韋冬

摘要：纜道測(cè)流中用濕繩法測(cè)量水深是目前普遍采用的方法，因此，鉛魚(yú)到達(dá)河底時(shí)能否及時(shí)發(fā)出河底信號(hào)對(duì)于水深測(cè)量的準(zhǔn)確性就十分重要。此外，在許多自動(dòng)纜道測(cè)流系統(tǒng)中鉛魚(yú)河底信號(hào)能否及時(shí)發(fā)出還會(huì)影響到設(shè)備的安全性。本文介紹的河底信號(hào)發(fā)生裝置可從根本上解決目前廣泛應(yīng)用的鉛魚(yú)托盤(pán)式河底信號(hào)發(fā)生裝置經(jīng)常不來(lái)河底信號(hào)的問(wèn)題，為提高鉛魚(yú)測(cè)深可靠性和精度提供了一種新的方法。這種河底信號(hào)發(fā)生裝置具有不受河床特性影響、適用不同規(guī)格的鉛魚(yú)、安裝簡(jiǎn)單、信號(hào)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。經(jīng)長(zhǎng)期野外比測(cè)試驗(yàn)，測(cè)深誤差符合GB50179-2015<<河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范>>的要求，能滿足水文測(cè)驗(yàn)實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞：測(cè)深;河底信號(hào);設(shè)計(jì);研究

前言

目前，纜道測(cè)流系統(tǒng)在我國(guó)河流流量測(cè)驗(yàn)中仍被廣泛采用。在多年的應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，托板式河底信號(hào)發(fā)生裝置受河床結(jié)構(gòu)、河床質(zhì)地及水流頂托影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)河底信號(hào)失真和無(wú)信號(hào)情況，對(duì)水深數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性影響較大，降低了測(cè)流精度和效率，甚至造成鋼絲繩脫槽等事故。針對(duì)存在的問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)摸索，研制出一種新型的河底信號(hào)發(fā)生裝置，可有效地提高纜道測(cè)深中河底信號(hào)的可靠性，較好地解決水文纜道測(cè)深過(guò)程中河底信號(hào)準(zhǔn)確性和可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的托板式河底信號(hào)發(fā)生裝置由鉛魚(yú)底部的河底托板、傳動(dòng)桿、磁鋼、常開(kāi)式干簧管組成（如圖1所示）^[1]。干簧管固定于鉛魚(yú)腹內(nèi)，當(dāng)鉛魚(yú)托板接觸河底時(shí)，傳動(dòng)桿上移，傳動(dòng)桿頂部磁鋼移動(dòng)至距干簧管0～10mm范圍內(nèi)時(shí)干簧管被吸合導(dǎo)通，產(chǎn)生河底信號(hào)。干簧管是在傳動(dòng)桿頂部磁鋼的磁場(chǎng)作用下接通產(chǎn)生河底信號(hào)的^[2]。

當(dāng)河床為淤泥質(zhì)時(shí)，托板易陷入淤泥中起不到頂托河底開(kāi)關(guān)作用，就不會(huì)產(chǎn)生河底信號(hào);當(dāng)河床為亂石河床時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)鉛魚(yú)頭部或尾部先觸底的情況，這種情況下鉛魚(yú)會(huì)向一側(cè)傾斜，導(dǎo)致托盤(pán)不能垂直運(yùn)動(dòng)失去頂托磁鋼的作用，同樣也會(huì)失去河底信號(hào)。上述情況出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)未收到河底信號(hào)，鉛魚(yú)懸索會(huì)繼續(xù)下降：1）水深一直計(jì)數(shù)，導(dǎo)致測(cè)深不準(zhǔn);2）懸索在自身重力作用下，垂度增大，張力減小，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)運(yùn)行起重索就有脫離滑輪和卷筒的危險(xiǎn)，引發(fā)安全事故。因此，這種河底信號(hào)發(fā)生裝置受河床結(jié)構(gòu)和河床質(zhì)地影響較大。

基于以上問(wèn)題，我們開(kāi)展了新型河底信號(hào)發(fā)生裝置（以下簡(jiǎn)稱新裝置）的研究。新裝置要求能夠適應(yīng)任何河床質(zhì)，且要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、安裝維護(hù)方便、性能穩(wěn)定可靠。根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，我們對(duì)新裝置設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了認(rèn)真研究。將新裝置安裝于纜道工作索與鉛魚(yú)之間，鉛魚(yú)位于裝置正下方（參見(jiàn)圖2）。這樣安裝的目的是為了讓裝置適時(shí)感知鉛魚(yú)重量的變化，當(dāng)鉛魚(yú)觸底后，無(wú)論是淤泥河床還是亂石河床，位于上方的信號(hào)發(fā)生器內(nèi)的拉力感應(yīng)裝置都會(huì)發(fā)生動(dòng)作，及時(shí)發(fā)出鉛魚(yú)到達(dá)河底信號(hào)。

裝置信號(hào)的發(fā)生采用磁鋼--干簧管接點(diǎn)通斷模式產(chǎn)生河底信號(hào)，利用纜道測(cè)流過(guò)程中，鉛魚(yú)重力變化原理準(zhǔn)確感知河底，信號(hào)發(fā)生穩(wěn)定可靠，反應(yīng)靈敏。

新裝置由上吊環(huán)（含長(zhǎng)軸）、調(diào)力螺母、主體、壓簧、導(dǎo)向套、磁鋼、磁敏開(kāi)關(guān)、移動(dòng)塊、下吊環(huán)、信號(hào)線、旋調(diào)螺釘、防松套等零部件組成。（參見(jiàn)圖3）

1--上吊環(huán) ?2--調(diào)力螺母 ?3--主體 ??4--壓簧 ?5--導(dǎo)向套 ?6--磁鋼 ?7--磁敏開(kāi)關(guān) ???8--移動(dòng)塊 ?9--下吊環(huán) ?10--信號(hào)線 ??11--旋調(diào)螺釘 ?12-防松套

河底信號(hào)發(fā)生過(guò)程如下：

在懸索載荷運(yùn)行時(shí)，壓簧被壓縮狀態(tài)，干簧管離磁鋼較遠(yuǎn)，不受磁鋼磁力作用，處于斷開(kāi)狀態(tài);當(dāng)鉛魚(yú)下降到測(cè)驗(yàn)垂線水面時(shí)，水面信號(hào)發(fā)出系統(tǒng)測(cè)深清零并開(kāi)始水深計(jì)數(shù)，當(dāng)鉛魚(yú)到達(dá)河底，懸索系統(tǒng)失重，受力壓簧克服懸索張力回彈復(fù)位，帶動(dòng)磁鋼下移，磁鋼下移至干簧管磁場(chǎng)內(nèi)吸合，發(fā)出到達(dá)河底信號(hào)，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后，自動(dòng)停止電機(jī)運(yùn)行，水深記錄裝置顯示實(shí)測(cè)水深。

2材料選擇及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

河底信號(hào)發(fā)生裝置作為纜道測(cè)深河底信號(hào)發(fā)生器，用于野外各種水體環(huán)境中且下方長(zhǎng)期懸掛鉛魚(yú)。要求裝置既要滿足性能穩(wěn)定可靠，又要結(jié)構(gòu)緊湊、有足夠的強(qiáng)度和剛度、尺寸穩(wěn)定性好且防腐性能好。因此，在材料選擇和關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方面必須作出充分考慮。

2.1材料選擇

不銹鋼材料不易產(chǎn)生腐蝕、點(diǎn)蝕、銹蝕或磨損。316不銹鋼作為不銹鋼中優(yōu)質(zhì)代表，其制品耐高、低溫性能好。裝置的主要部件均采用316不銹鋼材料，這樣既保證了裝置強(qiáng)度、剛度和尺寸穩(wěn)定性又保證了良好的耐腐蝕性能。

2.2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.2.1調(diào)力螺母設(shè)計(jì) ?由不銹鋼定制螺母內(nèi)襯聚四氟乙烯套制成。因裝置在野外使用，環(huán)境惡劣，且調(diào)力螺母與序1（上吊環(huán)）之間有相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)，而聚四氟乙烯具有良好耐腐蝕、抗老化、高潤(rùn)滑性能。材料這些特性能很好滿足裝置的使用要求，此處設(shè)計(jì)聚四氟乙烯套也起到直線軸承作用。

通過(guò)固定扳手或活動(dòng)扳手順時(shí)針（序2相對(duì)主體向下運(yùn)動(dòng)）或逆時(shí)針（序2相對(duì)主體向上運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)力螺母，可對(duì)克服工作索拉力的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。順時(shí)針向下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)力螺母，可增大預(yù)緊力，預(yù)緊力的調(diào)節(jié)范圍為（25-90）kgf，順時(shí)針或逆時(shí)針每旋一圈，預(yù)緊力增加或減少2kgf。

2.2.2壓簧設(shè)計(jì) ?采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼制成，加工成型后經(jīng)熱處理，正常工作長(zhǎng)期使用能保證有效的彈簧力。壓簧空套在序1（上吊環(huán)）的長(zhǎng)軸上，壓簧兩端分別與序12（防松套）頂部和序2（調(diào)力螺母）底部相抵，轉(zhuǎn)動(dòng)序2（調(diào)力螺母）調(diào)節(jié)壓簧的受壓量可調(diào)節(jié)預(yù)緊力。

2.2.3導(dǎo)向套設(shè)計(jì) ?導(dǎo)向套上下分別開(kāi)設(shè)了不同尺寸的階梯孔，序1（上吊環(huán)）長(zhǎng)軸穿過(guò)序4（壓簧）伸入導(dǎo)向套上孔內(nèi)，在導(dǎo)向套下端孔內(nèi)通過(guò)防松螺母與導(dǎo)向套固定。導(dǎo)向套上孔容納序4（壓簧），同時(shí)也起限位保護(hù)作用。在鉛魚(yú)懸吊時(shí)，導(dǎo)向套和序4（壓簧）在序1（上吊環(huán)）作用下上移，導(dǎo)向套上平面與序3（主體）內(nèi)端面壓靠，限制了序4（壓簧）進(jìn)一步受壓，導(dǎo)向套承受大部分的工作索拉力，有效保護(hù)序4（壓簧），不致序4（壓簧）長(zhǎng)期壓死，失去彈力。

導(dǎo)向套側(cè)壁上縱向開(kāi)有二腰型槽，固定在序3（主體）外殼上限位螺釘橫向設(shè)置，螺桿部分伸入二腰型槽中。當(dāng)導(dǎo)向套在壓簧力作用下向下移動(dòng)時(shí)，二限位螺釘能夠?qū)?dǎo)向套的下移起到限位作用，從而始終保證壓簧有設(shè)計(jì)的預(yù)緊力。

2.2.4移動(dòng)塊 ?序7（磁敏開(kāi)關(guān)）固定在移動(dòng)塊上，側(cè)面開(kāi)有長(zhǎng)腰子槽.通過(guò)旋調(diào)螺釘固定在主體外殼底部，序3（主體）外殼下方限位螺釘螺桿部分橫向伸入側(cè)面長(zhǎng)腰型槽中。轉(zhuǎn)動(dòng)底部的旋調(diào)螺釘，可以改變序（11）移動(dòng)塊和序7（磁敏開(kāi)關(guān)）在序3（主體）內(nèi)的相對(duì)位置，以滿足不同規(guī)格的鉛魚(yú)信號(hào)采集要求。

3結(jié)語(yǔ)

測(cè)流自動(dòng)化是當(dāng)今河流流量測(cè)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)，鉛魚(yú)纜道測(cè)流的自動(dòng)化也在不斷進(jìn)步，但長(zhǎng)期以來(lái)河底信號(hào)可靠、穩(wěn)定問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決。我們研究的新型河底信號(hào)發(fā)生裝置是基于水文測(cè)流的實(shí)際-----即能夠適應(yīng)不同特性河床、不同規(guī)格鉛魚(yú)和信號(hào)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)的。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)比測(cè)，證明其性能良好。自2015年開(kāi)始，在青海、山東、江蘇等多家水文站長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，是一種較好的河底信號(hào)發(fā)生裝置。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：江蘇南水科技有限公司）