一种风洞内水槽推板式造波系统及造波方法

摘要

本发明公开了一种风洞内水槽推板式造波系统及造波方法，其造波系统包括造波机主承载机构、造波机电动执行机构、推杆轴、伺服控制柜、计算机、试验区波高传感器，第一导向副固定安装于水槽两侧壁上，在水槽中设有推板，该推板固定连接在主滑台梁底部，所述主滑台梁两端分别与第一导向副滑动连接；第二导向副固定安装于单元体两侧壁上，所述单元体中的传动机构与第二滑台相连，该第二滑台与第二导向副滑动连接，位于水槽外侧的单元体一端设有与传动机构相连的电机。本发明将造波机分成水槽内外两部分，使电气及高精度传动机构位于水槽外侧，避免潮湿和水对设备寿命的影响，并利于实验人员检修维护，避免对高防护等级电机的依赖，降低了投入成本。

说明书

技术领域

本发明涉及海岸工程、海洋工程和船舶工程实验领域中的波浪模拟系统，具体是一种风洞内水槽推板式造波系统及造波方法。

背景技术

在海岸工程、海洋工程和船舶工程等领域中，波浪、强风、海流等是跨海桥梁、石油平台、海上风力发电装置等结构物的主要载荷。以跨海大桥为例，其结构刚度小，柔性大、阻尼小，在风的作用下，可能会产生涡激振动；当波浪作用时，波浪运动会改变桥梁附近风场的特性，产生复杂的耦合作用；如果存在流的作用，波浪要素又因水质点的流动而进一步产生变化。为了更准确评估结构物在复杂海洋环境因素中的动态响应特性，避免发生共振等破坏性事件，需要在多环境因素耦合作用下研究结构物的响应。因此，科研人员提出了用于风浪流耦合作用的实验研究方案。例如，公开号为CN110879126A的专利申请，提出一种风浪流全耦合动力实验系统，公开号为CN107543680A的专利申请，提出一种实现风、波浪、雨耦合作用的实验系统，公开号为CN103323210A的专利申请，提出大型海工风洞波浪槽装置，公开号为CN203231879U的专利申请，提出桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统。为了实现各自系统中波浪的模拟，上述专利都在其方案中叙述了采用造波机来模拟产生波浪。事实上在封闭的循环风洞内利用推板式造波原理模拟波浪，采用现有技术会存在多个问题。

如图1所示，以立式循环风洞和水槽构成的风-波耦合实验模拟系统为例。该系统由循环风洞、水槽构成，水槽内布置有推板式造波机、斜坡式消能器、造波机后消能器。目前技术中常采用的推板式造波机的结构形式，可参考公开号为CN209707064U的专利申请，其名称为一种推板造波机，不考虑其中垂直升降机构。由于推板的导向支架多为悬臂结构，为抵抗造波过程中推板在导向支架上产生的弯矩，加大导向支架的高度才能增强结构刚性。因此，产生了第一个问题：导向支架的高度占据了干弦的较大部分，使得水面距离风洞底边界的距离过大。过大的干弦距离将使风和波浪的相互传播作用还未达到稳定阶段就通过了实验有效区域，无法实现耦合实验装置的预期目标。第二个问题是风洞内的封闭环境、水环境对零部件和电气的影响。如图1，为了不使造波机结构对风场产生湍流等影响，通常需要在造波机和消能器顶部架设刚性可拆卸盖板，必然使得造波机设备检修不方便。同时，封闭的潮湿环境会影响电气设备的寿命，甚至造波过程中的水位升高会瞬间浸没电机。尽管IP67以上防护等级的电机能够抵抗瞬间浸水，但是可选则型号甚少，其转速、扭矩、转动惯量不能够满足不同造波机的设计需求。如果定制电机则会使投入极高成本。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种风洞内水槽推板式造波系统及造波方法，通过采用大跨度导向方案，使得水面得到升高，减小了干弦距离。同时，采用分离式传动机构，将电机和高精度直线执行机构置于水槽外，避开封闭的水环境，达到方便检修保养、延长使用的寿命、降低成本的目的。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种风洞内水槽推板式造波系统，包括造波机主承载机构、造波机电动执行机构、推杆轴、伺服控制柜、计算机、试验区波高传感器，所述造波机主承载机构包括主滑台梁、推板和第一导向副；所述造波机电动执行机构包括第二滑台、第二导向副、单元体和电机；所述第一导向副固定安装于水槽两侧壁上，在所述水槽中设有推板，该推板固定连接在主滑台梁底部，所述主滑台梁两端分别与第一导向副滑动连接；第二导向副固定安装于单元体两侧壁上，所述单元体中的传动机构与第二滑台相连，该第二滑台与第二导向副滑动连接，位于水槽外侧的单元体一端设有与传动机构相连的电机，所述电机通过伺服控制柜与计算机相连，所述计算机还与试验区波高传感器相连，所述试验区波高传感器位于水槽试验段；所述推杆轴穿过水槽后壁的穿墙防水轴套连接造波机主承载机构和造波机电动执行机构。

进一步的，所述水槽两侧壁上设有用于安装第一导向副的造波机安装段，所述造波机安装段为混凝土结构或钢结构，其上方设有可拆卸盖板。

进一步的，所述推板为不锈钢材料制作，在推板一侧安装有波高传感器，实时采集推板上的波高数据，并将波高数据实时反馈至伺服控制柜内的伺服控制器，用于造波机主动修正控制。所述波高传感器数量可为两支或两支以上。

进一步的，所述第一导向副包括两个导向机构，该导向机构为滚动直线导轨或滑动直线导轨，且分别安装于水槽两侧壁上或水槽侧壁的造波机安装段上；通过其上的调节螺栓调整两套导向机构的精度。

进一步的，所述推杆轴为长杆圆轴，推杆轴两端为型号不同的杆端关节轴承，分别通过销轴连接第二滑台和主滑台梁；采用杆端关节轴承可消除第一导向副与第二导向副之间的位置度误差对运行产生的影响。

更进一步的，所述穿墙防水轴套材料为不锈钢或者铜合金，安装于水槽后壁上预留的孔洞内；穿墙防水轴套内孔尺寸与推杆轴直径相匹配，在穿墙防水轴套内加工有两个或两个以上密封沟槽，密封沟槽内安装密封圈，可以为O型密封圈、Y型密封圈、V型密封圈等。

更进一步的，所述单元体中的传动机构把电机的旋转运动转换为第二滑台的直线运动；所述传动机构为滚珠丝杠、齿轮齿条、同步齿形带、电动缸等。

本发明还提供一种基于风洞内水槽推板式造波系统的造波方法，其在上述系统中实施，具体步骤为：

步骤1：根据要产生的目标波浪η

由多个不同振幅、周期和初始相位的余弦波叠加而成的目标波浪η

其中

Δσ

步骤2：伺服控制器根据所述脉冲控制信号控制伺服驱动器，驱动电机旋转，带动推板实现x

推板运行轨迹x

其中，j为虚数单位表示时间序列相位相差90°；c

其中k

步骤3：推板一侧的波高传感器，实时监测板面上的波浪，记为η

步骤4：推板停止运行后，计算机获取试验区波高传感器记录的波浪全过程，记为η

进一步的，步骤3中推板的修正信号x

其中N为正整数。

进一步的，步骤4中修正生成推板运行轨迹

其中，各项参数满足如下关系，

S

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1.将造波机主承载机构(工作过程中承受主要负载力的机构)和造波机电动执行机构(工作过程中高精度传动机构)分离开，通过推杆轴和穿墙防水轴套的配合，使电气及高精度传动机构位于水槽外侧，避开水环境和封闭环境影响，因此能够避免潮湿和水对设备寿命的影响，并利于实验人员随时检修维护。该方案避免了对高防护等级电机的依赖，降低了投入成本。

2.造波机主承载机构采用大跨度导向机构方案，将导向机构安装于水槽壁或水槽壁外的独立基础上，可取消原有技术中的导向支架结构，减小了水槽内风场和波浪场之间的干弦距离，增强了风参数的可控性。干弦距离减小，有利于风场与波浪场尽快达到稳定的耦合作用。

3.采用本发明的造波方法能够通过所提出的双闭环反馈修正控制方法，使模拟的波浪精度误差更小，从而保证了物理模型试验的精度。

附图说明

图1是风-波耦合实验模拟系统示意图；

图2是一种风洞内水槽推板式造波系统轴侧示意图；

图3是一种风洞内水槽推板式造波系统立面示意图；

图4是一种风洞内水槽推板式造波系统中的推杆轴示意图；

图5是一种风洞内水槽推板式造波系统中的穿墙防水轴套示意图。

图标：1-造波机安装段；2-推板；2a-推板波高传感器；3-第一导向副；4-主滑台梁；5-推杆轴；5a-杆端关节轴承；5b-杆端关节轴承；6-穿墙防水轴套；6a-密封沟槽；6b-密封沟槽；7-第二滑台；8-第二导向副；9-电机；10-单元体；11-机架；12-伺服控制柜；13-计算机；14-试验区波高传感器；15-造波机后消能器；16-可拆卸盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。

实施例1

本实施例提供一种风洞内水槽推板式造波系统，包括造波机安装段1、推板2、第一导向副3、主滑台梁4、推杆轴5、穿墙防水轴套6、第二滑台7、第二导向副8、电机9、单元体10、机架11、伺服控制柜12、计算机13、试验区波高传感器14；

如图2和图3所示，第一导向副3安装于造波机安装段1的两侧壁上。推板2位于水槽内，与主滑台梁4固定连接。主滑台梁4两端分别与第一导向副3滑动连接，可实现主滑台梁4和推板2组成的刚性体在第一导向副3上滑动。主滑台梁4、推板2和第一导向副3共同构成了造波机主承载机构。

如图2和图3所示，第二滑台7与第二导向副8滑动连接，本实施例中第二导向副8固定安装于单元体10上，同时第二滑台7与单元体10中的传动机构连接。电机9安装在单元体10一端，通过传动机构带动第二滑台7实现直线运动。第二滑台7、第二导向副8、单元体10和电机9共同构成了造波机电动执行机构，并安装于水槽外的机架11上。

如图2和图3所示，推杆轴5穿过水槽后壁的穿墙防水轴套6连接造波机主承载机构和造波机电动执行机构。

如图2和图3所示，电机9通过电缆连接伺服控制柜12，计算机13根据实验需求计算出运行数据，通过线缆将数据传递给伺服控制柜12内的控制器，控制伺服驱动器驱动电机9旋转，从而带动第二滑台7做直线运动，进而由推杆轴5带动主滑台梁4和推板2在第一导向副3上滑动，在水槽内推动水体产生波浪。

如图2和图3所示，本实施例中造波机安装段1为混凝土结构，上方安装有可拆卸盖板13。根据设计需求，造波机安装段1也可采用为钢结构。

如图2和图3所示，推板2为304不锈钢材料制作，本实施例中板面上安装有两支波高传感器2a，实时采集推板上的波高数据，用于造波机主动修正控制。波高传感器2a的数量可根据水槽宽度为两支或者两支以上。

如图2和图3所示，第一导向副3包含两套导向机构，本实施例中该导向机构为滚动直线导轨，导轨分别安装于水槽两侧壁上，通过其上的调节螺栓调整两导轨精度，每根导轨上分别有两个滚珠滑块与主滑台梁4螺栓连接。根据设计需求，第一导向副3也可为滑动直线导轨或轮系导向装置，其安装位置也可位于水槽侧壁外的独立基础上。

如图2、图3、图4所示，推杆轴5为长杆圆轴，穿过造波机后消能器15和穿墙防水轴套6，两端分别通过销轴第二滑台7和主滑台梁4连接。推杆轴5的两端为型号不同的杆端关节轴承5a和5b。采用杆端关节轴承可消除第一导向副3与第二导向副8之间的位置度误差对运行产生的影响。

如图4和图5所示，本实例中穿墙防水轴套6的材料为304不锈钢，安装于水槽后壁上预留的孔洞内。穿墙防水轴套6的内孔尺寸与推杆轴5相配合，轴套内加工有两个密封沟槽6a和6b，密封沟槽内安装有Y型密封圈。当推杆轴5在穿墙防水轴套内沿轴线方向运动时，通过密封沟槽6a和6b内的密封圈作用，防止水槽内瞬间水体涌高造成漏水，保护造波机电动执行机构侧。根据设计需求，穿墙防水轴套6的材料也可为铜合金，密封沟槽的数量根据墙体厚度可设置两个或两个以上，密封圈也可选择O型密封圈、V型密封圈等。

如图3所示，本实施例中单元体10内的传动机构可以为滚珠丝杠，可把电机的旋转运动转换为丝杠上螺母的直线运动，所述螺母与第二滑台相连，从而带动第二滑台7的做直线运动。传动机构也可选择齿轮齿条、同步齿形带、电动缸等形式。当传动机构为齿轮齿条时，所述齿条位于单元体内，并与齿轮啮合，所述齿轮分别与第二滑台、电机相连。当传动机构为同步齿形带时，同步齿形带与第二滑台相连，所述同步齿形带套接在单元体内的主动轮和从动轮上，所述主动轮与电机相连。当传动机构为电动缸时，所述电动缸输入轴与电机输出轴相连，电动缸的推杆与第二滑台相连。

本实施例还提供一种基于风洞内水槽推板式造波系统的造波方法，具体步骤为：

步骤1：根据要产生的目标波浪η

由多个不同振幅、周期和初始相位的余弦波叠加而成的目标波浪η

其中

Δσ

步骤2：伺服控制柜12内的伺服控制器根据脉冲控制信号控制伺服驱动器，驱动电机9旋转，带动推板实现x

推板运行轨迹x

其中，j为虚数单位表示时间序列相位相差90°；c

其中k

步骤3：推板板面上的波高传感器2a，实时监测板面上的波浪，记为η

推板实时修正信号x

其中N为正整数；

步骤4：推板停止运行后，计算机13获取试验区波高传感器14记录的波浪全过程，记为η

修正后的推板运行轨迹

其中，各项参数满足如下关系，

S

采用本发明的造波方法能够通过所提出的双闭环反馈修正控制方法，使模拟的波浪精度误差更小，从而保证了物理模型试验的精度。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。