推板式造波機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、推板式造波機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，世界上各個(gè)國(guó)家越來(lái)越重視對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)，對(duì)船舶工程、海洋工程的研究也越來(lái)越多。在實(shí)驗(yàn)室相對(duì)穩(wěn)定的情況下通過(guò)造波機(jī)對(duì)波浪進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)是目前最行之有效的研究海洋波浪的方法。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的水池中模擬自然界中各種波形的波浪，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和研究，可以為工程建設(shè)提供可靠的理論依據(jù)。在眾多的波浪模擬設(shè)備中，推板式造波機(jī)是當(dāng)前最主流的一種，在很多的海洋工程實(shí)驗(yàn)室中發(fā)揮著非常重要的作用。本文通過(guò)對(duì)幾種傳動(dòng)方式的比較，選定了滾珠絲杠作為傳動(dòng)裝置，滾珠絲杠作為傳動(dòng)裝置，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，非常適合用于推板式造波機(jī)。根據(jù)造波要求設(shè)計(jì)出整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2、，對(duì)主要部件進(jìn)行了校核及有限元分析，最終設(shè)計(jì)出完整的推板式造波機(jī)。關(guān)鍵詞：造波機(jī)；推板式；滾珠絲杠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目錄1緒論

6、11.1課題的提出及研究背景11.2課題的研究目的及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.4造波機(jī)的分類(lèi)及其造波原理31.5課題研究的主要內(nèi)容41.6課題研究的難點(diǎn)41.7本章小結(jié)52推板式造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算62.1推板式造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算流程62.2造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算7推波板的最大行程的計(jì)算8推波板的最大運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算9造波板最大負(fù)載力的計(jì)算9造波機(jī)最大功率的計(jì)算102.3造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定112.4本章小結(jié)113造波機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)123.1方案比較與選擇123.2總體方案設(shè)計(jì)133.3本章小結(jié)144造波機(jī)各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)154.1推波板的設(shè)計(jì)154.2推波板支架的設(shè)計(jì)164

7、.3推波板支架的連接及校核184.4傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)20滾珠絲杠副的計(jì)算與選型20直線(xiàn)導(dǎo)軌的選擇224.5電機(jī)的選取244.6軸承和聯(lián)軸器的選擇254.7支撐裝置的設(shè)計(jì)25支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25傳動(dòng)裝置在機(jī)體上的安裝264.8本章小結(jié)28總結(jié)30參考文獻(xiàn)31致謝321 緒論1.1 課題的提出及研究背景海洋占據(jù)著地球面積的71%，其中蘊(yùn)含著豐富的自然資源，但是目前人類(lèi)對(duì)于海洋的認(rèn)識(shí)程度并不夠深入，對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)也只是停留在初級(jí)階段。世界上很多國(guó)家投入越來(lái)越多的人力物力對(duì)海洋中的資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)于海洋工程、船舶工程的研究也越來(lái)越多。波浪，是一種非常普遍的自然現(xiàn)象，對(duì)航海有著重要的影響，不管是建設(shè)海港

8、、制造船舶，或者是進(jìn)行海洋資源的開(kāi)發(fā)，都要去研究波浪。對(duì)于海上波浪的研究，目前主要有三種手段：1.到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)；2. 通過(guò)理論對(duì)波浪研究或者數(shù)值模擬；3.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用人工水槽研究模擬波浪。由于海浪的復(fù)雜多變性以及自然界中各種各樣的不穩(wěn)定因素，在實(shí)地研究波浪成本非常高，幾乎不能實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用理論研究對(duì)非正弦波進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)很難實(shí)現(xiàn)精確分析12。綜合分析看來(lái)，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有干擾的情況下通過(guò)造波機(jī)產(chǎn)生人工波浪并進(jìn)行分析是成本最低而且能行得通的研究波浪的方法。1.2 課題的研究目的及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值作為產(chǎn)生人工波浪的重要裝置，造波機(jī)在船舶的設(shè)計(jì)制造、海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域扮演著重要角色。在實(shí)驗(yàn)水池制造出

9、各種波形的波浪，對(duì)其進(jìn)行研究得到相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)深入分析，這樣，以后進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，就有了可以依靠的理論依據(jù)。在建設(shè)海港、設(shè)計(jì)船舶之前，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬，得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，等實(shí)際實(shí)施項(xiàng)目時(shí)便可以保證工程質(zhì)量。本課題主要就是對(duì)造波機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，分析當(dāng)今主流的造波機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)重要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，設(shè)計(jì)出能夠應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中的造波機(jī)。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀為了能更好地研究波浪，國(guó)內(nèi)外的很多專(zhuān)家學(xué)者早就開(kāi)始了對(duì)造波機(jī)的研究開(kāi)發(fā)工作，目前已經(jīng)有了多種形式的造波機(jī)問(wèn)世，并被應(yīng)用于實(shí)際中。 最早出現(xiàn)的的造波機(jī)使用了曲柄連桿結(jié)構(gòu)，這種造波機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，功能也相對(duì)簡(jiǎn)單，只能造出普通的規(guī)

10、則波。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始將液壓系統(tǒng)應(yīng)用于造波機(jī)，這樣一來(lái)，能產(chǎn)生不規(guī)則波的造波機(jī)出現(xiàn)了。1957年，荷蘭瓦格寧根大學(xué)設(shè)計(jì)制造的世界上第一座耐波性水池（圖1-1）正式投入使用3。美國(guó)人在1958年建造的泰勒矩形水池使用了空氣式造波機(jī)（圖1-2），此水池可以對(duì)不規(guī)則長(zhǎng)峰波進(jìn)行模擬4。1957年，英國(guó)人設(shè)計(jì)了使用沖箱式造波機(jī)的實(shí)驗(yàn)室，能夠模擬長(zhǎng)峰規(guī)則波和不規(guī)則波。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，用直流伺服電機(jī)進(jìn)行控制的造波系統(tǒng)開(kāi)始被使用 5。到了90年代，造波系統(tǒng)中廣泛使用交流伺服電機(jī)。圖1-1 荷蘭瓦格根寧水池圖1-2 空氣式造波機(jī)圖1-3推板式造波機(jī)在國(guó)內(nèi)，造波機(jī)的發(fā)展還是比較早的，大概從20世

11、紀(jì)50年代開(kāi)始，不過(guò)由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)比較落后，大部分的技術(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)的。改革開(kāi)放以后，一些科研機(jī)構(gòu)逐漸開(kāi)始開(kāi)發(fā)造波產(chǎn)品，不過(guò)這個(gè)時(shí)期的造波機(jī)非常簡(jiǎn)陋，只能制造出正弦波。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)科研的投資越來(lái)越多，我國(guó)的不規(guī)則波造波系統(tǒng)的自主研發(fā)工作才逐漸開(kāi)始進(jìn)行。我國(guó)的第一臺(tái)不規(guī)則波造波機(jī)產(chǎn)生于南京水利科學(xué)研究院 6。造波機(jī)的控制系統(tǒng)也隨著造波技術(shù)一步步發(fā)展，從最初的模擬信號(hào)控制到80年代末的軟件控制再到后來(lái)的電子計(jì)算機(jī)控制。90年代以后，國(guó)內(nèi)外的造波機(jī)都已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，造波技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的領(lǐng)域。1.4 造波機(jī)的分類(lèi)及其造波原理依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，造波機(jī)有很多種分類(lèi)方法。根據(jù)

12、驅(qū)動(dòng)方式的不同，造波機(jī)可以分為三種：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)。(1) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)是當(dāng)今最主流的方式，優(yōu)點(diǎn)有很多：?jiǎn)?dòng)迅速，易于控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)給精度高、占空間小等。不過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)是負(fù)載能力較差，一般來(lái)說(shuō)無(wú)法適用于大型造波機(jī)。(2) 液壓驅(qū)動(dòng)是一種成本很高的方式，由于需要使用液壓油，相應(yīng)的對(duì)密封性要求很高，另外容易造成污染，維護(hù)也比較麻煩。系統(tǒng)中的液壓油既能起到潤(rùn)滑作用，又能通過(guò)循環(huán)降低機(jī)器的溫度，延長(zhǎng)使用壽命。液壓驅(qū)動(dòng)反應(yīng)較為迅速、能承受較大負(fù)載，精度也較高17。(3)氣壓驅(qū)動(dòng)直接使用空氣做為工作介質(zhì)，啟動(dòng)非?？欤铱諝饨橘|(zhì)與大氣進(jìn)行循環(huán)非常方便，需要的設(shè)備也比較簡(jiǎn)單。由于空氣壓

13、縮性比較大，不能保證高精度，也不能承受較大負(fù)載，這種驅(qū)動(dòng)只能在較低負(fù)載的條件下使用。根據(jù)造波機(jī)與水體相互作用的情況來(lái)看，可以將造波機(jī)分為氣壓式和機(jī)械式兩種。氣壓式造波機(jī)能夠通過(guò)改變空氣壓力從而改變水體狀態(tài)使之產(chǎn)生波浪。機(jī)械式造波機(jī)通過(guò)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)來(lái)改變水體的狀態(tài)產(chǎn)生波浪。目前主流的機(jī)械式造波機(jī)分為4種：搖板式、推板式、沖箱式和轉(zhuǎn)筒式。(1)搖板式造波機(jī)：這種造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件（造波板）下端被約束在軸上，可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，這種前后擺動(dòng)會(huì)使水體狀態(tài)產(chǎn)生變化。造波板的擺動(dòng)幅度決定了產(chǎn)生波浪的波高，造波板的擺動(dòng)頻率決定了波浪的頻率和波長(zhǎng)。 (2)推板式造波機(jī)：主要原理是通過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)使造波板沿著

14、直線(xiàn)導(dǎo)軌進(jìn)行周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以推動(dòng)水體，使水體狀態(tài)產(chǎn)生變化從而產(chǎn)生波浪。造波板的最大行程和速度決定了波高，造波板的運(yùn)動(dòng)頻率決定了波浪的周期。 (3)沖箱式造波機(jī)：作用部件是具有特殊截面的柱體，工作時(shí)造波部件沿著垂直于水面的方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而制造出波浪。造波部件的運(yùn)動(dòng)頻率決定了波長(zhǎng)。 (4)空氣式造波機(jī)：這種造波系統(tǒng)需要使用風(fēng)機(jī)做為氣源，風(fēng)機(jī)吹出的氣體通過(guò)管道作用到一定的水域，通過(guò)控制空氣閥來(lái)使空氣壓力發(fā)生周期性變化，這樣一來(lái)氣體作用的那一片水域的水體狀態(tài)將會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生波浪。以上幾種造波機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖2-1至圖2-4。圖2-1 搖板式造波機(jī)工作示意圖 圖2-2推板式

15、造波機(jī)工作示意圖圖2-3沖箱式造波機(jī)工作示意圖 圖2-4氣壓式造波機(jī)工作示意圖1.5 課題研究的主要內(nèi)容本課題主要針對(duì)推板式造波機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，研究的主要內(nèi)容如下：1. 推板式造波機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)。 2. 造波機(jī)各部分零件（推波板、支架、連接架、機(jī)體、支撐架等）的設(shè)計(jì)、選型、受力分析及校核。3. 繪制兩張零號(hào)幅面的整套圖紙。1.6 課題研究的難點(diǎn)1. 波浪理論數(shù)學(xué)模型的選擇；2. 現(xiàn)有的造波機(jī)通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)保守，影響波浪精度，需要進(jìn)行分析、優(yōu)化；3. 驅(qū)動(dòng)方式的選擇及部件設(shè)計(jì)；4. 造波系統(tǒng)在水槽中的安裝方式選擇；5. 各部件之間的連接方式的選擇。1.7 本章小結(jié)本章通過(guò)檢索

16、、查閱中外文獻(xiàn)，對(duì)課題的研究背景進(jìn)行了初步研究，對(duì)于造波機(jī)的研究意義、實(shí)際價(jià)值做了介紹，并且對(duì)造波機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查。明確了課題研究的主要內(nèi)容，認(rèn)識(shí)到自己要完成的任務(wù)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行梳理、細(xì)化，明確任務(wù)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，為下一步工作做好鋪墊。2 推板式造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算2.1 推板式造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算流程早期的造波理論大多是歐美國(guó)家的學(xué)者提出的，自20世紀(jì)70年代末以來(lái),國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者整理了西方國(guó)家的造波理論,后來(lái)國(guó)內(nèi)的學(xué)者在開(kāi)發(fā)類(lèi)似產(chǎn)品時(shí)大多參考了這些理論。從如今的大多數(shù)實(shí)際案例來(lái)看，當(dāng)前所使用的造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式是線(xiàn)性造波理論，只適用于規(guī)則波。而不規(guī)則波的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上采用的方案是將不

17、同周期下不同的規(guī)則波組合而成的，因此線(xiàn)性造波理論同樣適用于不規(guī)則波。 推板式造波機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)可以按照下圖進(jìn)行計(jì)算。圖 2-5 造波機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算流程圖圖中各變量代表的意義如下：h：水深；T：波浪周期；d：推波板寬度；m：推波板質(zhì)量；Hmax：最大波高；Smax：推波板的最大行程；DA、mA：中間參數(shù)；Fmax:最大負(fù)載力；Pmax：最大功率。在設(shè)計(jì)、制造一套造波系統(tǒng)之前，首先要明確這套系統(tǒng)的工作環(huán)境，從設(shè)計(jì)要求中可以得知水槽的深度、寬度、擬造波浪的波高、周期等參數(shù)。有了造波機(jī)工作環(huán)境的參數(shù)（最大水深h、波浪周期T、造波機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量m和推波板的寬度d），便可以根據(jù)以上計(jì)算流程計(jì)算出造波機(jī)

18、的設(shè)計(jì)參數(shù)。2.2 造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算計(jì)算造波機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)需要明確這些初始參數(shù)：水深h（范圍數(shù)據(jù)），波的周期 T（范圍數(shù)據(jù)），推波板寬度 d 和推波板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的初設(shè)質(zhì)量m。 根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求： 1.工作環(huán)境：實(shí)驗(yàn)室，水槽的基本尺寸為：水槽寬度5.0m, 水槽高度1.0m, 造波機(jī)工作最大水深0.6m；2.試驗(yàn)擬造波：最大波高0.4m，周期0.62.2s。水槽寬度為5m，用一個(gè)單元負(fù)載較大，不宜制造，應(yīng)該采用模塊化設(shè)計(jì)，取每個(gè)單元的板寬為0.8m，每個(gè)造波機(jī)模塊的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量為250kg，共6個(gè)單元（考慮到造波機(jī)與水槽的間隙）。參照前人計(jì)算方法1，計(jì)算時(shí)將水深h、周期T按一定范圍劃分以方便計(jì)

19、算。最終確定的參數(shù)如下：h=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6（m）；T=0.5、0.6、0.8、1、1.2、1.5、1.8、2、2.2（s）；d=0.8m；m=250kg。2.2.1 推波板的最大行程的計(jì)算根據(jù)式（2-1）可以計(jì)算出不同的水深、周期下的最大波高Hmax8Hmax=0.142tanh(kh)（2-1）式中：波長(zhǎng),=(gT2/2)tanh(2Ph/) ；k 波數(shù),即 k= 2P/；h 波槽水深。計(jì)算結(jié)果如表2-1所示?？紤]設(shè)計(jì)要求, Hmax=44.94cm能滿(mǎn)足課題要求。表2-1 各種水深周期下的波高Hmax(cm)波高H與行程S之比為HS=4sinh2khsinh2kh+

20、2kh(2-2)根據(jù)表2.1 和式(2-2) , 能夠計(jì)算出不同周期、不同水深條件下推波板的最大行程。表2-2 各種水深周期和波高下推波板的最大行程Smax(cm)2.2.2 推波板的最大運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算根據(jù)式（2-3）可以計(jì)算出推波板的最大運(yùn)動(dòng)速度按Vmax=S2(2-3)式中: Vmax推波板的運(yùn)動(dòng)速度；S推波板的行程；波浪的圓頻率,= 2/ T。根據(jù)式（2-3）可以計(jì)算出推波板的最大運(yùn)動(dòng)速度，如表2-3。表2-3 不同水深周期下推波板的最大速度Vmax (cm/s)2.2.3 造波板最大負(fù)載力的計(jì)算在造波機(jī)的工作工程中,推波板做的是直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng), 其位移、速度、加速度分別為8：x=S2si

21、ntx=S2costx=-2S2sint造波機(jī)的負(fù)載可以按照式(2-4)來(lái)計(jì)算:Ft=-122Sm+2mAlsint+SDAlcost+Rf（2-4）將速度、加速度帶入得：Ft=m+2mAlxt+2DAlxt（2-5）表 2-4 各種水深、周期下的推波板最大推力Fmax（N）2.2.4 造波機(jī)最大功率的計(jì)算因?yàn)橥屏Γ篎t=-122Sm+2mAlsint+SDAlcost那么功率：Pt=FtVt即：Pt=S2-122Sm+2mAsintcost+SDAlcos2t（2-8）表 2-5 各種水深、周期下的推波板最大功率Pmax(w)2.3 造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定根據(jù)上述計(jì)算，取整之后確定的設(shè)計(jì)參數(shù)如

22、下：Smax=0.6m；Vmax=0.85m/s；Fmax=3500N；Pmax=3000w。2.4 本章小結(jié)經(jīng)過(guò)前期的文獻(xiàn)閱讀整理、資料的搜尋等工作，已經(jīng)對(duì)造波機(jī)的工作原理及造波機(jī)的設(shè)計(jì)流程有了比較深入的了解，并找到了詳細(xì)的計(jì)算方法。由于造波機(jī)有很多種類(lèi)，其設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算也對(duì)應(yīng)著多種不同的計(jì)算方法，不同學(xué)者專(zhuān)家也提出了在不同工作情況下的計(jì)算模型，這就需要通過(guò)對(duì)不同工作狀況進(jìn)行對(duì)比選擇最適合本課題的一種計(jì)算方案。確定好最適合的工作方案后，將需要用到的工作情況的參數(shù)與課題所給參數(shù)進(jìn)行比較，課題中明確給定的條件可以直接使用，對(duì)于一些課題中沒(méi)有給定的條件，需要進(jìn)行粗略估算以便順利的進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

23、。通過(guò)一系列的計(jì)算，已經(jīng)將造波機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)確定，有了這些參數(shù)，接下來(lái)將進(jìn)行具體零部件的設(shè)計(jì)或者選型。3 造波機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)3.1 方案比較與選擇推板式造波機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)主要是推波板的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。能夠?qū)崿F(xiàn)直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很多，比如簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),可以將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),只不過(guò)這種方式只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的規(guī)則(正弦)擺動(dòng),所以只能使造波機(jī)產(chǎn)生規(guī)則波，不能模擬非規(guī)則波。圖3-1 曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)圖3-2 液壓伺服驅(qū)動(dòng)液壓伺服驅(qū)動(dòng)也可以實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),這種驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)快，能承受大負(fù)載,但維護(hù)起來(lái)不是很方便，使用時(shí)容易造成環(huán)境污染。當(dāng)前最主流的造波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),這種驅(qū)動(dòng)方式安裝調(diào)試方便

24、,控制精度高,不污染環(huán)境，只是輸出功率比較小,相對(duì)于液壓伺服驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)更適宜應(yīng)用于模塊式的實(shí)驗(yàn)室水槽不規(guī)則造波。目前的伺服電機(jī)式造波機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)滾珠絲杠將電機(jī)繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推波板沿直線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)9。圖3-3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)對(duì)三種方案的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)最符合本課題要求，接下來(lái)將按照交流伺服電機(jī)這種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.2 總體方案設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō)，造波機(jī)主要包含三個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。本課題主要研究的是推板式造波機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括推波板、支架、工作臺(tái)、機(jī)體、導(dǎo)軌等組成，這些零部件大部分是金屬結(jié)構(gòu)的，這些零件的具體尺寸和使用的材料主要根據(jù)

25、實(shí)際的工作情況和課題要求來(lái)設(shè)計(jì)。推波板的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由交流伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),通過(guò)絲杠的螺母變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副是一種傳動(dòng)效率非常高的精密零件，使用這種零件的機(jī)械一般來(lái)說(shuō)可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命較長(zhǎng)。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由工作臺(tái)、 導(dǎo)軌、滑塊、滾動(dòng)軸承等零件組成。滾珠絲杠采取兩端固定的安裝方式,剛性高,且兩端使用雙列軸承,能夠適應(yīng)高速重載的工況。導(dǎo)軌和滑塊分別固定在剛性好的U型鋼上,受力變形小, 經(jīng)去除應(yīng)力處理,變形小，尺寸和形狀穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有造波機(jī)的調(diào)研分析，以及與本課題的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相比較之后，確定了適合本課題要求的方案，并繪制出了方案裝配圖。圖3.4三維裝配圖從圖中可以看出

26、，造波機(jī)推波板的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)主要依靠滾珠絲杠副將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推波板通過(guò)螺栓組及支架與工作臺(tái)相連接，工作臺(tái)的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)著推波板進(jìn)行直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生波浪。工作臺(tái)通過(guò)直線(xiàn)導(dǎo)軌約束在機(jī)器的U型槽上，另外運(yùn)動(dòng)部件的重力也都是由U型槽來(lái)承擔(dān)，滾珠絲杠只承擔(dān)軸向載荷。3.3 本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)三種驅(qū)動(dòng)方案的比較，仔細(xì)分析了各種驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了最適合本課題的驅(qū)動(dòng)方案，根據(jù)選定的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了造波機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將總體結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)部分，明確每一部分都有哪些零件，以及每部分零件在整個(gè)造波機(jī)中的作用。4 造波機(jī)各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 推波板的設(shè)計(jì)推波板是造波過(guò)

27、程中主要依靠的零件，波浪的產(chǎn)生主要靠推波板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)課題要求（水槽寬5米，深1.0米），還有模塊化的設(shè)計(jì)思路，將推波板的尺寸定為高1.0米，寬0.8米，厚度為0.008米（8毫米）。考慮到推波板的工作環(huán)境（水槽），故推波板材料選不銹鋼，牌號(hào)為0Cr18，Rm520MPa，硬度187HBS。因?yàn)樵觳C(jī)是模塊化設(shè)計(jì)，則必須考慮兩個(gè)造波單元之間的連接問(wèn)題。每塊推波板都是通過(guò)焊接在支撐桿上然后連在一起的，支撐桿與支架通過(guò)鉸連接連在一起，支撐桿頂部有螺釘，可以拆卸。推波板受到波浪的推力可以當(dāng)做均布力來(lái)處理，然后用軟件進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖4-1。圖4-1 推波板有限元分析分析報(bào)告如下：圖4-

28、2 推波板有限元分析由報(bào)告可知，最大應(yīng)力為2.22×103MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)的要求。4.2 推波板支架的設(shè)計(jì)推波板作為造波活動(dòng)的執(zhí)行部件，必須通過(guò)支架來(lái)支撐，支架與造波板鉸接，支架通過(guò)螺栓組與滑塊連接。支架的設(shè)計(jì)必須考慮其對(duì)推波板的承受能力，因?yàn)橹Ъ艿慕孛娌⒉皇且?guī)則圖形，其所受彎矩計(jì)算起來(lái)比較麻煩，故采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)其進(jìn)行校核。支架在工作時(shí)處在水中，考慮材料的防腐要求，支架材料同樣選取牌號(hào)為0Cr18的不銹鋼，查找資料得知其密度為7850kg/m3,通過(guò)UG可以測(cè)出推波板的質(zhì)量為61.3930kg，重量為602.0597N，將此重力加載到支架上并進(jìn)

29、行有限元分析。有限元分析如圖4-3所示。通過(guò)報(bào)告可以看出，推波板支架所受的最大主應(yīng)力為1.84MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力520MPa（GB 1220-1984），符合要求。圖4-3 推波板支架的有限元分析分析報(bào)告如下：圖4-4 有限元分析報(bào)告4.3 推波板支架的連接及校核推波板的支架通過(guò)螺栓組連接在機(jī)架上，設(shè)計(jì)螺栓組連接時(shí)，需要首先選擇螺栓的數(shù)目及布置方式；然后確定螺栓連接的結(jié)構(gòu)尺寸；再根據(jù)安裝方式及實(shí)際受載情況進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核10。推波板的安裝使用了4個(gè)支架，每個(gè)支架都是用4個(gè)螺栓來(lái)連接，螺栓承受載荷的作用線(xiàn)與螺栓軸線(xiàn)相互垂直，并通過(guò)其對(duì)稱(chēng)中心。1) 螺栓受力分析通過(guò)UG軟件的仿真測(cè)

30、算得出：螺栓組受到的總剪切力的大小為F=726N，對(duì)于鉸制孔用螺栓連接，可以近似認(rèn)為每個(gè)螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均等的，因此每個(gè)螺栓所受的工作剪力為：F=Fz=726N4×4=45.375N(4-1)式中，z為螺栓數(shù)目。對(duì)于普通螺栓，必須保證預(yù)緊后連接平面最大摩擦力大于或等于橫向載荷。假設(shè)每個(gè)螺栓需要的預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)目為z，其平衡條件為fF0ziKsF(4-2)由此得預(yù)緊力F0為F0KsFfzi(4-3)式中：f結(jié)合面摩擦系數(shù)（查技術(shù)手冊(cè)）i結(jié)合面數(shù)Ks防滑系數(shù)，Ks=1.11.3在本螺栓組中，已知F=726N，Ks取1.2，f取0.30，z=16,i=1.所以：F0KsFfz

31、i=726×1.21×16×0.30=181.5N如圖4-5所示，此連接是利用鉸制孔螺栓來(lái)承受剪切載荷F的，螺栓桿與孔壁無(wú)間隙，受擠壓力，在結(jié)合面處，螺栓桿受剪切力。計(jì)算時(shí)假設(shè)螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的，又因在此處的連接中預(yù)緊力是很小的，故不考慮預(yù)緊力和螺紋摩擦力矩的影響10。圖4-5 螺栓受剪力圖螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為P=Fd0LminP(4-4)螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為=F4d02(4-5)式中：F-螺栓桿所受的工作剪力，N；d0螺栓剪切面的直徑，mm;Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm；P螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa；螺栓的許用

32、剪切力，MPa。選擇材料為Q235、性能等級(jí)為4.6的螺栓，查找手冊(cè)知其屈服極限為s=240MPa，查得安全系數(shù)為S=2.0，故材料許用應(yīng)力為=sS=2402.0MPa=120MPa。按粗牙普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1962003)，考慮到實(shí)際安裝情況等因素，選用螺紋公稱(chēng)直徑d=8mm(螺紋小徑d1=6.647)。根據(jù)式(4-5),求得螺栓桿所受的剪切力為=F4d02=45.3750.785×82MPa=0.92MPa<單個(gè)螺栓受到的剪切力為0.92Mpa，遠(yuǎn)小于螺栓所選用材料的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)的要求。4.4 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)4.4.1 滾珠絲杠副的計(jì)算與選型1） 導(dǎo)程精度選擇造

33、波機(jī)并非精密儀器，對(duì)精度要求并不需要特別高，根據(jù)絲杠螺紋長(zhǎng)度并參考技術(shù)手冊(cè)11,可以選擇導(dǎo)程精度等級(jí)為C5，其容許誤差最大為18m。2）絲杠導(dǎo)程絲杠導(dǎo)程Ph由式(4-6)得到PhVmaxi×Nmax×60=11.68mm（4-6）式中: i 傳動(dòng)比,一般取1；Vmax造波機(jī)最大運(yùn)動(dòng)速度；Nmax電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。對(duì)計(jì)算結(jié)果取整, 選擇12mm導(dǎo)程的絲杠。3）螺桿軸徑螺桿軸徑 D 由式(4-7) 確定:DNmax×S2f×10-7=18.4mm(4-7)式中：f絲杠安裝系數(shù), 取15.611；Nmax電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；S最大行程。根據(jù)實(shí)際規(guī)格，選擇軸徑為30mm。

34、4）螺帽的選擇螺帽的選擇需考慮精度、螺桿軸徑、長(zhǎng)度等因素，因?yàn)樵觳C(jī)對(duì)精度要求并不太高，螺桿軸徑也不是很大，綜合考慮技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)性，選取內(nèi)循環(huán)法蘭型螺帽，型號(hào)為FDDC，珠卷數(shù)B×3。5）滾珠絲杠長(zhǎng)度滾珠絲杠的長(zhǎng)度 L 由式(4-8) 確定:L = Smax+L1+L2+L3 = 600 + 142 + 30 +60= 832mm（4-8）式中:L1螺帽長(zhǎng)度,142mm；L2 軸與聯(lián)軸器的連接長(zhǎng)度,30mm；L3與軸承連接的長(zhǎng)度，取為60mm。滾珠絲杠最短為832mm，考慮到一定的軸端預(yù)留量，可將絲杠長(zhǎng)度選定為900mm。6）型號(hào)的選定綜合考慮以上幾點(diǎn)，最終選定的滾珠絲杠的型號(hào)：R

35、30-12B3-FDDC-800-900-0.018，滾珠絲杠材料為50CrMo4，硬度58-62HRC，螺帽材料為SCM420H，硬度58-62HRC。安裝方式為兩端固定的方式。圖4-6 滾珠絲杠的固定-固定式安裝7）滾珠絲杠強(qiáng)度校核=FA=Fmaxd2/4=4.396×106N/m2(4-9)T=TWT=Fl/2d3/16=1.48×107N/m2(4-10)ca=2+42=1.54×107N/m2(4-11)50CrMo4的抗拉強(qiáng)度為1.1×108N/m2,屈服強(qiáng)度為0.9×108N/m2，所以此滾珠絲杠的最大應(yīng)力小于材料的抗拉強(qiáng)度和屈服

36、強(qiáng)度，是安全的。絲桿軸容許壓縮負(fù)荷計(jì)算P=2NEIL2=mdr4L2×103=15000kgf（4-12）式中：安全系數(shù)（取0.5）；E縱彈性系數(shù)（E=2.1×104kgf/mm2）；I截面的二次力矩（I=dr4/ 64 mm4）；dr絲桿牙底直徑；L安裝距離（mm）m、N安裝系數(shù)（m=20.3，N=4）P=15943kgf=1.56×105N，大于造波機(jī)軸向最大負(fù)載3268.9N，故滾珠絲杠能承受最大軸向負(fù)載。4.4.2 直線(xiàn)導(dǎo)軌的選擇波浪的產(chǎn)生主要依靠的是推波板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠作為傳動(dòng)裝置可以將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，但是滾珠絲杠主要承受的是軸向負(fù)載

37、，不能承受徑向負(fù)載，工作臺(tái)以及推波板等部件需要安裝在直線(xiàn)導(dǎo)軌上來(lái)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這些部件的重力必須通過(guò)其他的結(jié)構(gòu)來(lái)承載?？紤]到重載的工作情況，直線(xiàn)導(dǎo)軌需選擇重載型，通過(guò)對(duì)幾家廠(chǎng)商的產(chǎn)品型號(hào)進(jìn)行比較，最終選擇銀泰科技的重載荷型MSA系列，如圖4-7。圖4-7 MSA直線(xiàn)導(dǎo)軌根據(jù)負(fù)載的大小以及支撐架的尺寸，選取MSA 20LS型直線(xiàn)導(dǎo)軌，其數(shù)據(jù)如圖4-8。圖4-8MSA S/LS尺寸4.5 電機(jī)的選取通過(guò)查找資料得知，與直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)無(wú)論在精度、可控性還是可靠性都有相對(duì)比較大的的優(yōu)勢(shì)，所以在本課題選取交流伺服電機(jī)。對(duì)于交流伺服電機(jī)的選擇, 主要考慮轉(zhuǎn)矩、慣量和功率這3個(gè)參數(shù)。1）滾珠絲杠

38、承受的最大轉(zhuǎn)矩Tm必須小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tn。滾珠絲杠軸上的最大轉(zhuǎn)矩Tm為：Tm=Fmax×Ph2+T1+T2(4-13)式中:Fmax絲杠上的最大軸向負(fù)載力；Ph 絲杠導(dǎo)程； 絲杠的機(jī)械效率；T1 滾珠絲杠摩擦轉(zhuǎn)矩，取0.3Nm；T2軸承摩擦轉(zhuǎn)矩,取 0.1Nm。根據(jù)前面計(jì)算的參數(shù), 代入式(4-10) , 可求得最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm=5.89Nm, 因此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足Tn5.89Nm。2）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量Jm應(yīng)與造波機(jī)負(fù)載慣量JL匹配造波機(jī)負(fù)載慣量可由式(4-14) 來(lái)計(jì)算:JL=mPh22+ld432+J3（4-14）式中：m運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；絲杠密度；l絲杠長(zhǎng)度；d絲杠軸徑；

39、J3聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；經(jīng)計(jì)算求得造波機(jī)的慣量為13.02kgcm2,因此電機(jī)慣量應(yīng)滿(mǎn)足JmJL/3=4.34kgcm2。2） 功率第二節(jié)中計(jì)算得要求的造波機(jī)最大功率為3000W，故電機(jī)的額定功率必須大于此功率。最后選擇的電機(jī)型號(hào)為MOTEC公司系列SEM120型電機(jī)，具體型號(hào)為120D3030，額定功率為3000W，額定轉(zhuǎn)矩9.55Nm，適配驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為SED-3033/30，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，最高轉(zhuǎn)速為5000rpm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為17.2×10-4kgm2，完全滿(mǎn)足使用要求。4.6 軸承和聯(lián)軸器的選擇1） 軸承因軸承主要承受軸向載荷（最大為3500N），同時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速較高（30

40、00rpm），可以選擇接觸角較大的角接觸球軸承，既可以承受軸向載荷，又可以在較高轉(zhuǎn)速下工作。經(jīng)查表（GB/T 292-2007），選擇代號(hào)為7004AC的角接觸球軸承，尺寸參數(shù)為d×D×B=20mm×42mm×12mm，額定載荷為5.78KN，符合工作要求。2） 聯(lián)軸器根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩以及最高轉(zhuǎn)速選擇北京維恩公司的MOL微型十字滑塊彈性聯(lián)軸器，型號(hào)為MOL-50，參數(shù)如圖（4-8）圖4-9 MOL微型十字滑塊彈性聯(lián)軸器參數(shù)從表中可以看出，其額定扭矩、最大轉(zhuǎn)速符合要求。4.7 支撐裝置的設(shè)計(jì)4.7.1 支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造波機(jī)整體需要通過(guò)支撐架安裝在水槽中，支撐架

41、的設(shè)計(jì)首先需要考慮其制造材料，通過(guò)查閱工程材料相關(guān)書(shū)籍，綜合考慮造波機(jī)支架需要承受的載荷、經(jīng)濟(jì)成本、制造工藝等，擬選用普通結(jié)構(gòu)鋼作為其制作材料。普通結(jié)構(gòu)鋼冶煉簡(jiǎn)單，成本低，并且具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，能滿(mǎn)足造波機(jī)支撐架需要的良好焊接性、韌性等性能要求。通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)鋼的成分、性能和用途進(jìn)行比較，支撐架的材料選擇Q235.鋼材厚度定為20mm，根據(jù)水深（最大0.6m），推波板最大行程（0.6m），推波板寬度（0.8m）等條件，確定支撐架的尺寸為：長(zhǎng)1.0m，寬0.9m，高1.0m。對(duì)其進(jìn)行有限元分析，受力符合材料要求。如圖4-9、圖4-10。圖4-10機(jī)體有限元分析圖4-11機(jī)體有限元分析報(bào)告4.7

42、.2 傳動(dòng)裝置在機(jī)體上的安裝機(jī)體的頂面是板材結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)裝置（包括導(dǎo)軌、滾珠絲杠等）安裝在U型槽上，U型槽的底板與支撐架通過(guò)螺栓組連接，由于U型槽只有一部分與機(jī)體連接，另一部分伸出，并且工作臺(tái)和推波板的重力都施加在這一部分，所以伸出的這一部分相當(dāng)于外伸梁，需對(duì)其進(jìn)行校核，由于其截面形狀較復(fù)雜，不易計(jì)算，故用計(jì)算機(jī)繪圖軟件進(jìn)行有限元分析，分析的主要步驟為設(shè)置材料屬性、材料分配，繪制網(wǎng)格，設(shè)置載荷和約束。圖4-12 U型槽與機(jī)體的螺栓組連接1） 螺栓組校核螺栓組受傾覆力，螺栓受到的最大載荷為Fmax=MLmaxi=1zLi2（4-15）式中：z螺栓個(gè)數(shù)；Li螺栓軸線(xiàn)到中心線(xiàn)的距離；LmaxLi的最大值。Li分別為25mm，75mm，125mm，M為1989Nm，z=12，經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)max=1877N,=FA=Fmaxd2/4=23.9MPa(4-16)螺栓材料為Q235，屈服極限為240MPa，所以螺栓組符合要求2） U型槽有限元分析首先通過(guò)三維圖對(duì)零部件進(jìn)行仿真，設(shè)置好材料的密度，用軟件測(cè)量出相關(guān)零部件的質(zhì)量。經(jīng)測(cè)量及計(jì)算，施加在U型槽上的力為2253N，考慮到安全因素，可以取