1、 . .PAGE17 / NUMPAGES18 .懸沙采樣器的設計目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc26617 摘要 PAGEREF _Toc26617 1 HYPERLINK l _Toc3130 關鍵詞 PAGEREF _Toc3130 1 HYPERLINK l _Toc15099 Abstract. PAGEREF _Toc15099 1 HYPERLINK l _Toc21018 Key word PAGEREF _Toc21018 1 HYPERLINK l _Toc200 引言 PAGEREF _Toc200 2 HYPERLINK l _Toc1

2、5886 1 材料與方法 PAGEREF _Toc15886 3 HYPERLINK l _Toc31226 1.1 材料 PAGEREF _Toc31226 3 HYPERLINK l _Toc15336 1.2 方法 PAGEREF _Toc15336 3 HYPERLINK l _Toc25145 2 采樣器的總體構造 PAGEREF _Toc25145 3 HYPERLINK l _Toc869 2.1 采樣器總體結構與主要組成部分 PAGEREF _Toc869 3 HYPERLINK l _Toc6712 2.2 采樣器控制電路的設計 PAGEREF _Toc6712 4 HYPE

3、RLINK l _Toc684 2.2.1四通開關閥驅動電機設計 PAGEREF _Toc684 4 HYPERLINK l _Toc30160 2.2.2 采樣器控制儀電路設計 PAGEREF _Toc30160 4 HYPERLINK l _Toc3213 2.3 采樣器的主要技術指標 PAGEREF _Toc3213 5 HYPERLINK l _Toc23337 2.4 關鍵結構的性能檢測6 HYPERLINK l _Toc29191 2.4.1 連通管隔水性能檢測6 HYPERLINK l _Toc13260 2.5 水力特性測試6 HYPERLINK l _Toc28691 2.5

4、.1 進口流速系數6 HYPERLINK l _Toc14440 2.5.2 調壓歷時試驗7 HYPERLINK l _Toc8735 2.5.3 阻力系數試驗8 HYPERLINK l _Toc11847 2.5.4 泥沙取樣特性試驗 PAGEREF _Toc11847 9 HYPERLINK l _Toc14738 2.5.5 含沙量比測試驗 PAGEREF _Toc14738 9 HYPERLINK l _Toc9561 3 懸沙采樣器開關閥的技術研究 PAGEREF _Toc9561 10 HYPERLINK l _Toc8764 3.1 懸沙采樣器開關閥技術動態 PAGEREF _T

5、oc8764 10 HYPERLINK l _Toc28512 3.2 新型開關閥設計方案 PAGEREF _Toc28512 11 HYPERLINK l _Toc28476 3.3 開關閥的設計結構 PAGEREF _Toc28476 12 HYPERLINK l _Toc25020 3.4 驅動控制電路設計 PAGEREF _Toc25020 14 HYPERLINK l _Toc31791 4 結論 PAGEREF _Toc31791 15 HYPERLINK l _Toc15983 參考文獻： PAGEREF _Toc15983 17 HYPERLINK l _Toc19611 致

6、PAGEREF _Toc19611 18懸沙采樣器的設計機械電子工程專業學生 韋忠爽指導老師 摘要：懸沙采樣器進水管路的結構和集合參數是影響采樣器管嘴進口流速的關鍵因素之一。為保證所采樣的真實和準確性，一般要求采樣器進口流速可以接近河流的天然流速。同時，懸沙采樣器開關閥的基本作用是控制采樣倉的進水和排氣，是采樣器的另一關鍵元件，并對采樣器的性能起決定性作用。因此，在對現行開關閥分析的基礎上，設計了一種新型電動旋轉開關閥，試驗表明，新型開關閥不僅滿足懸沙采樣器的功能需求，而且大大提高可靠性。關鍵詞：懸沙采樣器；調壓；開關閥；含沙量； Design of the Sediment SamplerS

7、tudent majoring in Machinery and electronics engineering Tutor Yang GuilinAbstract:Suspended sediment sampler set of suction culvert structure and parameters affect the sampling nozzle inlet velocity is one of the key factors. In order to guarantee the real and the accuracy of sampling, general requ

8、irements sampler natural velocity inlet velocity close to the river.The basic function of the valve for sediment sampler is to control the water in and air-out of the sample container. It is one of the key components of the sediment sampler and has great influence on the performance of the sampler .

9、Based on the analysis of current valve in use ,a newly electrical powered swivel valve is designed. Experiments show that the new valve not only meets the requirements of the sediment sampler , but also has better reliability .Key word:Sediment sampler；Voltage regulation；Valve； Sediment concentratio

10、n；引言懸沙采樣器是為解決泥沙測驗問題，原水電部發起并組織大量人力、財力進行的研究，形成LSS、FS、JL-、JL-、等采樣器產品，但在與美國的USP61型懸沙采樣器進行比測時，發現各有關單位生產研制的通過不同級別技術鑒定的懸沙采樣器存在多方面的原因，只能停留在小區域小圍使用，而不能推廣應用。為了滿足準確采樣的要求，懸沙采樣器的必須滿足：在適用含沙量、水深和流速的情況下，采樣器進口流速接近采樣器附近水流的天然流速。若令，則X必須滿足0.9X30mV；(13) 儀器總長:1300mm,器身最大截面直徑316 mm。2.4關鍵結構的性能檢測2.4.1對連通管隔水性能的檢測檢查采樣器在最復雜的使用狀

11、況下，快速向下放和向上提過程中頭艙與水樣艙是否有翻水現象。在測試過程中，關閉采樣器進水管路，在水中快速下放至16 m水深處，然后迅速上提，檢查頭艙、水樣筒有無進水。測試共進行了5次，平均下放速度165 m/min，平均上提速度61 m/min。檢測結果表明：頭艙、水樣艙無水，連通管無翻水現象，儀器隔水性能良好，滿足儀器性能設計要求。2.5 水力特性測試測試目的是檢驗采樣器進口流速系數、調壓歷時、開關歷時、阻力系數等是否達到設計要求。2.5.1 進口流速系數進口流速系數測試的目的是檢測進口流速在不同流速、不同含沙量的條件下是否與天然流速一致，進口流速系數X值是否滿足規要求。按相關規。含沙量在20

12、kg/以下時，X為0.91.1的保證率應不小于75；含沙量在2050kg/時，為0.71.2的保證率應不小于75。進口流速系數的公式為：式中X為進口流速系數；為流速儀測的天然流速,m/s；為采樣器進水管的流速，m/s；為采樣器取得的水樣體積,mL；a為進水管嘴孔口面積,；T為取樣歷時,s。對長江AYX2-1型采樣器進口流速系數測試，共獲得228點比測資料，含沙量為0.012.4kg/，比測流速圍為0.404.92m/s。進口流速系數X為0.91.1的保證率為97.8%各級進口流速測試統計如表3-1。進口流速系數與流速的關系見圖3-2(圖中三角形點為黃河潼關水文站比測的資料)，從圖3-2中可看出

13、，采樣器的進口流速系數X值不隨流速大小的變化而變化，水力特性良好。表3-1 進口流速比測試驗統計流速級/(ms)比測點進口流速保證率/%4.03898合計23597.06V0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4流速系數X00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.65.05.25.4天然流速 QUOTE （ms）圖3-2 X關系2.5.2 調壓歷時試驗調壓歷時計算公式：式中為采樣器調壓歷時s；Wo為采樣器調壓艙總容積，mL；為調壓管流速系數；A為調壓管路最小切面積；F(

14、H)為水深函數。式中H為水深。T為了確定調壓歷時，在脈動較小、水流平穩的條件下，將采樣器固定在3m水深處分別停留l、3、5s調壓，然后打開進水管開關取樣10s，同時用流速儀施測流速，計算進口流速系數X值。若調壓效果不好，進口流速系數就會偏大。經過試驗，1s調壓歷時取得的水量有時稍為偏多，并與采樣器進水速度有關，進口流速系數X值偏大。顯然，若調壓歷時不夠，則存在突灌現象，3s和5s調壓歷時取得水樣基本一樣。進口流速系數X值為0.91.0的保證率為100%，均在容許圍，說明調壓歷時不小于3s是完全能夠滿足要求的。見表3-2。表3-2 AYX2-l型調壓式懸沙采樣器調壓歷時試驗成果組號點號天然流速/

15、（m/s）歷時/s歷時/s mL進口流速/( m/s)112.871104123.241.1222.883103702.961.0332.965103863.011.01242.761103843.020.9852.973203652.910.9662.765103482.760.97372.89193603.161.1082.893103602.850.9992.655113702.681.014102.891104063.181.10112.983113962.860.97122.895103562.830.985132.761114263.081.18142.763113872.791.

16、03152.655113862.761.05注：施測水深為3 m。試驗結果為：調壓歷時1s，X為0.91.1的保證率=60；調壓歷時3s,X為0.91.1的保證率 =100；調壓歷時5s，X為0.91.1的保證率=100。2.5.3 阻力系數試驗為了減小采樣器在水中受的阻力和懸索偏角，采樣器外形應光滑，近似流線型，盡量減少附加設備，避免產生渦流。阻力系數計算公式為：式中C為阻力系數；g為重力加速度；G為采樣器的重力；為懸索偏角；r為淡水比重；A為采樣器器體平行于水流方向的最大截面積；V為測點流速。試驗結果表明，阻力系數C值隨流速變化，符合一般阻力變化規律，平均阻力系數C值為0.58(由于第3臺

17、樣機改為不銹鋼后，增加了魚形加工難度，局部位置改變了流線形，阻力系數略有增大)，符合設計要求。2.5.4 泥沙取樣特性試驗在對采樣器的泥沙取樣特性進行試驗時，根據操作過程確定試驗方案，分別在長江AYX2-l型采樣器兩側安裝兩個XCL型橫式采樣器(以下簡稱橫式采樣器)，確保長江AYX2-l型采樣器管嘴中心與進水口中心在同一水平線上。2.5.5 含沙量比測試驗含沙量測試主要是對長江AYX2-1型采樣器與橫式采樣器的測驗效果進行比較。比測時，首先用一個橫式采樣器取樣，其次再用長江AYX2-l型采樣器取樣，最后再用另一個橫式采樣器取樣。將每次測取的20個水樣進行含沙量的對比分析，對其中的8個水樣進行顆

18、粒級配對比。在長江干流朱沱水文站l0次試驗160個對比組(320點)、黃河干流潼關水文站2次試驗30個對比組(60點)含沙量測試中，有11次系統誤差為正值，1次為負值，系統誤差分別為：1.4%、1.0%、0.2%、3.0%、-2.4%、0.6%、4.5%、3.7%、3.9%、2.3%、4.3%，說明橫式采樣器與長江AYX2-1型采樣器相比，測得含沙量系統偏小(符合JX型、JL3型采樣器試驗結論)，并且得到的誤差較小。從12次測試結果中看，系統誤差在大于3%的圍有4次均系洪峰前比測的資料說明橫式采樣器受泥沙脈動影響效果明顯，平均系統誤差為+1.98%，說明長江AYX2-1型采樣器采集的沙樣精度比

19、橫式采樣器要高，代表性相對要好，含沙量比測結果見表3-3。表3-3 AYX2-1型調壓式懸沙采樣器含沙量比測結果施測號總數數/個系統誤差/%誤差不大于5%保證率/%誤差不大于10%保證率/%11636.0 14.31.419.3 -3.576.010021646.0 30.61.009.8 -7.837.510031634.2 15.81.3012.2 -8.281.393.641625.3 22.40.196.9 -6.875.210051669.6 22.03.0217.6 -10.656.481.861612.4 51.8-2.64.9 -9.662.810071616.8 7.00.6

20、35.2 -2.893.910081688.6 16.84.8028.9 -5.850.381.691681.6 21.83.8015.0 -11.656.375.6101670.6 7.64.0111.8 -7.856.688.6111573.2 7.34.3015.8 -3.866.893.3121543.5 9.42.504.5 -4.266.793.324.36779.8930.6平均值2.0364.9877.55對采樣器關鍵結構的性能檢測結果進行綜合統計分析如表3-4。由試驗數據可知，采樣器的連通管隔水性效果理想，采樣器調壓功能、開關歷時因素影響、阻力系數的測評、進口流速系數、含沙量

21、比測等達到采樣器的相關技術要求。表3-4 各試驗項目統計結果項目名稱試驗效果說明連通管隔水性能試驗（5組）不漏水采樣器下放平均速度165m/min調壓歷時試驗（15次）3s，符合要求1s時進口流速系數X=1.11；3s時X=0.99；5s時X=1.00阻力系數試驗（15次）平均0.58(1.0）開關歷時因素試驗（70次）平均X=0.983進口流速系數X（213點）平均X=0.99流速0.44.92m/s含沙量比測試驗（320點）平均標準差為0.0375含沙量0.5392.24kg/3 懸沙采樣器開關閥的技術研究3.1 懸沙采樣器開關閥技術動態目前用開關閥的懸沙采樣器在國外的種類有很多種，但往往

22、都存在很多的弊端。美國P61系列的懸沙采樣器采用旋轉開關閥，其結構特征為在圓柱(有錐度)閥芯的兩個截面上分別開有兩排直孔，閥體上開有5個通口。閥芯通過力矩馬達驅動進行轉動，同時使閥體上的通氣孔和過水孔分別與閥芯上的通氣孔和過水孔對正，進而實現氣路和水路的開閉，達到采樣器調壓和采樣的目的。其缺點是：(1) 加工精度要求高；(2) 進水管咀易堵塞；(3) 閥芯容易粘沙；(4) 閥芯容易卡沙。國懸沙采樣器的電磁滑閥是采用不銹鋼材料加工制造，其特征是在圓柱閥芯上開有通氣孔和過水孔，用電磁鐵驅動滑閥芯移動，依靠滑閥上左右擋塊的定位作用，使閥體上相應的孔與閥芯上的通氣孔和過水孔對準，從而形成兩條相互獨立的

23、通道，實現開關閥的過水通氣功能。這種閥結構存在一些致命缺陷：(1) 閥芯的動作不可靠。(2) 閥芯運動阻力大。(3) 閥芯容易卡死。(4) 密封不可靠。從使用情況看，開關閥的卡沙、粘沙是一個普遍問題。這一問題使采樣器在采樣時進水流道(或排氣通道)局部變窄甚至關斷，從而大大增加采樣器進口流速與天然流速的誤差，其結果就是所采水樣與實際遠遠不符，出現垃圾采樣數據，造成信息不準，可能給水文水資源預報帶來很多不良后果。3.2 新型開關閥設計方案通過分析現有懸沙采樣器開關閥的問題，參考多方面因素提出了六通開關閥的設計方案，如圖4-1所示。它有兩個工作位置：一是調壓位置，二是采樣位置。在調壓位置，開關閥將調

24、壓倉與采樣倉聯通，以提高水樣倉的壓力，使之與取樣進水管咀處的靜壓力基本平衡；同時，進水由開關閥引出采樣器體外，進而形成通路，防止進水管咀的睹塞；另一方面，水樣倉與排氣口被開關閥隔斷，有效防止河水經排氣口倒灌進水樣倉。到達采樣位置后，開關閥同時將采樣水倉與排氣管和進水管聯通，而將水樣倉與調壓倉隔斷。此時，天然水樣經進水路、開關閥進入水樣倉，同時采樣水倉的空氣經排氣口排出采樣器外，完成采樣。針對一系列關鍵問題本設計提出了以下解決方案：(1) 采用大扭矩驅動機構：特別設計研制出大傳動比(1：532)減速機構，驅動轉矩大(12V直流驅動)，從而保證閥的可靠性動作。此外，通過對采樣器進口流速的動態仿真和

25、數學建模，優化采樣器開關閥流道幾何尺寸，確保采樣器進口流速接近河流天然流速； (2)采用瓷材料：采用結構瓷(鋼玉，主要成分三氧化二鋁) 耐腐蝕、耐熱、耐磨、機械強度好?？梢詷O大的提高這種瓷閥門的可靠性，其壽命是鈦金屬閥的24倍，是蒙乃爾閥的35倍，是普通金屬閥的20倍以上；(3) 采用新的閥心結構形式：采用片式轉閥結構，平面硬密封，密封可靠；與圓柱面密封相比，閥芯的運動路徑短，密封效果更好，且具有磨損后自動補償間隙功能，使用更可靠； (4) 閥芯的慣性小、重量輕；采用新工藝：為了防止粘沙、卡沙、結垢，在密封面瓷材料配方中加入防粘結無機非金屬材料與瓷基一同燒結，形成有潤滑性的瓷材料，保證密封面不

26、粘沙、不結垢、不卡沙，而且具有優良的防粘結性。采用高新特種材料和特種制造工藝，徹底解決進水閥粘沙、卡沙和可靠性問題。采樣倉旁通出水路采樣位置調壓位置調壓倉進水路排氣口圖4-1 采樣器進水開關閥通路3.3 開關閥的設計結構圖4-2是閥芯結構軸測圖。其中瓷片10的外圓周上嵌套有大齒輪13，二者通過鍵齒和鍵槽周向定位和傳遞扭矩，臺肩對齒輪進行軸向定位，通過粘結技術將瓷片10與大齒輪13裝配成整體。大齒輪13上有定位銷(圖中未標出)。心軸12穿過瓷片9、10、11的中心孔，一起組成閥芯。 圖4-2 閥芯結構軸測圖9、11.閥芯靜片；10.閥芯動片；12.心軸；13.大齒輪；圖4-3是旋轉開關閥結構軸測

27、圖。閥芯4裝入閥體的座孔中。瓷片9圓周上的鍵齒插入閥體1的鍵槽，進行周向定位；閥體與瓷片9之間有密封圈。瓷片11裝入閥蓋5的座孔中，其圓周上的鍵齒插入閥蓋5的鍵槽，進行周向定位；閥蓋5與瓷片11之間有密封圈6。用四顆螺釘將減速電機3安裝在閥體11上，其輸出小齒輪與閥芯4上的大齒輪11進行嚙合，構成外嚙合圓柱齒輪傳動。由螺栓7連接閥蓋與閥體，同時壓緊閥體與閥蓋的密封墊以與閥芯的各密封面。兩顆限位銷15、16在閥蓋5上（見圖4-4），大齒輪13上的定位銷14在兩顆限位銷之間轉動，用于定位閥芯瓷片10的位置和轉動角度。閥蓋5上的接線柱17、18、19，用于驅動電機的控制電路接線。圖4-3 開關閥結構

28、軸測圖 1.閥體；2.密封墊；3.減速電機；4.閥芯；5.閥蓋；6、7.密封圈；8.螺栓；圖4-4 開關閥的裝配結構剖面圖示意圖微電機旋轉，通過減速器和齒輪傳動驅動閥芯4的動瓷片10繞心軸轉動。當大齒輪13上的定位銷14與閥蓋5上的限位銷16接觸時，觸發控制電路，微電機失電停止轉動。此時，靜止瓷片9、11上的腰形槽分別與閥芯動片10上的過水孔相對，形成水通道；而靜止瓷片9、11上的腰形槽分別與氣孔相對時形成氣通路。采樣器管咀通過閥體1上的水孔、閥芯通路、閥蓋進水，通過采樣器引水道路流出采樣器，形成了進水旁路。而采樣倉的空氣通過閥蓋5的氣孔，經過閥芯氣路、閥體和連接氣管與調壓倉連通，以實現采樣倉

29、的調壓。調壓結束，微電機反轉，在驅動齒輪13的作用下閥芯4的動瓷片10繞心軸反向轉動。當閥蓋5上的限位銷15與大齒輪13上的定位銷14接觸時，觸發控制電路，微電機失電停止轉動。此時，閥芯動片10上的過水孔和通氣孔分別與靜止瓷片9、11上的水孔和氣孔同心，形成兩個相互獨立的通路：水路和氣路。采樣器管咀進水通過開關閥水路直通流入采樣倉，而采樣倉的空氣經開關閥的氣路排出采樣器外。3.4 驅動控制電路設計旋轉開關閥閥芯完全依靠微控電機轉動。開關閥能否正常工作完全取決于驅動裝置能否可靠的工作。驅動電機的控制電路如圖4-5。其中，A,B分別與開關閥的地線接線柱和限位銷接線柱相接來控制微電機的轉停。M為直流

30、電機，K為雙刀三位開關，J為常閉微型繼電器，額定轉速為14r/min，額定電流12V，轉速比1:266，額定力矩不小于12.8kg.cm。J圖4-5微電機控制電路圖該控制電路的控制過程為:當閉合開關K到1的位置時紅色發光二極管導通并發光，微控電機帶動開關閥閥芯動片正向運轉。當定位銷與限位銷接觸時A,B接通，繼電器J工作，J開關打開，電機停止轉動，采樣倉進行采樣。當閉合開關K到2位置繼電器掉電，恢復到初始狀態。當閉合開關K到3位置時綠色發光二極管導通并發光，微控電機帶動開關閥閥芯動片反向運轉。當定位銷與限位銷接觸時A,B接通時，繼電器J工作，J開關打開，電機停止轉動，采樣倉進行采樣。4 結論懸沙

31、采樣器管嘴進口流速對采樣的真實性和準確性有非常重要的影響，而且采樣器進口管路的結構和幾何參數是采樣器管嘴進口流速的決定性因素，包括管嘴的長度和直徑、擴散段的長度、直管段的長度和直徑以與采樣倉排氣口與管嘴中心的高度差。因此，基于采樣器進水管路的簡化物理模型，建立進口流速的數學模型，并對采樣器進口管路的結構參數進行優化。研究結果表明，優化后的管路參數用于新研制的采樣器后，在水深040m，天然流速05m/s圍，進口流速與天然流速基本一樣，效果非常滿意。 對懸沙采樣器的開關閥進行設計時，新型的旋轉開關閥經實驗室的功能測試、密封性試驗后，進行了下水工作試驗。試驗結果表明，本新型開關關閥基本解決了長期困繞

32、懸沙采樣器粘沙、卡沙和可靠性差的難題，具有良好的推廣應用前景。新型開關閥具有以下特點：(1)采用瓷材料制作閥芯，水樣中的泥沙顆粒不會在瓷閥芯密封上發生粘結，造成開關閥卡沙。徹底解決了金屬圓柱滑閥因泥沙粘結而經?？ㄋ赖膯栴}；(2)采用平面硬密封，閥芯瓷片之間的間隙可補償，密封更可靠，解決了圓柱滑閥閥芯與閥體之間的間隙無法補償的弊端，避免了閥部通路之間、通路與閥體外界的串通和泄漏現象；(3)采用轉閥結構，用低速大扭矩微減速電機驅動閥芯，閥芯轉動更靈活、可靠，采樣更準確。解決了電磁滑閥因電磁力小，易產生閥芯不動作或動作不到位，從而造成采樣器無法采樣或采樣不準確的問題；(4)開關閥的故障少，使用壽命大大延長。效果非常理想可以進行大圍推廣應用。參考文獻：1肖明葵主編.水力學.：大學，2001：38-42.2長江上游水文水資源勘測局.AYX2-1