CN110924708A - 一种拟合式推板双向人工造浪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拟合式推板双向人工造浪装置及方法，直线排成一列的推板，部分或者全部浸在水中，每个推板由动力液压缸为源动机，通过推杆和变速摆杆齿轮机构驱动，推板与推杆之间存在角度调整机构，直线排列的推板在中央控制系统的指令下按顺序在水池中协同动作，拟合出牵引式造浪板在水池中的运动模式，在水池中和牵引式造浪板制造出同样效果的浪，浪在前进过程中不衰减，而且可以正反两个方向拟合，也就是能够制造出左手浪和右手浪，可同时制造多道浪，还可以模拟传统推板式造浪，运行方式灵活，本发明不需要大型的电机、电源、减速机、卷筒、钢丝绳牵引系统，系统工程实现难度大大降低，整体造价也要低得多，便于运行维护。

Description

一种拟合式推板双向人工造浪装置及方法

技术领域

本发明涉及一种拟合式推板双向人工造浪装置及方法，属于舰艇波浪环境适应性试验平台、波浪发电设备测试，以及大众体育、娱乐辅助设施范畴。

背景技术

目前主要的符合专业训练和比赛的人工造浪方法有两种，一种是动力牵动造浪板在造浪池中运动，利用造浪板推动池水形成浪(参考专利：①PCT/ES2008/000089，②PCT/US2013/059498，③US 8,366,347 B2，④US 8,042,200 B2)，优点是持续时间长，浪形较好，缺点是对造浪板和池底的空间几何形状要求较高，需要利用超级计算机进行数值仿真计算和优化设计，加工难度高，另外，该类型造浪船需要强大的牵引驱动设备，需要两台功率达到几个MW的大功率高压电机作为源动力，经过变速器驱动卷筒卷绕钢丝绳拖动造浪板在水池中运动，强大的拉力和功率要求电机、变速器、联轴器、驱动转轴、卷筒、钢丝绳以及轨道导向轮的容量、结构强度指标很大，建设投资成本就会很高，而且这种牵引型的人工造浪模式造浪板只能往复沿着轨道运行，在动力容量有限的情况下，一次只能挂一个或者左右一对造浪板，沿轨道运行一次只能造一道浪，造浪板到达一端以后才能往回运动，开始造下一道浪，造浪周期比较长；目前另外一种人工造浪方式是利用多个连续排列的真空泵驱动水流，通过池底的反射制造卷浪(参考专利：⑤US2018266129A9，⑥USRE47023E，⑦US2018106058A1)，这种模式可是造出比较完美的卷浪，而且功率消耗比较小，当多个真空泵连续交替工作时，一个造浪池可以同时形成多道卷浪，供多个冲浪者使用，但缺点也很明显，实体浪较短，冲浪者在浪上横向运动范围非常小，一些需要有距离来加速的动作无法完成。传统动力牵引造浪板的造浪原理，在动力钢丝绳的牵引下，造浪板沿箭头方向往复运动，利用迎水面推动池水造浪。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术对源动机容量要求过大以及单行程只能造一道浪的不足，提供一种拟合式推板双向人工造浪装置及方法，将动力分散降低成本，而且可以同时制造多道浪。

本发明技术解决方案：一种拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：包括：水池、动力液压缸、驱动杆、变速摆杆、固定轴、推杆、导筒、推板以及调姿液压缸、调姿推杆和连杆，以及液压阀门、中央控制系统；

直线排成一列的推板部分或者全部浸在水中，每个推板由动力液压缸为源动机，推板连着水平放置的推杆的一端，套筒水平套在推杆上，推杆的另一端加工为齿条，和变速摆杆上的高速端扇形齿轮相啮合，变速摆杆的低速端的扇形齿轮与驱动液压机的液压缸动力输出杆上的齿条部分相啮合。变速摆杆绕固定轴转动，推杆上安装有调姿液压缸、调姿推杆和连杆；动力液压缸和调姿液压缸都通过液压阀门控制运动速度和方向，中央控制系统控制液压阀门。

通过推杆和变速摆杆齿轮机构驱动，调姿液压缸、调姿推杆和连杆共同动作，调整推板与推杆之间的角度，动力液压缸推动驱动杆，驱动杆带动变速摆杆，变速摆杆驱动推杆，驱动推板前后运动，液压阀门在中央控制系统的指令下控制推板的运动速度，直线排列的多个推板按顺序在水池中协同动作，拟合出牵引式造浪板在水池中的运动模式，在水池中和牵引式造浪板制造出同样效果的浪。每个推杆都有独立的动力液压缸作为源动力驱动，动力分散布置。

所述的拟合推板造浪装置，其特征在于：在中央控制系统的控制下，通过调姿液压缸、调姿推杆和连杆共同动作，迎水面的推板倾斜角度θ与被拟合的牵引式造浪板迎水面夹角θ相同，推板的运动速度Vh＝v×tgθ，v为被拟合牵引式造浪板的牵引速度，相邻两个推板间的动作时差t＝(Bsinθ)/Vh，迎水面连续动作的推板数量M＝L/B，这里L为被拟合牵引式造浪板迎水面的长度，B为推板排列方向的宽度，推板运动到达最大行程H时，H＝L×sinθ，夹角调整为-θ,往回以-Vh的速度运动，回复到初始位置时，停止运动并夹角θ调整为0，以上过程从直线排成一列的推板的一端动作到另一端，从而拟合出一道与牵引式造浪板相同效果的浪。

所述的拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：在水池中任意位置开始的连续M个推板，推板倾斜角度θ，推板的运动速度Vh＝v×tgθ，相邻两个推板间的动作时差t＝(Bsinθ)/Vh，推板运动到达最大行程H时，H＝L×sinθ，夹角调整为-θ,往回以-Vh的速度运动，回复到初始位置时，停止运动并夹角θ调整为0，也就是在任意位置拟合出一个牵引式造浪板的造浪效果，即同时在水池中制造多道浪。

所述的拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：所拟合的迎水面方向是任意的，即任意连续M个推板正反两个方向拟合牵引式造浪板的造浪动作，在水池中正反两个方向造浪，制造左手浪和右手浪。

所述的拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：当所有推板角度为零，以相同的速度前后运动时，能够模拟推板式人工造浪方式。

一种拟合式推板双向人工造浪方法，其特征在于：直线排成一列的推板，部分或者全部浸在水中，每个推板由动力液压缸为源动机，通过推杆和变速摆杆齿轮机构驱动，推板与推杆之间通过调姿液压缸、调姿推杆和连杆调整推板的角度θ，直线排列的推板在中央控制系统的指令下，相邻的M个推板按顺序在水池中协同动作，拟合出牵引式造浪板在水池中的运动模式，在水池中和牵引式造浪板制造出同样效果的浪，浪在前进过程中不衰减，而且正反两个方向拟合，能够制造出左手浪和右手浪；当多个不同位置的相邻的M个推板协同动作时，就可以同时制造多道浪；当相邻的M个推板将θ调整为0，同时前后运动时，则模拟出推板式造浪。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对比专利①-④由巨大的整块造浪板，通过钢丝绳牵引，沿着水池中的轨道往复运动造浪，动力牵引机位于造浪池的一端或者两端，集中式动力牵引，牵引机需要克服整个造浪板的水阻力、钢丝绳、导向轮等摩擦力及阻力、动力系统本身的非动力输出损耗，总功率需求很高，往往达到几个兆瓦，致使动力系统的供配电、电机、变速机、控制电源、卷扬机、钢丝绳、轨道等分系统都必须有相应的容量规模，分系统部件都需要专门定制，无法市场采购，整体造价昂贵，运行维护成本也很高。本发明提出采用直线连续排列的多块推板，通过调节自身角度，通过调整推杆的运动位置顺序拟合出牵引式整块造浪板在水池中运动造浪的效果，分散动力，每一个分动力机的功率需求比集中式的牵引要小得多，便于市场采购和控制成本；

(2)本发明可通过改变推杆的运动顺序实现多种浪型，这是牵引式造浪机无法实现的；

(3)因为推板之间互相独立，都有自己的动力源，本发明可方便地实现一个池中同时制造多道浪，牵引式造浪机一个方向运动只能制造一道浪；

(4)本发明运营过程中便于模块化替换，当一部分出现故障事方便替换，运维成本很低，而牵引式任何分系统故障就会导致整体无法运行，而且修复成本也要非常高；

(5)本发明可以方便地模拟传统的推板造浪方式，向下兼容。

附图说明

图1为一个推板的工作原理图，为水平方向视图；

图2为推杆、导筒与推板角度调整系统工作原理图，为俯视图；

图3为为图2的局部放大；

图4为动力驱动原理图；

图5为为连续直线排列的一组推板之间位置关系，为俯视图；

图6为4块推板，P7至P4，依次动作显示图；

图7为图6状态时间间隔t＝(Bsinθ)/Vh以后的状态变化图；

图8为图7状态时间间隔t＝(Bsinθ)/Vh以后的状态变化图；

图9为反方向运动拟合的状态；

图10为所有的推板与排列方向夹角为0，以相同的速度前后运动，模仿推板式人工造浪方式原理图。

图中序号说明：1动力液压缸；2驱动杆；3变速摆杆；4固定轴；5推杆；6导筒；7推板；8液压阀门；9中央控制系统；10调姿液压缸；11调姿推杆；12连杆。

具体实施方式

本发明提出一种拟合式人工造浪装置。连续直线排列的推板竖直部分或全部浸在水池中，推板可以是金属或者非金属结构材料，长期浸泡在水中，需要进行防腐处理或者材料本身具有耐腐蚀能力。每块推板与水平安装的推杆一端铰接，铰接轴为竖直，也就是推板相对于推杆可以相对地绕竖直轴摆动，摆动的角度由安装在推杆上的调姿液压缸、调姿推杆和连杆来控制。推杆的另一端加工为齿条，齿条和变速摆杆上的高速端扇形齿轮相啮合，变速摆杆的低速端的扇形齿轮与动力液压缸驱动杆上的齿条部分相啮合。在动力液压缸的驱动下，驱动杆带动变速摆杆转动，变速摆杆带动推杆沿着导筒推动推板在水平往复运动，从而驱动水池中的水运动。

在一个水池中，有如前所述结构的N个推板连续排列成一条直线，设每个推板在排列方向的宽度为B，其中第i块推板相对于排列方向的角度调整为θ，在动力液压缸的驱动下，通过变速摆杆，推杆推动推板，以速度Vh向前运动，在时间t＝(Bsinθ)/Vh以后，第i+1块推板与第i块推板做出相同的动作，即相对于排列方向角度调整为θ，以速度Vh向前运动，同样，相对于i+1块推板动作的时间t＝(Bsinθ)/Vh以后，第i+2块推板与前面的推板做出同样的动作过程，以此类推，第i+M(1<M<N)块推板做出同样的动作过程，也就是共有M块推板以相同的夹角θ，按等差时间t＝(Bsinθ)/Vh，都以速度Vh向前运动，依次做出相同的动作过程，此时最早动作的第i块推板达到设计最大行程H，不再向前运动，而是将与排列方向的夹角调整为-θ，以速度-Vh，也就是向后运动(当然，此时第i+M+1块推板夹角为θ启动向前，与i+M块推板做出相同的动作)，时间t＝

(Bsinθ)/Vh以后，第i+1块推板同样将与排列方向的夹角调整为-θ，以速度Vh向后运动(此时第i+M+2块推板夹角为θ启动向前，与i+M+1块推板做出相同的动作)，以此类推，当第i+2M块推板开始动作的时候，最初的第i块推板回复到初始位置，将推板与排列方向的夹角调整为0，不再运动。可以看出，上述动作过程用多块小的推板，模拟出了一块迎水面长度L＝M×B，也就是M＝L/B，同时有H＝L×sinθ,造浪板迎水面与运动方向夹角为θ，运动速度为v＝Vh/tgθ的一块牵引式整体造浪板在水池中造浪的效果，也就是Vh＝v×tgθ，但是每块推板的工作功率，也就是动力液压缸的功率，只有牵引式整体造浪板单一动力源所需功率的M分之1。

以上各块造浪板的角度调整和推进动作协作过程均由中央控制系统的电脑输出指令，对液压缸及调姿液压缸进行适时控制，按上述角度及速度动作过程分别控制推板姿态及运动顺序和速度。

本发明的特征在于：

利用连续直线排列、竖直浸入水中的推板，推板相对于排列方向的倾斜角度可以调节，在水平推杆的前后推动下，拟合出传统的整体牵引式造浪板的造浪效果，动力分散布置。

在中央控制系统的控制下，通过调姿液压缸、调姿推杆和连杆共同动作，迎水面的推板倾斜角度θ与被拟合的牵引式造浪板迎水面夹角θ相同，推板的运动速度Vh＝v×tgθ，v为被拟合牵引式造浪板的牵引速度，相邻两个推板间的动作时差t＝(Bsinθ)/Vh，迎水面连续动作的推板数量M＝L/B，这里L为被拟合牵引式造浪板迎水面的长度，B为推板排列方向的宽度，推板运动到达最大行程H时(H＝L×sinθ)，夹角调整为-θ,往回以-Vh的速度运动，回复到初始位置时，停止运动并夹角调整为0。以上过程自推板序列的一端动作到另一端，就拟合出一道与牵引式造浪板相同效果的浪。

在水池中任意位置开始的连续M个推板重复上述动作，就可以拟合出一个牵引式造浪板的造浪效果，也就是本发明可以同时在水池中制造多道浪。

所拟合的迎水面方向是任意的，即任意连续M个推板可以正反两个方向拟合牵引式造浪板的造浪动作，在水池中正反两个方向造浪，也就是可以很方便地制造左手浪和右手浪。

当所有推板角度为零，以相同的速度前后运动时，能够模拟传统的推板式人工造浪方式。

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，显示了本发明的一个推板的工作原理图，为水平方向视图，1为动力液压缸，水平安置，本身被固定，2为与动力液压缸1活塞连接的驱动杆，驱动杆2的输出端加工为齿条，3为变速摆杆，绕固定轴4转动，变速摆杆3上部转动臂短，为低速端，下部转动臂长，为高速端，均为扇形齿轮结构，其变速比R＝下转动臂长度/上转动臂长度。变速摆杆3的低速端扇形齿轮与驱动杆2的齿条部分啮合，其高速端扇形齿轮与推杆5的齿条部分啮合，中央控制系统9向液压阀门8发出指令，控制液压缸1推动驱动杆2前后运动，从而通过变速摆杆3驱动推杆5，进而驱动推板7前后运动，导筒6约束推杆5水平方向运动的自由度，本身被固定。

图2显示了推杆5，导筒6与推板7之间安装的角度调整系统工作原理图，为俯视图；

图3为图2的局部放大，可以看出推板7可以相对于推杆5上的竖直轴转动，用以展示推板7的角度调节系统，角度调节系统包括调姿液压缸10、调姿推杆11和连杆12，其中调姿液压缸10固定在推杆5上，在调姿液压缸10的驱动下，调姿推杆11前后运动，通过连杆12和推板7相连，来改变推板7相对于推杆5的角度。调姿液压缸10也受中央控制系统9的指令控制。

图4则展示了当动力液压缸1推动驱动杆2，带动变速摆杆3绕固定轴4转动，推动推杆5顺着导筒6水平运动，进而带动推板7推动池水的运动原理，箭头表达了各部件的运动方向，当动力液压缸1驱动杆2反方向运动时，则推板7也反方向运动。

图5为连续直线排列的一组推板7之间的相对位置关系，为俯视图，都分别连接各自的推杆5，推杆5均受各自导筒6的运动约束。图中画出了10个推板7，为了下一步能够简单明了地描述推板7之间的相互运动关系，给所有的推板7及其推杆5和导筒6编号，P0至P9。

图6展示了4块推板7，P7至P4，依次如前述的角度θ和速度Vh向右运动，时间间隔t＝(Bsinθ)/Vh，这里用了4块推板7来拟合一个大的造浪板，也就是前述的M＝4。

图7则显示了图6状态的时间间隔t＝(Bsinθ)/Vh以后的状态，P3调整好角度开始运动，而P7达到最大位置后，角度调整为-θ并往回以速度-Vh运动。

图8显示了图7状态的时间间隔t＝(Bsinθ)/Vh以后的状态，P2调整好角度开始运动，而P6达到最大位置后，角度调整为-θ并往回以速度-Vh运动，P7与P6运动状态相同，只是差了一个相位。

从上述图6、图7、图8连续过程可以看出，总有4块推板7组合出一个迎水面，沿着推板7排列方向向右运动，拟合出一块大的造浪板沿排列方向在水中向下运动的效果。

图9则展示了反方向拟合的状态，此时推板7角度为-θ，推板间之间动作序列与上述相反，展示了反方向拟合一块大的造浪板沿排列方向在水中向上运动的效果。

图10为所有的推板7与排列方向夹角为0，排列成一条直线，以相同的速度前后运动，则是推板式人工造浪的原理，其运动方式简单，造浪频率高，但浪形成后前进过程中没有动力，衰减较快，可以供初学者或者民众娱乐使用。本发明可以有多种模式运行。

本发明的动力源采用动力液压缸经过齿条及扇形齿轮啮合运动变速，变速摆杆的两个扇形齿轮的半径比即为变速比。动力液压缸能够输出较大的推力，难以输出较大的速度，因此通过变速的方法来提高推板的运动速度，在推板速度要求较低的情况下，变速摆杆，也就是变速装置可以省略，由动力液压缸直接驱动推杆和推板。

源动力除了采用液压缸之外，还可以采用直线电机或者电动机，直线电机直接驱动驱动杆，电动机通过齿轮驱动变速摆杆，在这种情况下，电气部分的绝缘隔离机主动保护非常重要，防止漏电到水池中。

Claims (6)

1.一种拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：包括：水池、动力液压缸、驱动杆、变速摆杆、固定轴、推杆、导筒、推板以及调姿液压缸、调姿推杆和连杆，以及液压阀门、中央控制系统；

直线排成一列的推板部分或者全部浸在水中，每个推板由动力液压缸为源动机，推板连着水平放置的推杆的一端，套筒水平套在推杆上，推杆的另一端加工为齿条，和变速摆杆上的高速端扇形齿轮相啮合，变速摆杆的低速端的扇形齿轮与驱动液压机的液压缸动力输出杆上的齿条部分相啮合，变速摆杆绕固定轴转动，推杆上安装有调姿液压缸、调姿推杆和连杆；动力液压缸和调姿液压缸都通过液压阀门控制运动速度和方向，中央控制系统控制液压阀门；

通过推杆和变速摆杆齿轮机构驱动，调姿液压缸、调姿推杆和连杆共同动作，调整推板与推杆之间的角度，动力液压缸推动驱动杆，驱动杆带动变速摆杆，变速摆杆驱动推杆，驱动推板前后运动，液压阀门在中央控制系统的指令下控制推板的运动速度，直线排列的多个推板按顺序在水池中协同动作，拟合出牵引式造浪板在水池中的运动模式，在水池中和牵引式造浪板制造出同样效果的浪。每个推杆都有独立的动力液压缸作为源动力驱动，动力分散布置。

2.根据权利要求1所述的一种拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：在中央控制系统的控制下，通过调姿液压缸、调姿推杆和连杆共同动作，迎水面的推板倾斜角度θ与被拟合的牵引式造浪板迎水面夹角θ相同，推板的运动速度Vh＝v×tgθ，v为被拟合牵引式造浪板的牵引速度，相邻两个推板间的动作时差t＝(Bsinθ)/Vh，迎水面连续动作的推板数量M＝L/B，这里L为被拟合牵引式造浪板迎水面的长度，B为推板排列方向的宽度，推板运动到达最大行程H时，H＝L×sinθ，夹角调整为-θ,往回以-Vh的速度运动，回复到初始位置时，停止运动并夹角θ调整为0，从直线排成一列的推板的一端动作到另一端，从而拟合出一道与牵引式造浪板相同效果的浪。

3.根据权利要求1或2所述的一种拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：在水池中任意位置开始的连续M个推板，推板倾斜角度θ，推板的运动速度Vh＝v×tgθ，相邻两个推板间的动作时差t＝(Bsinθ)/Vh，推板运动到达最大行程H时，H＝L×sinθ，夹角调整为-θ,往回以-Vh的速度运动，回复到初始位置时，停止运动并夹角θ调整为0，即在任意位置拟合出一个牵引式造浪板的造浪效果，同时在水池中制造多道浪。

4.根据权利要求1所述的一种拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：所拟合的迎水面方向是任意的，即任意连续M个推板正反两个方向拟合牵引式造浪板的造浪动作，在水池中正反两个方向造浪，制造左手浪和右手浪。

5.根据权利要求1所述的一种拟合式推板双向人工造浪装置，其特征在于：当所有推板角度为零，以相同的速度前后运动时，能够模拟推板式人工造浪方式。

6.一种拟合式推板双向人工造浪方法，其特征在于：直线排成一列的推板，部分或者全部浸在水中，每个推板由动力液压缸为源动机，通过推杆和变速摆杆齿轮机构驱动，推板与推杆之间通过调姿液压缸、调姿推杆和连杆调整推板的角度θ，直线排列的推板在中央控制系统的指令下，相邻的M个推板按顺序在水池中协同动作，拟合出牵引式造浪板在水池中的运动模式，在水池中和牵引式造浪板制造出同样效果的浪，浪在前进过程中不衰减，而且正反两个方向拟合，能够制造出左手浪和右手浪；当多个不同位置的相邻的M个推板协同动作时，同时制造多道浪；当相邻的M个推板将θ调整为0，同时前后运动时，则模拟出推板式造浪。

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