一种造浪装置的设计与开发

学术交流

船舶物资与市场 770 引言

随着海上资源开发的发展，越来越多的科研机构逐渐将

研究重点转移到海上设备的开发中，船舶及海洋装备在恶劣

海况条件下的生存能力被研究学者广泛关注[1]。海况复杂，

贸然在海上试机容易造成设备丢失，故在海上设备开发过程

中，需要先在陆地上进行初步实验，以缩短研发周期，降低

海试风险[2]。试验模型需要在试验设计阶段，能模拟受到波

浪冲击[3]。同时，针对波浪生成研究和波浪生成实验教学需要，

也需要设计开发出一种造浪装置。

对海上环境的模拟需要考虑很多因素，如：造浪的大小、

形态、浪的深度以及波浪的间隔时间等。尽管有很多的研究

者对这方面进行研究，并且制造出造浪机，但传统的造浪装

置仍存在着很多缺点，在很多场合不太适用。

1 现有技术

中国专利CN106522598A公布了一种游乐场建筑设施用

的可调节水力大小的造浪机。其通过电机带动叶片转动，达

到搅动水面以产生波浪的效果[4]。该装置还通过液压缸和支

架相互配合，使整体装置能在竖直平面上移动，从而达到对

不同水位液体进行搅动的目的。该装置所产生的波浪，其深

度可进行调节，但无法调节波浪的形态和大小，只能对不同

水位的液体进行搅动从而形成波浪。

中国专利CN206362526U所公布的一种人工实验造浪机。

该装置通过利用电机带动曲柄摇杆机构运动，通过造浪板对

水面搅动来实现造浪[5]。但是所产生的波浪仅仅存在于水的

上表面，无法深入到水下。

中国专利CN103563829B公布了一种涌浪机及涌浪机浮

体的制造方法，其通过固定杆固定电机和减速箱，使电机和

减速箱不会随着叶片的转动而转动，使用电机带动浮体转动[6]。从而设计在浮体上的叶片对水面可进行相应搅动，形成波一种造浪装置的设计与开发

严高超，沈孝芹，于复生，梁 为，朱宝星

（山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101）

摘 要：海上设备在开发过程中通常需要进行试机，为使模拟出来的波浪更接近海况，该文设计开发一种造浪装置。该装置整体由造

浪片、转动盘、减速箱A、电机A、电机笼、导轨板和移动装置组成，通过改变造浪片的作用面积、形状、角度、深度以及通过调节

造浪片转动时的速度，来对产生波浪的大小和形态进行调节，使模拟出的海况更接近实际海况。

关键词：造浪机；不同水位；复杂波浪；海况

中图分类号：U661.7 文献标识码：A DOI:10.19727/j.cnki.cbwzysc.2019.06.028 ［引用格式］严高超,沈孝芹,于复生,等. 一种造浪装置的设计与开发[J].船舶物资与市场,2019(6):77-79.

收稿日期：2019-05-20基金项目：山东省重点研发计划基金资助项目（2018GGX103013）作者简介：严高超（1996-

），男，硕士研究生，研究方向为水下机器人。图1 上建起吊示意图浪。但该装置运转所产生的波浪也仅仅存在于水的上表面，

无法深入到水下，且对波浪的大小和形态也都无法进行有效调节。

尽管上述研究者对造浪装置的研究和发展做出了很大贡献，但通过这些造浪装置运转所产生的波浪均是较为简单的波浪，这些简单的波浪显然无法很好地模拟海面的复杂情况。

2 整体结构设计

采用的技术方案是：该装置整体由造浪片、转动盘、减

速箱A、电机A、电机笼、导轨板及移动装置一起组成。如图1所示，造浪板一端可转动的安装在转动盘上，转动盘上部通过联轴器与减速箱A输出端相连，电机A的输出端通过

联轴器与减速箱A的输入端相连，电机A与减速箱A一起固定安装在电机笼内部。

导轨板两侧设置有导轨，中部设置有齿轮槽，在齿轮槽

的一侧竖直设置有齿条。移动装置两侧设置有与导轨板上导轨相配对的配对导轨，移动装置还包括电机D、减速箱D和

齿轮。减速箱D采用输入轴与输出轴相垂直的减速箱，电机D通过减速箱带动齿轮在齿条上滚动，从而使导轨板相对于

移动装置进行上下移动。导轨板固定安装在电机笼的一侧，电机A电机D

电机D减速箱D减速箱A

电机笼

转动盘造浪片齿条螺孔学术交流

78 船舶物资与市场图2 转动盘的爆炸图

图4造浪片爆炸图

图5造浪片在收缩状态下的结构示意图

图6造浪片在展开状态下的结构示意图

图3 整体结构与外部起吊装置的结构示意图移动装置与导轨板上的导轨相配合，使移动装置能在导轨板上滑动。该装置使用带有导轨的移动装置在齿轮齿条的配合下进行上下移动，使该装置的传动平稳、上下移动的距离可

计算且上下移动速度可控。

如图2所示，转动盘内部固定安装有电机B及电机C。

电机C上设置有绳轮，绳轮上缠绕有钢丝绳，转动盘上部的转动盘盖通过螺钉固定在转动盘上，减速箱A与转动盘盖上

部相连，从而带动转动盘运转。电机B输出轴与造浪片上的电机轴孔之间为花键连接，电机B均匀分布在转动盘内部，能带动造浪片转动，以调节造浪片的角度。其转动区间为正转90°至反转90°，转角为0°时，造浪片垂直于地面，电

机B通过改变造浪片相对液面的角度来调节波浪的形状和大小。

电机B转动角度为0°时，造浪片与液面相垂直。转动盘带动造浪片转动时，此时产生的波浪是既无上升浮力也无下降能力的波浪；当造浪片在电机B的带动下转动一定角度

后，转动盘带动造浪片转动时，所产生的波浪将会相应具有上浮或下沉的作用力。如图3所示，所述一种造浪装置还包括一个外部起吊装

置[7]。在外部起吊装置的作用下，该造浪装置能垂直进出水面。柔性蒙皮采用弹性强度大的强化纤维制成，柔性蒙皮包裹在造浪片表层，上下移动的滑动板将带动各杆件进行相应

的联动，使造浪板前端进行相应的收缩和展开。造浪板作用在水面上的作用面积及形状将发生变化，从而所产生的波浪大小和形状将会不一致，如图5和图6所示。

3 造浪片的设计

造浪片由杆件、钢丝绳、柔性蒙皮、滑动板和造浪板组成。

如图4所示，电机B通过电机轴与造浪板连接，在造浪板上

设计了具有光滑弧度的钢丝绳槽。造浪片上的杆件对称布置，

分为杆件A、杆件B和杆件C。杆件A、杆件B通过销轴可

转动的安装在造浪板上，杆件A侧部设置有销轴孔，杆件B4 工作原理

操作人员在使用该装置时，通过控制电机D运转带动齿

轮在齿条上啮合传动，使导轨板相对于移动装置进行上下移

动。造浪板相对于液面的高度将发生变化，达到改变造浪深

度的效果。

通过改变电机A的转速，降低或提高造浪片的转速，来

改变造浪的间隔时间。电机B

运转将改变造浪片相对于液面上设置有滑槽，杆件C上端通过销轴安装在杆件A的侧部销轴孔中，杆件C中部还固定设置有凸块，凸块安装在滑槽中，凸块能在滑槽中滑动。杆件C的下端可转动的安装在滑动板

中部，其中滑动板的上下两端与钢丝绳相连接。钢丝绳安装在钢丝绳槽中，钢丝绳两端与电机C上的绳轮相连接，电机C转动带动钢丝绳两侧长度进行相应变化，从而带动滑动板上下移动。电机C

杆件B

杆件

C杆件A

造浪板滑动板转动盘

转动盘减速箱A

减速箱

A柔性蒙皮

柔性蒙皮钢丝绳

凸块电机B转动盘

转动盘盖花键外部起吊装置电机笼

转动盘

造浪片造浪板

造浪板学术交流

船舶物资与市场 79的夹角，转角不同的造浪片转动会产生升力不同的波浪，同时受力面积的改变将使波浪的大小发生变化。电机C带动钢丝绳运转，使造浪片在各杆件和柔性蒙皮的联合作用下，形状发生较大的变化，使产生的波浪形状能得到相应的变化。从而造出复杂多变的波浪，更好地模拟复杂海况。

5 结语

该装置使用电机B带动造浪板进行旋转运动，能很好地

调节波浪的形状和大小，电机B带动造浪板转动，使造浪板相对于水面的夹角发生变化。电机A带动转动盘运动时，操

作人员可通过调节电机A的转速来调节波浪的间隔时间。在造浪板内部设计连杆机构，使钢丝绳在电机C的带动下进行运动时，连杆机构可从伸缩状态变为展开状态，柔性蒙皮进行相应的伸缩，从而增大或减少造浪板对液体的作用面积及所作用的形态，使该造浪装置所产生的波浪多样化、复杂化，

造浪板的受力面积和受力形状不同也会导致波浪的形状和大小不一致。

该造浪设备能在竖直平面上进行移动，能对不同水位的液体进行造浪，且产生的波浪其深度可以调节。同时还能调节波浪的形态、大小以及波浪的间隔时间，能全方位的对水

下空间进行充分造浪。

参考文献：

[1] 刘毅,程少科,郑堤.大功率造波机中驱动技术的研究现状与展望[J].

机械工程学报,2016,52(24):155-163.[2] 李政清,葛泽波,杨泽华,等.海洋及流体测控实验装置的设计[J].

山西电子技术,2018(02):29-31.[3]陈俊华,王丁一,程少科,等.摇板式造波实验台的设计及实验[J].

实验室研究与探索,2016,35(09):67-72.[4]芜湖木木游乐设备有限公司.一种游乐场建筑设施用的可调节水力

大小的造浪机[P].安徽:CN106522598N,2017-03-22.[5]深圳科创新源新材料股份有限公司.一种人工实验造浪机[P].广

东:CN206362526U,2017-07-28.[6]浙江富地机械有限公司.一种涌浪机及涌浪机浮体的制造方法[P].

浙江:CN103563829B,2015-02-25.[7]明达实业(厦门)有限公司.一种泳池的造浪机构[P].福

建:CN203795901U,2014-08-27.

3）引航工作包可能带来的风险。引航员去引航时随身携

带如望远镜、救生衣、安装了导航系统的笔记本电脑、充电器、

便携式对讲机、备用电池、手电筒和工作日志等工具和少量

的生活用品等，约8kg，尽管都装在引航工作包中，但在攀

爬引航梯时可能使其变得不灵活。

对策：引航员要养成先整理引航包，再攀爬引航梯的习惯，

避免引航包成为引航员登离轮时的障碍物；大风浪或冰冻期，

可请被引船吊送引航工作包，便于引航员安全的登离轮。4）引航员不佳身体状况带来的风险。引航员可能因身体、

休息的原因，对登离轮过程风险源的识别、反应、判断能力

减弱，在登离轮过程中动作迟缓及不协调；在现场没有船员

照应的情况下登离轮。

对策：引航机构要合理安排引航员的作息，避免引航员

长时间持续工作。引航员也应该正确处理好工作与休息的关

系，以充沛的精力投入到工作中；遇到精力不足、生病或服

用某些药物可能影响工作时，应及时向领导提出。引航员只

有现场有船员照应的情况下才能登离轮应该作为制度。

4 目前的现状和相关的规定

根据国际引航协会（IMPA）2018年的调查，在全世界范

围内约16%的引航梯不满足公约的要求，没有比以前减少。IMPA对目前似乎正在出现的PSC检查重点是只检查证书而

不注重实际检查的趋势表达了担忧。此外，IMPA还对那些售

卖不符合要求的、便宜的、甚至假冒伪劣引航梯的商家以及

未能按照要求正确对引航梯进行检查的船级社表示强烈的谴

责。

新加坡高级引航员Mabel Hu女士在2017年举办的Safety@Sea会议上指出，20%的引航梯存在安全隐患；新加坡引航员需要大家的帮助，减少引航梯存在直接和间接安全

问题的数量；借助大家的帮助，不仅让新加坡引航员，而且

让世界各地的引航员在登船时更安全。若引航员发现引航梯

安全可靠，甲板上有当值驾驶员和水手值守、协助，她就会

保持愉悦的心情、积极的心态，全身心的为船舶安全保驾护航。

根据交通部2001年公布的《船舶引航管理规定》第33

条规定，引航员在遇到被引船舶的引航梯和照明不符合安全

规定时，有权拒绝、暂停或者终止引航，并及时向海事管理

机构报告。这也是全世界引航员的通常做法。

5 结语

相信大家都重视引航员的登离轮安全，也相信船长愿意