CN109253858A - 一种不完全齿轮齿条造波机装置及其造波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不完全齿轮齿条造波机装置及其造波方法，属于造波实验技术领域。本发明的一种不完全齿轮齿条造波机装置包括不完全齿轮、齿条结构、固定滑块机构、造波板、支撑结构、造波浮球、实验水槽和伺服电机与驱动器等组成的控制系统，其结构简单、易于装卸、成本低廉且容易搭建，可以灵活选择造波模式，即在伺服电机驱动运转的情况下均能实现推板、点波源或间歇性造波，并可以通过调整造波板角度在控制系统下造出不同频率和波幅的水波，为周期性结构或超材料结构调控水波的研究提供一种新的实验技术。

Description

一种不完全齿轮齿条造波机装置及其造波方法

技术领域

本发明涉及一种不完全齿轮齿条造波机装置及其造波方法，属于实验造波技术领域。

背景技术

波浪的实验模拟非常重要，对水利、海上建筑、海上石油开采、船舶等许多领域的研究都具有重要的意义。水槽实验常用于模拟海洋波浪环境，是支撑海洋结构动力、海洋水动力学实验研究的一种技术。其中造波机就是一种与海洋实验水槽配套的基础设施，他的作用是在实验水槽中造出不同波长和波高的波浪，模拟实际波浪对船舶或其它海洋结构物的影响，以测定各种技术数据，为相关设计提供依据。

上述内容是传统造波机的适用情况，但近年来，对液体表面波的传播现象和调控机制研究成为热点，对其进行实验研究时使用传统实验水槽和造波机装置常会遇到无法满足需求、装置不灵活或实验费用高昂等问题。所以亟需一种造波机可以同时实现推板造波和点波源造波功能，缩短实验准备周期，减少实验模型费用。在此基础上研究液体表面波尤其是周期性结构或超材料结构对液体表面波的调控，不仅有助于拓展和加深对波动问题的理论认识，而且这在海洋工程或水利工程中对波浪灾害防护、波浪能源利用等方面有着潜在的价值。

经检索，关于造波机装置及其相关设计方法已有相关专利公开。如实用新型专利CN201720683615.8，公开了名为“水槽造波机”的专利；发明专利CN201710312953.5，公开了名为“一种无反射波浪水槽造波机”的专利；发明专利CN201810204838.0，公开了名为“一种基于多控制器同步控制的造波机系统”的专利。这些专利涉及到了造波机的机械装置以及其控制系统等，但这些造波机存在适用范围小、装卸情况不足或成本高昂等特点，尤其在周期性结构调控水波传播的研究当中并不满足使用情况。本发明就此设计了一种不完全齿轮齿条造波机装置及其控制系统，可以灵活的实现推板造波和点波源造波功能。

上述检索到或已知造波装置常用到液压推杆机构或摇杆机构造波，不仅设计复杂成本高昂，且装配难度高，仅能实现一种造波方式，而不能根据实验所需实现多种不同的造波效果，例如间歇性波动、点波源造波或波板造波。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于设计一种不完全齿轮齿条造波机装置及其控制系统，该造波机可在伺服电机单向转动实现推板造波、点波源造波或间歇性造波功能，从而用于水波调控的实验研究。

为实现上述发明目的，本发明的一种不完全齿轮齿条造波机装置包括不完全齿轮、齿条结构、固定滑块机构、传动结构、造波装置和实验水槽等。

不完全齿轮中心位置固定，其轮齿在圆周上连续分布，且轮齿数量在圆周上连续分布的角度小于等于180°。齿条结构包括一体化设计或固连为一体的第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条互相平行且其上的齿相对设置。不完全齿轮位于两个齿条之间。在不完全齿轮转动的一个周期中，不完全齿轮能与第一齿条和第二齿条分别啮合。

齿条结构两端均由固定滑块机构支撑固定，且齿条结构可相对固定滑块机构往复运动。固定滑块机构用于防止齿条结构剧烈振动，并确保其只进行单一方向的往复运动。

齿条结构与造波装置通过传动结构连接，通过传动结构向造波装置传递往复运动。齿条结构可安装于实验水槽上方。造波装置设置在实验水槽内，具体可位于水槽的一端，通过往复运动产生波浪。传动结构和造波装置可通过螺栓连接，传动结构与齿条结构间可通过铰接连接。可通过更换不同的造波装置实现不同的造波效果。

优选的，造波装置可以为造波浮球，传动结构可直接设计成一长杆，分别与造波浮球及齿条结构连接。造波浮球位于实验水槽的水面上。传动结构与造波浮球相连输出竖直方向的上下往复运动，可实现点波源造波。

优选的，造波装置也可以为造波板。造波板上端高出水面，下端与实验水槽底部接触，且可以相对滑动。传动结构与造波板相连输出水平方向的往复运动，从而实现推板造波。

进一步地，当造波装置为造波板时，传动结构可包括斜支撑结构和直支撑结构。直支撑结构上端与齿条结构铰接，下端与造波板固定连接；所述斜支撑结构上端通过固定角度连于齿条结构，下端与造波板通过铰接连接。

更进一步地，斜支撑结构为长度可伸缩设计，通过调节斜支撑结构的长度，当其伸缩的同时与直支撑结构旋转配合可以改变造波板与水平面的夹角，从而造出不同波幅的水波。

优选的，造波板还进行了加固设计，由两层矩形板构成，且两层矩形板间设计有加固结构。

优选的，不完全齿轮通过伺服电机驱动。伺服电机与不完全齿轮中心连接。通过伺服电机的转动带动不完全齿轮的运转。

优选的，不完全齿轮齿条造波机装置还包括控制系统。该控制系统包括驱动器、变压器、电源、编码器、控制器和计算机等，用于控制伺服电机的运转。伺服电机与不完全齿轮中心连接；驱动器连接伺服电机；变压器连接驱动器和电源；编码器连接伺服电机和驱动器；控制器驱动器；计算机连接驱动器。

本发明的目的还在于提供一种不完全齿轮齿条造波机装置的造波方法，其包括以下方案：

A)当需要实现连续性造波时，不完全齿轮的轮齿数量在圆周上连续分布的角度为180°，所述不完全齿轮单向转动，不完全齿轮始终与第一齿条或第二齿条中的一条啮合，由于第一齿条和第二齿条相对设置，不完全齿轮与两个齿条配合过程中，齿条结构的运动方向相反。不完全齿轮转动过程中带动齿条结构连续往复运动，并通过传动结构与造波装置实现连续性造波。

B)当需要实现间歇性造波时，不完全齿轮的轮齿数量在圆周上连续分布的角度小于180°。不完全齿轮单向转动，在不完全齿轮的运转的一个周期中，先与第一齿条啮合，此时齿条结构单向运动。随着不完全齿轮的继续转动，不完全齿轮与第一齿条脱离，此时不完全齿轮还未与第二齿条啮合，齿条结构停止运动；随后不完全齿轮继续转动，开始与第二齿条啮合，此时齿条结构反向运动。随着不完全齿轮的继续转动，不完全齿轮与第二齿条脱离，此时不完全齿轮还未与第一齿条啮合，齿条结构停止运动。不完全齿轮不断周期运转，带动齿条结构间歇性往复运动；通过传动结构与造波装置实现间歇性造波。

优选的，也可通过改变造波装置，以实现不同的效果：

A)当需要实现推板造波时，所述造波装置为造波板；造波板上端高出水面，下端与实验水槽底部接触；随着不完全齿轮的转动，齿条结构相对固定滑块机构往复运动；齿条结构通过传动结构向造波板输出水平方向的往复运动，从而实现推板造波；

B)当需要实现点波源造波时，所述造波装置为造波浮球；造波浮球位于实验水槽的水面上，随着不完全齿轮的转动，齿条结构相对固定滑块机构往复运动；齿条结构通过传动结构向造波浮球输出竖直方向的往复运动，从而实现点波源造波。

同一实验水槽中不限于一套推板造波或点波源造波装置，可以将多套推板造波装置或点波源造波装置甚至将两者混合置于同一实验水槽中。

采用本发明提供的不完全齿轮齿条造波机和控制系统，与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明利用了不完全齿轮齿条，可以灵活选择造波模式，即伺服电机的转动轴既可在不变换转动方向也可在变换转动方向的情况下实现推板造波、点波源造波或间歇性造波。

2.本发明的造波机机械结构简单，易于装卸，成本低，容易搭建，方便用于不同类型的水槽。将多套推板造波装置或点波源造波装置甚至将两者混合置于同一实验水槽中，以此造出不同相互干涉的水波，因此可广泛应用于与水动力学物理模型试验中，尤其是周期性结构或超材料结构对液体表面波的调控研究。

3.本发明的造波控制系统简单灵活，易于连接和维护。当系统配置不全时，仅靠伺服电机、变压器和电源，仅在伺服电机单向转动的情况下利用不完全齿轮齿条也可以实现造波功能。

附图说明

图1为本发明不完全齿轮齿条造波机推板造波结构总体示意图；

图2为本发明不完全齿轮齿条结构相互啮合示意图；

图3为造波板双层结构示意图；

图4为造波板斜支撑结构示意图；

图5为本发明不完全齿轮齿条造波机点波源造波结构总体示意图；

图6为本发明不完全齿轮齿条造波机的控制系统连接图。

图中：齿条结构1、不完全齿轮2、固定滑块机构3、直支撑结构4、造波板5、实验水槽6、斜支撑结构7、伺服电机8、铰接结构9、造波浮球10、长杆1.1、拧紧螺栓4.1、螺栓7.1、连接板7.2、铰接结构7.3、伸缩杆7.4。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明析，下面将结合具体实施例并参照附图，对本发明进行进一步详细地描述。这里需要说明的是：在附图或说明书的描述中，相同的部分都使用相同的图号。此外，虽然在本发明中提供一些特定的参数，但应了解，参数无需确切等于相应的值。对于本领域的普通技术人员而言可以根据具体情况理解本文术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例中提供了一种不完全齿轮齿条造波机，如图1所示，图1是本发明不完全齿轮齿条造波机推板造波的示意图，包括齿条结构1、不完全齿轮2、固定滑块机构3、造波板5、直支撑结构4、斜支撑结构7、实验水槽6和铰接结构9等。

如图2的不完全齿轮2与齿条结构1的放大图所示，不完全齿轮2的中心与伺服电机8连接，伺服电机8接通电源后带动不完全齿轮2转动，由于不完全齿轮2与齿条结构1中的齿条相互啮合，所以不完全齿轮2可以促使齿条结构1整体来回移动，同时两个固定滑块机构3布置于齿条结构1的两端外伸的长杆1.1上，其可以限制齿条结构1整体上下移动。然后如图1所示，在齿条结构1整体来回移动的同时，与之连接的直支撑结构4和斜支撑结构7也会来回移动，于是支撑结构4和7迫使造波板5推动水体往返运动，从而在实验水槽6中实现推板造波。

如图2所示，当伺服电机8单向转动时，例如电机轴顺时针单向转动时，不完全齿轮2先啮合齿条结构1中的一条齿条，齿条结构1向前推动，然后不完全齿轮2啮合齿条结构1中的另一条齿条，齿条结构1向后推动，从而实现在电机轴转动一圈后，齿条结构1的整体实现前后推动一次。当伺服电机8变换转动方向时，可仅使用齿条结构1的中的一条齿条，不完全齿轮2在齿条结构1的该齿条上来回移动，从而实现齿条结构1整体前后移动。当不完全齿轮2的轮齿数量在圆周上连续分布的角度不到180°时，不完全齿轮2与齿条结构1中的一条齿条啮合完后，不完全齿轮2的轮齿还未开始与齿条结构1的另一条齿条啮合，此时齿条结构1整体会出现间歇性停顿，从而实现间歇性造波。

图3是造波板5的后视图，直支撑结构4与造波板5通过8颗拧紧螺栓4.1固定在一起，直支撑结构4的顶端是铰接接头9，铰接接头9与齿条结构1结构框向外伸出的长杆1.1相连接。如图4的斜支撑结构7的放大图所示，斜支撑结构7通过连接板7.2和铰接结构7.3与造波板5相连接，斜支撑结构7内有伸缩杆7.4，其可在斜支撑结构7内自由伸缩，从而可以调节斜支撑结构7的总体长度，螺栓7.1可以固定内部伸缩杆7.4的位置，使伸缩杆7.4在规定的位置固定不动。调节斜支撑结构7的总体长度，并转动铰接接头9和铰接结构7.3可以改变造波板5与水平面的夹角，从而到达改变所造波浪波幅的目的。

如图5所示，图5是本发明不完全齿轮齿条造波机点波源造波示意图，包括齿条结构1、不完全齿轮2、造波浮球10和实验水槽6。同样的，不完全齿轮2的中心与伺服电机8相连接，待伺服电机8接通电源后驱动不完全齿轮2，不完全齿轮2带动齿条结构1上下移动。齿条结构1结构框向外伸出的长杆1.1装有造波浮球10，造波浮球10随齿条结构1上下移动，同时造波浮球10在水面处上下移动，因此得以造出向外扩散的点波源。

如图6所示，本发明另一实施例中提供了一种用于不完全齿轮齿条造波机的控制系统。该控制系统包括伺服电机8、驱动器、变压器、电源、编码器、控制器和计算机。不完全齿轮2中心与伺服电机8连接；驱动器连接伺服电机8；变压器连接驱动器和电源；编码器连接伺服电机8和驱动器；控制器驱动器；计算机连接驱动器。

综上所述，本发明提供了一种不完全齿轮齿条造波机装置及其控制系统，可以实现推板、点波源和间歇性造波等多种功能，可以造出不同类型、不同频率和不同波幅的水波，为周期性结构或超材料结构调控水波的研究提供了一种新的实验技术。需要说明的是，在同一实验水槽中不限于一套推板造波或点波源造波装置，可以将多套推板造波装置或点波源造波装置甚至将两者混合置于同一实验水槽中，以便研究水波的传播现象。以上所述仅是本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，本领域的技术人员可以理解：凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于包括不完全齿轮、齿条结构、固定滑块机构、传动结构、造波装置和实验水槽；

所述的不完全齿轮中心位置固定，其轮齿在圆周上连续分布，且轮齿数量在圆周上连续分布的角度小于等于180°；所述的齿条结构包括一体化设计或固连为一体的第一齿条和第二齿条；第一齿条和第二齿条互相平行且其上的齿相对设置；不完全齿轮位于两个齿条之间；在不完全齿轮转动的一个周期中，不完全齿轮能与第一齿条和第二齿条分别啮合；

所述的齿条结构两端均由固定滑块机构支撑固定，且齿条结构可相对固定滑块机构往复运动；

所述的齿条结构与所述的造波装置通过传动结构连接；向造波装置传递往复运动；所述的造波装置设置在实验水槽内通过往复运动产生波浪。

2.根据权利要求1所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于所述的造波装置为造波浮球；造波浮球位于实验水槽的水面上，所述的传动结构与造波浮球相连输出竖直方向的上下往复运动。

3.根据权利要求1所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于所述的造波装置为造波板；所述造波板上端高出水面，下端与实验水槽底部接触；所述的传动结构与造波板相连输出水平方向的往复运动。

4.根据权利要求3所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于所述的传动结构包括斜支撑结构和直支撑结构；所述直支撑结构上端与齿条结构铰接，下端与造波板固定连接；所述斜支撑结构上端通过固定角度连于齿条结构，下端与造波板通过铰接连接。

5.根据权利要求4所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于所述的斜支撑结构为长度可伸缩设计，通过调节斜支撑结构的长度，造波板与水面的夹角也会相应改变。

6.根据权利要求3所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于所述的造波板包括两层矩形板。

7.根据权利要求1所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于所述的不完全齿轮通过伺服电机驱动。

8.根据权利要求7所述的不完全齿轮齿条造波机装置，其特征在于还包括控制系统，所述控制系统用于控制伺服电机的运转。

9.一种如权利要求1所述装置的造波方法，其特征在于：

A)当需要实现连续性造波时，所述不完全齿轮的轮齿数量在圆周上连续分布的角度为180°，所述不完全齿轮单向转动，不完全齿轮始终与第一齿条或第二齿条中的一条啮合，由于第一齿条和第二齿条相对设置，不完全齿轮与两个齿条配合过程中，齿条结构的运动方向相反；不完全齿轮转动过程中带动齿条结构连续往复运动，并通过传动结构与造波装置实现连续性造波；

B)当需要实现间歇性造波时，所述不完全齿轮的轮齿数量在圆周上连续分布的角度小于180°；不完全齿轮单向转动，在不完全齿轮的运转的一个周期中，先与第一齿条啮合，此时齿条结构单向运动；随着不完全齿轮的继续转动，不完全齿轮与第一齿条脱离，此时不完全齿轮还未与第二齿条啮合，齿条结构停止运动；随后不完全齿轮继续转动，开始与第二齿条啮合，此时齿条结构反向运动；随着不完全齿轮的继续转动，不完全齿轮与第二齿条脱离，此时不完全齿轮还未与第一齿条啮合，齿条结构停止运动；不完全齿轮不断周期运转，带动齿条结构间歇性往复运动；通过传动结构与造波装置实现间歇性造波。

10.一种如权利要求1所述装置的造波方法，其特征在于：

A)当需要实现推板造波时，所述造波装置为造波板；造波板上端高出水面，下端与实验水槽底部接触；随着不完全齿轮的转动，齿条结构相对固定滑块机构往复运动；齿条结构通过传动结构向造波板输出水平方向的往复运动，从而实现推板造波；

B)当需要实现点波源造波时，所述造波装置为造波浮球；造波浮球位于实验水槽的水面上，随着不完全齿轮的转动，齿条结构相对固定滑块机构往复运动；齿条结构通过传动结构向造波浮球输出竖直方向的往复运动，从而实现点波源造波。