一种新型铅鱼河底信号发生装置设计研究

韦冬

摘要：缆道测流中用湿绳法测量水深是目前普遍采用的方法，因此，铅鱼到达河底时能否及时发出河底信号对于水深测量的准确性就十分重要。此外，在许多自动缆道测流系统中铅鱼河底信号能否及时发出还会影响到设备的安全性。本文介绍的河底信号发生装置可从根本上解决目前广泛应用的铅鱼托盘式河底信号发生装置经常不来河底信号的问题，为提高铅鱼测深可靠性和精度提供了一种新的方法。这种河底信号发生装置具有不受河床特性影响、适用不同规格的铅鱼、安装简单、信号稳定可靠等特点。经长期野外比测试验，测深误差符合GB50179-2015<<河流流量测验规范>>的要求，能满足水文测验实际需要。

关键词：测深;河底信号;设计;研究

前言

目前，缆道测流系统在我国河流流量测验中仍被广泛采用。在多年的应用中我们发现，托板式河底信号发生装置受河床结构、河床质地及水流顶托影响较大，经常出现河底信号失真和无信号情况，对水深数据测量准确性影响较大，降低了测流精度和效率，甚至造成钢丝绳脱槽等事故。针对存在的问题，我们经过长期试验摸索，研制出一种新型的河底信号发生装置，可有效地提高缆道测深中河底信号的可靠性，较好地解决水文缆道测深过程中河底信号准确性和可靠性。

1 总体设计

传统的托板式河底信号发生装置由铅鱼底部的河底托板、传动杆、磁钢、常开式干簧管组成（如图1所示）^[1]。干簧管固定于铅鱼腹内，当铅鱼托板接触河底时，传动杆上移，传动杆顶部磁钢移动至距干簧管0～10mm范围内时干簧管被吸合导通，产生河底信号。干簧管是在传动杆顶部磁钢的磁场作用下接通产生河底信号的^[2]。

当河床为淤泥质时，托板易陷入淤泥中起不到顶托河底开关作用，就不会产生河底信号;当河床为乱石河床时，又会出现铅鱼头部或尾部先触底的情况，这种情况下铅鱼会向一侧倾斜，导致托盘不能垂直运动失去顶托磁钢的作用，同样也会失去河底信号。上述情况出现时，系统未收到河底信号，铅鱼悬索会继续下降：1）水深一直计数，导致测深不准;2）悬索在自身重力作用下，垂度增大，张力减小，如果没有发现，继续运行起重索就有脱离滑轮和卷筒的危险，引发安全事故。因此，这种河底信号发生装置受河床结构和河床质地影响较大。

基于以上问题，我们开展了新型河底信号发生装置（以下简称新装置）的研究。新装置要求能够适应任何河床质，且要结构简单紧凑、安装维护方便、性能稳定可靠。根据上述设计要求，我们对新装置设计思想进行了认真研究。将新装置安装于缆道工作索与铅鱼之间，铅鱼位于装置正下方（参见图2）。这样安装的目的是为了让装置适时感知铅鱼重量的变化，当铅鱼触底后，无论是淤泥河床还是乱石河床，位于上方的信号发生器内的拉力感应装置都会发生动作，及时发出铅鱼到达河底信号。

装置信号的发生采用磁钢--干簧管接点通断模式产生河底信号，利用缆道测流过程中，铅鱼重力变化原理准确感知河底，信号发生稳定可靠，反应灵敏。

新装置由上吊环（含长轴）、调力螺母、主体、压簧、导向套、磁钢、磁敏开关、移动块、下吊环、信号线、旋调螺钉、防松套等零部件组成。（参见图3）

1--上吊环  2--调力螺母  3--主体   4--压簧  5--导向套  6--磁钢  7--磁敏开关    8--移动块  9--下吊环  10--信号线   11--旋调螺钉  12-防松套

河底信号发生过程如下：

在悬索载荷运行时，压簧被压缩状态，干簧管离磁钢较远，不受磁钢磁力作用，处于断开状态;当铅鱼下降到测验垂线水面时，水面信号发出系统测深清零并开始水深计数，当铅鱼到达河底，悬索系统失重，受力压簧克服悬索张力回弹复位，带动磁钢下移，磁钢下移至干簧管磁场内吸合，发出到达河底信号，控制系统收到信号后，自动停止电机运行，水深记录装置显示实测水深。

2材料选择及关键部件设计

河底信号发生装置作为缆道测深河底信号发生器，用于野外各种水体环境中且下方长期悬挂铅鱼。要求装置既要满足性能稳定可靠，又要结构紧凑、有足够的强度和刚度、尺寸稳定性好且防腐性能好。因此，在材料选择和关键部件的设计方面必须作出充分考虑。

2.1材料选择

不锈钢材料不易产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。316不锈钢作为不锈钢中优质代表，其制品耐高、低温性能好。装置的主要部件均采用316不锈钢材料，这样既保证了装置强度、刚度和尺寸稳定性又保证了良好的耐腐蚀性能。

2.2关键部件设计

2.2.1调力螺母设计  由不锈钢定制螺母内衬聚四氟乙烯套制成。因裝置在野外使用，环境恶劣，且调力螺母与序1（上吊环）之间有相对的直线运动，而聚四氟乙烯具有良好耐腐蚀、抗老化、高润滑性能。材料这些特性能很好满足装置的使用要求，此处设计聚四氟乙烯套也起到直线轴承作用。

通过固定扳手或活动扳手顺时针（序2相对主体向下运动）或逆时针（序2相对主体向上运动）转动调力螺母，可对克服工作索拉力的预紧力进行调节。顺时针向下转动调力螺母，可增大预紧力，预紧力的调节范围为（25-90）kgf，顺时针或逆时针每旋一圈，预紧力增加或减少2kgf。

2.2.2压簧设计  采用优质弹簧钢制成，加工成型后经热处理，正常工作长期使用能保证有效的弹簧力。压簧空套在序1（上吊环）的长轴上，压簧两端分别与序12（防松套）顶部和序2（调力螺母）底部相抵，转动序2（调力螺母）调节压簧的受压量可调节预紧力。

2.2.3导向套设计  导向套上下分别开设了不同尺寸的阶梯孔，序1（上吊环）长轴穿过序4（压簧）伸入导向套上孔内，在导向套下端孔内通过防松螺母与导向套固定。导向套上孔容纳序4（压簧），同时也起限位保护作用。在铅鱼悬吊时，导向套和序4（压簧）在序1（上吊环）作用下上移，导向套上平面与序3（主体）内端面压靠，限制了序4（压簧）进一步受压，导向套承受大部分的工作索拉力，有效保护序4（压簧），不致序4（压簧）长期压死，失去弹力。

导向套侧壁上纵向开有二腰型槽，固定在序3（主体）外壳上限位螺钉横向设置，螺杆部分伸入二腰型槽中。当导向套在压簧力作用下向下移动时，二限位螺钉能够对导向套的下移起到限位作用，从而始终保证压簧有设计的预紧力。

2.2.4移动块  序7（磁敏开关）固定在移动块上，侧面开有长腰子槽.通过旋调螺钉固定在主体外壳底部，序3（主体）外壳下方限位螺钉螺杆部分横向伸入侧面长腰型槽中。转动底部的旋调螺钉，可以改变序（11）移动块和序7（磁敏开关）在序3（主体）内的相对位置，以满足不同规格的铅鱼信号采集要求。

3结语

测流自动化是当今河流流量测验的发展趋势，铅鱼缆道测流的自动化也在不断进步，但长期以来河底信号可靠、稳定问题一直没有得到很好解决。我们研究的新型河底信号发生装置是基于水文测流的实际-----即能够适应不同特性河床、不同规格铅鱼和信号准确性、稳定性考虑进行设计的。经过反复试验比测，证明其性能良好。自2015年开始，在青海、山东、江苏等多家水文站长期使用验证，是一种较好的河底信号发生装置。

参考文献

[1]段金凤.水文缆道测流信号传输的改进及实验研究.河南水利与南水北调2011年第7期第60页

[2]孙连保.悬索缆道（带铅鱼）在义棠水文站的应用，山西水利科技，第3期54页

[3]郑盛林.岸上重力式缆道河底信号采集方法研究与应用.水文

（作者单位：江苏南水科技有限公司）