轉閥控制式造波實驗臺的設計與實驗

李 碩， 劉 毅， 王 濤， 蔣 澎

(1.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001；2.浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波 315100)

0 引 言

目前進行波浪模擬教學與研究，船舶水動力性能研究以及海岸工程海洋工程等領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中都處于十分重要的位置[2]。造波機由控制系統、驅動系統和推波板等組成，在控制系統的作用下，驅動系統帶動推波板按照一定的規律運動，推波板推動水體，進而形成各種形式的模擬水波浪，用于研究波浪對行船、碼頭、及堤壩等水中建筑物的作用[3-4]。由于水池中的實驗需要動用大型設備和較多的實驗人員，導致波浪生成研究能耗大，用時長，效率低，不方便進行研究和實驗[5-6]。因此,如何建立控制簡單的造波試驗臺是解決上述問題的關鍵。

本文基于電液轉閥控制技術[7-10]設計了一種推板和搖板造波集成的液壓造波平臺[11]，并根據造波機設計參數的實驗要求，設計了造波機構以及液壓系統，完成了試驗臺的液壓元件的設計和選型，并成功搭建了液壓造波實驗平臺，用于水動力學研究與教學。

1 實驗臺的工作原理

1.1 造波機械結構原理

造波機構在水槽寬0.6 m、高0.9 m、長12 m的水槽中工作，因此造波板設計尺寸為長1.1 m、寬0.6 m，并設計與其配合使用的連桿滑塊等。本試驗臺造波機械結構可分別作為遙板造波和推板造波使用。如圖1所示，當滑塊1固定，液壓缸4往復運動帶動滑塊2在導軌3上移動，滑塊2通過連桿5、6以及鉸鏈連接帶動造波板7繞連桿7、8交點處的軸承做搖擺運動，達到搖板造波目的。當滑塊1與滑塊2固定連接后，液壓缸4往復運動時，滑塊1與滑塊2同時運動，由于連桿5、8都是與滑塊固連，因此此時造波板7在水平方向往復推進運動，達到推板造波目的。

1,2-滑塊,3-導軌,4-液壓缸,5、6、8-連桿,7-造波板

1.2 轉閥控制式液壓系統的原理

在造波過程中，由于液壓缸要頻繁地換向,因此使用轉閥來控制，這樣能更好地控制換向的頻率和幅度，使得造出的波浪達到預期的效果。

由變量柱塞泵5和比例溢流閥4組成可調壓的液壓系統能源裝置，電液溢流閥14作為安全閥，高壓油液通過轉閥9控制驅動液壓缸工作，其中轉閥左端為混合式軸向步進電動機12通過控制閥口的開口大小來控制流量，右端為伺服電動機8通過控制閥芯的旋轉達到換向的目的，液壓造波系統的工作原理圖如圖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-電動機,7-單向閥,8-伺服電動機,9-轉閥,10-液壓缸,11-造波板,12-軸向步進電動機,13-蓄能瓶,14-電磁溢流閥,15-風冷卻器,16-葉片泵

圖2 液壓系統原理圖

1.3 線性造波的理論

目前，線性造波理論廣泛應用于波浪水槽中。規則波浪的振幅ai取決于造波機的不同造波形式的傳遞函數。波浪模擬實驗的水動力傳遞模型如圖3所示。假設水的深度為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，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的關系為：

(1)

圖3 水力傳遞模型

對于推板式造波機，

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

則：

(2)

對于搖板式造波機,

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

則：

(3)

本實驗臺水槽高0.9 m，水深設定為0.5 m。根據彌散公式，波數k和T的計算值如表1所示。

2 實驗臺元件設計和選型

現擬定推板造波實驗目標波高為60 mm，搖板造波實驗實驗目標波高為30 mm。

試驗臺設計理論目標波幅ai所對應的造波板振幅e，根據公式Ti=ai/e，以及表1中數據，得出在d=0.5 m不同頻率下的數據如表2所示。

表1 水利傳遞關系對應參數

表2 波幅ai與e的數值對應表

為滿足實驗目標波高，推波板振幅e滿足0～100 mm即行程200 mm；需要造波板運動頻率0～3 Hz；造波板運動速度0～0.4 m/s,工作推力達到0～10 kN，工作壓力0～18 MPa。

2.1 轉閥的設計

轉閥作為一種實現油路狀態改變或者調節流量的控制閥，具有換向靈敏、可靠度高的特點[12]。

圖4展示了電液轉閥的油路換向原理。圖4(a)所示為電液轉閥閥芯Ⅰ、Ⅲ臺肩的閥口處于開啟狀態，Ⅱ、Ⅳ臺肩的閥口處于關閉狀態，油液由P口流向B口，A口流向T口，進而推動液壓缸活塞桿水平直線運動；圖4(b)當閥芯旋轉90°時，電液轉閥閥芯Ⅰ、Ⅲ臺肩的閥口關閉，Ⅱ、Ⅳ臺肩的閥口開啟，油液由P口流向A口，B口流向T口，此時液壓缸反方向運動。再讓閥芯旋轉90°，閥芯臺肩Ⅰ、Ⅲ的節流口又逐漸打開，閥芯臺肩Ⅱ、Ⅳ的節流口逐漸關閉，回至圖4(a)狀態。閥芯的連續旋轉，使得油液的油路不斷換向，推動液壓缸往回運動。

(a) 轉閥的工作位置Ⅰ

(b) 轉閥的工作位置Ⅱ

造波板的運動頻率,即液壓缸的運動頻率由轉閥控制，頻率計算公式：

(4)

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

本實驗臺造波板的運動頻率為0～3 Hz，設計中取m=2，則n的取值范圍為0～90 r/min。選擇型號為ECMA-C20604R8的伺服電動機，其轉速為0～3 000 r/min滿足要求。閥口軸向導通寬度由軸向位移控制，軸向位移由混合式直線步進電動機控制，選擇型號為57M42-12-002的步進電動機，最小步進位移0.05 mm滿足精度要求。

圖5展示了本實驗設計的轉閥，其主要設計參數如表3所示。轉閥的閥芯旋轉1周，液壓缸實現2次往復運動，這樣即使當電動機轉速很低的情況下，也能滿足實驗要求。在其兩端各有伺服電動機和步進電動機(見表3)分別控制閥芯的旋轉和左右移動，以此來控制液壓缸的往復運動和流量的大小。電液轉閥的閥芯的開口和閥套開口互相對應，都有4個臺肩，每個臺肩上對稱分布2個開口，且閥芯上的兩個相鄰臺肩的閥口呈90°分布。當交流伺服電動機驅動閥芯連續旋轉時，電液轉閥的閥口過流面積發生周期性的變化，使得油液的方向不停的發生改變、從而使得液壓缸的頻率可控可調。

圖5 轉閥的三維設計圖

元件型號規格元件型號規格比例溢流閥DBE10-30B/315XY電磁溢流閥DBW10B1-5X/315UG24Z5L油箱EXD-250A風冷卻器DT-3過濾器TF-160X180L-Y工控機DVP-06XA

2.2 液壓缸的選型

由造波機構機械結構可知，推板式比搖版式造波推動的水多，所需驅動力更大，因此采取推板式造波時推板所需的驅動力來作為設計條件，設計條件參考造波機設計參數[13-15]。

由于實驗產生規則波，因此采用雙作用活塞桿缸，選擇型號為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到10 kN,滿足實驗要求，自帶的位移傳感器便于數據采集。

2.3 液壓泵與電動機的選型

根據實驗所要達到的要求，造波板運動頻率為0～3 Hz，造波板運動行程0～200 mm，液壓缸速度為0～0.4 m/s,此時推動液壓缸所需流量為

(5)

式中:Q為流量；v為液壓缸運動速度；D為缸徑,40 mm；d為活塞桿直徑,28 mm。

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

本實驗臺工作時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為最大系統工作壓力；Q為最大流量。

電機的輸出功率:

(7)

式中:NE為電機輸出功率；Np為泵輸出功率；ηp泵的總效率，對于此液壓泵為0.9。

根據計算結果，選擇電動機型號為ABB公司的M2QA-160M4A。電動機額定功率為11 kW,滿足實驗要求。

2.4 液壓管路尺寸的確定

油管的計算主要是確定油管內徑和管壁的厚度。油管內徑的計算公式為

(8)

式中：d為油管內徑；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。

本實驗臺最大流量為32 L/min,油管中流速為0～0.4 m/s，選取內徑大于12 mm即滿足要求?？紤]到工作壓力為0～18 MPa的要求，選用內徑為22 mm，外徑為35 mm的標準規格的橡膠管,其一般工作壓力為22 MPa滿足實驗要求。

2.5 其他元件的選擇

根據液壓系統原理圖以及系統的工況，其他液壓元件的型號與參數列于表4中。

表4 不同油壓下的波高數據 mm

3 造波實驗

3.1 實驗臺布置

根據液壓系統的設計，將電動機、柱塞泵、比例閥等液壓元件集成在液壓泵站平臺，并將計算機與PLC控制系統連接起來，使得控制實驗能夠更簡易的操作。圖6所示為轉閥式液壓造波實驗臺實物。

3.2 實驗臺測試

啟動試驗臺，調節轉閥的開口和頻率，進行造波實驗。不同油壓、閥芯開口、頻率下的波高數據由YWH200-DXX數字波高儀采得，圖7所示為波高儀采得數據，波高儀采集的數據直接傳送給電腦，再進行數據處理。

圖7 波高儀的波高數據

3.3 實驗結果分析

采集波高儀的數據，由于波浪不穩定的特性，使得在同樣的實驗條件下，所采的波高數據會有所偏差，多組數據取平均值來作為來作為實驗結果。

推板造波時，在保持水深為0.5 m、轉閥閥口開度為2.0 mm、供油壓力為1 MPa的情況下，轉閥控制液壓缸的頻率達到1.0、1.2、1.4 Hz,采集到的實驗波高數據分別為64.2、53.3、38.4 mm(見表5),達到了推板式造波實驗目標波高60 mm的要求。搖板造波時，在保持水深為0.5 m、轉閥閥口開度為2.0 mm、供油壓力分別為1 MPa的情況下，轉閥頻率達到1.0、1.2、1.5 Hz。采集實驗波高數據分別為30.7、33.3、30 mm(見表6),達到了實驗目標波高30 mm的要求。這幾組數據雖與表2中的理論數據有所出入，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；實驗的變量參數閥芯開口Xv越大，產生的波高越高，且在閥口開口較小時波高變化的越明顯；轉閥頻率f越大，波高越小。

表5 推板式造波實驗數據表

表6 搖板式造波實驗數據表

4 結 語

本文設計了一種控制簡單、實驗方便，并實現推板與搖板兩種造波形式集成于一體的液壓造波實驗平臺，在基于電液轉閥控制技術基礎上，完成了本實驗平臺的造波機構和液壓系統的設計以及液壓元件的設計工作，并成功完成液壓實驗平臺的搭建，模擬了造波實驗。實驗結果分析表明：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，波高變化越明顯；波高隨著頻率的遞增而減小。上述結果表明,該實驗平臺能夠較好地完成造波實驗，易于控制變量參數及數據采集，能夠為學生實驗和教學示范，以及進一步的水動力學實驗研究提供較好的實驗平臺。