李 碩， 劉 毅， 王 濤， 蔣 澎

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 引 言

目前進(jìn)行波浪模擬教學(xué)與研究，船舶水動(dòng)力性能研究以及海岸工程海洋工程等領(lǐng)域的研究越來越受到重視[1]，其中造波儀器在各種研究與教學(xué)中都處于十分重要的位置[2]。造波機(jī)由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和推波板等組成，在控制系統(tǒng)的作用下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)推波板按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，推波板推動(dòng)水體，進(jìn)而形成各種形式的模擬水波浪，用于研究波浪對(duì)行船、碼頭、及堤壩等水中建筑物的作用[3-4]。由于水池中的實(shí)驗(yàn)需要?jiǎng)佑么笮驮O(shè)備和較多的實(shí)驗(yàn)人員，導(dǎo)致波浪生成研究能耗大，用時(shí)長(zhǎng)，效率低，不方便進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)[5-6]。因此,如何建立控制簡(jiǎn)單的造波試驗(yàn)臺(tái)是解決上述問題的關(guān)鍵。

本文基于電液轉(zhuǎn)閥控制技術(shù)[7-10]設(shè)計(jì)了一種推板和搖板造波集成的液壓造波平臺(tái)[11]，并根據(jù)造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了造波機(jī)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)，完成了試驗(yàn)臺(tái)的液壓元件的設(shè)計(jì)和選型，并成功搭建了液壓造波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于水動(dòng)力學(xué)研究與教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作原理

1.1 造波機(jī)械結(jié)構(gòu)原理

造波機(jī)構(gòu)在水槽寬0.6 m、高0.9 m、長(zhǎng)12 m的水槽中工作，因此造波板設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)1.1 m、寬0.6 m，并設(shè)計(jì)與其配合使用的連桿滑塊等。本試驗(yàn)臺(tái)造波機(jī)械結(jié)構(gòu)可分別作為遙板造波和推板造波使用。如圖1所示，當(dāng)滑塊1固定，液壓缸4往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊2在導(dǎo)軌3上移動(dòng)，滑塊2通過連桿5、6以及鉸鏈連接帶動(dòng)造波板7繞連桿7、8交點(diǎn)處的軸承做搖擺運(yùn)動(dòng)，達(dá)到搖板造波目的。當(dāng)滑塊1與滑塊2固定連接后，液壓缸4往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊1與滑塊2同時(shí)運(yùn)動(dòng)，由于連桿5、8都是與滑塊固連，因此此時(shí)造波板7在水平方向往復(fù)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到推板造波目的。

1,2-滑塊,3-導(dǎo)軌,4-液壓缸,5、6、8-連桿,7-造波板

1.2 轉(zhuǎn)閥控制式液壓系統(tǒng)的原理

在造波過程中，由于液壓缸要頻繁地?fù)Q向,因此使用轉(zhuǎn)閥來控制，這樣能更好地控制換向的頻率和幅度，使得造出的波浪達(dá)到預(yù)期的效果。

由變量柱塞泵5和比例溢流閥4組成可調(diào)壓的液壓系統(tǒng)能源裝置，電液溢流閥14作為安全閥，高壓油液通過轉(zhuǎn)閥9控制驅(qū)動(dòng)液壓缸工作，其中轉(zhuǎn)閥左端為混合式軸向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)12通過控制閥口的開口大小來控制流量，右端為伺服電動(dòng)機(jī)8通過控制閥芯的旋轉(zhuǎn)達(dá)到換向的目的，液壓造波系統(tǒng)的工作原理圖如圖2所示。

1-主油箱,2-高壓球閥,3-過濾器,4-比例溢流閥,5-變量柱塞泵,6-電動(dòng)機(jī),7-單向閥,8-伺服電動(dòng)機(jī),9-轉(zhuǎn)閥,10-液壓缸,11-造波板,12-軸向步進(jìn)電動(dòng)機(jī),13-蓄能瓶,14-電磁溢流閥,15-風(fēng)冷卻器,16-葉片泵

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

1.3 線性造波的理論

目前，線性造波理論廣泛應(yīng)用于波浪水槽中。規(guī)則波浪的振幅ai取決于造波機(jī)的不同造波形式的傳遞函數(shù)。波浪模擬實(shí)驗(yàn)的水動(dòng)力傳遞模型如圖3所示。假設(shè)水的深度為d，距水槽底部d1和d2處的造波板振幅分別是e1、e2，e為水面處的振幅。k為波數(shù)，k與波的角速度ω滿足彌散公式：ω2=gktanhkd，且ω=2πfi，fi為造波板的工作頻率，即液壓缸的工作頻率。由勢(shì)流理論可知，即在不同階段，波浪的波幅ai與造波板振幅e的關(guān)系為：

(1)

圖3 水力傳遞模型

對(duì)于推板式造波機(jī)，

e1=e2=e,d1=d,d2=0

則：

(2)

對(duì)于搖板式造波機(jī),

e1=e,e2=0,d1=d,d2=0

則：

(3)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)水槽高0.9 m，水深設(shè)定為0.5 m。根據(jù)彌散公式，波數(shù)k和T的計(jì)算值如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)元件設(shè)計(jì)和選型

現(xiàn)擬定推板造波實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)波高為60 mm，搖板造波實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)波高為30 mm。

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)理論目標(biāo)波幅ai所對(duì)應(yīng)的造波板振幅e，根據(jù)公式Ti=ai/e，以及表1中數(shù)據(jù)，得出在d=0.5 m不同頻率下的數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 水利傳遞關(guān)系對(duì)應(yīng)參數(shù)

表2 波幅ai與e的數(shù)值對(duì)應(yīng)表

為滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)波高，推波板振幅e滿足0～100 mm即行程200 mm；需要造波板運(yùn)動(dòng)頻率0～3 Hz；造波板運(yùn)動(dòng)速度0～0.4 m/s,工作推力達(dá)到0～10 kN，工作壓力0～18 MPa。

2.1 轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)閥作為一種實(shí)現(xiàn)油路狀態(tài)改變或者調(diào)節(jié)流量的控制閥，具有換向靈敏、可靠度高的特點(diǎn)[12]。

圖4展示了電液轉(zhuǎn)閥的油路換向原理。圖4(a)所示為電液轉(zhuǎn)閥閥芯Ⅰ、Ⅲ臺(tái)肩的閥口處于開啟狀態(tài)，Ⅱ、Ⅳ臺(tái)肩的閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，油液由P口流向B口，A口流向T口，進(jìn)而推動(dòng)液壓缸活塞桿水平直線運(yùn)動(dòng)；圖4(b)當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，電液轉(zhuǎn)閥閥芯Ⅰ、Ⅲ臺(tái)肩的閥口關(guān)閉，Ⅱ、Ⅳ臺(tái)肩的閥口開啟，油液由P口流向A口，B口流向T口，此時(shí)液壓缸反方向運(yùn)動(dòng)。再讓閥芯旋轉(zhuǎn)90°，閥芯臺(tái)肩Ⅰ、Ⅲ的節(jié)流口又逐漸打開，閥芯臺(tái)肩Ⅱ、Ⅳ的節(jié)流口逐漸關(guān)閉，回至圖4(a)狀態(tài)。閥芯的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使得油液的油路不斷換向，推動(dòng)液壓缸往回運(yùn)動(dòng)。

(a) 轉(zhuǎn)閥的工作位置Ⅰ

(b) 轉(zhuǎn)閥的工作位置Ⅱ

造波板的運(yùn)動(dòng)頻率,即液壓缸的運(yùn)動(dòng)頻率由轉(zhuǎn)閥控制，頻率計(jì)算公式：

(4)

式中:f為轉(zhuǎn)閥頻率；m為閥芯旋轉(zhuǎn)1周，閥芯與閥套窗口溝通的次數(shù)；n為閥芯的轉(zhuǎn)速,r/min。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)造波板的運(yùn)動(dòng)頻率為0～3 Hz，設(shè)計(jì)中取m=2，則n的取值范圍為0～90 r/min。選擇型號(hào)為ECMA-C20604R8的伺服電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min滿足要求。閥口軸向?qū)▽挾扔奢S向位移控制，軸向位移由混合式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，選擇型號(hào)為57M42-12-002的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最小步進(jìn)位移0.05 mm滿足精度要求。

圖5展示了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)閥，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。轉(zhuǎn)閥的閥芯旋轉(zhuǎn)1周，液壓缸實(shí)現(xiàn)2次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣即使當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低的情況下，也能滿足實(shí)驗(yàn)要求。在其兩端各有伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(見表3)分別控制閥芯的旋轉(zhuǎn)和左右移動(dòng)，以此來控制液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和流量的大小。電液轉(zhuǎn)閥的閥芯的開口和閥套開口互相對(duì)應(yīng)，都有4個(gè)臺(tái)肩，每個(gè)臺(tái)肩上對(duì)稱分布2個(gè)開口，且閥芯上的兩個(gè)相鄰臺(tái)肩的閥口呈90°分布。當(dāng)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電液轉(zhuǎn)閥的閥口過流面積發(fā)生周期性的變化，使得油液的方向不停的發(fā)生改變、從而使得液壓缸的頻率可控可調(diào)。

圖5 轉(zhuǎn)閥的三維設(shè)計(jì)圖

元件型號(hào)規(guī)格元件型號(hào)規(guī)格比例溢流閥DBE10-30B/315XY電磁溢流閥DBW10B1-5X/315UG24Z5L油箱EXD-250A風(fēng)冷卻器DT-3過濾器TF-160X180L-Y工控機(jī)DVP-06XA

2.2 液壓缸的選型

由造波機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，推板式比搖版式造波推動(dòng)的水多，所需驅(qū)動(dòng)力更大，因此采取推板式造波時(shí)推板所需的驅(qū)動(dòng)力來作為設(shè)計(jì)條件，設(shè)計(jì)條件參考造波機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)[13-15]。

由于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生規(guī)則波，因此采用雙作用活塞桿缸，選擇型號(hào)為CKM20-40-28-28-200-N04-V-WL的ATOS液壓缸，其缸徑40 mm，活塞桿直徑28 mm，行程200 mm，并帶有MTS(EHK0100MD34001)位移傳感器。液壓缸的最大推力達(dá)到10 kN,滿足實(shí)驗(yàn)要求，自帶的位移傳感器便于數(shù)據(jù)采集。

2.3 液壓泵與電動(dòng)機(jī)的選型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的要求，造波板運(yùn)動(dòng)頻率為0～3 Hz，造波板運(yùn)動(dòng)行程0～200 mm，液壓缸速度為0～0.4 m/s,此時(shí)推動(dòng)液壓缸所需流量為

(5)

式中:Q為流量；v為液壓缸運(yùn)動(dòng)速度；D為缸徑,40 mm；d為活塞桿直徑,28 mm。

瞬時(shí)最大流量一般為平均流量的2倍，取最大流量為32 L/min，根據(jù)系統(tǒng)所需壓力及流量要求和系統(tǒng)工作特性的要求，液壓泵選用Rexroth的軸向變量柱塞泵型號(hào)：A10VSO28DR/31R-PPA12N00，其最大輸出流量為40 L/min，滿足為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的恒壓源的要求，采用溢流閥調(diào)節(jié)工作壓力。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)常用工作壓力不超過18 MPa。常用輸出功率：

(6)

式中:Np為泵輸出功率；p為最大系統(tǒng)工作壓力；Q為最大流量。

電機(jī)的輸出功率:

(7)

式中:NE為電機(jī)輸出功率；Np為泵輸出功率；ηp泵的總效率，對(duì)于此液壓泵為0.9。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為ABB公司的M2QA-160M4A。電動(dòng)機(jī)額定功率為11 kW,滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.4 液壓管路尺寸的確定

油管的計(jì)算主要是確定油管內(nèi)徑和管壁的厚度。油管內(nèi)徑的計(jì)算公式為

(8)

式中：d為油管內(nèi)徑；q為通過油管的流量；v為油管中推薦的流速，吸油管取0.5～1.5 m/s，壓油管取2.5～5 m/s，回油管取1.5～2.5 m/s。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)最大流量為32 L/min,油管中流速為0～0.4 m/s，選取內(nèi)徑大于12 mm即滿足要求?？紤]到工作壓力為0～18 MPa的要求，選用內(nèi)徑為22 mm，外徑為35 mm的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的橡膠管,其一般工作壓力為22 MPa滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.5 其他元件的選擇

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖以及系統(tǒng)的工況，其他液壓元件的型號(hào)與參數(shù)列于表4中。

表4 不同油壓下的波高數(shù)據(jù) mm

3 造波實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置

根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將電動(dòng)機(jī)、柱塞泵、比例閥等液壓元件集成在液壓泵站平臺(tái)，并將計(jì)算機(jī)與PLC控制系統(tǒng)連接起來，使得控制實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋?jiǎn)易的操作。圖6所示為轉(zhuǎn)閥式液壓造波實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物。

3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)閥的開口和頻率，進(jìn)行造波實(shí)驗(yàn)。不同油壓、閥芯開口、頻率下的波高數(shù)據(jù)由YWH200-DXX數(shù)字波高儀采得，圖7所示為波高儀采得數(shù)據(jù)，波高儀采集的數(shù)據(jù)直接傳送給電腦，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖7 波高儀的波高數(shù)據(jù)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采集波高儀的數(shù)據(jù)，由于波浪不穩(wěn)定的特性，使得在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，所采的波高數(shù)據(jù)會(huì)有所偏差，多組數(shù)據(jù)取平均值來作為來作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

推板造波時(shí)，在保持水深為0.5 m、轉(zhuǎn)閥閥口開度為2.0 mm、供油壓力為1 MPa的情況下，轉(zhuǎn)閥控制液壓缸的頻率達(dá)到1.0、1.2、1.4 Hz,采集到的實(shí)驗(yàn)波高數(shù)據(jù)分別為64.2、53.3、38.4 mm(見表5),達(dá)到了推板式造波實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)波高60 mm的要求。搖板造波時(shí)，在保持水深為0.5 m、轉(zhuǎn)閥閥口開度為2.0 mm、供油壓力分別為1 MPa的情況下，轉(zhuǎn)閥頻率達(dá)到1.0、1.2、1.5 Hz。采集實(shí)驗(yàn)波高數(shù)據(jù)分別為30.7、33.3、30 mm(見表6),達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)波高30 mm的要求。這幾組數(shù)據(jù)雖與表2中的理論數(shù)據(jù)有所出入，但都基本相符。從表中可以得出，波高隨著油壓的增大而增大；實(shí)驗(yàn)的變量參數(shù)閥芯開口Xv越大，產(chǎn)生的波高越高，且在閥口開口較小時(shí)波高變化的越明顯；轉(zhuǎn)閥頻率f越大，波高越小。

表5 推板式造波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表6 搖板式造波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種控制簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)方便，并實(shí)現(xiàn)推板與搖板兩種造波形式集成于一體的液壓造波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在基于電液轉(zhuǎn)閥控制技術(shù)基礎(chǔ)上，完成了本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的造波機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及液壓元件的設(shè)計(jì)工作，并成功完成液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，模擬了造波實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：在相同條件下，推板造波高度效果比搖板造波更好；波高隨著油壓的增大而增大；隨著閥口的增大，波高也隨之增大，并且在閥芯開口較小時(shí)，波高變化越明顯；波高隨著頻率的遞增而減小。上述結(jié)果表明,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠較好地完成造波實(shí)驗(yàn)，易于控制變量參數(shù)及數(shù)據(jù)采集，能夠?yàn)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)和教學(xué)示范，以及進(jìn)一步的水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。