人工造浪球的工作原理与改进设计

尽管炎炎夏季已经过去，但是依稀还记得在游乐园玩水嬉戏时候的畅快淋漓，与水相伴的欢笑时刻。*难忘的恐怕要数在戏水池里和一群人挤在一起在水浪里翻滚，时不时的还被呛几口水，鼻子一酸，眼睛也睁不开了，但依然很欢乐。造成这滚滚巨浪的幕后推手究竟是谁呢？可能一般人对其专业的名称略有陌生，这就是——人工造浪球。

其实，早在二十一世纪90年代人工造浪球就已经在欧洲流行开来，近十多年在我*开始兴起，为使人工造浪球的造浪效果更加合理，操作控制更加实用，对人工造浪球的分析和研究不断进行，对其结构、技术、制造等方面的不断改进，重新设计开发更加符合市场和更加新型的人工造浪球。

工作原理

根据阿基米德原理，球体静止时浸浮在水中，重力与浮力相等保持平衡，当受力变化时，其浮力也相应改变。当受力变小时，为保持平衡，浮力也变小，这样促使球体向上浮出水面；受力变大时，向下压入水中，从而促使球体向下运动压出波浪来。为使向下时压出的水量多更容易形成浪，特别把球体底部加大。现以应用范围较广、直径为Φ1.5m的造浪球作为设计实例，根据应用效果定出其外形，球体静止时浸入水中的1/3~1/4高度之间，设定浸入深度为400mm，把浸入水中部分体积视为圆球台，按其体积公式代入图中数值远算可得V浸=0.487m3，即此时球体静重487kg，实际上造出的球体稍轻些，约为450kg。球体重量可由两部分组成：一部分是球壳及连接固定件的重量，约为l00kg；另一部分是球体中的动块重量，约为350kg。实际上，球体就是通过动块在运动中受力变化而影响到球体的受力改变，从而使球体上下运动，做出道道波浪。

结构分析

球体中的动块结构，可简化成如图所示的连杆滑块机构，滑块O作为球体动块的重量集中点，支撑点B与球壳连接，A点绕O作圆周运动而带动滑块O作上下运动，使B点的拉力发生改变，从而使球体的受力也发生改变。通过对O点的运动方程的计算和O点在*高点和*低点时的受力分析，得出其在*高点和*低点时B点所受的拉力的力差为：2mrω2，这个力差就是球体产生上下运动的原因，其中动块质量m、旋转角速度ω及旋转半径r影响着球体的上下起跳程度。

造浪球的研制与改进

根据造浪球原理和结构分析，在对造浪球的研制过程中，对影响造浪球的几个要素进行相应改进，使造浪球整体水平有所提高。具体表现在：

(1)电机与弹簧的合理选取

如上图所示，在该机构中，必须在B点与滑块O之间配上弹簧，以抵消滑块的重量，使该机构能更易起动，其弹力的大小影响到电机的选取。通过对滑块O的旋转力矩计算分析，发现弹簧的*大拉力达到滑块重量的1.5倍时是*为适合的，此时通过选取数据计算可得：电机额定功率为2.5kW，转速为1200r/min，考虑到游乐设备的安全性，选用工作电压为36V的直流电机，且由于球体内工作环境较为恶劣（是封闭的），故选取防潮型电机。

由于由此而确定的弹簧的载荷较大，工作较频繁，作用较关键，故弹簧的材料选用和制造工艺较讲究，且应并联数条弹簧分散承担载荷，并调节适当的弹簧预紧力，使其起动电流达到*小，工作电流变化也较少。这里通过设计计算，选用60Si2CrA材料，承受交变载荷作用次数在106次以上，选用了3条弹簧分别放置两侧，考虑到所受力矩的方向和位置，连杆旋向下的一侧放置l条，连杆旋向上的一侧放置2条，这样使到承担载荷均匀、合理。

(2)主轴与连杆配置的改进

为使动块滑动过程中无偏摆现象，特改成双主轴结构。两主轴通过螺母上紧固定，这样可将支撑点B所受的拉力通过主轴传导到球壳底部，而把连杆机构放在两主轴的中间，三者都在底板的中心对称轴线上，连杆机构的中心与球体的中心线重合。通过这样的改进后，有以下优点：①由于是通过双主轴对动块的支承并传递到球壳底部，故避免了球壳受内力而变形，②避免了因连杆机构而产生的偏心力矩，③方便调节底板两侧的平衡。

(3)传动机构的放置与平衡的调试

为充分利用球壳内的有限空间，拟把电机和减速机分居在主轴和连杆轴线上的两侧，两者之间通过三角胶带联接传动，皮带的松紧调节通过移动中间设置的导向松紧轮来实现。此外，由于两者的重量不等，故在较轻的一侧（一般是减速机侧）配上数块铁块作平衡块，所配的重量和具体位置以球体浸在水中平衡无倾斜为准，分别在连杆的上、中、下各点位置测试，调试合格后焊接固定。

(4)壳体结构的确定

造浪球壳体的形状影响着造浪球的造浪效果，其外观质量决定着造浪球的档次，其强度影响着造浪球的寿命，故其外形经多次计算、测试而形成底部类似梨状球体。通过底部体积的加大，压出的浪更多，且更能增加其平稳性，减少了左右摆动。其结构上选取能耐候、稳定的玻璃钢材料，厚度不少于8mm，且内表面粘上角钢作加强筋加固，以增强球壳的刚性；球壳外表面配上用户指定的颜色和图案，做到表面光亮，圆滑，无凹凸和裂纹等缺陷。

球壳底部里面粘焊上Φ800mmxl0mm钢板，以增强其底部支承力，周边与支撑角钢连成一体，中间与双主轴螺纹连接，底部外表面粘上四只座脚，以方便放置。

球壳上部在高度170mm处开盖作装配口，用作电机、减速机、底板等零件的装配入口，方便装配人员在球壳内装配，安装调试合格后用橡胶圈和玻璃胶双重密封。

(5)控制柜的改进

控制柜首先是保证能提供36V直流电压，*大达到1.2倍额定电流（约110A）供球体电机工作，并加装3只可调旋钮，方便调节控制电机的转速达到设定三种不同程度的波浪。同时，通过对工作状态的监测、保护、定时、遥控等一系列的功能扩展，安全保证方面的加强，使造浪球的控制更趋于方便、实用。

控制柜的心脏器件是TSID单相调速器，TSID是一个双闭环直流电动机调速器（内环电流环、外环电压环），在结构上采用主电路、控制电路一体化结构，具有体积小、重量轻、使用简单、维修方便等特点。

造浪球设备构成及性能参数

组装好的整套人工造浪球的设备主要是由两大部分构成：造浪球和控制柜，两者之间通过电缆连接，其安装连接如下图所示，一般吊装在游泳池的深水区中间位置，水深高度不小于1.2m。

造浪球性能参数如下：

图造浪球安装连接图

1造浪球体2电缆3控制柜4游泳池5悬拉绳

(l)额定电源：单相交流220V、50Hz，*大电流≤30A：

(2)造浪球电机工作电源：*大电压≤40VDC，*大电流≤110A；

(3)造浪球启动时间：≤l0s；

(4)造浪球*大造浪高度：0.6~0.9m。

应用效果

经过多次反复调试和改进后，组装出来的人工造浪球基本上达到使用要求，并经众多单位试用，效果良好。其表现出来的主要特点是：

(1)采用三档可调速度选择，能造出大、中、小三种不同程度的波浪；

(2)球体采用36V直流安全电压电动机驱动，安全有保障；

(3)具有过流、过热和漏水指示等保护功能，确保安全运行；

(4)具有运行自动、停止自动的自动定时设定功能；

(5)具有80m范围内的遥控操作功能，控制十分方便；

(6)设备现场组装调试方便，无需对现有泳池作大修改，适用性强。

该球与同类型的进口造浪球相比，功能更完善，性能更可靠，控制更方便，并且由于基本上采用*产优质元器件制造，故其价格上更有优势，相信该产品在*内外市场是有广阔的发展前景。