水文測流懸桿的強化方法

魏超 張同強 郭睿 崔建和

黃委三門峽庫區水文水資源局 河南三門峽 472000

水文測流懸桿的強化方法

魏超 張同強 郭睿 崔建和

黃委三門峽庫區水文水資源局 河南三門峽 472000

船舶測流、特別是小型測船測流時往往要用到測流懸桿，目前測流懸桿使用中存在的問題主要是抗彎強度較差，引起的振動及結構變形影響測驗成果的質量。選用流線型設計測流懸桿可有效的增加懸桿抗彎強度，設計相應的測流架可保證流線型測流懸桿的方便使用。流線型測流懸桿的優點是水流阻力較小，從受力方面進一步保證測流懸桿的形態不易變形。

水文；測流；懸桿；強化

1、問題提出

船舶測流、特別是小型測船測流時往往要用到測流懸桿，目前測流懸桿使用中存在的問題主要是抗彎強度較差，引起的振動及結構變形影響測驗成果的質量。洪水流量是防汛工作中需要的重要數據，流量測驗是水文測驗的重要工作。解決測流懸桿變形問題，提高流量測驗質量是一項很必要的工作。

2、解決思路

目前測船流量觀測的主要方法是流速儀法，流速儀法觀測設施又分為懸桿法與鉛魚法。懸桿法的懸桿多用6分圓形鋼管（圖1），流速儀安裝在懸桿下端。懸桿穿過一個垂直支架，由自重下降和有一根繩索提升。流速儀測點的定位，有明確的規定[1]，現場觀測中會發現：由圓管做成的懸桿水流特性在水中有較大的阻力，受脈動水流的影響這種阻力也是脈動的，將使鋼管產生振動，影響儀器性能，影響流速觀測的精度。6分圓形鋼管用做懸桿時的強度在洪水測量時是不夠的。

研究將懸桿橫斷面設計為流線型，在水流方向尺寸增加，增大懸桿測流時的抗彎強度，洪水時將不再會被水流嚴重沖彎，不用拉偏索即可保證測速儀器處于良好的工作狀態。

3、技術設計

3.1 技術分析與設計要求

3.1.1 技術分析（1）懸桿橫斷面采用流線型。測流懸桿存在的主要問題是水流阻力大，抗沖強度小，測驗時，測流懸桿被嚴重沖彎、變形（見圖2），產生強烈振動，影響測速精度。懸桿變形不僅造成測點位置高度的變化，還會造成流速儀與水流方向的不一致，懸桿變形后，與懸桿原軸線垂直的流速儀將不再平行于水流，造成偏角，該偏角將使測速成果造成較大誤差，偏角較大時，這種誤差是嚴重的。（2）懸桿水平調向。新設計懸桿不再是圓形橫斷面，當懸桿橫斷面迎向水流時，迎水面積很大，阻力很大，設計懸桿可以在水平方向上自由旋轉的結構，保證懸桿始終會和水流方向保持一致，減小水流阻力。（3）懸桿的材質。以前的懸桿的材質都為鍍鋅管，長期懸于水中，極易生銹，造成尺寸刻度模糊，不便于觀測和數據的記錄，懸桿的材質選用不銹鋼，表面光滑美觀，不易生銹，尺寸刻度清晰。（4）懸桿固定與升降。以往懸桿升降采用鋼絲繩提升，本次設計采用夾輪的方式對懸桿進行固定與升降控制。（5）電機驅動、調速與定位控制。動力系統采用低速交流剎車電機，這種電機體積小，力矩大，運行速度低，穩定可靠，可通過調速確保懸桿準確定位。以前的絞車需要齒輪和棘頭進行制動，該電機采用的是電磁制動，電機停止轉動以后，電磁抱閘立刻自行制動，確保測點位置不變。對電機配備電位調速器和換向器，電機的轉速可以從零逐漸調高和降低，使懸桿按照所需要的速度進行升降，控制將更加靈活方便。換向器控制電機的轉動方向，使操作人員可以隨時控制懸桿上升和下降。（6）懸桿豎直與平放控制。測流懸桿在測流的過程中處于豎直狀態，裝卸流速儀時懸桿應處于水平狀態。測流架與平臺之間采用固定軸與套筒連接的方式以確保支架在豎直方向上可以轉動，測流時支架處于豎直方向，并且進行鎖定，套筒與固定軸之間間隙嚴密，確保支架定位的穩定性。測驗完成之后，整個支架可以旋轉到水平方向，歸位放置穩定，并進行鎖定。

3.1.2 設計要求。（1）測流懸桿設計測速能力不低于現有測速能力；（2）測流架應保證測速過程中穩定，不出現影響測速效果的明顯變形。（3）測流懸桿設計測速時不再有拉偏索、提升索、水下管外長信號線。（4）懸桿在水平方向可自由旋轉，與水流方向保持一致（5）懸桿測流架轉動靈活方便，操作靈活方便；（6）懸桿機械結構定位準確，運行穩定可靠，操作安全；（7）懸桿可雙向運行，升降速度可調；

3.2 設計工作原理

3.2.1 流線型懸桿減小水流阻力原理。采用茹可夫斯基流線型進行測流懸桿橫斷面設計[2]。有關試驗表明，流線型能有效減小水流阻力。

3.2.2 流線型懸桿增大抗彎能力原理。以往常用的6分鍍鋅鋼管的圓形斷面直徑為25mm，設計的流線型懸桿的橫斷面長70mm，尺寸增大近3倍；最大寬度30mm，比6分鍍鋅鋼管增大5mm。新設計的流線型懸桿通過增大尺寸增大抗彎能力。

3.3 技術設計

3.3.1 總體設計。總體設計根據技術要求進行，結構見圖3。

3.3.2 流線型懸桿設計。懸桿橫斷面外形采用茹可夫斯基流線型，橫斷面長度70mm，最大寬度30mm，長寬比2.33，懸桿流線型坐標見表1。

表1 流線型懸桿線形坐標

懸桿內部采用三根圓形鋼管做骨架。前面一根采用外徑16mm、壁厚0.75mm不銹鋼管。中間一根采用6分鍍鋅鋼管，外徑16mm、壁厚2.5mm。后面一根采用12mm、壁厚0.75mm不銹鋼管。三根鋼管并列焊到一起，每100mm一個焊點，保證水流沖擊后不變形。外包板采用2mm厚不銹鋼板。懸桿長度按船測懸桿一般使用高度選用4m。在流線型懸桿距下端1.2mm處、垂直于流線型中心面、對應內部6分鍍鋅管中心設計一直徑10mm圓孔，用以安裝流速儀基座。此孔向上距底部100mm設計一直徑10mm圓孔，用以通過流速儀信號線。安裝流速儀基座及流速儀后，以流速儀軸線中心為“零點”，向上刻劃標志。1m以下刻劃之cm單位，1m以上刻劃之10cm單位。

3.3.3 流線型夾輪設計。流線型夾輪的作用是夾緊測流懸桿，因此其線形與流線型懸桿線形剛好相反。以夾輪前邊沿坐標x=0，中軸線坐標y=0。流線型夾輪中部尺寸由表2數據確定，兩端軸直徑10mm，與6000-2Z軸承（內徑10mm，外徑26mm，厚8mm）內孔緊配合安裝，其余部分軸徑14mm。流線型夾輪設計為長軸與短軸兩種形式。長軸形式，總長154mm，一端設計有鍵槽，可以安裝齒輪。短軸形式總長104mm，沒有鍵槽。

3.3.4 懸桿控制框設計。懸桿控制框設計分上控制框和下控制框。上控制框除定位懸桿外，還擔負升降懸桿的作用。

（1）上控制框。上控制框由方形部分和圓形部分組成。上控制框上部為方形部分，方形邊長100mm，厚10mm，高80mm（前后兩面高60mm）。前后兩面對應各有一圓孔和一方孔，其中圓孔直徑32mm，方孔邊長40×50mm。圓孔安裝6002-2Z軸承（內徑15mm，外徑32mm，厚9mm），方孔安裝方形轉動松緊調節塊。圓孔邊緣加厚4mm，加厚部分外徑44mm，內徑26mm，用于限制軸承。方形轉動松緊調節塊邊長40mm，厚度10mm，中心有一圓孔，孔徑26mm，用于安裝6000-2Z軸承（內徑10mm，外徑262mm，厚8mm），圓孔邊緣加厚4mm，加厚部分外徑32mm，內徑22mm，用于限制軸承。松緊調節塊上部設計有3mm寬方槽，用于限制松緊調節塊外出。為了能夠安裝與維護流線型夾緊轉輪與相關軸承，方形部分前部面板設計為可拆卸形式，用螺釘固定。上轉動框右側設計了兩個圓柱，中間有M10.5圓孔，目的為安裝彈簧，對方形松緊調節塊進行彈性壓緊。設計彈簧長度25mm，直徑10mm，選用5種彈簧。設計彈簧裝入圓柱中心圓孔中，再用M12螺栓上到合適緊度。上控制框下部為圓形部分。圓形部分上面板為直徑140mm園板，中孔直徑80mm。兩側伸出兩個耳朵，半徑20mm，兩耳尖距離220mm。上面板下為直徑140mm和直徑90mm圓管，內孔直徑80mm。直徑140mm圓管長度40mm，圓管下臺面設計與推力軸承上圈板配合。直徑90mm圓管長度60mm，可套裝推力軸承上圈板。下部等分3個直徑8mm圓孔，該部分主要限制上控制框從轉動座脫落。（2）下控制框。下控制框主要由一個圓環和伸出的兩個耳朵組成，圓環外徑92mm，內徑80mm，高40mm。耳夾為半圓，半徑20mm。兩耳尖距離220mm。其中一個耳朵上設計兩個直徑10mm圓孔，固定“Y”型控制調節架。

3.3.5 上下控制框連接設計。上下控制框連接設計為兩根1#鍍鋅管，上下控制框的兩個耳朵對應焊接。

3.3.6 流線型懸桿水平轉動設計。流線型懸桿水平轉動為轉動框架與轉動座間的運動，設計用推力軸承做聯系，完成自如轉動和耐磨問題。（1）轉動座。轉動座為圓環形，圓環外徑140mm，內徑120mm，高70mm。底部有10mm高園圈臺，內徑100mm。側面有連接板和轉動軸連接。連接板寬60mm，厚20mm。轉動軸直徑30mm。轉動軸距軸端125mm處設計一園孔，孔徑10mm。距軸端10mm處設計一園孔，孔徑6mm圓環內側設計與推力軸承下圈板配合。推力軸承下圈板安裝在環內園圈臺上。（2）推力軸承。推力軸承選用51118-2Z推力球軸承，內徑90mm，外徑120mm，厚度22mm。

3.3.7 流線型懸桿垂直轉動設計。流線型懸桿垂直轉動設計為懸桿、轉動框、轉動座同時轉動。轉動由轉動軸、固定套完成。

（1）固定套。固定套設計為長212mm的圓管，中間部分壁厚6mm，兩端20mm部分壁厚10mm。兩端13mm處各有一圈臺，厚3mm。固定套設計兩端口內套裝6006-6z軸承，內徑30mm，外徑55mm，厚13mm。軸承安裝后，加封板，設計封板厚4mm，用4個M5螺絲緊固。固定套上面設計直徑10mm通孔，固定轉動軸用。

3.3.8 動力系統設計（1）電機選用與基座設計。電機選用交流剎車電機，采用電磁抱閘，內置齒輪減速機。根據電機外形參數設計電機基座為角板結構。平板長229mm，寬90mm。立板寬90mm，高90mm。（2）電機與流線型夾輪動力連接設計。電機與流線型夾輪連接設計為齒輪連接，設計齒輪直徑90mm，齒數24，厚度15mm。中心軸孔15mm。（3）調速器選用。調速選用電位器調速。（4）換向。選用勵磁線圈電壓換向的方式進行電機轉動方向換向。（4）控制盒設計。控制盒面板布置電源開關、調速開關和換向開關。

4、現場試驗

在潼關水文站測船進行懸桿升降試驗，試驗證明，靠流線型夾輪及調節彈簧的作用，電機可以帶動流線型測流懸桿上下升降運動。

5、結論與建議

（1）水文懸桿測流無拉偏測流架采用茹可夫斯基流線型進行測流懸桿橫斷面設計，可以減小水流阻力。（2）水文懸桿測流無拉偏測流架采用茹可夫斯基流線型進行測流懸桿橫斷面設計，順水流方向的尺寸加大，抗彎強度增大，測驗時將不再會被水流嚴重沖彎。（3）采用茹可夫斯基流線型設計測流懸桿后，懸桿受水流沖擊后的變形大幅度減弱，懸桿振動隨之也大幅度減弱，對提高測驗精度有良好效果。

[1]水利部等.河流流量測驗規范.北京：中國計劃出版社，1993年.第20～21頁.

[2]羅惠遠，馮小寅.測流鉛魚體形的研究.水文.1982年第5期.第41-45頁.

魏超（1982－），男，陜西咸陽人，工程師，主要從事水文測驗技術研究.