船載數(shù)字化絞車在水文測驗工作中的應(yīng)用探究

中圖分類號：P335 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0186-04

Abstract:Hydrologicalwinch isanimportanttechnicalequipment equippedonhydrological surveyships，whichhasthe advantagesofsmallsize，easyinstalltion，andsensitiveoperation.Itiswidelyusedinhydrologicalsurveywork.Tradional hydrologicalwincheshaveshortcomingsordefectssuchaslowacuracyinretractionandloading，highfailurerate，andeasy contactwiththebottom.Thisarticlefocusesontheproblemsexistinginthepracticalapplicationofhydrological winches.Starting fromthestructuraldesignofwinches，colectorsandcalibrators，combinedwithhydrologicalmeasurementcases，theaplication advantagesofdigialshipborehydrologicalmeasurementwinchesareanalyzed，aimingtoprovideusefulreferenesforiproving the efficiency and accuracy of hydrological measurement work.

Keywords:ship-borneequipment;digitalization;hydrological testwinch;deviceapplication;devicestructuraldesign

水文絞車是一種常用的水文測驗輔助設(shè)備，常常在水文測船或水文纜道上使用，船載水文絞車固定安裝在水文測船機(jī)械控制區(qū)域，該絞車?yán)镁頁P(yáng)機(jī)卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條提升或牽引重物，可以垂直提升、水平或傾斜牽引，以將水文測驗儀器設(shè)備送達(dá)指定監(jiān)測點，其具有自重輕、懸臂長、安裝方便、操作簡單、可靠性強(qiáng)和使用壽命長等優(yōu)點。在流量測驗工作中，常常采用水文絞車運載多普勒流速剖面儀（ADCP)以獲取斷面面積、水深、流速和流向等水文數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算斷面流量；在泥沙測驗工作中，可以利用水文絞車將懸移質(zhì)泥沙采樣器、推移質(zhì)泥沙采樣器放置于規(guī)范要求位置，從而采集到滿足要求的水樣。水文測驗過程中，往往要求測量儀器或采樣設(shè)備在水中勻速動態(tài)運動，這就要求收放測量儀器設(shè)備的水文絞車運行要平穩(wěn)，不出現(xiàn)亂卷跳動的情況。在卷揚(yáng)機(jī)收放測量設(shè)備的過程中，若無排繩和壓繩機(jī)構(gòu)會造成排繩不當(dāng)，從而導(dǎo)致鋼絲繩發(fā)生重疊，進(jìn)而擾亂整個排繩的效果。傳統(tǒng)的水文絞車吊臂為硬支撐結(jié)構(gòu)，安裝空間要求大，難以滿足靈活收放要求，其滾筒采用多層繞線方式，且每匝鋼絲繩長度差異大，難以保證水文絞車收放鋼絲繩速度。傳統(tǒng)水文絞車沒有設(shè)置對重疊翹起的鋼絲繩進(jìn)行推動復(fù)位的機(jī)構(gòu)，影響鋼絲繩的收卷效果，不便于使用者使用，甚至?xí)绊懰膬x器的正常工作。數(shù)字化水文絞車由操控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向滑輪、旋轉(zhuǎn)支臂和電動機(jī)械等組成，該絞車?yán)玫谝绘溳?、鏈條和第二鏈輪在傳動軸帶動收卷輥轉(zhuǎn)動的同時帶動往復(fù)螺桿轉(zhuǎn)動，且鏈輪速比和螺桿的螺距及鋼絲繩直徑要相匹配，從而使往復(fù)螺桿帶動滑塊往復(fù)移動且卷輥每轉(zhuǎn)動1圈，滑塊也移動鋼絲繩直徑的位移，實現(xiàn)滑塊下端的出繩輪帶動鋼絲繩沿著收卷輥的圓周面均勻排繩，防止鋼絲繩亂卷，以保證鋼絲繩收卷平整。壓繩機(jī)構(gòu)利用轉(zhuǎn)動柱側(cè)壁上的扭簧，使擺動桿向收卷輥擺動，從而使擺動桿帶動壓桿對收卷輥上收卷的鋼絲繩進(jìn)行緊壓，使鋼絲繩均勻排繩，防止鋼絲繩翹起亂卷，提高鋼絲繩的收卷效率?；谝陨峡紤]，本文提出了一種基于PLC的數(shù)字化水文測驗絞車控制系統(tǒng)，旨在解決水文測驗過程中，操作人員對鋼絲繩長度、收放速度的精細(xì)化控制，確保儀器設(shè)備在水中的勻速動態(tài)運動姿態(tài)，以提高水文測驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和所采水樣的代表性。

1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字化水文測驗絞車裝置由絞車、推移質(zhì)采集器和校準(zhǔn)器組成。

1.1 絞車結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字化船載水文測驗絞車由PLC控制單元、HMO顯示設(shè)定單元、應(yīng)急控制接觸器單元、旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器、變頻制定電機(jī)、滾筒減速機(jī)和角度傳感器組成。其中，HMI顯示器與PLC控制單元連接，用于設(shè)定水文測驗絞車控制參數(shù)；PLC控制單元和應(yīng)急控制接觸器單元、變頻器連接，可手動、自動控制電機(jī)動作；變頻器與變頻制動電機(jī)連接，變頻電機(jī)與滾筒減速機(jī)相連，帶動滾筒轉(zhuǎn)動、減速動作。編碼器和角度傳感器用于檢測滾筒工作信號，并將信號發(fā)送至PLC控制單元，編碼器監(jiān)測滾筒減速機(jī)狀態(tài)信號并發(fā)送至PLC控制單元，角度傳感器用于測量絞車鋼絲繩 X 軸向角度，并將檢測角度數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC控制單元。PLC控制單元通過對比設(shè)定參數(shù)和減速機(jī)信號、角度傳感器數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)水文測驗絞車收放長度控制和長度監(jiān)測

水文測驗絞車控制時，角度傳感器輸出信號為 4～ 20mA ，量程為 -45^°～45^° ，垂直角度信號為 12mA ，對應(yīng)PLC控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)為0\\~32767，由此可計算PLC采集信號與角度關(guān)系表示如下。

鋼絲繩人水角度 ?90^° 時，鋼絲繩角度可計算為

當(dāng)鋼絲繩入水角度小于 90^° 時，鋼絲繩角度計算為

假設(shè)水文測驗絞車滾筒直徑為 D1 ，鋼絲繩直徑為D2 ，編碼器計數(shù)脈沖為 N 個/圈，編碼器采樣周圍計數(shù)脈沖為 M 個 ?/s ，編碼器脈沖計數(shù)累計為 A ，則可根據(jù)編碼器計數(shù)計算。

單圈滾筒鋼絲繩長度 L1 可表示為 L1=π×(D1+ D2)。

脈沖計數(shù)對應(yīng)鋼絲繩長度為 L2=L1/n 。

采樣周期內(nèi)鋼絲繩收放速凍可表示為 L1=π×(D1+ D2)。

已收、放鋼絲繩長度 L3 可表示為 L3=L2×A 0未觸底下放相對水深為 L4=cosαL3 0

滾筒上鋼絲繩設(shè)計通過滑動式軸套將鋼絲繩垂直向上引出，將鋼絲繩固定在水文測驗絞車導(dǎo)向輪上，實現(xiàn)鋼絲繩出繩方向由垂直方向改變?yōu)樗椒较颉Ｔ俳?jīng)舞線輪張緊裝置將鋼絲繩放線至折疊吊臂。正常工作情況下，水文絞車控制滾筒正向、反向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鋼絲繩收、放控制，編碼器隨滾筒轉(zhuǎn)動采集脈沖計數(shù)。由于脈沖計數(shù)為定值，脈沖數(shù)對應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)動、鋼絲繩收放長度也是定值，因此，通過計數(shù)編碼器采集的脈沖數(shù)即可監(jiān)測水文測驗絞車面臨的鋼絲繩收放長度難控制、觸底等問題。

1.2 采集器

水文測驗絞車設(shè)計采用大口門推移質(zhì)采集器，其主要結(jié)構(gòu)為采樣桶，設(shè)備前端、后端各設(shè)計有前蓋、后蓋，前蓋(如圖1、圖2所示)，后蓋上端均采用鉸接方式與采樣桶連接。采樣桶上方平行安裝2個橫梁板，采樣桶前端焊接豎向支架，豎向支架與橫梁板通過螺栓連接。采樣桶中部上端設(shè)計中部支架，支架與采樣桶表面固定裝置通過螺栓連接。中部支架頂部通過轉(zhuǎn)軸與拉桿中部轉(zhuǎn)動連接，且2個橫梁板中部設(shè)計有觸發(fā)板，橫梁板經(jīng)無頭銷軸與鋼絲繩連接。采集桶前蓋經(jīng)門控鋼絲穿過連接桿的滑輪、拉桿一端連接，拉桿另一端經(jīng)門控鋼絲與橫梁板上無頭銷軸連接，后蓋借助門控鋼絲與第3無頭銷軸連接。

采集器人水前，打開采集器前蓋門，并使用拉桿、插銷固定。使用套筒打開后蓋門。當(dāng)水文測驗絞車下放采集器至河床時，受壓差作用影響，河床水流攜帶推移質(zhì)進(jìn)入采集桶內(nèi)，水自采集桶后蓋排出（如圖3所示），泥沙在水流帶動作用下進(jìn)入采集桶內(nèi)，并因水流方向改變和自重影響而沉積在采集桶內(nèi)。樣品采集完成后，測量人員啟動絞車，由于鋼絲繩連接采集桶上內(nèi)套擊錘，當(dāng)絞車提升鋼絲繩時，鋼絲繩提升帶動第1無頭銷軸和第3無頭銷軸脫落，實現(xiàn)采集器前蓋門、后蓋門同時鎖死（如圖4所示）。待采集桶提升出水面后，測驗人員可通過打開前蓋門取出樣品，完成水文測驗工作。由于采集桶前后蓋門均設(shè)計有橡膠密封墊，能夠?qū)崿F(xiàn)在蓋門密閉情況下無滲漏，滿足樣品采集完整性要求。

考慮到水文測驗裝置需應(yīng)對各種小型河流、船只特殊情況，設(shè)計采集器長度為 1.1m ，最大寬度為 0.3m ，容積為 24L 器身外形設(shè)計為流線型，以此減小采集器入水、采集阻力。采集器進(jìn)口門尺寸為 20cm×10cm ，其寬度為 20cm ，顯著大于同類型采集器寬度的 10cm 。采集器重量為同類型裝置的 1/10～1/3 通過小型化采集器，并增加進(jìn)口門寬度，可降低河床推移質(zhì)獲取難度，提高水文測驗效率。

采集器進(jìn)水門前端設(shè)計有壓板，可使采集器進(jìn)口門與河床貼合，能夠減少水流對采集器進(jìn)口門的沖擊、擾動作用，避免進(jìn)口門產(chǎn)生明顯的淤泥。采集器出水門位置安裝小型雙尾翼，可起到導(dǎo)向水流、穩(wěn)定器身的作用，防止采集器在水流帶動作用下出現(xiàn)滑移、翻轉(zhuǎn)、飄離河床等現(xiàn)象。此外，為滿足不同水文流域、不同采集深度水文測驗采集要求，采集器器身兩側(cè)設(shè)計有配重結(jié)構(gòu)，可加裝不同重量鉛魚塊，以滿足不同情況下水文測驗采集要求。

1.3校準(zhǔn)器

校準(zhǔn)器由沉積箱和密封蓋組成，沉積箱呈錐型結(jié)構(gòu)（如圖5所示），沉積箱開口處設(shè)計有密封蓋，沉積箱與密封蓋側(cè)邊均為弧形。沉積箱兩側(cè)距頂邊緣 7cm 處挖長方口，尺寸為 8cm×6cm ，內(nèi)外層均安裝有小孔徑濾網(wǎng)，確保內(nèi)外層水壓保持一致，以此減少水流阻力，防止校準(zhǔn)器受水流影響而出現(xiàn)偏移、滑動等問題。

在淺水沙質(zhì)水文測驗時（水深小于 0.6m ，測驗人員啟動水文測驗絞車，將校準(zhǔn)器下放至河床中，沉積箱上端口與河床齊平，待河床表面恢復(fù)至原狀后，將校準(zhǔn)器取出，與采集器同步測驗，驗證采集器采樣結(jié)構(gòu)，并作為水文測驗采集器測驗結(jié)果校驗基準(zhǔn)。

單位：mm

2 工程實例

以某水文測驗項目為例，測驗河段為某樞紐壩下流15km 河段處，水文斷面布設(shè)18個采集器和2個校準(zhǔn)器，根據(jù)采集器和坑測法獲得水文斷面資料，測驗時間分別為10、20、30和 60min ，測得水文斷面單寬輸沙率范圍為 0～9.93g/s?m_?

水文測驗絞車下放測驗設(shè)備時，滾筒直徑為 355mm 鋼絲繩直徑為 6mm ，計數(shù)脈沖360個，計算滾筒單圈鋼絲繩長度為 1.13m ，由PLC控制單元計算和控制鋼絲繩收放長度和速度。絞車系統(tǒng)啟動后，PLC控制單元進(jìn)入