CN110411708B - 一种适用于波浪模拟试验的造波装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于波浪模拟试验的造波装置及其运行方法，涉及波浪模拟发生和模型试验领域。本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置主要包括试验水槽、动力及传动系统、造波系统、棘轮机构和岸坡模拟系统。动力及传动系统产生并输出整个装置运行所需的动能，造波系统产生不同运动性质和形态的波浪，棘轮机构能够控制整个装置的动能传输过程，并对电动机进行保护，岸坡模拟系统用以模拟不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡。本发明结构简单，对外部能量消耗较少，能够根据试验工况产生具备不同波浪要素的波浪以及不同倾角的斜坡，有助于更加深入地探究波浪传播、变形、爬升和破碎等过程。

Description

一种适用于波浪模拟试验的造波装置及其运行方法

技术领域

本发明属于波浪模拟发生和模型试验领域，特别涉及一种适用于波浪模拟试验的造波装置及其运行方法。

背景技术

波浪的模拟对水利、船舶航运、海洋工程以及港口、海岸工程等诸多领域的研究具有重要意义，有助于探究波浪对河流、湖泊、河口、海岸的水流运动特性和河床演变规律的影响。通过在试验水槽中开展波浪模拟试验，能够实现对各类规则波和不规则波以及特定风浪形式进行快速模拟，提高了研究过程的自主性和灵活性，同时规避了现场数据采集过程中的诸多风险和不确定因素，缩短了研究周期，节约了研究成本。

造波装置是波浪模拟试验中的关键设施，主要作用是根据试验设计要求产生具备不同波浪要素(波高、波长、波速、频率和波峰线等)的波浪。现有的造波装置大多结构复杂，造价高昂，造波效果较为单一，对复杂波浪形态的模拟效果较差，不适合高水深、大幅值等极端工况下的波浪模拟。

发明内容

发明目的：为了进一步简化造波装置的结构，实现对具备不同波浪要素的波浪的模拟，提升对波浪传播、变形、爬升和破碎等过程的认识，本发明提供了一种适用于波浪模拟试验的造波装置及其运行方法。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的一种适用于波浪模拟试验的造波装置，包括试验水槽、动力及传动系统、造波系统、棘轮机构和岸坡模拟系统。

所述的动力及传动系统包括固定平台、电动机、动力输入轴、传动轴A、传动轴B、锥齿轮A、锥齿轮B、锥齿轮C、差速器A、差速器B、支架A、锥齿轮D、锥齿轮E、锥齿轮F、锥齿轮G2、支架B、锥齿轮H、锥齿轮I、锥齿轮J、锥齿轮K、锥齿轮L、锥齿轮M、锥齿轮N、锥齿轮O、动力输出轴A、动力输出轴B和动力输出轴C，固定平台位于试验水槽上游段的左侧，固定平台底部固定于地面，电动机安装在固定平台顶部的左侧，电动机与动力输入轴左端连接，动力输入轴右端连接锥齿轮A，锥齿轮A与锥齿轮B相互啮合，锥齿轮B与锥齿轮C相互啮合，锥齿轮C的背面连接动力输出轴A，差速器A通过支架A固定在锥齿轮B齿面的中央，差速器A由锥齿轮D、锥齿轮E、锥齿轮F和锥齿轮G组成，锥齿轮D的背面与锥齿轮B的齿面相对，沿逆时针方向设置的锥齿轮D、锥齿轮E、锥齿轮F和锥齿轮G依次啮合并围成一个正方形，差速器B通过支架B固定在锥齿轮B背面的中央，差速器B由锥齿轮H、锥齿轮I、锥齿轮J和锥齿轮K组成，锥齿轮H的背面与锥齿轮B的背面相对，沿逆时针方向设置的锥齿轮H、锥齿轮I、锥齿轮J和锥齿轮K依次啮合并围成一个正方形，传动轴A和传动轴B分别通过轴承座和轴承安装在固定平台顶部中央的左右两侧，锥齿轮L和锥齿轮F固定在传动轴A的左右两端，锥齿轮M与锥齿轮L相互啮合，锥齿轮M的背面连接动力输出轴B，锥齿轮J与锥齿轮N固定在传动轴B的左右两端，锥齿轮N与锥齿轮O相互啮合，锥齿轮O的背面连接动力输出轴C。

所述的造波系统共有三组，三组造波系统沿试验水槽的长度方向自上游向下游依次布设，每组造波系统均包括圆柱内齿轮、基座、导轨、导轨B、限位器A、限位器B、圆柱外齿轮、连杆、固定杆A、固定杆B和造浪板，圆柱内齿轮通过连接在底部的基座固定在试验水槽左侧边壁的顶部，朝向试验水槽内侧的基座表面设置有导轨A，导轨A内安装限位器A，限位器A能够在导轨A内自由滑动，导轨B固定在试验水槽右侧边壁顶部，导轨B的位置与导轨A相对称，导轨B内安装限位器B，限位器B能够在导轨B内自由滑动，圆柱外齿轮位于圆柱内齿轮内部并与圆柱内齿轮相互啮合，三组造波系统中的圆柱外齿轮自试验水槽上游向下游分别与动力输出轴C、动力输出轴A和动力输出轴B连接，朝向试验水槽内侧的圆柱外齿轮表面中心处固定有连杆，连杆的底部连接固定杆A，固定杆A穿过限位器A，造浪板左端连接在固定杆A的长度方向上并与固定杆A垂直正交，造浪板右端连接在固定杆B的长度方向上并与固定杆B垂直正交，固定杆B穿过限位器B。

所述的棘轮机构共有两组，一组位于锥齿轮F与锥齿轮L之间，另一组位于锥齿轮J与锥齿轮N之间，每组棘轮机构均包括棘轮、棘爪定位座、方形孔、支架C、圆孔、止回棘爪和圆洞，两组棘轮机构中的棘轮分别安装在传动轴A和传动轴B上，棘爪定位座位于棘轮的上方，棘爪定位座通过支架C固定在固定平台顶部，方形孔、垂直贯穿棘爪定位座的上下表面，朝向试验水槽下游方向的棘爪定位座外表面设有与方形孔连通的圆孔，止回棘爪能够插入方形孔，止回棘爪的底部支撑在棘轮的顶部，止回棘爪表面设有圆洞。

所述的岸坡模拟系统包括挡条、主挡板、滑轨、副挡板和合页铰链，挡条设置在试验水槽下游方向的底板上，主挡板正面朝向试验水槽的上游方向，主挡板背面设置有滑轨，副挡板能够在滑轨内自由滑动，主挡板的顶部通过合页铰链连接在试验水槽下游侧壁面的顶部。

在本发明中，所述的动力输出轴A、动力输出轴B和动力输出轴C均包括两个弯折角度为90°的弯折部分，保证与圆柱内齿轮相互啮合的圆柱外齿轮能够沿着圆柱内齿轮的轮齿进行转动。

在本发明中，所述的限位器A和限位器B的两端设有限位片，限位片之间的间距与固定杆A和固定杆B的宽度相等，穿过限位器A的固定杆A被限位器A两端的限位片夹住，固定杆A在限位片的限制作用下仅能做竖直方向的上下运动，穿过限位器B的固定杆B被限位器B两端的限位片夹住，固定杆B在限位片的限制作用下仅能做竖直方向的上下运动。

在本发明中，所述的导轨A和导轨B的长度大于以圆柱内齿轮对应的分度圆的半径减去圆柱外齿轮对应的分度圆的半径的差值作为半径的特征圆的周长的四分之三，保证限位器A和限位器B能够分别在导轨A和导轨B内做左右往复运动。

在本发明中，所述的锥齿轮B与锥齿轮C规格相同，保证锥齿轮C、锥齿轮M和锥齿轮O旋转角速度一致。

在本发明中，所述的方形孔的横截面的宽度大于止回棘爪的横截面的宽度，止回棘爪的横截面的对角线长度大于方形孔的横截面的宽度，止回棘爪插入方形孔后能够在方形孔内发生竖直方向上的自由滑动但不能发生左右运动和转动。

在本发明中，所述的棘轮的齿沿着棘轮四周依次连续排列，齿的截面为底部为凹面的直角三角形，该底部为凹面的直角三角形的高度在顺时针方向上逐渐降低，保证棘轮在进行顺时针转动时，一个棘轮的齿经过同一空间点时对应的齿的高度逐渐升高，原本支撑在齿的表面的止回棘爪在方形孔的约束下被垂直向上顶起，由于棘轮的顺时针转动，止回棘爪将逐级自由跌落至下一级的齿，不对棘轮的顺时针转动产生干扰。而当棘轮逆时针转动时，一个棘轮的齿经过同一空间点时对应的齿的高度逐渐降低，上一级齿的末端的高度高于支撑在下一级齿的表面的止回棘爪底部的高程，由于止回棘爪在方形孔的约束下无法左右运动，止回棘爪将阻挡棘轮进行逆时针转动，从而达到阻止逆时针转动经传动轴A和传动轴B传递至电动机的目的，避免因反转引起的电动机损坏。

作为优选，限位器A和限位器B的限位片内侧均设有滚珠，减小固定杆A和固定杆B做上下往复运动时的摩擦阻力。

作为优选，方形孔横截面宽度是止回棘爪横截面宽度的1.2倍。

作为优选，圆孔的直径大于圆洞的直径。

作为优选，造波板的高度是试验水槽高度的0.7倍。

作为优选，主档板的高度是副挡板高度的2倍。

作为优选，主档板和副挡板表面可设置水压力传感器，以便对波浪冲击主档板和副挡板时产生的应力进行实时测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种适用于波浪模拟试验的造波装置的运行方法，方法如下：

动力及传动系统产生整个装置运行所需的动能，并将动能稳定地输送到造波系统，驱动一个或多个造波系统进行工作；

所述的造波系统用以产生具备不同波浪要素的波浪；

所述的棘轮机构能够根据试验工况对动力及传动系统的动能传输过程进行局部阻断，同时可以阻止试验水槽内波浪运动对造波板和动力及传动系统的反向驱动，避免因反转引起的电动机损坏；

所述的岸坡模拟系统用以模拟不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡，揭示水坝坝坡和堤岸岸坡的坡度对波浪传播、变形、爬升和破碎等过程的影响。

有益效果：本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置及其运行方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中的棘轮机构能够根据试验工况局部阻断动力及传动系统的动能传输过程，控制造波系统的工作状态，同时，在电动机关闭时，试验水槽内波浪运动施加在造波板上的作用力可能会引起的造波板和动力及传动系统的反向转动，棘轮机构通过阻止传动轴A和传动轴B的转动，避免因反转引起的电动机损坏，保证整个试验装置的正常运行；

(2)本发明中的差速器A和差速器B能够协调各个造波系统的工作状态，特别是当位于固定平台顶部左侧或右侧的造波系统的运动受到棘轮机构的限制时，保证动力及传动系统将动能稳定地输送到其余的造波系统，确保其余的造波系统的正常工作，通过差速器A、差速器B和棘轮机构的协同可以改变造波系统处于工作状态的个数，从而产生具备不同波浪要素的波浪；

(3)本发明中的副挡板沿着滑轨向下滑动，延迟主挡板的长度，副挡板底部支撑在不同位置的挡条上，在试验水槽下游侧形成不同倾角的斜坡，实现对不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡的模拟，揭示水坝坝坡和堤岸岸坡的坡度对波浪传播、变形、爬升和破碎等过程的影响；

(4)本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置的运行仅需要一个电动机进行带动，整个装置结构简单、对外部能量消耗较少、制作和运行成本较低，有利于相关模型试验的开展。

附图说明

图1是本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置的结构俯视图；

图2是本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置的结构左视图；

图3是本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置的结构右视图；

图4是图1中动力及传动系统的俯视图；

图5是图4中差速器A和差速器B的结构示意图；

图6是图1中造波系统的结构示意图；

图7是图1中棘轮机构布设情况示意图；

图8是图1中棘轮机构的结构示意图；

图9是图1中岸坡模拟系统的结构示意图；

图10是图9中岸坡模拟系统的副挡板开启时的结构示意图；

图中：1-试验水槽；2-动力及传动系统；21-固定平台；22-电动机；23-动力输入轴；241-传动轴A；242-传动轴B；251-锥齿轮A；252-锥齿轮B；253-锥齿轮C；26A-差速器A；26B-差速器B；260-支架A；261-锥齿轮D；262-锥齿轮E；263-锥齿轮F；264-锥齿轮G；265-支架B；266-锥齿轮H；267-锥齿轮I；268-锥齿轮J；269-锥齿轮K；271-锥齿轮L；272-锥齿轮M；273-锥齿轮N；274-锥齿轮O；281-动力输出轴A；282-动力输出轴B；283-动力输出轴C；3-造波系统；31-圆柱内齿轮；32-基座；331-导轨A；332-导轨B；341-限位器A、342-限位器B、35-圆柱外齿轮；36-连杆；371-固定杆A；372-固定杆B；38-造浪板；4-棘轮机构；41-棘轮；42-棘爪定位座；43-方形孔；44-支架C；45-圆孔；46-止回棘爪；47-圆洞；5-岸坡模拟系统；51-挡条；52-主挡板；53-滑轨；54-副挡板；55-合页铰链。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1至图10所示，本发明的一种适用于波浪模拟试验的造波装置主要包括试验水槽1、动力及传动系统2、造波系统3、棘轮机构4和岸坡模拟系统5。

如图1、图2、图4和图5所示，动力及传动系统2包括固定平台21、电动机22、动力输入轴23、传动轴A241、传动轴B242、锥齿轮A251、锥齿轮B252、锥齿轮C253、差速器A26A、差速器B26B、支架A260、锥齿轮D261、锥齿轮E262、锥齿轮F263、锥齿轮G264、支架B265、锥齿轮H266、锥齿轮I267、锥齿轮J268、锥齿轮K269、锥齿轮L271、锥齿轮M272、锥齿轮N273、锥齿轮O274、动力输出轴A281、动力输出轴B282和动力输出轴C283，固定平台21位于试验水槽1上游段的左侧，固定平台21底部固定于地面，电动机22安装在固定平台21顶部的左侧，电动机22与动力输入轴23左端连接，动力输入轴23右端连接锥齿轮A251，锥齿轮A251与锥齿轮B252相互啮合，锥齿轮B252与锥齿轮C253相互啮合，锥齿轮C253的背面连接动力输出轴A281，差速器A26A通过支架A260固定在锥齿轮B252齿面的中央，差速器A26A由锥齿轮D261、锥齿轮E262、锥齿轮F263和锥齿轮G264组成，锥齿轮D261的背面与锥齿轮B252的齿面相对，沿逆时针方向设置的锥齿轮D261、锥齿轮E262、锥齿轮F263和锥齿轮G264依次啮合并围成一个正方形，差速器B26B通过支架B265固定在锥齿轮B252背面的中央，差速器B26B由锥齿轮H266、锥齿轮I267、锥齿轮J268和锥齿轮K269组成，锥齿轮H266的背面与锥齿轮B252的背面相对，沿逆时针方向设置的锥齿轮H266、锥齿轮I267、锥齿轮J268和锥齿轮K269依次啮合并围成一个正方形，传动轴A241和传动轴B242分别通过轴承座和轴承安装在固定平台21顶部中央的左右两侧，锥齿轮L271和锥齿轮F263固定在传动轴A241的左右两端，锥齿轮M272与锥齿轮L271相互啮合，锥齿轮M272的背面连接动力输出轴B282，锥齿轮J268与锥齿轮N273固定在传动轴B242的左右两端，锥齿轮N273与锥齿轮O274相互啮合，锥齿轮O274的背面连接动力输出轴C283；锥齿轮B252与锥齿轮C253规格相同，保证锥齿轮C253、锥齿轮M272和锥齿轮O274旋转角速度一致。

具体的，动力输出轴A281、动力输出轴B282和动力输出轴C283均包括两个弯折角度为90°的弯折部分，保证与圆柱内齿轮31相互啮合的圆柱外齿轮35能够沿着圆柱内齿轮31的轮齿进行转动。

如图1至图3和图6所示，造波系统3共有三组，三组造波系统3沿试验水槽1的长度方向自上游向下游依次布设，每组造波系统3均包括圆柱内齿轮31、基座32、导轨A331、导轨B332、限位器A341、限位器B342、圆柱外齿轮35、连杆36、固定杆A371、固定杆B372和造浪板38，圆柱内齿轮31通过连接在底部的基座32固定在试验水槽1左侧边壁的顶部，朝向试验水槽1内侧的基座32表面设置有导轨A331，导轨A331内安装限位器A341，限位器A341能够在导轨A331内自由滑动，导轨B332固定在试验水槽1右侧边壁顶部，导轨B332的位置与导轨A331相对称，导轨B332内安装限位器B342，限位器B342能够在导轨B332内自由滑动，圆柱外齿轮35位于圆柱内齿轮31内部并与圆柱内齿轮31相互啮合，三组造波系统3中的圆柱外齿轮35自试验水槽1上游向下游分别与动力输出轴C283、动力输出轴A281和动力输出轴B282连接，朝向试验水槽1内侧的圆柱外齿轮35表面中心处固定有连杆36，连杆36的底部连接固定杆A371，固定杆A371穿过限位器A341，造浪板38左端连接在固定杆A371的长度方向上并与固定杆A371垂直正交，造浪板38右端连接在固定杆B372的长度方向上并与固定杆B372垂直正交，固定杆B372穿过限位器B342。

具体的，导轨A331和导轨B332的长度大于以圆柱内齿轮31对应的分度圆的半径减去圆柱外齿轮35对应的分度圆的半径的差值作为半径的特征圆的周长的四分之三，保证限位器A341和限位器B342能够分别在导轨A331和导轨B332内做左右往复运动。

进一步的，限位器A341和限位器B342的两端设有限位片，限位片之间的间距与固定杆A371和固定杆B372的宽度相等，穿过限位器A341的固定杆A371被限位器A341两端的限位片夹住，固定杆A371在限位片的限制作用下仅能做竖直方向的上下运动，穿过限位器B342的固定杆B372被限位器B342两端的限位片夹住，固定杆B372在限位片的限制作用下仅能做竖直方向的上下运动。

如图1、图2、图7和图8所示，所述的棘轮机构4共有两组，一组位于锥齿轮F263与锥齿轮L271之间，另一组位于锥齿轮J268与锥齿轮N273之间，每组棘轮机构4均包括棘轮41、棘爪定位座42、方形孔43、支架C44、圆孔45、止回棘爪46和圆洞47，两组棘轮机构4中的棘轮41分别安装在传动轴A241和传动轴B242上，棘爪定位座42位于棘轮41的上方，棘爪定位座42通过支架C44固定在固定平台21顶部，方形孔43垂直贯穿棘爪定位座42的上下表面，朝向试验水槽1下游方向的棘爪定位座42外表面设有与方形孔43连通的圆孔45，止回棘爪46能够插入方形孔43，止回棘爪46的底部支撑在棘轮41的顶部，止回棘爪46表面设有圆洞47；方形孔43的横截面的宽度大于止回棘爪46的横截面的宽度，止回棘爪46的横截面的对角线长度大于方形孔43的横截面的宽度，止回棘爪46插入方形孔43后能够在方形孔43内发生竖直方向上的自由滑动但不能发生左右运动和转动。

具体的，所述的棘轮41的齿沿着棘轮41四周依次连续排列，齿的截面为底部为凹面的直角三角形，该底部为凹面的直角三角形的高度在顺时针方向上逐渐降低，保证棘轮41在进行顺时针转动时，一个棘轮41的齿经过同一空间点时对应的齿的高度逐渐升高，原本支撑在齿的表面的止回棘爪46在方形孔43的约束下被垂直向上顶起，由于棘轮41的顺时针转动，止回棘爪46将逐级自由跌落至下一级的齿，不对棘轮41的顺时针转动产生干扰。而当棘轮41逆时针转动时，一个棘轮41的齿经过同一空间点时对应的齿的高度逐渐降低，上一级齿的末端的高度高于支撑在下一级齿的表面的止回棘爪46底部的高程，由于止回棘爪46在方形孔43的约束下无法左右运动，止回棘爪46将阻挡棘轮41进行逆时针转动，从而达到阻止逆时针转动经传动轴A241和传动轴B242传递至电动机21的目的，避免因反转引起的电动机21损坏。

如图1至图3、图9和图10所示，岸坡模拟系统5包括挡条51、主挡板52、滑轨53、副挡板54和合页铰链55，挡条51设置在试验水槽1下游方向的底板上，主挡板52正面朝向试验水槽1的上游方向，主挡板52背面设置有滑轨53，副挡板54能够在滑轨53内自由滑动，主挡板52的顶部通过合页铰链55连接在试验水槽1下游侧壁面的顶部。

本实施例的一种适用于波浪模拟试验的造波装置的运行方法包括以下步骤：

①初始，水流通过抽水设备持续注入到试验水槽1中，试验水槽1内的水位逐渐上升至试验工况要求的水位，电动机22处于待机状态，插入方形孔43中的止回棘爪46的底部支撑在棘轮41的顶部，动力及传动系统2、造波系统3和棘轮机构4均处于静止状态，副挡板54完全收纳在主挡板52背面的滑轨53内，主挡板52与试验水槽1的底板相互垂直；

②开始试验时，电动机22开启并带动锥齿轮A251进行顺时针转动，锥齿轮A251啮合锥齿轮B252进行顺时针转动，锥齿轮B252啮合锥齿轮C253驱动动力输出轴A281进行顺时针转动，通过支架A260固定在锥齿轮B252齿面的中央的差速器A26A随锥齿轮B252同步进行顺时针转动，组成差速器A26A的锥齿轮D261、锥齿轮E262、锥齿轮F263和锥齿轮G264之间不发生相对运动，连接在锥齿轮F263背面的传动轴A241随着差速器A26A同步进行顺时针转动，与传动轴A241的左端连接的锥齿轮L271啮合锥齿轮M272驱动动力输出轴B282进行顺时针转动，通过支架B265固定在锥齿轮B252背面的中央的差速器B26B随锥齿轮B252同步进行顺时针转动，组成差速器B26B的锥齿轮H266、锥齿轮I267、锥齿轮J268和锥齿轮K269之间不发生相对运动，连接在锥齿轮J268背面的传动轴B242随着差速器B26B同步进行顺时针转动，与传动轴B242的右端连接的锥齿轮N273啮合锥齿轮O274驱动动力输出轴C283进行顺时针转动；

③动力输出轴A281、动力输出轴B282和动力输出轴C283分别驱动与各自相连的圆柱外齿轮35沿着圆柱内齿轮31的轮齿同步进行顺时针转动，通过连杆36与圆柱外齿轮35连接的固定杆A371带动造浪板38随着圆柱外齿轮35同步运动，该同步运动包括固定杆A371和限位器A341共同沿着导轨A331的左右往复运动以及固定杆A371相对于限位器A341的上下往复运动，连接在造浪板38右端的固定杆B372与限位器B342的运动过程相同，即固定杆B372和限位器B342共同沿着导轨B332的左右往复运动以及固定杆B372相对于限位器B342的上下往复运动；

④经过上述过程，三组造波系统3中的造浪板38同步运动并在试验水槽1上游形成波浪，波浪向试验水槽1的下游方向传播并最终冲击与试验水槽1的底板相互垂直的主挡板52，波浪在主挡板52表面依次发生变形、爬升和破碎等过程，整个波浪传播过程的模拟与观测得以实现；

⑤在上述过程中，分别安装在传动轴A241和传动轴B242上的两个棘轮41均分别随着传动轴A241和传动轴B242做顺时针转动，原本支撑在棘轮41的齿的表面的止回棘爪46在方形孔43的约束下被垂直向上顶起，止回棘爪46将沿着顺时针方向逐级自由跌落至下一级的齿，不对棘轮41的顺时针转动产生干扰；

⑥试验结束时关闭电动机21，造浪板38在失去动力后停止运动，整个试验装置回到初始状态，但此时试验水槽1内波浪运动仍未停止，由造波系统3产生的波浪在冲击主档板52后发生发射，形成朝试验水槽1上游方向传播的负波，负波直接冲击造浪板38并引起造浪板38所在区域水位抬高，导致造浪板38发生不规则的运动，造浪板38的不规则运动有可能会引起圆柱外齿轮35沿着圆柱内齿轮31的轮齿发生逆时针转动，这种与正常造波过程相反的转动如果经动力及传动系统2传递至电动机21，会导致电动机21的损坏，棘轮机构4的设置能够避免电动机21因反转而引起的损坏，当圆柱外齿轮35的逆时针转动传递至传动轴A241和传动轴B242时，棘轮4将出现发生逆时针转动的趋势，但由于棘轮4的上一级齿的末端的高度高于支撑在下一级齿的表面的止回棘爪46底部的高程，并且止回棘爪46在方形孔43的约束下无法左右运动，止回棘爪46将阻挡棘轮41进行逆时针转动，从而达到阻止逆时针转动经传动轴A241和传动轴B242传递至电动机21的目的，避免因反转引起的电动机21损坏；

⑦为研究不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡对波浪运动过程的影响，可根据试验工况将副挡板54从滑轨53内抽出特定长度并固定，实现对主挡板52长度的延长，将副挡板54的底部支撑在处于不同位置的挡条51前方，形成不同倾角的斜坡来模拟不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡，实现对波浪在不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡上的运动过程的模拟与对比分析；

⑧为产生具备不同波浪要素的波浪，部分试验工况下仅需要三个造浪板38中的一个或两个进行工作，本实施例以不需要距离试验水槽1上游侧最近的造浪板38进行工作为例展开介绍，该造浪板38的运动是电动机21产生的动力经传过传动轴B242并驱动动力输出轴C283转动而发生的，该过程可由位于锥齿轮J268与锥齿轮N273之间的棘轮机构4控制，只需要将插销经圆孔45插入到圆洞47内，止回棘爪46的上下运动受到插销的限制，顺时针转动的棘轮41受到止回棘爪46的阻挡，导致传动轴B242的转动受到限制，导致与传动轴B242的右端连接的锥齿轮N273无法啮合锥齿轮O274驱动动力输出轴C283进行顺时针转动，距离试验水槽1上游侧最近的造浪板38也无法进行工作；差速器B26B中与传动轴B242的左端连接的锥齿轮J268无法发生转动，此时，锥齿轮I267和锥齿轮K269会沿着锥齿轮J268的齿发生相对转动，保证连接在锥齿轮B252背面的锥齿轮H266进行顺时针转动，即保持锥齿轮B252与锥齿轮H266进行同步的顺时针转动，传动轴B242转动受限不会对锥齿轮B252的顺时针转动产生影响，锥齿轮B252正常啮合锥齿轮C253进行顺时针转动，通过支架A260固定在锥齿轮B252齿面的中央的差速器A26A仍随锥齿轮B252同步进行顺时针转动，与传动轴A241的左端连接的锥齿轮L271啮合锥齿轮M272进行顺时针转动，分别与锥齿轮C253与锥齿轮M272连接的动力输出轴A281和动力输出轴B282均保持顺时针转动并驱动与之对应的两个造浪板38进行运动，同理，当仅需要一个造浪板38进行运动时，可将两个插销分别经圆孔45插入到两个棘轮机构4中的圆洞47内，动力输出轴B282和动力输出轴C283的转动受到限制，仅动力输出轴A281进行顺时针转动并驱动与之对应的造浪板38进行运动；

按照上述相应步骤，即可产生具备不同波浪要素的波浪以及不同倾角的斜坡，更加准确地模拟波浪传播、变形、爬升和破碎等过程。

本发明能够根据试验工况产生具备不同波浪要素的波浪，构建不同倾角的斜坡以模拟不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡，有助于更加深入地探究波浪传播、变形、爬升和破碎等过程，丰富和完善波浪运动理论；同时，本发明结构简单、对外部能量消耗较少、制作和运行成本较低，有利于相关模型试验的开展。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于波浪模拟试验的造波装置，其特征在于，包括试验水槽(1)、动力及传动系统(2)、造波系统(3)、棘轮机构(4)和岸坡模拟系统(5)；

所述的动力及传动系统(2)包括固定平台(21)、电动机(22)、动力输入轴(23)、传动轴A(241)、传动轴B(242)、锥齿轮A(251)、锥齿轮B(252)、锥齿轮C(253)、差速器A(26A)、差速器B(26B)、支架A(260)、锥齿轮D(261)、锥齿轮E(262)、锥齿轮F(263)、锥齿轮G(264)、支架B(265)、锥齿轮H(266)、锥齿轮I(267)、锥齿轮J(268)、锥齿轮K(269)、锥齿轮L(271)、锥齿轮M(272)、锥齿轮N(273)、锥齿轮O(274)、动力输出轴A(281)、动力输出轴B(282)和动力输出轴C(283)，固定平台(21)位于试验水槽(1)上游段的左侧，固定平台(21)底部固定于地面，电动机(22)安装在固定平台(21)顶部的左侧，电动机(22)与动力输入轴(23)左端连接，动力输入轴(23)右端连接锥齿轮A(251)，锥齿轮A(251)与锥齿轮B(252)相互啮合，锥齿轮B(252)与锥齿轮C(253)相互啮合，锥齿轮C(253)的背面连接动力输出轴A(281)，差速器A(26A)通过支架A(260)固定在锥齿轮B(252)齿面的中央，差速器A(26A)由锥齿轮D(261)、锥齿轮E(262)、锥齿轮F(263)和锥齿轮G(264)组成，锥齿轮D(261)的背面与锥齿轮B(252)的齿面相对，沿逆时针方向设置的锥齿轮D(261)、锥齿轮E(262)、锥齿轮F(263)和锥齿轮G(264)依次啮合并围成一个正方形，差速器B(26B)通过支架B(265)固定在锥齿轮B(252)背面的中央，差速器B(26B)由锥齿轮H(266)、锥齿轮I(267)、锥齿轮J(268)和锥齿轮K(269)组成，锥齿轮H(266)的背面与锥齿轮B(252)的背面相对，沿逆时针方向设置的锥齿轮H(266)、锥齿轮I(267)、锥齿轮J(268)和锥齿轮K(269)依次啮合并围成一个正方形，传动轴A(241)和传动轴B(242)分别通过轴承座和轴承安装在固定平台(21)顶部中央的左右两侧，锥齿轮L(271)和锥齿轮F(263)固定在传动轴A(241)的左右两端，锥齿轮M(272)与锥齿轮L(271)相互啮合，锥齿轮M(272)的背面连接动力输出轴B(282)，锥齿轮J(268)与锥齿轮N(273)固定在传动轴B(242)的左右两端，锥齿轮N(273)与锥齿轮O(274)相互啮合，锥齿轮O(274)的背面连接动力输出轴C(283)；

所述的造波系统(3)共有三组，三组造波系统(3)沿试验水槽(1)的长度方向自上游向下游依次布设，每组造波系统(3)均包括圆柱内齿轮(31)、基座(32)、导轨A(331)、导轨B(332)、限位器A(341)、限位器B(342)、圆柱外齿轮(35)、连杆(36)、固定杆A(371)、固定杆B(372)和造浪板(38)，圆柱内齿轮(31)通过连接在底部的基座(32)固定在试验水槽(1)左侧边壁的顶部，朝向试验水槽(1)内侧的基座(32)表面设置有导轨A(331)，导轨A(331)内安装限位器A(341)，限位器A(341)能够在导轨A(331)内自由滑动，导轨B(332)固定在试验水槽(1)右侧边壁顶部，导轨B(332)的位置与导轨A(331)相对称，导轨B(332)内安装限位器B(342)，限位器B(342)能够在导轨B(332)内自由滑动，圆柱外齿轮(35)位于圆柱内齿轮(31)内部并与圆柱内齿轮(31)相互啮合，三组造波系统(3)中的圆柱外齿轮(35)自试验水槽(1)上游向下游分别与动力输出轴C(283)、动力输出轴A(281)和动力输出轴B(282)连接，朝向试验水槽(1)内侧的圆柱外齿轮(35)表面中心处固定有连杆(36)，连杆(36)的底部连接固定杆A(371)，固定杆A(371)穿过限位器A(341)，造浪板(38)左端连接在固定杆A(371)的长度方向上并与固定杆A(371)垂直正交，造浪板(38)右端连接在固定杆B(372)的长度方向上并与固定杆B(372)垂直正交，固定杆B(372)穿过限位器B(342)；

所述的动力输出轴A(281)、动力输出轴B(282)和动力输出轴C(283)均包括两个弯折角度为90°的弯折部分，保证与圆柱内齿轮(31)相互啮合的圆柱外齿轮(35)能够沿着圆柱内齿轮(31)的轮齿进行转动；

所述的限位器A(341)和限位器B(342)的两端设有限位片，限位片之间的间距与固定杆A(371)和固定杆B(372)的宽度相等，穿过限位器A(341)的固定杆A(371)被限位器A(341)两端的限位片夹住，固定杆A(371)在限位片的限制作用下仅能做竖直方向的上下运动，穿过限位器B(342)的固定杆B(372)被限位器B(342)两端的限位片夹住，固定杆B(372)在限位片的限制作用下仅能做竖直方向的上下运动；

所述的棘轮机构(4)共有两组，一组位于锥齿轮F(263)与锥齿轮L(271)之间，另一组位于锥齿轮J(268)与锥齿轮N(273)之间，每组棘轮机构(4)均包括棘轮(41)、棘爪定位座(42)、方形孔(43)、支架C(44)、圆孔(45)、止回棘爪(46)和圆洞(47)，两组棘轮机构(4)中的棘轮(41)分别安装在传动轴A(241)和传动轴B(242)上，棘爪定位座(42)位于棘轮(41)的上方，棘爪定位座(42)通过支架C(44)固定在固定平台(21)顶部，方形孔(43)垂直贯穿棘爪定位座(42)的上下表面，朝向试验水槽(1)下游方向的棘爪定位座(42)外表面设有与方形孔(43)连通的圆孔(45)，止回棘爪(46)能够插入方形孔(43)，止回棘爪(46)的底部支撑在棘轮(41)的顶部，止回棘爪(46)表面设有圆洞(47)；

所述的方形孔(43)的横截面的宽度大于止回棘爪(46)的横截面的宽度，止回棘爪(46)的横截面的对角线长度大于方形孔(43)的横截面的宽度，止回棘爪(46)插入方形孔(43)后能够在方形孔(43)内发生竖直方向上的自由滑动但不能发生左右运动和转动；

所述的岸坡模拟系统(5)包括挡条(51)、主挡板(52)、滑轨(53)、副挡板(54)和合页铰链(55)，挡条(51)设置在试验水槽(1)下游方向的底板上，主挡板(52)正面朝向试验水槽(1)的上游方向，主挡板(52)背面设置有滑轨(53)，副挡板(54)能够在滑轨(53)内自由滑动，主挡板(52)的顶部通过合页铰链(55)连接在试验水槽(1)下游侧壁面的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种适用于波浪模拟试验的造波装置，其特征在于：所述的导轨A(331)和导轨B(332)的长度大于以圆柱内齿轮(31)对应的分度圆的半径减去圆柱外齿轮(35)对应的分度圆的半径的差值作为半径的特征圆的周长的四分之三。

3.根据权利要求1所述的一种适用于波浪模拟试验的造波装置，其特征在于：所述的锥齿轮B(252)与锥齿轮C(253)规格相同，保证锥齿轮C(253)、锥齿轮M(272)和锥齿轮O(274)旋转角速度一致。

4.根据权利要求1所述的一种适用于波浪模拟试验的造波装置的运行方法，其特征在于：

所述的动力及传动系统(2)产生整个装置运行所需的动能，并将动能稳定地输送到造波系统(3)，驱动一个或多个造波系统(3)进行工作；

所述的造波系统(3)用以产生具备不同波浪要素的波浪；

所述的棘轮机构(4)能够根据试验工况对动力及传动系统(2)的动能传输过程进行局部阻断，同时可以阻止试验水槽(1)内波浪运动对造浪板(38)和动力及传动系统(2)的反向驱动，避免因反转引起的电动机(22)损坏；

所述的岸坡模拟系统(5)用以模拟不同坡度的水坝坝坡和堤岸岸坡，揭示水坝坝坡和堤岸岸坡的坡度对波浪传播、变形、爬升和破碎过程的影响。