水文缆道（共5篇）
水文缆道 篇1
1 缆道设施养护与维修
1.1 支架、锚碇
1) 支架。缆道钢支架应保证按设计结构不变形。必须经常检查调节拉线的松紧度, 保证拉线处于拉紧状态, 使支架在各方向的拉力平衡。每年应全面检查调整2次, 大洪水期应检查1~2次。应每隔1~2年进行除锈、油漆养护。除锈后, 先涂红丹, 再涂油漆。定期检查支架基础有无沉陷, 架柱有无位移变化, 联结螺栓是否有松动, 混凝土基础有无裂缝等, 如不符合要求, 要及时检修。
2) 锚碇。定期检查锚碇有无位移, 锚碇附近土壤有无裂纹、崩坍、沉陷现象。钢丝绳夹头是否松动, 锚杆是否生锈。锚碇周围应有排水措施, 防止积水腐蚀锚杆。
1.2 循环系统
绳索与锚碇接头部分, 要特别注意养护, 可涂桐油或黄油, 注意及时清除泥土和杂草等。锚杆与螺旋扣 (法兰螺丝) 联结处, 应高出地面, 防止积水。缆索与锚杆联结处应加大型衬圈。对支架顶部的钢丝绳与滑轮接触受到挤压变形者, 每年维修时应作错位处理。
1.3 驱动设备
要经常检查电动机发热情况, 温升超过60℃时, 电动机应接地。发现电动机有异样声响时, 应即停车, 检查原因, 设法排除。测量完毕后应切断电源。凡经常与人和物体碰、触的动力线, 宜用管套保护, 导线接头处必须用绝缘胶布包好。禁止用湿手接触电器设备。
经常检查各导向滑轮、游轮、行车架等运转情况, 经常向缆道系统各滑轮上加润滑油, 特别是要用机油壶给滑轮轴承上注机油, 保持滑轮转运灵活。滑轮中的轴承要定期检查, 若有损坏应及时更换。不允许钢丝绳在滑轮上滑动、擦边、跳槽。为保证各滑轮正常工作, 汛前应全面检修一次, 洪水测验时应随时监视各滑轮运动情况。
2 故障现象、检查、排除情况
2.1 缆道信号系统故障
缆道信号是发生频率最多的最常见的故障。主要表现为, 铅鱼入水后, 控制台完全接收不到信号或只接收到其中一种或两种信号。造成信号故障的主要原因有:1) 信号线连接错误;2) 信号线表面有锈迹, 接触不良;3) 信号线绝缘有破损, 造成短路;4) 信号源电池欠压, 无法正常工作;5) 插头进水;6) 水下极板锈蚀, 接触面太小, 造成信号回路不畅;7) 由于干簧管托盘上下不灵活, 顶不上去或掉不下来;8) 干簧管信号粘连, 造成河底信号无法断开或干簧管顶端生锈, 有污泥, 造成干簧管两极导不通。
以上任何一种情况发生, 都将造成没有信号或部分没有信号。在查找没有信号的原因时, 我们应将上述情况都考虑进去。实际工作中, 我们应想到上述情况不可能同时出现, 也可能只有一、两种情况导致没有信号, 所以当发生没有信号时, 我们要考虑到哪种信号与哪几种情况关系最密切。因此, 当控制台收不到信号时, 我们就要仔细查找原因, 最后还是找不出原因, 问题可能出现信号源电线上或控制台内信号接收盒处。
2.2 流速测算仪故障
1) 故障现象。流速测算仪的主要作用是根据接收到的流速信号自动计算出测点流速。流速仪接触丝的抖动会造成在一个流速信号导通周期内产生多个信号现象, 如果测算仪把所有抖动信号都作为流速信号记录下来, 流速信号就会出错, 进而导致测点流速与实际不符。
2) 故障分析。主要是仪器延时信号设置不正确造成的, 比如当流速很小时, 就不能将延时设为5, 否则仪器将少计数。
3) 问题解决。一般河道, 可将信号延时设置为2为宜。总之信号延时的设置与采用的流速仪型号、施测流速的大小有着密切关系。应根据实际情况选择合适的信号延时数值。
2.3 铅鱼运行控制系统故障
在水文缆道测流系统中, 铅鱼运行控制系统是用来对铅鱼和流速仪进行测点定位的。当该系统出现运行故障时, 铅鱼和流速仪就不能达到指定位置, 也就无法完成测深、测流任务。
1) 故障现象:铅鱼不能下放。a.铅鱼没有入水时只能进行后退、提升运行, 而不能进行前进、下降运行。b.铅鱼在水上, 前进、后退、下降、提升运行都正常, 但是只受铅鱼一入水, 就停止下降并转为提升, 且铅鱼一出水就自动停车。
2) 故障分析:河底信号就是铅鱼触到河底时发出的一个信号, 当控制台接收到河底信号时, 不管控制台处于什么状态, 都将自动切换到提升运行状态, 同时屏蔽掉到前进、下降运行命令。当河底信号结束时, 控制台立即自动切换到停车状态。
托盘是产生河底信号最主要的部件, 当铅鱼下降时, 首先触到河底的是托盘, 当铅鱼继续下降时, 安装在托盘联动式上的磁钢就会靠近安装在铅鱼上部的干簧管, 此时, 干簧管受磁场激励两簧片就会导通, 输出一个河底信号。如果铅鱼到达河底后没有这个顶托动作, 那么铅鱼就收不到河底信号, 继续下降, 如果此时不立即停车, 就可能造成循环索跳槽或事故。如果河底信号不稳定, 可以加长托盘至铅鱼尾部, 这样在干簧管正常情况下, 可以保证河底信号不出任何问题。
3) 问题的解决:定期对河底信号发生装置内部除污除锈, 每次测流前查看并清除托盘内的泥沙小砂石。当发生干簧管信号粘连时, 此时可采取关闭电源, 切断磁力暂停数秒钟后, 再开机, 或将铅鱼开回岸上, 拧下铅鱼上的干簧管, 然后再装上等。如果还不行, 可更换新干簧管, 并每次应检查托盘上下是否正常。
3 结语
为使水文缆道能够正常运行, 提高测洪能力、测验精度和缆道利用率, 加强缆道支架及循环系统等缆道设施维护是十分必要的。LXLQ-1型水文缆道控制台具有很高的自动化程度, 要认真学习水文缆道操作手册, 加强保养, 及时发现问题, 及时解决。学会常见故障的排查和简单配件的更换, 是提高水文缆道使用率的关键。
参考文献
[1]水文缆道测验规范.水利部SL443-2009行业标准.
[2]LXLQ-1型水文缆道系统操作手册.
水文缆道设计过程及要点 篇2
随着水文测验技术的不断发展和更新,新型的水文数据采集设备逐步武装到基层测站,提高了数据采集的时效性。但由于受测验断面等客观条件限制,新型的流量测验设备在实际使用中往往存在一定的局限性。如ADCP测流设备,在不具备过河建筑物和专用过河牵引船的情况下,仍需借助缆道承载索做水平运行,才能达到连续测量水面流速的目的;又如手持式电波流速仪,在施测起伏度较小的水面流速时,测验误差会成倍增大。因此,在当前乃至今后一定时期内,水文缆道仍是众多测站在抢测洪水过程时不可替代的主要技术装备,即传统的水文缆道测验设施仍存在相当大的发展空间。
1 缆道建设概况
1.1 基本情况
唐秦水文局管辖唐山、秦皇岛地区测站18处,共建有水文缆道17处,占主要流量测验断面总数的94.4%。其中开口式水文缆道4处、闭口式13处。多数水文缆道建于20世纪60~80年代,运行年限最长的至今已近50年,其实用性的优点在防汛和实时水文要素采集中得到充分体现,收到了测取数据及时,测验精度准确的效果。
1.2 地貌及断面特点
建设水文缆道,需要参照测站断面所处河段的地形、地貌及地质条件。唐山、秦皇岛地区大致分为山区、丘陵区和平原区3个地貌单元,区域内河流分布有滦河、青龙河、还乡河等8条河流。测验河段多分布在山区和丘陵区。测验河道2岸土质多为坚实褐土和山崖,断面形状多为窄深型。山区河流这些特殊的地质、地形条件,对布设水文缆道而言,保证了在河道2岸设立承载索支架及地锚时基础的稳定性;设计时在保证缆道安全超高前提下,与宽浅型河道相比,降低了2岸支架的高度,节省了建材费用。故水文缆道在本地区得到较好的应用。
2 缆道设计实例
设计的前期工作重点是实地勘查,收集现场有关资料,包括地形、地貌与地质、测站水文气象等资料,作为决定缆道总体布置及结构配套的依据。这里,以桃林口站开口式单跨水文缆道设计过程为例,主要介绍有关承载索、牵引索、支架高度、立式板锚的设计方法和计算过程。
2.1 设计标准
桃林口站位于青龙河下游,属大河重要控制站。青龙河为滦河最大支流,处于燕山山脉东侧,坡陡流急。水文测验河段右岸为山脚,左岸为山前台地,高水水面宽达500 m。根据大河重要控制站50年一遇测洪建设标准[1],确定该站水文缆道设计标准:洪峰流量10 000 m3/s,最高洪水位80.00 m(黄海基面),最大流速5.00 m/s,承载索跨度512 m。
2.2 承载索设计
承载索设计主要包括垂度、荷载及拉力设计。设计方法主要为依据设计标准,按有关公式进行解析计算。
1)加载垂度
加载垂度指承载索在各项荷载共同作用下,位于缆道跨度1/2处的垂度,计算公式[2]为:
式中:ƒν 为加载垂度;L为缆道设计跨度。
取下界值,,即缆道在整个运行过程中,最低点应不低于缆道支架顶点12.8 m。
2)水平负荷
水平集中荷载由缆道入水悬索、施测仪器承受的水流冲力组成,计算公式[2]为:
或:
式中:FZ为水平集中荷载;∑FA为入水部分索、仪器承受的水流冲力;∑FB为水上部分索、仪器风阻力;νA,νB为水的流速和风速,分别取5.00,10.00 m/s;AA,AB为阻水、挡风面积,实际面积分别为0.05,14.34 m2,挡风面积是主副索(承载、循环、升降索)及行车架实际挡风投影面积之和;ρA,ρB为水和空气的密度,分别取102.000,0.125 kg/m3;KA,KB为阻水、阻风体型系数,取0.8。
按式(2)或(3),求得水平负荷Fz=1 207(N)。
3)加载拉力
加载拉力计算公式[2]:
式中:Fs为承载索加载拉力,是加载拉力(F)的水平分量,因Fs≈F,故以Fs代替F,并称Fs为加载拉力;ρι为主索单位长度自重;Fj为钢丝绳破断拉力;L为缆道设计跨度;k为安全系数;Fν为垂直集中荷载,由行车架、工作台及铅鱼和部分牵引索的重量组成,计算中取实际重量700 kg。
按式(4)~(5),采用迭代法求得ρι=2.834(kg/m),Fs=140 323(N)。
4)承载索型号确定
取ρι=2.855 kg/m,计算值为2.834 kg/m,为偏安全计,采用较大的理论值,经查X-t型钢丝绳型号表[3],确定选用直径28 mm,GB371-64(钢丝6×7)、公称抗拉强度160 kg/mm2的钢丝绳作为承载索。此类钢丝绳的破断拉力Fj=454 538 N,安全系数k=3.2,符合Fj≥k Fs的要求。
5)空索垂度
a)承载索单位长度承受风力
承载索单位长度承受风力计算公式[2]:
式中:ω为承载索单位长度承受的风力;k0为风载体型系数,取1.2;d为承载索直径;ν 为架设缆道河段设计重现期内10 min平均最大风速,取10.0 m/s;ω0为垂直作用面风力。
按式(6)~(7)式,求得承载索单位长度承受的风力ω=2.1(N/m)。
b)空索拉力
空索拉力计算公式[2]:
其中
式(8)~(11)中:F0为空索拉力;La为左边跨长度42.7 m;Lb为右边跨长度29.0 m;Ek为承载索弹性模量;Ak为承载索截面面积。
按式(8)~(11)用迭代法求得空索拉力F0=12 5211(N)。
c)空索垂度
空索垂度计算公式[2]:
式中:F0 s为空索拉力(F0)的水平分量,因F0≈F0 s,故以F0 s代替F0,并称F0 s为空索拉力;ƒ0为空索垂度。
按式(12),求得空索垂度ƒ0=7.33(m)。
2.3 左、右岸支架高度设计
左、右岸支架高度设计,主要依据为设计洪水位(80.00 m)、设计行车架及铅鱼高度(2.00 m)、设计安全超高(2.60 m)及实测支架基础地面高程(左岸80.50 m,右岸82.80 m)。
按式(13)~(14),分别求得支架顶点高程为97.40 m,支架左岸高度为16.70 m,右岸高度为14.50 m。
2.4 承载索锚碇设计
锚体形状设计采用立式混凝土板锚,工程量较小,可有效节省建材,施工也较简便,且成型后抗拔能力较强。立式板锚受力示意图如图1所示。
1)锚体尺寸
设板锚3向尺寸分别为ιa, ιb, hd,入地角为β。板锚在水平方向上的拉力Hj由式(15)[2]保证:
板锚在垂直方向上的拉力Vj由式(16)[2]保证:
式中:G为锚块自重;k为地锚稳定安全系数,取2.5;Ft为锚拉杆设计拉力;p1为锚块后方主动土压力;p2为锚块前方被动土压力;γ为土的容重,取1 700 kg/m3;µ为土壤与混凝土间的摩擦系数,取0.45;β为承载索连接地锚入地角,为偏安全计,取β=30˚;β1为土壤计算抗剪角;ι为锚栓尺寸。
取锚体长ιa=2.0 m,埋土层厚度d1=1.0 m。按上式,分别求得锚体埋深d2=2.8 m,锚体厚db=0.65 m,锚体高hd=1.8 m。
2)锚杆直径
锚杆直径计算公式[2]:
式中:d为锚杆直径;[σ]拉为钢材允许拉应力;F为锚碇设计拉力,F=140 323(N)。
按式(21),求得锚杆直径d=34.3(mm)。为偏安全计,采用直径为45.0 mm的2#圆钢(加10 mm防腐层)作为承载索的锚杆。
3)锚栓尺寸
锚栓尺寸(见图1,长度为ι,宽度为b1)的设计应同时符合3项要求[2]。
a)应符合混凝土抗压的要求:
b)应符合混凝土抗剪的要求:
c)应符合自身抗弯的要求:
式(22)~(24)中:W为锚栓截面的抗矩,从型钢表上查得W=114.2(cm3);Lj为混凝土抗剪的长度,(ι′ 为锚栓距锚体前方的距离,取45.0 cm);k1为混凝土承压安全系数,取3.0;[σ压]为混凝土轴心抗压设计强度,取1 030×104 N/m2;[σ剪]为混凝土抗剪设计强度,取127×104 N/m2(约为抗拉强度的2倍);[σ弯]为锚栓抗弯设计强度,取16 671×104 N/m2。
取锚栓宽b1=5.3 cm,混凝土选用150#。将上述参数分别代入式(22)~(24)中,经验算得到锚栓长度的取值范围为:77.2≤ι ≤108(cm)。最终确定采用截面为120 mm×53 mm×5.5 mm,长80 cm的槽钢作为承载索锚碇的锚栓。
4)钢筋配置
立式板锚钢筋配置可采用最小配筋率百分比(150#混凝土最小配筋率取0.10%)直接计算横、纵钢筋配置截面面积,以此确定钢筋配置。
取钢筋网防腐层厚d=10.0 cm,则板锚去除钢筋网防腐层后的厚度dd=db-d=55(cm)。
横向钢筋截面面积:0.10%hd dd=9.90(cm2),则横向钢筋配置选用9根Φ12 mm圆钢,其总截面面积为10.18 cm2>9.90 cm2,表明该配置满足安全性要求。
纵向钢筋截面面积:0.10%ιa dd=11.00(cm2),则纵向钢筋配置选用10根Φ12 mm圆钢,其总截面面积为11.31 cm2>11.00 cm2,表明该配置满足安全性要求。
2.5 牵引索设计
计算公式[2]:
式中:Fax为装配拉力;ρι为每钢丝绳重量,采用直径4.8 mm的钢丝绳,ρι=0.8 N/m;L同承载索跨度(512 m);ƒx为牵引索空索装配垂度,同承载索垂度(12.8 m)。
按式(25),求得Fa x=2 046(N)。根据拉力Fax值,确定铅鱼设计重量为200 kg,,此垂度接近承载索垂度。故选用直径为4.8 mm,GB355-64(钢丝6×19)的钢丝绳作牵引索。
2.6 缆道建设及运行情况
桃林口站水文缆道建于1999年,是监测桃林口水库放水过程的唯一流量测验设施。每年的5月开始运行,11月结束,运行时间占年度的58%,缆道使用率较高。通过设备运行检验,该缆道设计指标合理、运行稳定,基础牢固、维修简便。缆道建成至今已有11年,在此期间施测流量多为中、低水,通过测验数据检验,该缆道测取数据及时,信号传递准确,测验精度可靠。
3 一般缆道设计要点
1)当缆道跨度大于300 m时,设计时应采用开口式,以减小牵引索长度,降低绞车购置费用。缆道跨度小于300 m时,设计时可采用闭口式,以便于紧索施工和换索维修。
2)当缆道跨度小于200 m时,承载索垂度可取跨度的1/40~1/50,以减轻缆道运行时在垂直方向上可能出现的颤抖现象。
3)设计承载索时,对大于200 m跨度的缆道,应选取6×7规格的钢丝绳,即选用粗丝规格的。这是因为粗丝钢绳在使用过程中,伸展系数小、耐磨性强。对小于200 m的小跨度缆道,也可将6×19规格的钢丝绳作为初始计算依据。
4)开口式缆道的牵引索和起重索是一体装配的,总重量直接影响垂度。要保证牵引索与承载索的垂度一致,设计时应在保证安全系数的基础上,尽量采用计算值来选取索的直径和规格。
5)闭口式缆道的牵引索和起重索是分立装配的,故循环索的垂度是可以随意调节的。为偏安全计,设计时可选用安全系数较大的钢丝绳,即可直接用计算得的循环索拉力乘以3~4倍的安全系数,来确定索的直径及规格。
6)计算支架高度时,其承载索的安全超高一般采用2.0~2.5 m。
4 结语
本文采用设计实例的方法,主要介绍了开口式单跨水文缆道的设计方法和计算过程。合理的水文缆道总体布置及结构设计依据来源于实地勘察,水文缆道的测洪能力来源于设计标准。故此要做好设计工作的前提是“详尽收集现场资料和制定设计标准”。
参考文献
[1]水利部水文局.SL276-2002水文基础设施建设及技术装备标准[S].北京:中国水利水电出版社,2002:7.
[2]长江流域规划办公室水文处.水文缆道[M].北京:水利电力出版社,1978:33-105.
水文缆道自动测控系统设计研究 篇3
当前, 水文缆道自动测控系统的总体设计是以计算机技术为主体, 配合自动化技术、信息技术以及智能传感技术等来完成整个系统的构建, 并使其实现对河道水文进行测验。在利用水文缆道自动测控系统对河道水文进行测验的过程中, 系统会对系统设备以及测验仪器进行控制, 实现整个测验过程的自动、智能运行, 并顺利完成整个测验操作。测验过程中, 测验仪器会对水文环境进行测验, 并将测验结果化为信息数据通过传感装置传递给计算机, 然后计算机会对所有数据进行采集、整理、计算、分析以及储存, 测验过后, 测验人员就可以直接通过计算机查看结果。
当前, 水文缆道自动测控系统主要分为三个组成部分, 分别是动力子系统、主控子系统以及测量子系统。其中, 主控子系统是系统的核心, 用以对另外两个子系统进行控制和协调。在系统运行的过程中, 主控子系统会控制动力子系统完成铅鱼测点定位, 并控制测量子系统对河道深度以及水流速度等水文环境进行测验[1]。在动力子系统和测量子系统完成各自任务之后, 主控子系统会继续对相关数据进行收集和整理, 由计算机计算和分析出最终结果。
二、水文缆道测控系统硬件设计
在测控系统中, 硬件主要包括系统核心的主控计算机、输入输出接口、流速直读仪、水下装置以及设备主机等相关硬件。
在系统的设计中, 主控计算机主要是通过输入、输出接口对系统其它硬件进行控制, 并对系统数据信息进行采集、整理、计算以及分析, 是整个测控系统的核心部分。设备主机, 是整个系统的载体, 包括流速、水面、水底以及数据信息通信和处理单元, 能够对整个系统的各种信号和数据进行接受和处理, 并将其转化成数据信息传递给主控计算机。水下装置是动力子系统的核心, 其不仅包括能够对铅鱼的运行进行控制的变频调速动力装置, 还包括能够对铅鱼进行定位, 对水位和水深进行计数的计数装置以及能够对水样进行采集, 对水样进行测验的测沙采样器。流速直读仪既属于一个测验装置, 也属于系统的接口承载器, 承载着系统的大部分接口, 以实现系统的输入、输出连接。流速直读仪能够直接对水流速度进行精准测量, 并及时将测验结果传递主控计算机, 以方便主控计算机有针对性的对其他系统设备进行控制。
三、水文缆道测控系统软件设计
系统软件主要包括三个部分, 分别为系统控制、数据采集存储以及成果计算与数据分析。而在对系统软件进行设计的过程中, 为了确保整个系统运行的稳定性和互不干扰性, 通常采用功能模块独立、信息局部化以及编程独立的方法将整个系统中的系统控制、数据采集存储以及成果计算与数据分析等细分为若干个功能模块, 然后以低耦合高内聚为基准对所有功能模块进行独立编程、测试和修改, 降低系统各功能模块之间的关联性, 确保即使系统某一功能模块出现故障也能够正常运行[2]。
在对系统控制模块以及系统数据信息采集和整理模块进行设计的过程中, 要确保系统主控计算机是通过控制接口向系统各功能模块发送命令, 并使对应功能模块能够顺利执行命令, 完成任务。同时, 在对系统通信模块进行设计的过程中, 要确保系统接受数据的方式为中断方式, 使系统即使出现异常停止运行也不会造成数据丢失。
在对系统软件进行设计的过程中, 由于每个测验站所处的测验环境何所拥有的测验仪器都不相同, 所以为了避免出现信号或者是命令相同等情况, 在对软件进行设计的过程中应该设置参数预置功能, 使测验人员在进行测验之前能够对包括垂线设置、测速方法、仪器参数以及气象条件等在内的参数进行设置。当系统进行测量作业时, 主控计算机可以提前对这些参数值进行读取操作, 并根据不同的参数执行的不同的测验操作, 使软件能够具有通用性和灵活性。
结束语
利用自动测控系统替代人工操作对河道水文环境进行测验, 其不仅能够缩短测验的时间, 降低测验人员的工作力度, 还能够提升测验结果的准确性, 提高测验效率。因此, 在对水文进行测验的过程中, 一定要加强对自动测控系统的应用, 并通过优化系统设计等方式, 不断提高测验效率。
摘要：优化水位缆道自动测控系统的设计, 加强自动测控系统的应用对提升水文测验结果准确性具有比较重要的推动作用。本文中, 以实现自动测控系统设计的优化为目的, 对系统总体结构、硬件以及软件设计进行了研究。
关键词：水文缆道,自动测控,测控系统,系统设计
参考文献
[1]宋伯生.PLC系统配置及软件编程[M].中国电力出版社, 2011.
水文缆道 篇4
水文缆道是水文站实现水文流量自动测验的重要设施,循环索是测验设备实现水平、垂直运行和精确定位的必要元素之一。测验时,铅鱼刚被提起,往往出现旋转现象,尤其是高、洪水期,铅鱼旋转频率更高,经常会出现流速仪损坏,循环索断丝的情况。
为此长江水利委员会汉江水文局研制了安装在铅鱼和循环索之间的连接器,安装连接器后的水文缆道示意图如图1所示。经使用,铅鱼的旋转频率明显降低,有效减少了流速仪的损坏,延长了循环索的使用寿命。
1 产生旋转的原因
水文缆道循环索使用的是交互捻的普通钢丝绳,一般是由多根钢丝(单丝)捻成股绳,再用数根(通常是6根)股绳捻制成绳。当这种钢丝绳上端固定,下端自由承受拉伸载荷时,钢丝绳要围绕着自己的中心线旋转,即开始提升重物时,它先朝与捻制相反方向旋转,然后再向与捻制相同方向转动[1]。这就是平时所见的,当铅鱼刚提起时,总是要绕某一中线来回旋转,新投入使用的钢丝绳则更明显。这样反复旋转将加速钢丝绳的损坏。并且在高、洪水期间时,为了抢测洪峰,在铅鱼快速旋转时就入水,经常有打坏流速仪的事件发生,从而影响流量的正常测验。
出现铅鱼旋转的前提是钢丝绳产生了扭转力矩,交互捻钢丝绳产生的旋转力矩是由股绕绳轴线的旋转力矩、股中丝对绳的轴线旋转力矩组合而成的[1]。并且新钢丝绳产生的扭转力矩大,随着捻劲的释放,扭矩会越来越小,旋转的速度越来越慢。水文缆道循环索的旋转主要有以下3个阶段:
(1)铅鱼从铅鱼架上提起,会朝一个方向旋转,此方向为钢丝绳的捻制反方向,当旋转到一定程度后,会达到1次平衡,即铅鱼旋转所需要的力矩刚好和钢丝绳释放捻矩产生的力矩相等,此时也是钢丝绳的捻劲释放完全的时候;
(2)当铅鱼的旋转达到第1次的平衡时,速度最快,由于惯性,要继续前面的运动,而钢丝绳会沿着铅鱼的旋转方向聚集能量,直到铅鱼的旋转速度为零,钢丝绳聚集到足够的能量;
(3)由于钢丝绳又聚集了足够的能量,导致铅鱼向反方向旋转,钢丝绳又开始释放能量,重复前面的过程。由于在此过程中要消耗能量,所以铅鱼的旋转速度会不断减小,旋转圈数会越来越少,直到最后停止。
2 钢丝绳扭转力矩的计算
水文缆道使用的是交互捻钢丝绳,扭矩计算可分为2部分:(1)股对绳中心线的扭转;(2)股中丝对绳中心线的扭转。交互捻钢丝绳扭转力矩的计算公式[1ˉ2]为:
式中:F为铅鱼的重力;n为钢丝绳中含钢丝绳股数;ni为第i层含钢丝绳股数;ri为第i层钢丝绳同心圆半径;αi为第i层捻角;M总为钢丝绳总的扭转力矩;M股为多层股的扭转力矩;M丝为多层丝的扭转力矩;ns为表示股中的钢丝数;nsi为表示股中第i层的钢丝数;rsi为股中第i层钢丝的同心圆半径;βi为股中第i层钢丝对股中心线的夹角。
以直径为6.2 mm,捻距为6.5 mm,规格为6 mm×19 mm的交互捻钢丝绳为例,悬吊铅鱼重力为F,计算的钢丝绳扭转力矩结果为:
式中:δ 为每根钢丝的直径(一般钢丝的直径为0.4 mm)。
从扭矩M总=-7.36 Fδ看,负号表示开始提升重物时,先是朝与钢丝绳股捻制相反方向转动;对于新投入使用的钢丝绳,当作用在上的力越大时,钢丝绳释放的扭矩也越大,开始时旋转速度最快,产生的扭转惯性最大。
结合水文测验铅鱼被提起的过程,钢丝绳在载荷为铅鱼重力的情况下,受到的扭矩是交替、反复的。在此过程中,钢丝绳最容易产生疲劳损坏,影响其固有抗拉强度。有试验记录,对直径为28 mm钢丝绳(额定破断力510 kN)做过试验,取其长度8 m,至额定破断力未见异常,卸荷后翻转4圈再连接,加荷到390 kN时即破断[3]。所以在钢丝绳的使用过程中,要尽量释放钢丝绳的捻劲,减少其旋转。对此,在铅鱼与钢丝绳之间加装一连接器,当铅鱼由于惯性产生的旋转力矩大于连接器的旋转力臂时,钢丝绳就会克服因惯性而导致的铅鱼旋转,转而向相反的方向旋转,此时铅鱼还要继续前面的旋转方向。从而克服钢丝绳向同一方向继续旋转,以最大限度的保持钢丝绳的固有抗拉强度。
3 连接器力矩的计算
由于铅鱼从铅鱼架上提起后,在垂直方向只受到钢丝绳的拉力和铅鱼的重力作用,受力图如图2所示。铅鱼的重力和钢丝绳的拉力始终为一对平衡力(忽略铅鱼在垂直方向的位移),当在铅鱼和钢丝绳之间加装连接器后,钢丝绳只要克服因铅鱼的重力对连接器产生的阻力力矩,就可以降低钢丝绳的扭转力矩,减少钢丝绳的旋转。
根据滚动轴承的力矩计算公式[4]:
式中:M阻为摩擦力矩;u为摩擦系数,对于推力球轴承,摩擦系数为0.001 0～0.001 5;
P为轴承负荷F,在此装置中,负载大小为钢丝绳的拉力,即铅鱼重力;d为轴承的公称内径,连接器中轴承采用的是51201推力球轴承,其公称内径为12 mm,
取摩擦系数为0.001 5,则由铅鱼重力产生的阻力力矩为:
根据钢丝绳力矩产生的计算公式,当铅鱼重力为F时的扭转力矩为:
水文测站中,由于缆道跨度、结构等不同,所选取的铅鱼重量不同,根据铅鱼的重量,对应计算的旋转和阻力力矩如表1所示。
由于负号只是表示方向,所以从式(1)、(2)和表1中比较可以得出M总=327M阻,说明当钢丝绳的拉力达到铅鱼重力之前,钢丝绳就已经开始释放自己的捻劲,而铅鱼由于惯性产生的旋转,用来克服连接器的旋转,对钢丝绳不会产生大于铅鱼重力引起的旋转力矩,从而可以很好地减少钢丝绳的旋转,达到保护钢丝绳的目的。
4 连接器的结构设计
连接器是固接在铅鱼和钢丝绳之间的1个旋转体,为确保整个缆道的运行安全,连接器的强度必须可靠,结构合理,还要保持测验信号的传输效果。连接器具体设计中应注意以下事项:
(1)要尽量保证整个连接器中不进水,由于铅鱼在测验过程中一直浸泡在水中,如果连接器中进水,长时间使用会导致推力球轴承生锈,最终增大其旋转力矩。所以采用O型密封圈和油封圈,防止连接器进水,并且在开始安装时,里面尽量多装黄油,以防止生锈。
(2)轴承轴头处采用2个螺帽扭紧,并且第2个螺帽还要采用销钉固定,由于轴承装在轴承套里面,不容易直接检查,加上铅鱼在运行过程中,轴承除了要旋转外,还一直处于动态平衡,为防止螺帽振动松动,所以采用销钉,消除安全隐患。
(3)两个轴套采用螺丝连接,为防止松动,在螺丝处要采用销钉定位。
(4)为了保证信号的可靠传输,钢丝绳和铅鱼之间要进行绝缘处理。由于连接器是一个整体,所以在与铅鱼和钢丝绳的连接处,要用尼龙或者胶木进行绝缘。
(5)要时常维护,每年汛前检查要将其打开,对里面的轴承和黄油进行检查,以确保轴承等的完好。
5 应用效果
以汉江水文局谷城站在刚更换钢丝绳后、未安装连接器(使用半年)和安装连接器半年后的3种情况,来说明连接器对钢丝绳旋转的影响效果,具体参数如表2所示。
从表2可以看出,安装连接器后的旋转频率比不安装时降低了42.7%,说明铅鱼的旋转速度明显减慢,产生的惯性扭距降低,最终使钢丝绳的旋转力矩减小,从而有效延长钢丝绳的使用寿命。该站钢丝绳的使用情况也充分说明了这点,原来该站的循环索平均3～4年需更换1次,安装连接器后,1根钢丝绳使用了5年还没有出现断丝或扭结的现象,的确对延长钢丝绳的使用寿命起到了明显的效果。
6 结语
连接器的使用,对进一步延长循环索的使用使命,保护流速仪的安全起到一定的作用,对整个缆道的运行、水文测验起到更可靠的保障,对水文站的资源也是最大限度的节省,对水文缆道设备又是一个更好的完善。
参考文献
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水文缆道 篇5
水文缆道是水文测验的重要设施之一,已在我国中小河流得到广泛应用,多年实践证明,水文缆道在跨度300 m以下的测站应用效果较好,但在跨度大,特别是宽浅河流中应用尚存在测深误差大、精度难以满足SD121-84《水文缆道测验规范》(以下简称“规范”)要求的问题。究其原因是在大跨度缆道中,工作索(包括上循环索、下循环索、起重索)由于自身重量而产生较大的垂度,在流量测验过程中,由于受浮力、水流冲力和铅鱼在水中下放、上提时速度不均匀等因素的影响,使铅鱼对工作索的拉力并非恒力,导致工作索的垂度处于变化之中,尤以上循环索最为突出,而变化的垂度又以索长的形式被水深计数器记录,最终导致记录与实际水深不符,垂度越大,产生的误差越大。
欲使工作索垂度减小,常见的方法是增加悬吊铅鱼重量,以增大对工作索的拉力。而大质量的铅鱼需相应增大工作索直径,索径增大势必又增大其垂度;同时增加铅鱼重量,给铅鱼的制造、运输等均带来不便,也不利于低、枯水流量测验。即使单纯增加铅鱼重量,也很难达到预期效果。长江委汉江水文水资源勘测局经过多年实践,针对上述难点,在缆道开口游轮式结构的基础上,采用了以下2项措施:
(1)在工作索上增设张力轮(一组动滑轮),在铅鱼重量不变的情况下,使循环索所受拉力达到了铅鱼重量的2倍;
(2)在上循环索上方架设一副索,安装支索器,下滑轮将上循环索吊起来,使上循环索由原来的一跨分为二跨。又由于自身重力作用,支索器自动定位于副索的最低点,保持位置稳定。由于副索高于上循环索和主索,故不影响行车运行。也可视情况在主索上安装支索器,使下循环索由原来的一跨分为二跨。改造后的缆道结构如图1所示。
2 支索器的结构和安装
支索器和张力轮的结构比较简单,易于加工,而且副索可兼作避雷架空线,所需经费投入不大,安装检修方便。支索器及张力轮的滑轮系绝缘材料制成,并装有滑轮,以防止雷击和钢丝绳跳槽。安装时应注意避免工作索与主索之间的摩擦,还应使副索的架设高程高于上循环索及主索,避免支索器产生倒挂现象。
支索器和张力轮的结构示意图分别如图2、3所示。
3 工作原理
在流速小,悬索近似于垂直状态(即无偏角)的情况下,缆道测深误差主要来源于铅鱼在水中受到的浮力和铅鱼触及河床时失重等因素影响,所产生的主索和工作索各段的垂度变化。主索垂度减小(上升)和工作索垂度的增大(下降)均增加测深计数值。
设主索垂度变化为△f,工作索因垂度增大而引起的长度增量为△s,测深计数影响值为△h,则有△h=△f+△s。
由于主索自重较大,在铅鱼垂直运行过程中其垂度变化不大,加上铅鱼在测深过程中失重量较小,其垂度变化量甚微,可忽略不计。工作索自重相对较小,其垂度的大小由拉力决定,在无偏角条件下测深时,工作索的拉力因铅鱼的浮力、河床失重影响而减小,使垂度增大,导致索长增加是产生测深计数误差的主要原因。特别是宽浅河道,因跨度大、水浅,所产生的测深相对误差更大,难以满足“规范”要求。要解决这一问题,在消除浮力及减小触床失重影响的同时,必须对工作索垂度变化所产生的测深误差加以控制。
在工作索的三段索中,上循环索跨度最大,影响也最大。
3.1 上循环索曲线长度增量计算
3.1.1 未安装支索器时
未安装支索器时,在铅鱼全部入水的悬索拉力t1和铅鱼触及河床失重后的悬索拉力t2的分别作用下,上循环索的曲线长度分别为S上1和S上2,曲线示意图如图4所示。
则:
上循环索的曲线长度增量△S上为:
式中:l为跨度;q为工作索单位长度重量。
3.2.2上循环索安装支索器时
在上循环索最大垂度处安装支索器1后,上循环索一分为二,其拉力不变,但跨度缩小了一半,曲线示意图如图5所示。
二跨的曲线长度增量△S上′为:
式中:△S′上1、△S′上2分别为上循环索1、2两跨的曲线长度增量。
由式(1)和(2)可以看出,上循环索安装了支索器后,曲线长度增量△S上′是原来(未安装支索器)曲线长度增量的1/4,效果是显著的。
3.2工作索曲线长度增量△S的计算
就工作索整体而言,曲线长度增量△S是三段工作索曲线长度增量的总和。
3.3.1 未安装支索器时
式中:x为行车位置,在中央时x=
3.3.2 上循环索安装支索器时
当上循环索安装支索器1时,工作索曲线增长值△S′为:
3.3.3 安装3个支索器时
在上循环索安装支索器1,在下循环索安装支索器2,又在起重索上安装支索器3时,缆道结构示意图如图6所示。
因为支索器2和支索器3均系吊装在主索上,而主索的最低点(即最大垂度处)位于l/2处,当行车运行至中央x=l/2时,支索器2和支索器3均紧靠在行车两旁,不起支承工作索的作用;只有当行车运行至x
又因张力轮距行车较近,虽有一定的支承作用,但相对于起重索长度来说,是很小的一段,为使问题简化,暂不考虑张力轮的影响。现分别讨论以下3种情况:
(1)当x=l/2时
当行车位于中央l/2时,支索器2及支索器3均不起支承作用,此时下循环索、起重索二段类似于上循环索上安装支索器1的情况,此时,则工作索的长度增值△S′为:
(2)当x
支索器2停留在l/2处(见图6),下循环索分为二跨,索长增长值分别为
起重索的增长值△′S起为
其工作索的长度总增长值△″S为
(3)当x>l/2时
结构示意图如图7所示。
支索器3停留在l/2处,起重索分为二跨,索长增值分别为:
下循环索的增值△″S下为
其工作索长度的总增长值△S′″
式中:C1、C2、C3分别为在不同支索器、不同安装条件下的增值系数之和。
在不同行车位置分别计算的C1、C2、C3结果列表如表1所示。
从表1可以看出,在工作索上安装支索器对减少曲线增值是很明显的,仅在上循环索安装支索器1即可减少长度增值的一半;若在上、下循环索分别安装支索器,可减少长度增值的60%;若在上、下循环索及起重索分别安装支索器,可减少长度增值70%,这对大跨度缆道,特别在宽浅河道中应用是很有实用价值的。一般来说,在跨度500 m以下,平均水深在3.0m以上,悬吊铅鱼重量适当,只在上循环索上安装1个支索器即可满足要求;跨度大于500 m,水深较浅,以安装3个支索器为宜。至于安装2个支索器的方案,可根据测站具体情况而定。
举例:设某站缆道跨度l=600 m,工作索直径为6.2 mm,q=0.14 kg/m,铅鱼入水重200 kg,采用张力轮,索初始拉力为t1=400 kg,触及河床失重后,工作索拉力t2=380 kg。分别计算无偏角条件下,不安装支索器和安装支索器时工作索的长度增量△S,如表2所示。
m
则△S=C·E。
表2说明,在工作索上分别安装3个支索器,不仅所产生的长度增值△S最小;而且在整个跨度范围内,增值比较稳定,基本上不受行车位置的影响,这对于全断面水深测量误差的控制是很有利的。
4 支索器的应用效果
汉江水文水资源勘测局所属谷城水文站为汉江支流南河基本控制站,测验河段属宽浅型河道,跨度为620 m,该站采用电动缆道测流,实测最大水深8.5 m,实测最大流速为4.36 m/s,低枯水期水深一般小于1.5 m,流速小于0.5 m/s。按正常跨度要求,只需200 kg的铅鱼即可满足。但是由于该站缆道跨度大于600 m,荷重200 kg拉力的上循环索垂度达31.5 m,工作索最大垂度处落入河床,缆道无法正常运行,必须增加悬吊铅鱼重量,以增大对工作索的拉力,从而减小工作索的垂度。按照“规范”规定悬吊铅鱼应大于450 kg,但是450 kg铅鱼其体积太大,除了给铅鱼的制造、运输带来不便外,还给浅水、低速条件下测流带来困难。为此采用第一项措施,即增设张力轮,配以200 kg的铅鱼,工作索的拉力则变为400 kg,使上循环索的垂度由31.5 m减小到12.4 m,得到了较大改善。但在实测过程中其垂度仍嫌大,测深误差仍不能满足要求。于是又采取了第二项措施,即在上循环索增设支索器1,使上循环索由一跨分为二跨,其垂度由12.4 m(一跨)减小到3.1 m(二跨),相应减小了4倍。为了消除下循环索垂度变化带来的测深误差,进一步提高水深测验精度,又在下循环索上增加支索器2(如图1所示),当行车运行至l/2偏左岸时,支索器2将下循环索托起,使之由一跨变为二跨,从而减小了垂度。当行车运行至l/2偏右岸时,张力轮在一定程度上可起到支索器的作用,从而使测深误差得到了有效控制。
该站在安装支索器1、支索器2和张力轮前后,分别进行了水深比测试验,结果如表3所示。
从表3看出,水深比测试验结果与理论计算结果基本相符,在安装支索器1、支索器2和张力轮前后,测深绝对平均误差由0.20 m减至0.05 m,相对平均误差由8.00﹪减小到2.60﹪,按《规范》规定再对计数常差进行订正,基本消除了系统误差,满足“规范”要求。
m
谷城水文站水文缆道自1990年正式投产以来,由于采取了上述措施,有效地保证了枯水测流精度,在洪水期采用偏角改正方法,实现了全水位变幅缆道(流速仪)测流,缆道使用率达100%,实测最大洪峰流量4 710.0 m³/s,最小流量10.6 m³/s,成果质量优良。长江委汉江局已于1995年将此项技术在所辖跨度大于300 m以上的缆道站(白河、琚湾等站)推广应用(一般只采用支索器1),除提高了测深精度外,还较好地减小了缆索振动,基本上消除了弹跳现象,提高了铅鱼及流速仪在测验中的稳定性。
4 结语
在流量测验中,水深测量精度是影响流量测验精度的重要因素。自动定位式支索器在大跨度水文缆道上的应用,较好地解决了宽浅河流低速、浅水条件下的水深、流量测验精度问题,为水文缆道在大跨度河流上的应用提供了技术保障,并且提高了缆道使用效率,扩大了缆道适用范围,也是开口游轮式缆道在结构上的重要改进。
摘要：为解决大跨度缆道测深误差偏大的问题,在缆道工作索上安装自动定位式支索器,以缩小跨度(垂度),减少测深误差。以谷城水文站(跨度620m)为例,介绍了支索器的结构、安装方法,分析了安装支索器后缆道的工作原理和应用效果,并进行了全断面水深比测试验,与未安装支索器相比较,可使测深误差减少50%～70%,说明在大跨度水文缆道中应用支索器,提高了测流精度和使用效率。
关键词：大跨度,水文缆道,自动定位式,支索器,应用,测深误差,控制
参考文献
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