水文測(cè)流懸桿的強(qiáng)化方法

魏超 張同強(qiáng) 郭睿 崔建和

[摘要]船舶測(cè)流、特別是小型測(cè)船測(cè)流時(shí)往往要用到測(cè)流懸桿，目前測(cè)流懸桿使用中存在的問(wèn)題主要是抗彎強(qiáng)度較差，引起的振動(dòng)及結(jié)構(gòu)變形影響測(cè)驗(yàn)成果的質(zhì)量。選用流線型設(shè)計(jì)測(cè)流懸桿可有效的增加懸桿抗彎強(qiáng)度，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)流架可保證流線型測(cè)流懸桿的方便使用。流線型測(cè)流懸桿的優(yōu)點(diǎn)是水流阻力較小，從受力方面進(jìn)一步保證測(cè)流懸桿的形態(tài)不易變形。

[關(guān)鍵詞]水文;測(cè)流;懸桿;強(qiáng)化

1、問(wèn)題提出

船舶測(cè)流、特別是小型測(cè)船測(cè)流時(shí)往往要用到測(cè)流懸桿，目前測(cè)流懸桿使用中存在的問(wèn)題主要是抗彎強(qiáng)度較差，引起的振動(dòng)及結(jié)構(gòu)變形影響測(cè)驗(yàn)成果的質(zhì)量。洪水流量是防汛工作中需要的重要數(shù)據(jù)，流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)驗(yàn)的重要工作。解決測(cè)流懸桿變形問(wèn)題，提高流量測(cè)驗(yàn)質(zhì)量是一項(xiàng)很必要的工作。

2、解決思路

目前測(cè)船流量觀測(cè)的主要方法是流速儀法，流速儀法觀測(cè)設(shè)施又分為懸桿法與鉛魚(yú)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(guò)一個(gè)垂直支架，由自重下降和有一根繩索提升。流速儀測(cè)點(diǎn)的定位，有明確的規(guī)定[1]，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中會(huì)發(fā)現(xiàn)：由圓管做成的懸桿水流特性在水中有較大的阻力，受脈動(dòng)水流的影響這種阻力也是脈動(dòng)的，將使鋼管產(chǎn)生振動(dòng)，影響儀器性能，影響流速觀測(cè)的精度。6分圓形鋼管用做懸桿時(shí)的強(qiáng)度在洪水測(cè)量時(shí)是不夠的。

圖1 大船上的懸桿測(cè)流架與懸桿

研究將懸桿橫斷面設(shè)計(jì)為流線型，在水流方向尺寸增加，增大懸桿測(cè)流時(shí)的抗彎強(qiáng)度，洪水時(shí)將不再會(huì)被水流嚴(yán)重沖彎，不用拉偏索即可保證測(cè)速儀器處于良好的工作狀態(tài)。

3、技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1技術(shù)分析與設(shè)計(jì)要求

3.1.1技術(shù)分析（1）懸桿橫斷面采用流線型。測(cè)流懸桿存在的主要問(wèn)題是水流阻力大，抗沖強(qiáng)度小，測(cè)驗(yàn)時(shí)，測(cè)流懸桿被嚴(yán)重沖彎、變形（見(jiàn)圖2），產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，影響測(cè)速精度。懸桿變形不僅造成測(cè)點(diǎn)位置高度的變化，還會(huì)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(cè)速成果造成較大誤差，偏角較大時(shí)，這種誤差是嚴(yán)重的。（2）懸桿水平調(diào)向。新設(shè)計(jì)懸桿不再是圓形橫斷面，當(dāng)懸桿橫斷面迎向水流時(shí)，迎水面積很大，阻力很大，設(shè)計(jì)懸桿可以在水平方向上自由旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，保證懸桿始終會(huì)和水流方向保持一致，減小水流阻力。（3）懸桿的材質(zhì)。以前的懸桿的材質(zhì)都為鍍鋅管，長(zhǎng)期懸于水中，極易生銹，造成尺寸刻度模糊，不便于觀測(cè)和數(shù)據(jù)的記錄，懸桿的材質(zhì)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(shè)計(jì)采用夾輪的方式對(duì)懸桿進(jìn)行固定與升降控制。（5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)、調(diào)速與定位控制。動(dòng)力系統(tǒng)采用低速交流剎車(chē)電機(jī)，這種電機(jī)體積小，力矩大，運(yùn)行速度低，穩(wěn)定可靠，可通過(guò)調(diào)速確保懸桿準(zhǔn)確定位。以前的絞車(chē)需要齒輪和棘頭進(jìn)行制動(dòng)，該電機(jī)采用的是電磁制動(dòng)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)以后，電磁抱閘立刻自行制動(dòng)，確保測(cè)點(diǎn)位置不變。對(duì)電機(jī)配備電位調(diào)速器和換向器，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以從零逐漸調(diào)高和降低，使懸桿按照所需要的速度進(jìn)行升降，控制將更加靈活方便。換向器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使操作人員可以隨時(shí)控制懸桿上升和下降。（6）懸桿豎直與平放控制。測(cè)流懸桿在測(cè)流的過(guò)程中處于豎直狀態(tài)，裝卸流速儀時(shí)懸桿應(yīng)處于水平狀態(tài)。測(cè)流架與平臺(tái)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(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)流時(shí)支架處于豎直方向，并且進(jìn)行鎖定，套筒與固定軸之間間隙嚴(yán)密，確保支架定位的穩(wěn)定性。測(cè)驗(yàn)完成之后，整個(gè)支架可以旋轉(zhuǎn)到水平方向，歸位放置穩(wěn)定，并進(jìn)行鎖定。

3.1.2設(shè)計(jì)要求。（1）測(cè)流懸桿設(shè)計(jì)測(cè)速能力不低于現(xiàn)有測(cè)速能力;（2）測(cè)流架應(yīng)保證測(cè)速過(guò)程中穩(wěn)定，不出現(xiàn)影響測(cè)速效果的明顯變形。（3）測(cè)流懸桿設(shè)計(jì)測(cè)速時(shí)不再有拉偏索、提升索、水下管外長(zhǎng)信號(hào)線。（4）懸桿在水平方向可自由旋轉(zhuǎn)，與水流方向保持一致（5）懸桿測(cè)流架轉(zhuǎn)動(dòng)靈活方便，操作靈活方便;（6）懸桿機(jī)械結(jié)構(gòu)定位準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作安全;（7）懸桿可雙向運(yùn)行，升降速度可調(diào);

3.2設(shè)計(jì)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(jìn)行測(cè)流懸桿橫斷面設(shè)計(jì)[2]。有關(guān)試驗(yàn)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(shè)計(jì)的流線型懸桿的橫斷面長(zhǎng)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(shè)計(jì)的流線型懸桿通過(guò)增大尺寸增大抗彎能力。

3.3技術(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1總體設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

3.3.2流線型懸桿設(shè)計(jì)。懸桿橫斷面外形采用茹可夫斯基流線型，橫斷面長(zhǎng)度70mm，最大寬度30mm，長(zhǎng)寬比2.33，懸桿流線型坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 流線型懸桿線形坐標(biāo)

序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

x 0 0.1 0.8 2.6 6.4 11.2 18.2 24.4 31.0 43.2 54.8 70.0

y 0 1.8 4.4 7.8 11.4 13.7 15.0 14.7 13.5 9.4 4.5 0.0

懸桿內(nèi)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(gè)焊點(diǎn)，保證水流沖擊后不變形。外包板采用2mm厚不銹鋼板。懸桿長(zhǎng)度按船測(cè)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(duì)應(yīng)內(nèi)部6分鍍鋅管中心設(shè)計(jì)一直徑10mm圓孔，用以安裝流速儀基座。此孔向上距底部100mm設(shè)計(jì)一直徑10mm圓孔，用以通過(guò)流速儀信號(hào)線。安裝流速儀基座及流速儀后，以流速儀軸線中心為“零點(diǎn)”，向上刻劃標(biāo)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(shè)計(jì)。流線型夾輪的作用是夾緊測(cè)流懸桿，因此其線形與流線型懸桿線形剛好相反。以?shī)A輪前邊沿坐標(biāo)x=0，中軸線坐標(biāo)y=0。流線型夾輪中部尺寸由表2數(shù)據(jù)確定，兩端軸直徑10mm，與6000-2Z軸承（內(nèi)徑10mm，外徑26mm，厚8mm）內(nèi)孔緊配合安裝，其余部分軸徑14mm。流線型夾輪設(shè)計(jì)為長(zhǎng)軸與短軸兩種形式。長(zhǎng)軸形式，總長(zhǎng)154mm，一端設(shè)計(jì)有鍵槽，可以安裝齒輪。短軸形式總長(zhǎng)104mm，沒(méi)有鍵槽。

3.3.4懸桿控制框設(shè)計(jì)。懸桿控制框設(shè)計(jì)分上控制框和下控制框。上控制框除定位懸桿外，還擔(dān)負(fù)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(zhǎng)100mm，厚10mm，高80mm（前后兩面高60mm）。前后兩面對(duì)應(yīng)各有一圓孔和一方孔，其中圓孔直徑32mm，方孔邊長(zhǎng)40×50mm。圓孔安裝6002-2Z軸承（內(nèi)徑15mm，外徑32mm，厚9mm），方孔安裝方形轉(zhuǎn)動(dòng)松緊調(diào)節(jié)塊。圓孔邊緣加厚4mm，加厚部分外徑44mm，內(nèi)徑26mm，用于限制軸承。方形轉(zhuǎn)動(dòng)松緊調(diào)節(jié)塊邊長(zhǎng)40mm，厚度10mm，中心有一圓孔，孔徑26mm，用于安裝6000-2Z軸承（內(nèi)徑10mm，外徑262mm，厚8mm），圓孔邊緣加厚4mm，加厚部分外徑32mm，內(nèi)徑22mm，用于限制軸承。松緊調(diào)節(jié)塊上部設(shè)計(jì)有3mm寬方槽，用于限制松緊調(diào)節(jié)塊外出。為了能夠安裝與維護(hù)流線型夾緊轉(zhuǎn)輪與相關(guān)軸承，方形部分前部面板設(shè)計(jì)為可拆卸形式，用螺釘固定。上轉(zhuǎn)動(dòng)框右側(cè)設(shè)計(jì)了兩個(gè)圓柱，中間有M10.5圓孔，目的為安裝彈簧，對(duì)方形松緊調(diào)節(jié)塊進(jìn)行彈性壓緊。設(shè)計(jì)彈簧長(zhǎng)度25mm，直徑10mm，選用5種彈簧。設(shè)計(jì)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(cè)伸出兩個(gè)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(nèi)孔直徑80mm。直徑140mm圓管長(zhǎng)度40mm，圓管下臺(tái)面設(shè)計(jì)與推力軸承上圈板配合。直徑90mm圓管長(zhǎng)度60mm，可套裝推力軸承上圈板。下部等分3個(gè)直徑8mm圓孔，該部分主要限制上控制框從轉(zhuǎn)動(dòng)座脫落。（2）下控制框。下控制框主要由一個(gè)圓環(huán)和伸出的兩個(gè)耳朵組成，圓環(huán)外徑92mm，內(nèi)徑80mm，高40mm。耳夾為半圓，半徑20mm。兩耳尖距離220mm。其中一個(gè)耳朵上設(shè)計(jì)兩個(gè)直徑10mm圓孔，固定“Y”型控制調(diào)節(jié)架。

3.3.5上下控制框連接設(shè)計(jì)。上下控制框連接設(shè)計(jì)為兩根1#鍍鋅管，上下控制框的兩個(gè)耳朵對(duì)應(yīng)焊接。

3.3.6流線型懸桿水平轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)。流線型懸桿水平轉(zhuǎn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)框架與轉(zhuǎn)動(dòng)座間的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)用推力軸承做聯(lián)系，完成自如轉(zhuǎn)動(dòng)和耐磨問(wèn)題。（1）轉(zhuǎn)動(dòng)座。轉(zhuǎn)動(dòng)座為圓環(huán)形，圓環(huán)外徑140mm，內(nèi)徑120mm，高70mm。底部有10mm高園圈臺(tái)，內(nèi)徑100mm。側(cè)面有連接板和轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接。連接板寬60mm，厚20mm。轉(zhuǎn)動(dòng)軸直徑30mm。轉(zhuǎn)動(dòng)軸距軸端125mm處設(shè)計(jì)一園孔，孔徑10mm。距軸端10mm處設(shè)計(jì)一園孔，孔徑6mm圓環(huán)內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)與推力軸承下圈板配合。推力軸承下圈板安裝在環(huán)內(nèi)園圈臺(tái)上。（2）推力軸承。推力軸承選用51118-2Z推力球軸承，內(nèi)徑90mm，外徑120mm，厚度22mm。

3.3.7流線型懸桿垂直轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)。流線型懸桿垂直轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)為懸桿、轉(zhuǎn)動(dòng)框、轉(zhuǎn)動(dòng)座同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、固定套完成。

（1）固定套。固定套設(shè)計(jì)為長(zhǎng)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(tái)，厚3mm。固定套設(shè)計(jì)兩端口內(nèi)套裝6006-6z軸承，內(nèi)徑30mm，外徑55mm，厚13mm。軸承安裝后，加封板，設(shè)計(jì)封板厚4mm，用4個(gè)M5螺絲緊固。固定套上面設(shè)計(jì)直徑10mm通孔，固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸用。

3.3.8動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）電機(jī)選用與基座設(shè)計(jì)。電機(jī)選用交流剎車(chē)電機(jī)，采用電磁抱閘，內(nèi)置齒輪減速機(jī)。根據(jù)電機(jī)外形參數(shù)設(shè)計(jì)電機(jī)基座為角板結(jié)構(gòu)。平板長(zhǎng)229mm，寬90mm。立板寬90mm，高90mm。（2）電機(jī)與流線型夾輪動(dòng)力連接設(shè)計(jì)。電機(jī)與流線型夾輪連接設(shè)計(jì)為齒輪連接，設(shè)計(jì)齒輪直徑90mm，齒數(shù)24，厚度15mm。中心軸孔15mm。（3）調(diào)速器選用。調(diào)速選用電位器調(diào)速。（4）換向。選用勵(lì)磁線圈電壓換向的方式進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向換向。（4）控制盒設(shè)計(jì)?？刂坪忻姘宀贾秒娫撮_(kāi)關(guān)、調(diào)速開(kāi)關(guān)和換向開(kāi)關(guān)。

4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在潼關(guān)水文站測(cè)船進(jìn)行懸桿升降試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，靠流線型夾輪及調(diào)節(jié)彈簧的作用，電機(jī)可以帶動(dòng)流線型測(cè)流懸桿上下升降運(yùn)動(dòng)。

5、結(jié)論與建議

（1）水文懸桿測(cè)流無(wú)拉偏測(cè)流架采用茹可夫斯基流線型進(jìn)行測(cè)流懸桿橫斷面設(shè)計(jì)，可以減小水流阻力。（2）水文懸桿測(cè)流無(wú)拉偏測(cè)流架采用茹可夫斯基流線型進(jìn)行測(cè)流懸桿橫斷面設(shè)計(jì)，順?biāo)鞣较虻某叽缂哟螅箯潖?qiáng)度增大，測(cè)驗(yàn)時(shí)將不再會(huì)被水流嚴(yán)重沖彎。（3）采用茹可夫斯基流線型設(shè)計(jì)測(cè)流懸桿后，懸桿受水流沖擊后的變形大幅度減弱，懸桿振動(dòng)隨之也大幅度減弱，對(duì)提高測(cè)驗(yàn)精度有良好效果。

參考文獻(xiàn)

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[2]羅惠遠(yuǎn)，馮小寅.測(cè)流鉛魚(yú)體形的研究.水文.1982年第5期.第41-45頁(yè).

作者簡(jiǎn)介

魏超（1982-），男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)研究.