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船用水文小绞车设计

2003年8月20日

船用水文小绞车设计
前 言
船用水文小绞车是为提高水文站的中小水测验精度而设计，主要解决低水条件下小机动水文测船测验中的流速仪定位问题。该绞车设计有三个特点：1、绞车构造简单，安装和拆卸方便,并采取可折叠形式，使用时可按照结构、组件进行展开，通过销钉定位，组成绞车流速测量系统，不使用时又可以很方便的折叠并通过转轴转位而存放于测船一侧，便于有效的利用测船空间，可以做到一船多用；2、绞车设计合理，重量轻，整台绞车重量约29kg，维修和保养方便，使用简单3、适用面广，可适用于任何使用机动划子进行水文测量的船只。
目前，我局所属测区有三座大型吊船过河缆道，其测验设施主要用于大洪水的测量。由于近几年来黄河河水流量偏小，低水测验显得异常困难，提高低水测验精度也就显得非常重要。为了解决低水测验设施在流速测量方面定位不足，提高低水测验精度，我们从工作实际出发，根据水文站测验工作的需要，对目前测验条件进行充分分析，设计开发制造了船用水文小绞车，为我局的船用水文小绞车的标准化建设奠定了基础。
1、技术路线
水文测船是水文站的主要测验设备之一。水文站常用的水文测船有大型测船和机动划子（小测船），大型测船一般都配备有大型动力设备如发电机、电动水文测验调速绞车等，是大中型洪水测量的主要设备；为解决中小水、低水及泥沙快速取样问题，在配备大型测船的同时，一般都配备小型测船，主要用于泥沙取样及低水流速测量。小型测船一般设备配置都比较简单，除泥沙测验设备外，主要有比较简易的流速仪测杆固定架、流速仪测杆及流速测量仪器，在这样配置中，测杆的升降及定位、固定主要靠人工操作，工作起来很不方便，劳动强度较大，效率低，且测验时受到的人为影响因素较多，测验精度就受到不同程度影响。船用水文小绞车在设计时考虑到了目前测验方面的诸多问题，从测验实际出发，采用人性化设计，使操作和使用更符合测验习惯和仪器操作规程。小绞车安装固定在小机船舯部的右舷舷侧（根据工作需要也可以安装固定在船左舷舷侧）甲板上，小绞车可以通过转轴、销轴、定位销实现转位、折叠、定位等动作，通过操作卷筒（棘爪、棘轮配合动作而制动定位）以带动钢丝绳、测杆、流速测量仪器的提升和下放，使流速测量仪器能够准确的固定在需要的测量位置上，全面满足测验实际需要。
2、设计主要技术参数及技术要求
整台绞车采用结构优化设计，各部件组装和拆卸灵活，便于维修和加工，其主要部件可分为卷筒组件、转动架、测杆组件三个部分。
2.1 卷筒组件
卷筒组件主要部件及部件装配参见“卷筒组件总装图”。卷筒组件主要分为卷筒部件、润滑转动部件、定位部件等，各部件设计要求如下：
2.1.1 卷筒及卷筒底座设计
卷筒采用传统的卷筒设计方法，在设计时主要考虑卷筒的尺寸大小，以能够满足测杆的测深和定位要求，能够带动测杆上、下运动为设计目的，在此基础上要求卷筒的纵横比趋于合理，外部美观，尺寸要求尽量小，考虑以上要求，设计参数选定为：
卷筒直径 φ卷筒＝ 76 mm
卷筒长度 L ＝ 108mm
卷筒翼板 φ翼板＝ 120mm
设计选用钢丝绳直径 φ钢丝绳＝ 4.4mm
钢丝绳、卷筒与测杆两端的联接方式：钢丝绳在卷筒上缠绕3～5圈后，其两头两端分别与测杆上、下端固定，并在固定时施加一定的预紧力，使钢丝绳拉紧，并紧紧地缠绕在卷筒上，利用钢丝绳与卷筒之间的摩擦使卷筒带动钢丝绳循环运动，从而使测杆做上、下运动。
卷筒采用δ＝4mm Q235A 标准钢板焊接加工。
卷筒底座与转动架采用螺栓连接，底座采用δ＝5mm Q235A 标准钢板加工。
2.1.2 卷筒转动部件的设计
卷筒转动部件，主要考虑卷筒轴与轴
承座之间的转动摩擦，根据卷筒的安装与拆卸方式，采用滚动轴承会使卷筒组件组装与拆卸不方便，但不用轴承会增加卷筒轴的磨损，转动时费力，考虑上述原因，设计时采用轴瓦式滑动轴承，并考虑加工润滑储油槽，保证轴瓦式滑动轴承的工作效果和便于组装及维修保养。
2.1.3、定位部件设计
卷筒定位采用传统的棘爪棘轮定位。棘轮选用Z=12、m=6、ψ＝1.5、b＝9标准件设计，棘爪与棘轮配套加工。
根据卷筒直径φ＝76mm，棘轮齿数Z＝12计算，棘轮的每一个齿控制测杆上升或下降距离为： ，此定位精度可满足测验要求。
棘轮及轴承的设计加工要求见“棘轮、棘爪、轴承”图。
2.1.4、起吊重量
绞车在测验过程中的起吊重量主要是测杆组件自重、流速仪重量及部分水草的重量，一般情况下起吊重量按10～15Kg考虑。小绞车的起吊能力完全能够满足起吊重量的要求。
2.2 转动架设计
转动架主要承担卷筒组件及测杆组件部分的重量，转动架与船舷甲板之间采用转轴连接，设计时采用可旋转的结构，便于转动架的安装和拆卸，同时考虑绞车在不使用时所占的空间最小，不使用时可以通过旋转使整台绞车安放在测船一侧，保证测船有效空间的利用。
为了转动架上有足够的空间安装其他部件及保证设计强度，转动架采用8＃国标槽钢，当正常工作时转动架设有定位、限位装置，保证在测流过程中设备的相对位置固定，通过对8＃槽钢的受力分析和计算得知，转动架最大可承受的起吊重量为70kg。
测杆中心距离测船身板距离，根据《河流流量测验规范》（GB50179－93）第四章第三节第4.3.2条规定：“流速仪离船边的距离不应小于1.0m；小船不应小于0.5m”的要求，考虑到操作的方便，测杆中心距离船身板设计为距离520mm，符合规范规定。
2.3 测杆组件设计
测杆组件主要有测杆架及测杆两部分组成。设计时与转动架配套设计。测杆架采用8＃槽钢，在结构上保证测杆在测流时能够垂直上升、下放；测杆采用3/4英寸镀锌钢管，测杆长度为3～5米，各站可根据实测流速大小选择不同壁厚的测杆。
2.3.1 测杆架设计
测杆架采用8＃槽钢，主要用于夹固测杆，并保证其处在铅垂状态下工作。测杆架与转动架之间采用销轴连接和固定销定位，要求保证测杆架和转动架之间的转动灵活、相对位置不变，同时还可以方便的进行组装和拆卸，便于维护。正常情况下，测杆架可以与转动架叠放在一起，保证测船有效空间的利用。测杆在测杆架上采用夹轮导向和定位，可以保证测杆在测量过程中的灵活升降。
2.3.2 测杆设计
一般测杆选用3/4英寸镀锌钢管，外径为26.8mm，钢管每米长度重量为1.63kg/m，测杆长度可根据实际情况选用3～5m长，经抗弯计算，可满足水深2.0m，流速1m/s情况下的流速测量工作。
2.3.3、起吊钢丝绳直径选取
由于该绞车起吊重量较小，钢丝绳又经常入水，故选取D-6×19+1-4.4-170-特-Z-T-甲 GB335-64钢丝绳，破断拉力为1460kg，满足使用要求。
3、绞车组装后与船体间的技术参数
测杆架中心距离舷侧甲板转轴中心距离： 595mm。
卷筒距离舷侧甲板转轴中心距离： 425mm。
流速仪提升到最大高度时距水面距离：大于150mm。
4 绞车的安装及使用
4.1 绞车的组装
绞车在加工完成后可分为以下几大部件安装：转动架轴安装（现场安装）、转动架安装、卷筒组组装安装、测杆架安装、测杆安装、钢丝绳联接等，各部分安装方法如下：
4.1.1转动架轴的安装。 转动架轴根据需要可固定于测船的左弦或右舷甲板上，对于不同的船只其安装方法不尽相同。在钢壳船上安装时可考虑采用焊接方法，在玻璃钢或木船上安装时必须采用螺栓连接（设计安装方法为焊接，此时转动架轴部分结构需改造），具体连接方法及连接件的加工需要根据测船的具体情况确定。
4.1.2 转动架安装。
转动架与转动架轴采用转轴连接方式，转动架轴安装好后，转动架套装在转动架轴上（此时转动架轴应涂擦润滑油）。转动架和销钉组合，可使绞车在不用时能够方便的安放于测船一侧和保证流速测量时转动架与船体之间的相对固定，组装完毕后要注意检查定位销钉的灵活性和定位效果。
4.1.3 卷筒安装。
卷筒在加工时已经进行试组装，安装时拆掉连接螺栓，再与转动架之间采用螺栓连接，连接以后注意检查卷筒的灵活性。
4.1.4 测杆架安装
测杆架与转动架架之间采用销轴和销钉安装，销轴主要是方便测杆架在转动架上折叠存放，销钉主要是保证测流过程中测杆架的定位，使测杆保持垂直状态。
4.1.5 测杆的安装。
测杆架组装好后，测杆很容易的穿过测杆架上的夹轮固定于测杆架中，此时需要用起吊钢丝绳来固定测杆在测杆架中的位置。
4.1.6 起吊钢丝绳的安装。
起吊钢丝绳在卷筒上缠绕3～5圈后，其两头分别通过导向轮用绳夹与测杆上、下端固定，并在固定时施加一定的预紧力，使钢丝绳拉紧，并紧紧缠绕在卷筒上，利用钢丝绳与卷筒之间的摩擦使卷筒带动钢丝绳循环运动，从而使测杆做上、下运动。操作卷筒转动和利用棘爪制动，可控制流速仪的入水深度。
4.2 外业使用
4.2.1 测流绞车的展开
（1）首先松开转动架销钉，通过人力使转动架水平旋转到与测流船船舷相垂直的位置，然后用销钉将转动架固定；（2） 通过垂直旋转使测杆架转动到与转动架垂直位置，然后用销钉固定转动架与测杆架的相对位置；（3）收回时，反向操作即可。
4.2.2 绞车操作
首先由人工控制卷筒转动，不让流速仪在自重作用下下滑，然后松开定位棘爪，由人工控制卷筒下放流速仪到预定的水深位置，通过棘轮、棘爪将流速仪定位于测量位置；流速仪提升，通过转动卷筒将测杆提升到某一固定高度，然后由棘轮、棘爪定位装置将流速仪固定于某一水深位置。
结束语：水文测验小绞车的设计是水文测报技术升级的一部分，以往我们对于大型绞车的设计积累和总结了许多经验，而在设计低水测验小型设备上经验存在不足，特别是目前黄河水量的减少，水资源的利用就显得更为主要和重要，提高低水流量测验精度迫在眉睫，因此关于低水测验设备的设计改造也将是今后提高测验精度的一个重要组成部分。