韋冬

摘要：纜道測流中用濕繩法測量水深是目前普遍采用的方法，因此，鉛魚到達河底時能否及時發(fā)出河底信號對于水深測量的準確性就十分重要。此外，在許多自動纜道測流系統(tǒng)中鉛魚河底信號能否及時發(fā)出還會影響到設(shè)備的安全性。本文介紹的河底信號發(fā)生裝置可從根本上解決目前廣泛應(yīng)用的鉛魚托盤式河底信號發(fā)生裝置經(jīng)常不來河底信號的問題，為提高鉛魚測深可靠性和精度提供了一種新的方法。這種河底信號發(fā)生裝置具有不受河床特性影響、適用不同規(guī)格的鉛魚、安裝簡單、信號穩(wěn)定可靠等特點。經(jīng)長期野外比測試驗，測深誤差符合GB50179-2015<<河流流量測驗規(guī)范>>的要求，能滿足水文測驗實際需要。

關(guān)鍵詞：測深;河底信號;設(shè)計;研究

前言

目前，纜道測流系統(tǒng)在我國河流流量測驗中仍被廣泛采用。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)河底信號失真和無信號情況，對水深數(shù)據(jù)測量準確性影響較大，降低了測流精度和效率，甚至造成鋼絲繩脫槽等事故。針對存在的問題，我們經(jīng)過長期試驗摸索，研制出一種新型的河底信號發(fā)生裝置，可有效地提高纜道測深中河底信號的可靠性，較好地解決水文纜道測深過程中河底信號準確性和可靠性。

1 總體設(shè)計

傳統(tǒng)的托板式河底信號發(fā)生裝置由鉛魚底部的河底托板、傳動桿、磁鋼、常開式干簧管組成（如圖1所示）^[1]。干簧管固定于鉛魚腹內(nèi)，當鉛魚托板接觸河底時，傳動桿上移，傳動桿頂部磁鋼移動至距干簧管0～10mm范圍內(nèi)時干簧管被吸合導(dǎo)通，產(chǎn)生河底信號。干簧管是在傳動桿頂部磁鋼的磁場作用下接通產(chǎn)生河底信號的^[2]。

當河床為淤泥質(zhì)時，托板易陷入淤泥中起不到頂托河底開關(guān)作用，就不會產(chǎn)生河底信號;當河床為亂石河床時，又會出現(xiàn)鉛魚頭部或尾部先觸底的情況，這種情況下鉛魚會向一側(cè)傾斜，導(dǎo)致托盤不能垂直運動失去頂托磁鋼的作用，同樣也會失去河底信號。上述情況出現(xiàn)時，系統(tǒng)未收到河底信號，鉛魚懸索會繼續(xù)下降：1）水深一直計數(shù)，導(dǎo)致測深不準;2）懸索在自身重力作用下，垂度增大，張力減小，如果沒有發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)運行起重索就有脫離滑輪和卷筒的危險，引發(fā)安全事故。因此，這種河底信號發(fā)生裝置受河床結(jié)構(gòu)和河床質(zhì)地影響較大。

基于以上問題，我們開展了新型河底信號發(fā)生裝置（以下簡稱新裝置）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)簡單緊湊、安裝維護方便、性能穩(wěn)定可靠。根據(jù)上述設(shè)計要求，我們對新裝置設(shè)計思想進行了認真研究。將新裝置安裝于纜道工作索與鉛魚之間，鉛魚位于裝置正下方（參見圖2）。這樣安裝的目的是為了讓裝置適時感知鉛魚重量的變化，當鉛魚觸底后，無論是淤泥河床還是亂石河床，位于上方的信號發(fā)生器內(nèi)的拉力感應(yīng)裝置都會發(fā)生動作，及時發(fā)出鉛魚到達河底信號。

裝置信號的發(fā)生采用磁鋼--干簧管接點通斷模式產(chǎn)生河底信號，利用纜道測流過程中，鉛魚重力變化原理準確感知河底，信號發(fā)生穩(wěn)定可靠，反應(yīng)靈敏。

新裝置由上吊環(huán)（含長軸）、調(diào)力螺母、主體、壓簧、導(dǎo)向套、磁鋼、磁敏開關(guān)、移動塊、下吊環(huán)、信號線、旋調(diào)螺釘、防松套等零部件組成。（參見圖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--磁敏開關(guān) ???8--移動塊 ?9--下吊環(huán) ?10--信號線 ??11--旋調(diào)螺釘 ?12-防松套

河底信號發(fā)生過程如下：

在懸索載荷運行時，壓簧被壓縮狀態(tài)，干簧管離磁鋼較遠，不受磁鋼磁力作用，處于斷開狀態(tài);當鉛魚下降到測驗垂線水面時，水面信號發(fā)出系統(tǒng)測深清零并開始水深計數(shù)，當鉛魚到達河底，懸索系統(tǒng)失重，受力壓簧克服懸索張力回彈復(fù)位，帶動磁鋼下移，磁鋼下移至干簧管磁場內(nèi)吸合，發(fā)出到達河底信號，控制系統(tǒng)收到信號后，自動停止電機運行，水深記錄裝置顯示實測水深。

2材料選擇及關(guān)鍵部件設(shè)計

河底信號發(fā)生裝置作為纜道測深河底信號發(fā)生器，用于野外各種水體環(huán)境中且下方長期懸掛鉛魚。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

2.2.1調(diào)力螺母設(shè)計 ?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)）之間有相對的直線運動，而聚四氟乙烯具有良好耐腐蝕、抗老化、高潤滑性能。材料這些特性能很好滿足裝置的使用要求，此處設(shè)計聚四氟乙烯套也起到直線軸承作用。

通過固定扳手或活動扳手順時針（序2相對主體向下運動）或逆時針（序2相對主體向上運動）轉(zhuǎn)動調(diào)力螺母，可對克服工作索拉力的預(yù)緊力進行調(diào)節(jié)。順時針向下轉(zhuǎn)動調(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，順時針或逆時針每旋一圈，預(yù)緊力增加或減少2kgf。

2.2.2壓簧設(shè)計 ?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 ?導(dǎo)向套上下分別開設(shè)了不同尺寸的階梯孔，序1（上吊環(huán)）長軸穿過序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），同時也起限位保護作用。在鉛魚懸吊時，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）進一步受壓，導(dǎo)向套承受大部分的工作索拉力，有效保護序4（壓簧），不致序4（壓簧）長期壓死，失去彈力。

導(dǎo)向套側(cè)壁上縱向開有二腰型槽，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。當導(dǎo)向套在壓簧力作用下向下移動時，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)計的預(yù)緊力。

2.2.4移動塊 ?序7（磁敏開關(guān)）固定在移動塊上，側(cè)面開有長腰子槽.通過旋調(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)面長腰型槽中。轉(zhuǎn)動底部的旋調(diào)螺釘，可以改變序（11）移動塊和序7（磁敏開關(guān)）在序3（主體）內(nèi)的相對位置，以滿足不同規(guī)格的鉛魚信號采集要求。

3結(jié)語

測流自動化是當今河流流量測驗的發(fā)展趨勢，鉛魚纜道測流的自動化也在不斷進步，但長期以來河底信號可靠、穩(wěn)定問題一直沒有得到很好解決。我們研究的新型河底信號發(fā)生裝置是基于水文測流的實際-----即能夠適應(yīng)不同特性河床、不同規(guī)格鉛魚和信號準確性、穩(wěn)定性考慮進行設(shè)計的。經(jīng)過反復(fù)試驗比測，證明其性能良好。自2015年開始，在青海、山東、江蘇等多家水文站長期使用驗證，是一種較好的河底信號發(fā)生裝置。

參考文獻

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[3]鄭盛林.岸上重力式纜道河底信號采集方法研究與應(yīng)用.水文

（作者單位：江蘇南水科技有限公司）