ADCP流速儀檢定拖車驅動方案探討

智永明，邵軍，唐躍平，陳敏，毛春雷，王巖

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京210012; 2.水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心，江蘇南京210012; 3.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，江蘇南京210012)

ADCP流速儀檢定拖車驅動方案探討

智永明1，3，邵軍1，唐躍平1，3，陳敏2，毛春雷1，3，王巖1，3

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京210012; 2.水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心，江蘇南京210012; 3.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，江蘇南京210012)

近年ADCP流速儀在國內應用不斷增多，急需建設可以檢定ADCP流速儀的檢測平臺規范水利行業產品應用。ADCP流速儀檢定水槽的長、寬、深等尺寸設計，必須根據ADCP流速儀產品特點進行專門設計。相比以往檢定水槽，ADCP水槽的寬度增加很多，相對應的檢定拖車的跨度也會增加很多，導致檢定拖車的車重增加很多，而大型檢定拖車的驅動設計方案是系統設計成敗的關鍵。根據ADCP流速儀檢測特點，該文提出基于交流伺服同步電機的ADCP流速儀檢定拖車混合動力驅動(4驅/2驅)設計方案:高速段(0.2～6 m/s)采用四輪驅動，低速段(0.01～0.2 m/s)采用2輪驅動，很好地解決工作速度段大跨度下速度準確度控制難題，滿足ADCP流速儀不同速度段檢定需求。

ADCP流速儀;檢定拖車;檢定水槽;粘著系數;交流同步伺服電機;滑觸線供電

0 引言

流速儀檢定水槽是流速儀性能檢定的一項重要設備，我國現有專業流速儀檢定水槽15處［1］，主要用來檢定轉子式流速儀。通常檢定流速儀有兩種方式:一種是動水槽法，另一種是靜水槽法，后者簡單易行而且精度更高，得到世界各國的普遍采用，適用標準為ISO3455－2007《液體比重測定法》［2］。ADCP流速儀作為新型水文儀器，可以長期自動測量點流速和剖面流速分布，廣泛使用于河流、湖泊及海洋中的流速自動測量［3］，目前已在國內安裝使用近幾百套，基本上是進口產品，近幾年國內有些科研院所和企業也開始ADCP流速儀的國產化研制工作，有的已開始進行產品的戶外比測試驗工作。盡管應用廣泛，但是目前行業內尚無可廣泛被接受的用于剖面儀檢定或校準的相關規程及標準［4］。ADCP的流速檢測方式主要有兩種方式，一種是野外比測，如GPS檢測法［5］等;另一種是靜水槽法。國內外同行均曾經在拖曳水槽或老式檢定水槽開展過少量的ADCP流速儀檢定試驗研究，得了一些研究成果，但實驗數據穩定性很差，無法形成完整的檢定操作規程，究其原因主要有:工作速度段大跨度下速度準確度控制不準、已有檢定水槽槽體尺寸偏小、測試用反射顆粒制備不穩定、槽壁吸聲橡膠缺乏等。針對這些問題，南自所設計團隊開展了ADCP檢定水槽整體方案研究工作，提出ADCP檢定水槽槽體尺寸建議參數，同時也提出ADCP檢定拖車混合動力驅動方案，為我國ADCP流速儀檢定平臺的建設提供技術支撐。

1 ADCP檢定水槽設計

1.1 設計依據

根據ADCP流速儀性能特點，ADCP專用檢定水槽應長度＞100 m、寬度＞7 m、深度＞4.5 m［6］。實驗室檢定水槽的原理:在橫斷面均勻一致的直線靜水槽中，在軌道上行駛的檢定拖車以規定的若干穩定速度牽引流速儀，使固定安裝在側桿上的流速儀在靜水中行進，測定檢定拖車的速度和流速儀測得的數值，對這兩組數據用方程式以及圖表建立相關系［7］。

實驗室設備由直線靜水槽(檢定水槽)、檢定拖車、軌道、控制系統、通信系統、數據處理系統、安全系統以及給排水系統等組成［7］。檢定拖車上裝有電動驅動電機設備，經傳動系統使檢定拖車沿軌道運行，自動調速系統保證車速穩定，拖車速度誤差應＜3×10－3m/s［6］，采用單軌導向輪導向，保證檢定車沿軌道作穩定直線運行，調速采用無級變速方式。工作頻率＞300kHz的ADCP流速儀應進行水槽拖車試驗［6］，本文涉及的檢定水槽及其配套設備均針對工作頻率＞300kHz的ADCP流速儀進行設計。

1.2 設計準則

1.2.1 深度設計準則

為保證檢定精度必需要有3個以上有效測量單元。目前只考慮典型的單元尺寸:500～600 kHz為50～100 cm。假定聲學多普勒海流儀的安裝深度為0.5 m、500～600 kHz的盲區0.5 m、底部旁瓣區1 m，加上3個1 m的有效單元，經計算水槽深度應≥5 m。考慮到檢定車行車速度的影響，在高速時要適當加大安裝深度才能保證測量傳感器不露出水面，另外考慮到高速行車時水流波動的影響，因此，水槽深度應≥5.5 m。

1.2.2 寬度設計準則

檢測中聲學多普勒海流儀是位于水槽的中線。則水槽最小寬度=2×槽深×tan(波束角)。聲學多普勒剖面流速儀波束角通常為:15°、20°、25°、30°。采用最大波束角=30°和槽深=5 m進行計算，得到水槽最小寬度=2×5×tan30°=5.7 m。為有效減小槽壁的直接反射及旁瓣的影響，考慮裕度系數1.3，則水槽寬度應為7.5 m。

1.2.3 長度設計準則

水槽的長度應保證聲學多普勒海流儀實測流速(行車歷時內的平均流速)中因其自身噪聲引起的隨機誤差能基本消除掉。因此，GB/T 24558——2009《聲學多普勒剖面儀》“6.6.2.3.1流速檢測”要求，流速儀測量每個速度的記錄應不少于30個，如按10%的余量來考慮，以33個記錄計，按照目前通用的采樣速率，按1Hz頻率輸出，需用時33 s，檢定車行車速度按4 m/s，則檢定槽有效工作長度應不小于l=v×t=4×33=132 m。

1.3 主要設計參數

檢定水槽槽體有效長度＞232 m，寬度8 m，深度7 m，最大水深6.5 m，正常水深6 m;檢定拖車寬9 m，長10 m，高3 m，重12500 kg;車速范圍為0.01～6 m/s，穩定度達到一級水槽要求;車速變化率δ:

測速時間υ≤0.2 m/s時為10s，υ＞0.2m/s時，為1 s［7］;有效檢定段長度≥132 m(速度≤4.0 m/s時);檢定拖車供電功率100 kW，供電方式為滑觸線供電。

2 ADCP檢定拖車驅動設計方案

圖1為檢定水槽/檢定拖車結構示意圖，考慮檢定拖車鋼輪與檢定水槽的鋼軌摩擦系數較小，為保證拖車的驅動力，需要合適的車重設計，本文設計方案的參考車重為12500 kg。ADCP流速儀安裝在拖車正下方，測試時，ADCP需沒入水中。檢定水槽鋼軌長度包括工作段、加速段、減速段、安全段、檢修段等。

檢定拖車在中、高速狀態下控制車速準確度比較容易些，但在低速下不易控制，以往的拖車驅動方式主要有兩種:1)大傳動比小功率直流電機加差速器雙輪驅動，適用輪跨＜4m的水槽;2)輪跨大、自重重的四輪獨立驅動，用大功率直流電機實現驅動。本文設計方案結合ADCP流速儀檢定拖車輪跨大、車重較重以及車速控制要求較高等因素，選用交流同步伺服電機作為輪系的驅動電機，主要特點有恒扭矩輸出，其自身是一個閉環系統，有速度環、電流環、位置環，在受到外部干涉時，可自動修正，其準確度、靈敏度較高。檢定拖車的車速設計范圍為0.01～6 m/s，速度跨度接近600倍，本文設計方案將速度區間分為中高速段和低速段兩檔，檢定車在中高速段運行時，速度為0.2～6 m/s，驅動方式為四輪獨立驅動，交流同步伺服電機帶單級行星齒輪變速器(傳動比i=4)驅動輪系;檢定車在低速段運行時，速度為0.01～0.2 m/s，驅動方式為兩輪驅動，交流同步伺服電機帶單級行星齒輪變速器(傳動比i= 4)通過變速器(傳動比i=32)聯合驅動輪系(總傳動比i=128)，同時另外兩輪的交流同步伺服電機與輪系通過離合器機械分離，作為隨動輪。

圖1 檢定水槽/檢定拖車結構示意圖

2.1 軌道段落設計

ADCP流速儀檢測要求有132 m以上的有效檢測距離(工作段)，檢定拖車從靜止狀態升速到檢測速度需要加速，加速段的設計長度參見式(2)，同樣，檢定拖車從檢測速度到靜止狀態需要減速，減速段設計長度與加速段設計長度相同。

檢定車速度設定為0～6 m/s，加速度設定為0.6 m/s2。

即加速段距離為30 m，另外10 m為穩定段，同樣，減速段距離也為30 m，另外10 m為穩定段(安全段)，考慮檢定拖車的檢修段設計為20 m，因此，軌道的整體長度=檢修段20 m+安全段10 m+加速段30 m+工作段132 m+減速段30 m+安全段10 m，軌道的設計總長為232 m，參見圖2。

圖2 軌道段落設計

2.2 檢定拖車功率設計

檢定拖車設計質量m=12500 kg，加速度a= 0.6 m/s2，則

功率計算中涉及的水下阻力以一款ADCP為例，見圖3，外形尺寸396 mm×229 mm×205 mm，取截面積S=23×40=920 cm2，檢定拖車設計最大運行速度Vmax=6 m/s。則檢定車的最大水下阻力為:

式中:ρ——海水的密度，為1.03 g/cm3;

S——物體的有效橫截面積;

C——阻力系數，柱面時C=0.6。

由于檢定拖車設計檢測速度為0.01～6 m/s，其速度跨度為600倍，為優化設計，將0.2～6 m/s設計為中、高速區間，0.01～0.2 m/s設計為低速區間，中、高速區間的驅動方式為直連傳動的四輪獨立驅動，低速區間的驅動方式為大傳動比的兩輪獨立驅動。每組輪系由一對軸承組成，效率取η軸承=0.99，則，當檢定拖車以最大運行速度Vmax=6 m/s運行所需總功率P總參見式(6)。

圖3 國外一款ADCP外形尺寸

說明:旋槳式、旋杯式流速儀檢定水槽設計功率時，考慮旋槳式、旋杯式流速儀的水阻數值相比檢定車的摩擦力數值較小，一般會忽略水阻，但是ADCP流速儀檢定水槽設計功率時，ADCP流速儀的水阻數值較大，設計功率時，應該將水阻計算在內。

2.3 電機選型設計

設定電機額定轉速取n0=1500 r/min，則檢定拖車所需總扭矩T總參見式(8)。

四輪獨立驅動時，各輪系所需的功率P分參見式(9)，各輪系所需的扭矩T分參見式(10)。

在滿足動力和扭矩的前提下，選擇國外的一款交流同步伺服電機，主要參數P額=13.8 kW，T額=88 N·m，n0=1500 r/min。

2.4 功率扭矩驗算

1)中高速檢測區間的功率和扭矩驗算

中高速檢測區間的驅動方式為四輪驅動，驅動輪由交流伺服同步電機帶單級行星齒輪變速器(傳動比i=4)來驅動，輸出總功率P總參見公式(11)，輸出總扭矩T總參見式(12)。

檢定拖車以最大運行速度Vmax=6 m/s運行所需功率P測參見式(13)，其中F車=7500 N，F阻= 1023.4 N，ηw=0.96，所需扭矩T測參見式(14)。

T總＞T測，扭矩驗算滿足。

2)低速檢測區間的功率和扭矩驗算

低速檢測區間的驅動方式為兩輪驅動，驅動輪由交流伺服同步電機帶單級行星齒輪變速器(傳動比i=4)再通過減速器(傳動比i=32)來聯合驅動，總傳動比i=4×32=128總輸出總功率P總參見式(15)，輸出總扭矩T總見式(16)，其中ηw=0.99× 0.7=0.693。

檢定拖車以最大運行速度Vmax=0.2 m/s運行所需功率P測參見式(17)，其中F車=7500 N，F阻= 1.14 N，ηw=0.99×0.7=0.693，所需扭矩T測參見式(18)。

P總＞P測，功率驗算滿足。

T總＞T測，扭矩驗算滿足。

交流伺服同步電機經i=128減速后，額定轉速下機械運轉頻率f機=1500/(128×60)=0.195 Hz，檢定車車輪展開的理論長度為1000 mm，低速區間Vmax=0.2 m/s，故而檢定車實際最大使用頻率f'機= 0.2 Hz，有f機=f'機，機械頻率滿足。

2.5 檢定拖車主動輪打滑驗算

電機驅動檢定拖車運行時，動輪作用于鋼軌的力在任何情況下至多只能等于而不能大于粘著力，否則動輪就會在鋼軌上空轉(打滑)，使機車牽引力急劇下降甚至消失。檢定拖車粘著重量是檢定拖車所有動輪作用于鋼軌的垂直重量之和。要保證檢定拖車動輪不空轉，粘著重量與最大輪周牽引力的比值K必須大于許用粘著安全系數［K］，建議許用粘著安全系數［K］=1.1［8］。

1)中高速區間(0.2～6m/s)四輪驅動，取V= 6 m/s，a=0.6 m/s2計算粘著系數K

則2.29＞1.1，K＞［K］，故中高速區間采用四輪驅動模式，不會出現打滑，滿足設計需求。

式中:G——檢定拖車自重(四輪驅動模式)，G=mg= 12500×9.8=122500 N;

F阻=CρSv2/2=0.5×0.6×1030×0.092×62= 1023.4 N

其中:ρ是海水的密度為1.03 g/cm3，S是物體的有效橫截面積S=920 cm2，C是為阻力系數，柱面時C =0.6;

F車=m車a=12500×0.6=7500 N

f——鋼質車輪滑動摩擦系數，取0.15;

f1——鋼質車輪滾動摩擦系數，取0.05;

μ——車輪軸承滾動摩擦系數，取0.02;

d——軸徑，取60 mm;

D——車輪直徑，取318.3 mm。

2)低速區間(0.01～0.2m/s)兩輪驅動，取V=0.2 m/s，a=0.35 m/s2計算粘著系數K，參見式(20)。

則K＞［K］，故低速區間采用兩輪驅動模式，不會出現打滑，滿足設計需求。

式中:G——二分之一檢定拖車自重(兩輪驅動模

F阻=CρSv2/2=0.5×0.6×1030×0.092×0.22=1.14 N

其中，ρ是海水的密度為1.03 g/cm3，S是物體的有效橫截面積S=920 cm2，C為阻力系數，柱面時C=0.6;

F車=m車a=12500×0.35=4375 N

f、f1、μ、d和D的取值與式(19)中一致。

3 結束語

1)ADCP流速儀可以開展實驗室檢定工作，但是目前我國現有的檢定水槽無法滿足要求，需要重新設計檢定槽體及檢定拖車等相關配套設備，檢定水槽的有效工作長度應＞100 m，寬度應＞7 m，深度應＞4.5 m，水槽的具體工程尺寸需要根據檢定的ADCP流速儀類型來詳細設計。考慮到大跨度檢定拖車的自重較大，檢定拖車所配的用電功率要留有一定的冗余度，為保障檢定拖車的可靠供電，供電方式采用滑觸線供電。

2)ADCP流速儀設計檢測速度為0.01～6 m/s，速度跨度比達到600倍，為了保證速度控制精度，需要大幅降低速度跨度比，因此將0.2～6 m/s設計為中、高速區間，速度跨度比為30，0.01～0.2 m/s設計為低速區間，速度跨度比為20，中、高速區間的驅動方式為直連傳動的四輪獨立驅動，低速區間的驅動方式為大傳動比的兩輪獨立驅動。檢定拖車的動力來源于檢定拖車軌道輪與鋼軌道的摩擦力，考慮大跨度檢定拖車自重較大，為防止軌道輪變形及磨損，建議軌道輪采用鋼質軌道輪。

3)結合ADCP流速儀實驗室檢定拖車輪跨大、自重較重且車速控制精度要求高等因素，驅動方式建議采用四輪和兩輪混合驅動方式，電機建議采用交流同步伺服電機，考慮ADCP流速儀設計檢測速度為0.01～6 m/s，可將0.2～6 m/s設計為中、高速區間，0.01～0.2 m/s設計為低速區間，不同速度區間需要配置相應的減速比裝置，以便將電機額定轉速降為檢測速度需要的轉速。電機選定后，需要根據檢測需要進行驗算，確保滿足設計需要。

4)考慮ADCP流速儀實驗室檢定拖車軌道鋼輪與鋼軌摩擦系數小，滑動摩擦系數為0.15，滾動摩擦系數為0.05，因此需要進行主動輪打滑驗算設計，保證檢定拖車在不同檢測區間均不應出現打滑現象發生，使檢定拖車不出現失速現象，保障檢測速度的控制精度滿足規范要求。

［1］姚永熙，楊漢塘.水文儀器研究與設計［M］.南京:河海大學出版社，2011:84－93.

［2］液體比重測定法:ISO3455－2007［S］.2007.

［3］張建云，唐鎮松，姚永熙.水文自動測報系統應用技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2005:101－106.

［4］趙越，英小勇.聲學多普勒流速剖面評價方法介紹與探討［J］.水利信息化，2010(4):58－61.

［5］聲學多普勒流速剖面儀檢測方法:HY/T102－2007［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［6］直線明槽中的轉子式流速儀檢定/校準方法:GB/ T21699－2008［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［7］聲學多普勒流速剖面儀:GB/T24558－2009［S］.北京:中國質檢出版社，2009.

［8］何生榮.越南流速儀檢定車傳動系統設計［J］.水利水文自動化，1997，(4):32－35.

(編輯:劉楊)

Discussion on driving scheme of ADCP current meter verification trailer

ZHI Yongming1，3，SHAO Jun1，TANG Yueping1，3，CHEN Min2，MAO Chunlei1，3，WANG Yan1，3
(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy＆Hydrology，Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China; 2.Hydrological Instruments＆Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center，MWR，Nanjing 210012，China;3.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring，Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China)

In recent years，application of ADCP current meter in China has been increasing，so it is in urgent need to build a testing platform capable of testing ADCP current meter to regulate the application of products in the water industry.Length，width，depth and other dimensions of ADCP current meter verification tank must be specially designed in accordance with the features of ADCP current meter.Compared to the previous verification tanks，ADCP tank is obviously wider，correspondingly，span of corresponding verification trailer will also increase，which will inevitably lead to increase of weight of the verification trailer，while driver design scheme of large verification trailer is the key for success of the system.According to the testing features of ADCP current meter，NZS design group puts forward a design scheme of ADCP current meter verification trailer hybrid drive(4 WD/2 WD)based on AC synchronous servo motor:4－wheel drive is adopted in the high－speed segment(0.2－6m/s)and low 2－wheel drive is adopted in the low－speed segment(0.01－0.2m/s)，so that problem that it is difficult to control speed accuracy at large span in the operating speed segment is solved well，and the verification requirements of ADCP current meter at different speed segments are met.

ADCP current meter;verification trailer;verification tank;sticking coefficient;AC synchronous servo motor;trolley line power supply

A

1674－5124(2016)11－0079－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.017

2016－04－10;

2016－06－15

智永明(1966－)，男，山西晉中市人，高級工程師，研究方向為水文水資源自動監測技術、水文儀器檢定試驗裝備等。