水文测流悬杆的强化方法

[摘要]船舶测流、特别是小型测船测流时往往要用到测流悬杆，目前测流悬杆使用中存在的问题主要是抗弯强度较差，引起的振动及结构变形影响测验成果的质量。选用流线型设计测流悬杆可有效的增加悬杆抗弯强度，设计相应的测流架可保证流线型测流悬杆的方便使用。流线型测流悬杆的优点是水流阻力较小，从受力方面进一步保证测流悬杆的形态不易变形。

[关键词]水文;测流;悬杆;强化

1、问题提出

船舶测流、特别是小型测船测流时往往要用到测流悬杆，目前测流悬杆使用中存在的问题主要是抗弯强度较差，引起的振动及结构变形影响测验成果的质量。洪水流量是防汛工作中需要的重要数据，流量测验是水文测验的重要工作。解决测流悬杆变形问题，提高流量测验质量是一项很必要的工作。

2、解决思路

目前测船流量观测的主要方法是流速仪法，流速仪法观测设施又分为悬杆法与铅鱼法。悬杆法的悬杆多用6分圆形钢管（图1），流速仪安装在悬杆下端。悬杆穿过一个垂直支架，由自重下降和有一根绳索提升。流速仪测点的定位，有明确的规定[1]，现场观测中会发现：由圆管做成的悬杆水流特性在水中有较大的阻力，受脉动水流的影响这种阻力也是脉动的，将使钢管产生振动，影响仪器性能，影响流速观测的精度。6分圆形钢管用做悬杆时的强度在洪水测量时是不够的。

图1 大船上的悬杆测流架与悬杆

研究将悬杆横断面设计为流线型，在水流方向尺寸增加，增大悬杆测流时的抗弯强度，洪水时将不再会被水流严重冲弯，不用拉偏索即可保证测速仪器处于良好的工作状态。

3、技术设计

3.1技术分析与设计要求

3.1.1技术分析（1）悬杆横断面采用流线型。测流悬杆存在的主要问题是水流阻力大，抗冲强度小，测验时，测流悬杆被严重冲弯、变形（见图2），产生强烈振动，影响测速精度。悬杆变形不仅造成测点位置高度的变化，还会造成流速仪与水流方向的不一致，悬杆变形后，与悬杆原轴线垂直的流速仪将不再平行于水流，造成偏角，该偏角将使测速成果造成较大误差，偏角较大时，这种误差是严重的。（2）悬杆水平调向。新设计悬杆不再是圆形横断面，当悬杆横断面迎向水流时，迎水面积很大，阻力很大，设计悬杆可以在水平方向上自由旋转的结构，保证悬杆始终会和水流方向保持一致，减小水流阻力。（3）悬杆的材质。以前的悬杆的材质都为镀锌管，长期悬于水中，极易生锈，造成尺寸刻度模糊，不便于观测和数据的记录，悬杆的材质选用不锈钢，表面光滑美观，不易生锈，尺寸刻度清晰。（4）悬杆固定与升降。以往悬杆升降采用钢丝绳提升，本次设计采用夹轮的方式对悬杆进行固定与升降控制。（5）电机驱动、调速与定位控制。动力系统采用低速交流刹车电机，这种电机体积小，力矩大，运行速度低，稳定可靠，可通过调速确保悬杆准确定位。以前的绞车需要齿轮和棘头进行制动，该电机采用的是电磁制动，电机停止转动以后，电磁抱闸立刻自行制动，确保测点位置不变。对电机配备电位调速器和换向器，电机的转速可以从零逐渐调高和降低，使悬杆按照所需要的速度进行升降，控制将更加灵活方便。换向器控制电机的转动方向，使操作人员可以随时控制悬杆上升和下降。（6）悬杆竖直与平放控制。测流悬杆在测流的过程中处于竖直状态，装卸流速仪时悬杆应处于水平状态。测流架与平台之间采用固定轴与套筒连接的方式以确保支架在竖直方向上可以转动，测流时支架处于竖直方向，并且进行锁定，套筒与固定轴之间间隙严密，确保支架定位的稳定性。测验完成之后，整个支架可以旋转到水平方向，归位放置稳定，并进行锁定。

3.1.2设计要求。（1）测流悬杆设计测速能力不低于现有测速能力;（2）测流架应保证测速过程中稳定，不出现影响测速效果的明显变形。（3）测流悬杆设计测速时不再有拉偏索、提升索、水下管外长信号线。（4）悬杆在水平方向可自由旋转，与水流方向保持一致（5）悬杆测流架转动灵活方便，操作灵活方便;（6）悬杆机械结构定位准确，运行稳定可靠，操作安全;（7）悬杆可双向运行，升降速度可调;

3.2设计工作原理

3.2.1流线型悬杆减小水流阻力原理。采用茹可夫斯基流线型进行测流悬杆横断面设计[2]。有关试验表明，流线型能有效减小水流阻力。

3.2.2流线型悬杆增大抗弯能力原理。以往常用的6分镀锌钢管的圆形断面直径为25mm，设计的流线型悬杆的横断面长70mm，尺寸增大近3倍;最大宽度30mm，比6分镀锌钢管增大5mm。新设计的流线型悬杆通过增大尺寸增大抗弯能力。

3.3技术设计

3.3.1总体设计。总体设计根据技术要求进行，结构见图3。

3.3.2流线型悬杆设计。悬杆横断面外形采用茹可夫斯基流线型，横断面长度70mm，最大宽度30mm，长宽比2.33，悬杆流线型坐标见表1。

表1 流线型悬杆线形坐标

序号 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

悬杆内部采用三根圆形钢管做骨架。前面一根采用外径16mm、壁厚0.75mm不锈钢管。中间一根采用6分镀锌钢管，外径16mm、壁厚2.5mm。后面一根采用12mm、壁厚0.75mm不锈钢管。三根钢管并列焊到一起，每100mm一个焊点，保证水流冲击后不变形。外包板采用2mm厚不锈钢板。悬杆长度按船测悬杆一般使用高度选用4m。在流线型悬杆距下端1.2mm处、垂直于流线型中心面、对应内部6分镀锌管中心设计一直径10mm圆孔，用以安装流速仪基座。此孔向上距底部100mm设计一直径10mm圆孔，用以通过流速仪信号线。安装流速仪基座及流速仪后，以流速仪轴线中心为“零点”，向上刻划标志。1m以下刻划之cm单位，1m以上刻划之10cm单位。

3.3.3流线型夹轮设计。流线型夹轮的作用是夹紧测流悬杆，因此其线形与流线型悬杆线形刚好相反。以夹轮前边沿坐标x=0，中轴线坐标y=0。流线型夹轮中部尺寸由表2数据确定，两端轴直径10mm，与6000-2Z轴承（内径10mm，外径26mm，厚8mm）内孔紧配合安装，其余部分轴径14mm。流线型夹轮设计为长轴与短轴两种形式。长轴形式，总长154mm，一端设计有键槽，可以安装齿轮。短轴形式总长104mm，没有键槽。

3.3.4悬杆控制框设计。悬杆控制框设计分上控制框和下控制框。上控制框除定位悬杆外，还担负升降悬杆的作用。

（1）上控制框。上控制框由方形部分和圆形部分组成。上控制框上部为方形部分，方形边长100mm，厚10mm，高80mm（前后两面高60mm）。前后两面对应各有一圆孔和一方孔，其中圆孔直径32mm，方孔边长40×50mm。圆孔安装6002-2Z轴承（内径15mm，外径32mm，厚9mm），方孔安装方形转动松紧调节块。圆孔边缘加厚4mm，加厚部分外径44mm，内径26mm，用于限制轴承。方形转动松紧调节块边长40mm，厚度10mm，中心有一圆孔，孔径26mm，用于安装6000-2Z轴承（内径10mm，外径262mm，厚8mm），圆孔边缘加厚4mm，加厚部分外径32mm，内径22mm，用于限制轴承。松紧调节块上部设计有3mm宽方槽，用于限制松紧调节块外出。为了能够安装与维护流线型夹紧转轮与相关轴承，方形部分前部面板设计为可拆卸形式，用螺钉固定。上转动框右侧设计了两个圆柱，中间有M10.5圆孔，目的为安装弹簧，对方形松紧调节块进行弹性压紧。设计弹簧长度25mm，直径10mm，选用5种弹簧。设计弹簧装入圆柱中心圆孔中，再用M12螺栓上到合适紧度。上控制框下部为圆形部分。圆形部分上面板为直径140mm园板，中孔直径80mm。两侧伸出两个耳朵，半径20mm，两耳尖距离220mm。上面板下为直径140mm和直径90mm圆管，内孔直径80mm。直径140mm圆管长度40mm，圆管下台面设计与推力轴承上圈板配合。直径90mm圆管长度60mm，可套装推力轴承上圈板。下部等分3个直径8mm圆孔，该部分主要限制上控制框从转动座脱落。（2）下控制框。下控制框主要由一个圆环和伸出的两个耳朵组成，圆环外径92mm，内径80mm，高40mm。耳夹为半圆，半径20mm。两耳尖距离220mm。其中一个耳朵上设计两个直径10mm圆孔，固定“Y”型控制调节架。

3.3.5上下控制框连接设计。上下控制框连接设计为两根1#镀锌管，上下控制框的两个耳朵对应焊接。

3.3.6流线型悬杆水平转动设计。流线型悬杆水平转动为转动框架与转动座间的运动，设计用推力轴承做联系，完成自如转动和耐磨问题。（1）转动座。转动座为圆环形，圆环外径140mm，内径120mm，高70mm。底部有10mm高园圈台，内径100mm。侧面有连接板和转动轴连接。连接板宽60mm，厚20mm。转动轴直径30mm。转动轴距轴端125mm处设计一园孔，孔径10mm。距轴端10mm处设计一园孔，孔径6mm圆环内侧设计与推力轴承下圈板配合。推力轴承下圈板安装在环内园圈台上。（2）推力轴承。推力轴承选用51118-2Z推力球轴承，内径90mm，外径120mm，厚度22mm。

3.3.7流线型悬杆垂直转动设计。流线型悬杆垂直转动设计为悬杆、转动框、转动座同时转动。转动由转动轴、固定套完成。

（1）固定套。固定套设计为长212mm的圆管，中间部分壁厚6mm，两端20mm部分壁厚10mm。两端13mm处各有一圈台，厚3mm。固定套设计两端口内套装6006-6z轴承，内径30mm，外径55mm，厚13mm。轴承安装后，加封板，设计封板厚4mm，用4个M5螺丝紧固。固定套上面设计直径10mm通孔，固定转动轴用。

3.3.8动力系统设计（1）电机选用与基座设计。电机选用交流刹车电机，采用电磁抱闸，内置齿轮减速机。根据电机外形参数设计电机基座为角板结构。平板长229mm，宽90mm。立板宽90mm，高90mm。（2）电机与流线型夹轮动力连接设计。电机与流线型夹轮连接设计为齿轮连接，设计齿轮直径90mm，齿数24，厚度15mm。中心轴孔15mm。（3）调速器选用。调速选用电位器调速。（4）换向。选用励磁线圈电压换向的方式进行电机转动方向换向。（4）控制盒设计。控制盒面板布置电源开关、调速开关和换向开关。

4、现场试验

在潼关水文站测船进行悬杆升降试验，试验证明，靠流线型夹轮及调节弹簧的作用，电机可以带动流线型测流悬杆上下升降运动。

5、结论与建议

（1）水文悬杆测流无拉偏测流架采用茹可夫斯基流线型进行测流悬杆横断面设计，可以减小水流阻力。（2）水文悬杆测流无拉偏测流架采用茹可夫斯基流线型进行测流悬杆横断面设计，顺水流方向的尺寸加大，抗弯强度增大，测验时将不再会被水流严重冲弯。（3）采用茹可夫斯基流线型设计测流悬杆后，悬杆受水流冲击后的变形大幅度减弱，悬杆振动随之也大幅度减弱，对提高测验精度有良好效果。

参考文献

[1]水利部等.河流流量测验规范.北京：中国计划出版社，1993年.第20～21页.

[2]罗惠远，冯小寅.测流铅鱼体形的研究.水文.1982年第5期.第41-45页.

作者简介

魏超（1982-），男，陕西咸阳人，工程师，主要从事水文测验技术研究.