一種新型鉛魚河底信號發生裝置設計研究

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中鉛魚河底信號能否及時發出還會影響到設備的安全性。本文介紹的河底信號發生裝置可從根本上解決目前廣泛應用的鉛魚托盤式河底信號發生裝置經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。這種河底信號發生裝置具有不受河床特性影響、適用不同規格的鉛魚、安裝簡單、信號穩定可靠等特點。經長期野外比測試驗，測深誤差符合GB50179-2015<<河流流量測驗規范>>的要求，能滿足水文測驗實際需要。

關鍵詞：測深;河底信號;設計;研究

前言

目前，纜道測流系統在我國河流流量測驗中仍被廣泛采用。在多年的應用中我們發現，托板式河底信號發生裝置受河床結構、河床質地及水流頂托影響較大，經常出現河底信號失真和無信號情況，對水深數據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，我們經過長期試驗摸索，研制出一種新型的河底信號發生裝置，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 總體設計

傳統的托板式河底信號發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，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范圍內時干簧管被吸合導通，產生河底信號。干簧管是在傳動桿頂部磁鋼的磁場作用下接通產生河底信號的^[2]。

當河床為淤泥質時，托板易陷入淤泥中起不到頂托河底開關作用，就不會產生河底信號;當河床為亂石河床時，又會出現鉛魚頭部或尾部先觸底的情況，這種情況下鉛魚會向一側傾斜，導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。上述情況出現時，系統未收到河底信號，鉛魚懸索會繼續下降：1）水深一直計數，導致測深不準;2）懸索在自身重力作用下，垂度增大，張力減小，如果沒有發現，繼續運行起重索就有脫離滑輪和卷筒的危險，引發安全事故。因此，這種河底信號發生裝置受河床結構和河床質地影響較大。

基于以上問題，我們開展了新型河底信號發生裝置（以下簡稱新裝置）的研究。新裝置要求能夠適應任何河床質，且要結構簡單緊湊、安裝維護方便、性能穩定可靠。根據上述設計要求，我們對新裝置設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，位于上方的信號發生器內的拉力感應裝置都會發生動作，及時發出鉛魚到達河底信號。

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

新裝置由上吊環（含長軸）、調力螺母、主體、壓簧、導向套、磁鋼、磁敏開關、移動塊、下吊環、信號線、旋調螺釘、防松套等零部件組成。（參見圖3）

1--上吊環 ?2--調力螺母 ?3--主體 ??4--壓簧 ?5--導向套 ?6--磁鋼 ?7--磁敏開關 ???8--移動塊 ?9--下吊環 ?10--信號線 ??11--旋調螺釘 ?12-防松套

河底信號發生過程如下：

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

2材料選擇及關鍵部件設計

河底信號發生裝置作為纜道測深河底信號發生器，用于野外各種水體環境中且下方長期懸掛鉛魚。要求裝置既要滿足性能穩定可靠，又要結構緊湊、有足夠的強度和剛度、尺寸穩定性好且防腐性能好。因此，在材料選擇和關鍵部件的設計方面必須作出充分考慮。

2.1材料選擇

不銹鋼材料不易產生腐蝕、點蝕、銹蝕或磨損。316不銹鋼作為不銹鋼中優質代表，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、剛度和尺寸穩定性又保證了良好的耐腐蝕性能。

2.2關鍵部件設計

2.2.1調力螺母設計 ?由不銹鋼定制螺母內襯聚四氟乙烯套制成。因裝置在野外使用，環境惡劣，且調力螺母與序1（上吊環）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）轉動調力螺母，可對克服工作索拉力的預緊力進行調節。順時針向下轉動調力螺母，可增大預緊力，預緊力的調節范圍為（25-90）kgf，順時針或逆時針每旋一圈，預緊力增加或減少2kgf。

2.2.2壓簧設計 ?采用優質彈簧鋼制成，加工成型后經熱處理，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）的長軸上，壓簧兩端分別與序12（防松套）頂部和序2（調力螺母）底部相抵，轉動序2（調力螺母）調節壓簧的受壓量可調節預緊力。

2.2.3導向套設計 ?導向套上下分別開設了不同尺寸的階梯孔，序1（上吊環）長軸穿過序4（壓簧）伸入導向套上孔內，在導向套下端孔內通過防松螺母與導向套固定。導向套上孔容納序4（壓簧），同時也起限位保護作用。在鉛魚懸吊時，導向套和序4（壓簧）在序1（上吊環）作用下上移，導向套上平面與序3（主體）內端面壓靠，限制了序4（壓簧）進一步受壓，導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。

導向套側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置，螺桿部分伸入二腰型槽中。當導向套在壓簧力作用下向下移動時，二限位螺釘能夠對導向套的下移起到限位作用，從而始終保證壓簧有設計的預緊力。

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

3結語

測流自動化是當今河流流量測驗的發展趨勢，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生裝置是基于水文測流的實際-----即能夠適應不同特性河床、不同規格鉛魚和信號準確性、穩定性考慮進行設計的。經過反復試驗比測，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生裝置。

參考文獻

[1]段金鳳.水文纜道測流信號傳輸的改進及實驗研究.河南水利與南水北調2011年第7期第60頁

[2]孫連保.懸索纜道（帶鉛魚）在義棠水文站的應用，山西水利科技，第3期54頁

[3]鄭盛林.岸上重力式纜道河底信號采集方法研究與應用.水文

（作者單位：江蘇南水科技有限公司）