悬沙采样器的设计毕业设计Word格式.docx

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Suspendedsedimentsamplersetofsuctionculvertstructureandparametersaffectthesamplingnozzleinletvelocityisoneofthekeyfactors.Inordertoguaranteetherealandtheaccuracyofsampling,generalrequirementssamplernaturalvelocityinletvelocityclosetotheriver.Thebasicfunctionofthevalveforsedimentsampleristocontrolthewater–inandair-outofthesamplecontainer.Itisoneofthekeycomponentsofthesedimentsamplerandhasgreatinfluenceontheperformanceofthesampler.Basedontheanalysisofcurrentvalveinuse,anewlyelectricalpoweredswivelvalveisdesigned.Experimentsshowthatthenewvalvenotonlymeetstherequirementsofthesedimentsampler,butalsohasbetterreliability.

Keyword:

Sedimentsampler；

Voltageregulation；

Valve；

Sedimentconcentration；

引言

悬沙采样器是为解决泥沙测验问题，原水电部发起并组织大量人力、财力进行的研究，形成LSS、FS、JL-Ⅰ、JL-Ⅱ、等采样器产品，但在与美国的USP61型悬沙采样器进行比测时，发现各有关单位生产研制的通过不同级别技术鉴定的悬沙采样器存在多方面的原因，只能停留在小区域小范围内使用，而不能推广应用。

为了满足准确采样的要求，悬沙采样器的必须满足：

在适用含沙量、水深和流速的情况下，采样器进口流速接近采样器附近水流的天然流速。

若令

，则X必须满足0.9<

X<

1.1时的累积频率大于75%。

采样器开关阀的基本作用是控制采样器采样仓的排气和进水，它是采样器的关键元件之一，对采样器的性能起到决定性的作用。

在每一采样点实施采样之前，必须调节采样仓内的压力，即将采样仓与调压仓联通，使之与采样器进水管咀处的静压力基本平衡，用以保证进行采样时管咀的进水流速与河流的天然流速相接近，同时，为了预防泥沙在进水管管路中发生沉淀，堵塞进水管咀，希望能够形成一条旁通水路，可以实现采样器管嘴的进水被引出采样器，解决进水管咀堵塞问题。

在采样时，采样器管嘴进入的水经过水路流入采样仓，同时采样仓的空气经排气管路被排出采样器。

为确保采样时水流的稳定性，气路和水路不能串通，同时，采样器的采样进水管路应该确保直通，尽可能的减小进水管路的阻力损失。

由于采样器需要长年累月在水下或野外工作，必须要求开关阀重量轻、开关可靠、体积小、耐腐蚀、动作灵活、不卡沙、不睹塞。

最终，实现悬沙采样器操作简单、性能可靠、测量精度高、适应能力强、水力特性好的要求,各项技术指标均达到设计标准,符合《河流悬移质泥沙测验规范》的要求,并可以实现进一步推广应用。

1材料与方法

1.1材料

现有悬沙采样器的实践数据、技术要求及应用中存在的实际问题。

1.2方法

采样器的基本工作原理主要是在波义耳—马略特定律的基础上,利用连通容器的自动调压功能,实现采样器所在测点处的器外静水压力和采样器取样舱的器内压力达到平衡,消除取样初期水样突然灌注的目的；

因此，根据伯努利方程,解决水样流经进水管时的沿程阻力损失问题,保持能量平衡,达到水样进口流速接近天然流速的目的。

通过各项特性试验调试连通管道的技术指标，达到最优的理论效果。

国内悬沙采样器的开关阀是采用不锈钢材料加工制造的电磁滑阀，这种开关阀的基本特征是在圆柱阀芯上开有通气孔和过水孔，通过电磁铁的驱动，使滑阀芯移动，依靠滑阀上左右挡块的定位作用，使阀芯上的阀体上相应的孔与通气孔和过水孔对准，因而形成两条相互独立的通道，实现开关阀的基本功能。

开关阀的粘沙、卡沙是一个普遍问题，对悬沙采样器开关阀进行新型技术的探讨，采用六通开关阀方案进行分析解决现有悬沙采样器的开关阀问题，以期满足悬沙采样器对开关阀的技术要求。

2采样器的总体构造

2.1采样器总体结构及主要组成部分

采样器的结构见图2-1,主要由器体、开关阀、无线控制系统三大部分组成,器体按结构分为管嘴及进水管、器头、器头底盘、水样舱、器身、尾翼等几部分。

采样器按功能可分为调压系统、控制系统及外形部分。

图2-1悬沙采样器的结构图

1.管嘴及进水管道；

2.器头；

3.四通开关阀；

4.器头底盘；

5.流速仪杆；

6.调压舱；

7.悬挂板；

8.控制舱；

9.尾翼；

10.测探指示器舱；

11.锥式采样器固定螺母；

12.器身；

13.水样舱；

14.测深指示器触板；

15.头舱；

2.2采样器控制电路的设计

控制电路设计由四通开关阀驱动电机和采样器控制仪电路两部分的设计组成。

2.2.1　四通开关阀驱动电机设计为使开关阀开闭动作可靠,需要有大扭矩电驱动装置,并且要求重量轻、体积小、开关响应时间短等特点,采样器进水开关阀的专用微型减速电机技术参数见表2-1。

表2-1　微型减速电机技术参数

电压/V

空载电流/mA

空载转速/r/min

额定电流/mA

额定转速/r/min

额定力矩/m/s

13

184

20

482

16

1.3

堵转力矩/m/s

转速比

外形尺寸/mm

安装尺寸/mm

转动方向

289

1.256

42×

53

34×

M2.5

CM/CCM

2.2.2采样器控制仪电路的设计控制仪是由水下控制器和主机组成的,是利用水文测船的起重钢丝绳、水文缆道和地线构成“一线制”形式的通信线路,采用软件数字滤波和锁相环进行半双工数字通信,从而实现对流速的测量和采样的控制。

进行采样时由主机发射“采样命令和采样历时”,水下的控制器接收到命令后打开阀门同时开始计时,此时应答主机显示“采样已开始”,到达采样时间后,水下控制器自动关闭阀门同时应答主机显示“采样已结束”后处于待令状态。

测速时由主机发射“测速命令”,水下控制器接收到命令后，转子式流速仪的导通状态进行检测,当流速仪处于导通状态时发射流速信号,主机检测到流速信号后，对信号进行处理,当测速时间到,主机计算流速同时发射“取消测速命令”,水下控制器接收到命令后禁止流速信号输出,进入待令状态。

电路原理框图见图2-2、图2-3。

图2-2　采样器控制仪的电路原理图

图2-3水下控制电路的原理图

2.3采样器的主要技术指标

（1）江水的含沙量:

0～30kg/；

（2）适用江水的流速:

0.5～5.0m/s；

（3）进口的流速系数X值满足:

含沙量在20kg/以下时,X值为0.9～1.1的保证率≥75%；

含沙量在20～50kg/时,X值为0.7～1.2的保证率≥75%；

（4）电源:

（12±

1.0）V（水下、室内）；

（5）采样时间:

≥3s；

（6）调压历时:

≤5s；

（7）环境温度:

0～+45℃；

（8）适用水深:

1.0～4.0m；

（9）控制信号:

音频；

（10）质量:

（300±

5）kg；

（11）水样舱容积:

2000mL；

（12）双向接收灵敏度:

>

30mV；

（13）仪器总长:

1300mm,器身最大截面直径316mm。

2.4关键结构的性能检测

2.4.1对连通管隔水性能的检测检查采样器在最复杂的使用状况下，快速向下放和向上提过程中头舱与水样舱是否有翻水现象。

在测试过程中，关闭采样器进水管路，在水中快速下放至16m水深处，然后迅速上提，检查头舱、水样筒有无进水。

测试共进行了5次，平均下放速度165m/min，平均上提速度61m/min。

检测结果表明：

头舱、水样舱内无水，连通管无翻水现象，仪器隔水性能良好，满足仪器性能设计要求。

2.5水力特性测试

测试目的是检验采样器进口流速系数、调压历时、开关历时、阻力系数等是否达到设计要求。

2.5.1进口流速系数进口流速系数测试的目的是检测进口流速在不同流速、不同含沙量的条件下是否与天然流速一致，进口流速系数X值是否满足规范要求。

按相关规范。

含沙量在20kg/

以下时，X为0.9～1.1的保证率应不小于75％；

含沙量在20～50kg/

时，为0.7～1.2的保证率应不小于75％。

进口流速系数的公式为：

式中X为进口流速系数；

为流速仪测的天然流速,m/s；

为采样器进水管内的流速，m/s；

为采样器取得的水样体积,mL；

a为进水管嘴孔口面积,

；

T为取样历时,s。

对长江AYX2-1型采样器进口流速系数测试，共获得228点比测资料，含沙量为0.0～12.4kg/

，比测流速范围为0.40～4.92m/s。

进口流速系数X为0.9～1.1的保证率为97.8%．各级进口流速测试统计如表3-1。

进口流速系数与流速的关系见图3-2（图中三角形点为黄河潼关水文站比测的资料），从图3-2中可看出，采样器的进口流速系数X值不随流速大小的变化而变化，水力特性良好。

表3-1进口流速比测试验统计

流速级/（m·

s）

比测点

进口流速保证率/%

<

1.0

36

97.5

1.0～2.0

38

97.8

2.0～3.0

70

94

3.0～4.0

98

>

4.0

合计

235

97.06

V

图3-2X～

关系

2.5.2调压历时试验调压历时计算公式：

式中

为采样器调压历时s；

Wo为采样器调压舱总容积，mL；

为调压管流速系数；

A为调压管路最小切面积；

F（H）为水深函数。

式中H为水深。

T为了确定调压历时，在脉动较小、水流平稳的条件下，将采样器固定在3m水深处分别停留l、3、5s调压，然后打开进水管开关取样10s，同时用流速仪施测流速，计算进口流速系数X值。

若调压效果不好，进口流速系数就会偏大。

经过试验，1s调压历时取得的水量有时稍为偏多，并与采样器进水速度有关，进口流速系数X值偏大。

显然，若调压历时不够，则存在突灌现象，3s和5s调压历时取得水样基本相同。

进口流速系数X值为0.9～1.0