造波板导轨，1-7、造波单元底部挡块，2、消波单元，2-1、消波液压缸，2-2、消波液压缸多级活塞杆，2-3、消波固联装置，2-4、消波板，2-5、消波板连接件，2-6、两条消波板导轨，2-7、伺服电机，2-8、丝杠-螺母结构，2-9、消波单元底部挡块，3、模型箱，3-1、有机玻璃窗，4、海床模型，5、海工结构物模型，6、第一单向阀，7、第一液压站，8、增压器，9、离心机旋转接头，10、液压缸，11、第一过滤器，12、第二过滤器，13、第一流量监控计，14、第二流量监控计，15、第一压力监测计，16、第二压力监测计，17、第一回油箱，18、第一液压泵，19、第三过滤器，20、伺服阀，21、第二回油箱，22、第二液压泵，23、第四过滤器，24、第二液压站，25、第二单向阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明的装置包括造波单元1、消波单元2、模型箱3、海床模型4、海工结构物模型5和两套液压驱动系统；在充有液体的模型箱3左侧内壁装有造波单元1，造波单元1的造波液压缸1-1装在模型箱3的左侧外壁；模型箱3右侧内壁装有消波单元2，消波单元2的消波液压缸2-1装在模型箱3右侧外壁；造波单元底部挡块 1-7和消波单元底部挡块 2-9之间形成的凹槽内置有海床模型4，海床模型4中埋设海工结构物模型5；安装在模型箱3外的两套液压驱动系统分别向造波液压缸1-1和消波液压缸2-1提供液压动力。

试验中采用的液体一般是具有一定粘度的硅油，使得在相应超重力条件下可同时满足波浪传播和土体固结的相似率。海床模型通常为砂土海床或软土海床，海工结构物模型包括海上风机和油气平台等。

所述造波单元1，包括造波液压缸1-1、造波液压缸活塞杆1-2、造波固联装置1-3、造波板1-4、两块造波板滑块1-5、两条造波板导轨1-6和造波单元底部挡块1-7；造波液压缸1-1的造波液压缸活塞杆1-2伸入模型箱3左侧内壁，通过造波固联装置1-3与造波板1-4连接，造波板1-4底部前后两侧分别装有造波板滑块1-5，造波单元底部挡块1-7固定在模型箱3底面，造波单元底部挡块1-7顶面前后两侧分别装有造波板导轨1-6，两块造波板滑块1-5和两条造波板导轨1-6分别构成导轨副，造波板1-4在造波液压缸活塞杆1-2带动下能沿各自导轨副作直线往复运动，生成模拟波浪。

所述消波单元2，包括消波液压缸2-1、消波液压缸多级活塞杆2-2、消波固联装置2-3、消波板2-4、消波板连接件2-5、两条消波板导轨2-6和消波单元底部挡块2-9；消波液压缸2-1的消波液压缸多级活塞杆2-2伸入模型箱3右侧内壁，消波固联装置2-3与消波板连接件2-5连接，消波板连接件2-5下部与消波板2-4连接，消波板连接件2-5上部前后两侧分别装有消波板滑块，消波单元底部挡块2-9固定在模型箱3底面，模型箱3右侧顶面前后两侧分别装有消波板导轨2-6，两块消波板滑块和两条消波板导轨2-6分别构成导轨副，消波板2-4能通过消波液压缸多级活塞杆2-2带动沿各自导轨副作直线往复运动，调整消波板2-4距模型箱3箱壁距离，调节设定的模拟波浪。

如图4所示，所述两套液压驱动系统结构相同，均包括第一单向阀6、第一液压站7、增压器8、离心机旋转接头9、液压缸10、第一过滤器11、第二过滤器12、第一流量监控计13、第二流量监控计14、第一压力监测计15、第二压力监测计16、第一回油箱17、第一液压泵18、第三过滤器19、伺服阀20、第二回油箱21、第二液压泵22、第四过滤器23、第二液压站24和第二单向阀25；第一液压站7出口经第一单向阀6和增压器8接离心机旋转接头9一个入口，离心机旋转接头9出口有两条油路：第一油路经第一过滤器11、第一流量监控计13、第一压力监测计15、液压缸10上的伺服阀20、第二回油箱21、第二液压泵22、第四过滤器23、第二液压站24、第二单向阀25接离心机旋转接头9另一个入口；第二油路经第二过滤器12、第二流量监控计14、第二压力监测计16、液压缸10、第一回油箱17、第一液压泵18、第三过滤器19接第一液压站7入口；两套液压驱动系统中的液压缸10分别为造波液压缸1-1和消波液压缸2-1。

如图3所示，所述模型箱3为铝合金的长方体，在模型箱3的前面开有有机玻璃窗3-1。

如图5所示，伺服电机2-7固定在消波板连接件2-5中部，丝杠-螺母结构2-8与伺服电机2-7相连，消波板2-4由两块贴合的格栅式铝合金板组成，一块格栅式铝合金板顶端与消波板连接件2-5下部固定，另一块格栅式铝合金板顶端固定在丝杠-螺母结构2-8上；消波液压缸多级活塞杆2-2带动消波板连接件2-5沿设于模型箱3顶部的消波板导轨2-6水平向运动以调节消波板2-4到模型箱3箱壁的距离；通过伺服电机2-7驱动，带动固定于丝杠-螺母结构2-8的格栅式铝合金板位置发生偏移，使得两块格栅式铝合金板之间相对位置发生错动，从而调整消波板2-4的开孔率。

本发明的工作原理：

离心机通过转臂高速旋转能在实验舱内产生n倍于地球重力加速度的超重力场，能够重现原型岩土体的应力场，利用超重力的“时空压缩”效应，超重力试验能重现岩土体的大时空演变与灾变过程，本发明装置主要用于超重力条件下海床波浪的模拟。

模型箱3安装到离心机上，开启离心机在超重力条件下进行试验。如图4所示，当造波开始时，主控计算机将试验所需的波浪工况下发液压伺服驱动器，接着打开各液压站与离心机旋转接头之间的单向阀以提供液压油源，并打开液压泵使得回油箱内液压油可回到液压站内，形成油源循环供给。

如图1和2所示，在液压伺服驱动器控制下，伺服阀控制造波液压缸1-1内液压流量，使得造波液压缸活塞杆1-2按照设定的频率和幅度进行周期运动，与造波液压缸活塞杆1-2通过固联装置1-3固定连接的造波板1-4将在在造波液压缸1-1带动下通过位于造波单元底部挡块1-7上的造波板滑块1-5沿着造波板导轨1-6作直线往复运动，带动模型箱内的液体生成模拟波浪。另一方面，在液压伺服驱动器控制下，伺服阀控制消波液压缸1-1内液压流量，使得消波液压缸多级活塞杆2-2带动消波板连接件2-5沿着消波板导轨2-6做水平往复运动，从而调整消波板2-4到模型箱3箱壁的距离。

如图5所示，消波板2-4由两块贴合的格栅式铝合金板组成，一块格栅式铝合金板顶端与消波板连接件2-5下部固定，另一块格栅式铝合金板顶端固定在丝杠-螺母结构2-8上，通过固定在消波板连接件2-5中部的伺服电机2-7驱动丝杠-螺母结构2-8，带动固定于丝杠-螺母结构2-8的格栅式铝合金板位置发生偏移，使得两块格栅式铝合金板之间相对位置发生错动，从而调整消波板2-4的开孔率。通过调节消波板位置和开孔率以达到较好的消波效果，通过如图3所示模型箱前面开有的有机玻璃窗观测造波效果。

本发明采用液压驱动系统代替传统伺服电机驱动的超重力条件下造波方式，可实现更高离心机加速度值下，更高频率和更大幅值的造波，以研究极端波浪-海工结构物-土质海床地基相互作用。同时，采用液压驱动系统和伺服电机控制消波板使得试验中波浪工况改变时，消波板的位置和开孔率可作相应调整以适应不同的消波需求。

Claims (6)

1.一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，其特征在于：包括造波单元(1)、消波单元(2)、模型箱(3)、海床模型(4)、海工结构物模型(5)和两套液压驱动系统；

在充有液体的模型箱(3)左侧内壁装有造波单元(1)，造波单元(1)的造波液压缸(1-1)装在模型箱(3)的左侧外壁；模型箱(3)右侧内壁装有消波单元(2)，消波单元(2)的消波液压缸(2-1)装在模型箱(3)右侧外壁；造波单元底部挡块 (1-7)和消波单元底部挡块 (2-9)之间形成的凹槽内置有海床模型(4)，海床模型(4)中埋设海工结构物模型(5)；安装在模型箱(3)外的两套液压驱动系统分别向造波液压缸(1-1)和消波液压缸(2-1)提供液压动力。

2.根据权利要求1所述的一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，其特征在于：所述造波单元(1)，包括造波液压缸(1-1)、造波液压缸活塞杆(1-2)、造波固联装置(1-3)、造波板(1-4)、两块造波板滑块(1-5)、两条造波板导轨(1-6)和造波单元底部挡块(1-7)；

造波液压缸(1-1)的造波液压缸活塞杆(1-2)伸入模型箱(3)左侧内壁，通过造波固联装置(1-3)与造波板(1-4)连接，造波板(1-4)底部前后两侧分别装有造波板滑块(1-5)，造波单元底部挡块(1-7)固定在模型箱(3)底面，造波单元底部挡块(1-7)顶面前后两侧分别装有造波板导轨(1-6)，两块造波板滑块(1-5)和两条造波板导轨(1-6)分别构成导轨副，造波板(1-4)在造波液压缸活塞杆(1-2)带动下能沿各自导轨副作直线往复运动，生成模拟波浪。

3.根据权利要求1所述的一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，其特征在于：所述消波单元(2)，包括消波液压缸(2-1)、消波液压缸多级活塞杆(2-2)、消波固联装置(2-3)、消波板(2-4)、消波板连接件(2-5)、两条消波板导轨(2-6)和消波单元底部挡块(2-9)；

消波液压缸(2-1)的消波液压缸多级活塞杆(2-2)伸入模型箱(3)右侧内壁，消波固联装置(2-3)与消波板连接件(2-5)连接，消波板连接件(2-5)下部与消波板(2-4)连接，消波板连接件(2-5)上部前后两侧分别装有消波板滑块，消波单元底部挡块(2-9)固定在模型箱(3)底面，模型箱(3)右侧顶面前后两侧分别装有消波板导轨(2-6)，两块消波板滑块和两条消波板导轨(2-6)分别构成导轨副，消波板(2-4)能通过消波液压缸多级活塞杆(2-2)带动沿各自导轨副作直线往复运动，调整消波板(2-4)距模型箱(3)箱壁距离，调节设定的模拟波浪。

4.根据权利要求1所述的一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，其特征在于：所述两套液压驱动系统结构相同，均包括第一单向阀(6)、第一液压站(7)、增压器(8)、离心机旋转接头(9)、液压缸(10)、第一过滤器(11)、第二过滤器(12)、第一流量监控计(13)、第二流量监控计(14)、第一压力监测计(15)、第二压力监测计(16)、第一回油箱(17)、第一液压泵(18)、第三过滤器(19)、伺服阀(20)、第二回油箱(21)、第二液压泵(22)、第四过滤器(23)、第二液压站(24)和第二单向阀(25)；

第一液压站(7)出口经第一单向阀(6)和增压器(8)接离心机旋转接头(9)一个入口，离心机旋转接头(9)出口有两条油路：第一油路经第一过滤器(11)、第一流量监控计(13)、第一压力监测计(15)、液压缸(10)上的伺服阀(20)、第二回油箱(21)、第二液压泵(22)、第四过滤器(23)、第二液压站(24)、第二单向阀(25)接离心机旋转接头(9)另一个入口；第二油路经第二过滤器(12)、第二流量监控计(14)、第二压力监测计(16)、液压缸(10)、第一回油箱(17)、第一液压泵(18)、第三过滤器(19)接第一液压站(7)入口；两套液压驱动系统中的液压缸(10)分别为造波液压缸(1-1)和消波液压缸(2-1)。

5.根据权利要求1所述的一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，其特征在于：所述模型箱(3)为铝合金的长方体，在模型箱(3)的前面开有有机玻璃窗(3-1)。

6.根据权利要求3所述的一种超重力条件下的液压驱动式推板造波试验装置，其特征在于：伺服电机(2-7)固定在消波板连接件(2-5)中部，丝杠-螺母结构(2-8)与伺服电机(2-7)相连，消波板(2-4)由两块贴合的格栅式铝合金板组成，一块格栅式铝合金板顶端与消波板连接件(2-5)下部固定，另一块格栅式铝合金板顶端固定在丝杠-螺母结构(2-8)上；消波液压缸多级活塞杆(2-2)带动消波板连接件(2-5)沿设于模型箱(3)顶部的消波板导轨(2-6)水平向运动以调节消波板(2-4)到模型箱(3)箱壁的距离；通过伺服电机(2-7)驱动，带动固定于丝杠-螺母结构(2-8)的格栅式铝合金板位置发生偏移，使得两块格栅式铝合金板之间相对位置发生错动，从而调整消波板(2-4)的开孔率。