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1、推板式造波机的机械结构设计摘要二十一世纪是海洋的世纪，世界上各个国家越来越重视对海洋资源的开发，对船舶工程、海洋工程的研究也越来越多。在实验室相对稳定的情况下通过造波机对波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋波浪的方法。通过在实验室的水池中模拟自然界中各种波形的波浪，然后对这些数据进行深入分析和研究，可以为工程建设提供可靠的理论依据。在众多的波浪模拟设备中，推板式造波机是当前最主流的一种，在很多的海洋工程实验室中发挥着非常重要的作用。本文通过对几种传动方式的比较，选定了滚珠丝杠作为传动装置，滚珠丝杠作为传动装置，运行平稳，可靠性高，非常适合用于推板式造波机。根据造波要求设计出整体的机械结构
2、，对主要部件进行了校核及有限元分析，最终设计出完整的推板式造波机。关键词：造波机；推板式；滚珠丝杠AbstractThe 21st century is the century of ocean, many country pay more and more attention to the development of marine resources , as well as the study of marine engineering, marine engineering allover the world. Use the wave-making machine to simula
3、te wave experiment in the laboratory relatively stablecondition is the most effective way to study the marine environment. Analog nature of various waveforms in a laboratory wave pool, and then conduct in-depth analysis of these data and research, can provide a reliable theoretical basis for the con
4、struction through. Among the wave simulation device, push-type wave machine is the most mainstream of a current, it plays a very important role in many of the marine engineering laboratory. This paper compares several transmission modes, selected as a ball screw drives, ball screw as gearing, smooth
5、 operation, high reliability, is well suited for push plate wave machine. According to design a whole wave-making machine structure, the main components of the check and finite element analysis, the final design of a complete push plate wave machine.Key words: wave maker ; push-type; ball screw目录1绪论
6、11.1课题的提出及研究背景11.2课题的研究目的及实际应用价值11.3国内外研究现状11.4造波机的分类及其造波原理31.5课题研究的主要内容41.6课题研究的难点41.7本章小结52推板式造波机设计参数的计算62.1推板式造波机设计参数的计算流程62.2造波机设计参数的计算72.2.1推波板的最大行程的计算82.2.2推波板的最大运动速度的计算92.2.3造波板最大负载力的计算92.2.4造波机最大功率的计算102.3造波机设计参数的确定112.4本章小结113造波机的总体方案设计123.1方案比较与选择123.2总体方案设计133.3本章小结144造波机各部分的机械结构设计154.1推波
7、板的设计154.2推波板支架的设计164.3推波板支架的连接及校核184.4传动装置的设计204.4.1滚珠丝杠副的计算与选型204.4.2直线导轨的选择224.5电机的选取244.6轴承和联轴器的选择254.7支撑装置的设计254.7.1支撑架结构设计254.7.2传动装置在机体上的安装264.8本章小结28总结30参考文献31致谢321 绪论1.1 课题的提出及研究背景海洋占据着地球面积的71%，其中蕴含着丰富的自然资源，但是目前人类对于海洋的认识程度并不够深入，对于海洋资源的开发也只是停留在初级阶段。世界上很多国家投入越来越多的人力物力对海洋中的资源进行开发，对于海洋工程、船舶工程的研究
8、也越来越多。波浪，是一种非常普遍的自然现象，对航海有着重要的影响，不管是建设海港、制造船舶，或者是进行海洋资源的开发，都要去研究波浪。对于海上波浪的研究，目前主要有三种手段：1.到现场进行实地检测；2. 通过理论对波浪研究或者数值模拟；3.在实验室内用人工水槽研究模拟波浪。由于海浪的复杂多变性以及自然界中各种各样的不稳定因素，在实地研究波浪成本非常高，几乎不能实现。运用理论研究对非正弦波进行数值分析时很难实现精确分析12。综合分析看来，在室内实验室没有干扰的情况下通过造波机产生人工波浪并进行分析是成本最低而且能行得通的研究波浪的方法。1.2 课题的研究目的及实际应用价值作为产生人工波浪的重要装
9、置，造波机在船舶的设计制造、海洋平台的设计等领域扮演着重要角色。在实验水池制造出各种波形的波浪，对其进行研究得到相关数据，然后根据这些数据深入分析，这样，以后进行工程建设时，就有了可以依靠的理论依据。在建设海港、设计船舶之前，在实验室内进行模拟，得到可靠的实验数据，等实际实施项目时便可以保证工程质量。本课题主要就是对造波机的机械结构进行探究，分析当今主流的造波机结构，对重要部件进行设计校核，设计出能够应用在实验室中的造波机。1.3 国内外研究现状为了能更好地研究波浪，国内外的很多专家学者早就开始了对造波机的研究开发工作，目前已经有了多种形式的造波机问世，并被应用于实际中。 最早出现的的造波机使
10、用了曲柄连杆结构，这种造波机结构简单，成本低廉，功能也相对简单，只能造出普通的规则波。随着液压技术的发展，人们开始将液压系统应用于造波机，这样一来，能产生不规则波的造波机出现了。1957年，荷兰瓦格宁根大学设计制造的世界上第一座耐波性水池（图1-1）正式投入使用3。美国人在1958年建造的泰勒矩形水池使用了空气式造波机（图1-2），此水池可以对不规则长峰波进行模拟4。1957年，英国人设计了使用冲箱式造波机的实验室，能够模拟长峰规则波和不规则波。20世纪80年代开始，用直流伺服电机进行控制的造波系统开始被使用 5。到了90年代，造波系统中广泛使用交流伺服电机。图1-1 荷兰瓦格根宁水池图1-2
11、 空气式造波机图1-3推板式造波机在国内，造波机的发展还是比较早的，大概从20世纪50年代开始，不过由于当时国内比较落后，大部分的技术都是从国外引进的。改革开放以后，一些科研机构逐渐开始开发造波产品，不过这个时期的造波机非常简陋，只能制造出正弦波。随着经济的发展，国家对科研的投资越来越多，我国的不规则波造波系统的自主研发工作才逐渐开始进行。我国的第一台不规则波造波机产生于南京水利科学研究院 6。造波机的控制系统也随着造波技术一步步发展，从最初的模拟信号控制到80年代末的软件控制再到后来的电子计算机控制。90年代以后，国内外的造波机都已经完全实现了计算机控制，造波技术的研究进入了一个全新的领域。
12、1.4 造波机的分类及其造波原理依据不同的分类标准，造波机有很多种分类方法。根据驱动方式的不同，造波机可以分为三种：电机驱动、液压驱动和气压驱动。(1) 电机驱动是当今最主流的方式，优点有很多：启动迅速，易于控制转速，进给精度高、占空间小等。不过电机驱动一个很明显的缺点是负载能力较差，一般来说无法适用于大型造波机。(2) 液压驱动是一种成本很高的方式，由于需要使用液压油，相应的对密封性要求很高，另外容易造成污染，维护也比较麻烦。系统中的液压油既能起到润滑作用，又能通过循环降低机器的温度，延长使用寿命。液压驱动反应较为迅速、能承受较大负载，精度也较高17。(3)气压驱动直接使用空气做为工作介质，
13、启动非常快，而且空气介质与大气进行循环非常方便，需要的设备也比较简单。由于空气压缩性比较大，不能保证高精度，也不能承受较大负载，这种驱动只能在较低负载的条件下使用。根据造波机与水体相互作用的情况来看，可以将造波机分为气压式和机械式两种。气压式造波机能够通过改变空气压力从而改变水体状态使之产生波浪。机械式造波机通过机械部件运动来改变水体的状态产生波浪。目前主流的机械式造波机分为4种：摇板式、推板式、冲箱式和转筒式。(1)摇板式造波机：这种造波机的运动部件（造波板）下端被约束在轴上，可以绕轴转动一定角度，这种前后摆动会使水体状态产生变化。造波板的摆动幅度决定了产生波浪的波高，造波板的摆动频率决定了
14、波浪的频率和波长。 (2)推板式造波机：主要原理是通过一定的机械结构使造波板沿着直线导轨进行周期性往复运动，这种周期性往复运动可以推动水体，使水体状态产生变化从而产生波浪。造波板的最大行程和速度决定了波高，造波板的运动频率决定了波浪的周期。 (3)冲箱式造波机：作用部件是具有特殊截面的柱体，工作时造波部件沿着垂直于水面的方向做往复运动从而制造出波浪。造波部件的运动频率决定了波长。 (4)空气式造波机：这种造波系统需要使用风机做为气源，风机吹出的气体通过管道作用到一定的水域，通过控制空气阀来使空气压力发生周期性变化，这样一来气体作用的那一片水域的水体状态将会发生变化，从而产生波浪。以上几种造波机
15、的原理简图如图2-1至图2-4。图2-1 摇板式造波机工作示意图 图2-2推板式造波机工作示意图图2-3冲箱式造波机工作示意图 图2-4气压式造波机工作示意图1.5 课题研究的主要内容本课题主要针对推板式造波机的机械结构进行研究，研究的主要内容如下：1. 推板式造波机机械结构的总体设计。 2. 造波机各部分零件（推波板、支架、连接架、机体、支撑架等）的设计、选型、受力分析及校核。3. 绘制两张零号幅面的整套图纸。1.6 课题研究的难点1. 波浪理论数学模型的选择；2. 现有的造波机通常采用经验设计，设计保守，影响波浪精度，需要进行分析、优化；3. 驱动方式的选择及部件设计；4. 造波系统在水槽中的安装方式选择；5. 各部件之间的连接方式的选择。1.7 本章小结本章通过检索、查阅中外文献，对课题的研究背景进行了初步研究，对于造波机的研究意义、实际价值做了介绍，并且对造波机的发展现状进行了调查。明确了课题研究的主要内容，认识到自己要完成的任务，对任务进行梳理、细化，明确任务的重点、难点，为下一步工作做好铺垫。2 推板式造波机
