悬沙采样器的设计文档格式.docx
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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。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
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。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
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。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
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；
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
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。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
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。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
信号发射电路
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
图2-2 采样器控制仪的电路原理图
四通阀门
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
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%；
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
（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。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
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：
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
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,颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
；
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。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
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。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
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
天然流速
（m·
图3-2X～
关系挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
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。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
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的保证率为100%，均在容许范围内，说明调压历时不小于3s是完全能够满足要求的。
见表3-2。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
表3-2AYX2-l型调压式悬沙采样器调压历时试验成果
组号
点号
天然流速/
（m/s）
历时/s历时/smL
进口流速/
（m/s）
1
2.87
10
412
3.24
1.12
2
2.88
3
370
2.96
1.03
5
386
3.01
1.01
4
2.76
384
3.02
0.98
2.97
365
2.91
0.96
6
348
0.97
7
2.89
9
360
3.16
1.10
8
2.85
0.99
2.65
11
2.68
406
3.18
2.98
396
2.86
12
356
2.83
426
3.08
1.18
14
387
2.79
15
1.05
注：
施测水深为3m。
试验结果为：
调压历时1s，X为0.9～1.1的保证率
=60％；
调压历时3s,X为0.9～1.1的保证率
=100％；
调压历时5s，X为0.9～1.1的保证率
=100％。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
2.5.3阻力系数试验
为了减小采样器在水中受的阻力和悬索偏角，采样器外形应光滑，近似流线型，尽量减少附加设备，避免产生涡流。
阻力系数计算公式为：
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
式中C为阻力系数；
g为重力加速度；
G为采样器的重力；
θ为悬索偏角；
r为淡水比重；
A为采样器器体平行于水流方向的最大截面积；
V为测点流速。
试验结果表明，阻力系数C值随流速变化，符合一般阻力变化规律，平均阻力系数C值为0.58（由于第3台样机改为不锈钢后，增加了鱼形加工难度，局部位置改变了流线形，阻力系数略有增大），符合设计要求。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
2.5.4泥沙取样特性试验在对采样器的泥沙取样特性进行试验时，根据操作过程确定试验方案，分别在长江AYX2-l型采样器两侧安装两个XCL型横式采样器（以下简称横式采样器），确保长江AYX2-l型采样器管嘴中心与进水口中心在同一水平线上。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
2.5.5含沙量比测试验含沙量测试主要是对长江AYX2-1型采样器与横式采样器的测验效果进行比较。
比测时，首先用一个横式采样器取样，其次再用长江AYX2-l型采样器取样，最后再用另一个横式采样器取样。
将每次测取的20个水样进行含沙量的对比分析，对其中的8个水样进行颗粒级配对比。
在长江干流朱沱水文站l0次试验160个对比组（320点）、黄河干流潼关水文站2次试验30个对比组（60点）含沙量测试中，有11次系统误差为正值，1次为负值，系统误差分别为：
1.4%、1.0%、0.2%、3.0%、-2.4%、0.6%、4.5%、3.7%、3.9%、2.3%、4.3%，说明横式采样器与长江AYX2-1型采样器相比，测得含沙量系统偏小（符合JX型、JL3型采样器试验结论），并且得到的误差较小。
从12次测试结果中看，系统误差在大于3%的范围内有4次．均系洪峰前比测的资料．说明横式采样器受泥沙脉动影响效果明显，平均系统误差为+1.98%，说明长江AYX2-1型采样器采集的沙样精度比横式采样器要高，代表性相对要好，含沙量比测结果见表3-3。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
表3-3AYX2-1型调压式悬沙采样器含沙量比测结果
施测号
总数
数/个
系统误差/
%
误差不大于±
5%
保证率/%
10%
36.014.3
1.41
9.3-3.5
76.0
100
46.030.6
1.00
9.8-7.8
37.5
34.215.8
1.30
12.2-8.2
81.3
93.6
25.322.4
0.19
6.9-6.8
75.2
69.622.0
17.6-10.6
56.4
81.8
12.451.8
-2.6
4.9-9.6
62.8
16.87.0
0.63
5.2-2.8
93.9
88.616.8
4.80
28.9-5.8
50.3
81.6
81.621.8
3.80
15.0-11.6
56.3
75.6
70.67.6
4.01
11.8-7.8
56.6
88.6
73.27.3
4.30
15.8-3.8
66.8
93.3
43.59.4
2.50
4.5-4.2
66.7
∑
24.36
779.8
930.6
平均值
2.03
64.98
77.55
对采样器关键结构的性能检测结果进行综合统计分析如表3-4。
由试验数据可知，采样器的连通管隔水性效果理想，采样器调压功能、开关历时因素影响、阻力系数的测评、进口流速系数、含沙量比测等达到采样器的相关技术要求。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
表3-4各试验项目统计结果
项目名称
试验效果
说明
连通管隔水性能试验（5组）
不漏水
采样器下放平均速度165m/min
调压历时试验（15次）
≥3s，符合要求
1s时进口流速系数X=1.11；
3s时X=0.99；
5s时X=1.00
阻力系数试验（15次）
平均0.58（<
1.0）
开关历时因素试验（70次）
平均X=0.983
进口流速系数X（213点）
平均X=0.99
流速0.4～4.92m/s
含沙量比测试验（320点）
平均标准差为0.0375
含沙量0.539～2.24kg/
3悬沙采样器开关阀的技术研究
3.1悬沙采样器开关阀技术动态
目前用开关阀的悬沙采样器在国内外的种类有很多种，但往往都存在很多的弊端。
美国P61系列的悬沙采样器采用旋转开关阀，其结构特征为在圆柱（有锥度）阀芯的两个截面上分别开有两排直孔，阀体上开有5个通口。
阀芯通过力矩马达驱动进行转动，同时使阀体上的通气孔和过水孔分别与阀芯上的通气孔和过水孔对正，进而实现气路和水路的开闭，达到采样器调压和采样的目的。
其缺点是：
（1）加工精度要求高；
（2）进水管咀易堵塞；
（3）阀芯容易粘沙；
（4）阀芯容易卡沙。
国内悬沙采样器的电磁滑阀是采用不锈钢材料加工制造，其特征是在圆柱阀芯上开有通气孔和过水孔，用电磁铁驱动滑阀芯移动，依靠滑阀上左右挡块的定位作用，使阀体上相应的孔与阀芯上的通气孔和过水孔对准，从而形成两条相互独立的通道，实现开关阀的过水通气功能。
这种阀结构存在一些致命缺陷：
（1）阀芯的动作不可靠。
（2）阀芯运动阻力大。
（3）阀芯容易卡死。
（4）密封不可靠。
从使用情况看，开关阀的卡沙、粘沙是一个普遍问题。
这一问题使采样器在采样时进水流道（或排气通道）局部变窄甚至关断，从而大大增加采样器进口流速与天然流速的误差，其结果就是所采水样与实际远远不符，出现垃圾采样数据，造成信息不准，可能给水文水资源预报带来很多不良后果。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
3.2新型开关阀设计方案
通过分析现有悬沙采样器开关阀的问题，参考多方面因素提出了六通开关阀的设计方案，如图4-1所示。
它有两个工作位置：
一是调压位置，二是采样位置。
在调压位置，开关阀将调压仓与采样仓联通，以提高水样仓内的压力，使之与取样进水管咀处的静压力基本平衡；
同时，进水由开关阀引出采样器体外，进而形成通路，防止进水管咀的睹塞；
另一方面，水样仓与排气口被开关阀隔断，有效防止河水经排气口倒灌进水样仓。
到达采样位置后，开关阀同时将采样水仓与排气管和进水管联通，而将水样仓与调压仓隔断。
此时，天然水样经进水路、开关阀进入水样仓，同时采样水仓的空气经排气口排出采样器外，完成采样。
针对一系列关键问题本设计提出了以下解决方案：
（1）采用大扭矩驱动机构：
特别设计研制出大传动比（1：
532）减速机构，驱动转矩大（12V直流驱动），从而保证阀的可靠性动作。
此外，通过对采样器进口流速的动态仿真和数学建模，优化采样器开关阀流道几何尺寸，确保采样器进口流速接近河流天然流速；
（2）采用陶瓷材料：
采用结构陶瓷（钢玉，主要成分三氧化二铝）耐腐蚀、耐热、耐磨、机械强度好。
可以极大的提高这种陶瓷阀门的可靠性，其寿命是钛金属阀的2～4倍，是蒙乃尔阀的3～5倍，是普通金属阀的20倍以上；
（3）采用新的阀心结构形式：
采用片式转阀结构，平面硬密封，密封可靠；
与圆柱面密封相比，阀芯的运动路径短，密封效果更好，且具有磨损后自动补偿间隙功能，使用更可靠；
（4）阀芯的惯性小、重量轻；
采用新工艺：
为了防止粘沙、卡沙、结垢，在密封面陶瓷材料配方中加入防粘结无机非金属材料与陶瓷基一同烧结，形成有润滑性的陶瓷材料，保证密封面不粘沙、不结垢、不卡沙，而且具有优良的防粘结性。
采用高新特种材料和特种制造工艺，彻底解决进水阀粘沙、卡沙和可靠性问题。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
排气口
图4-1采样器进水开关阀通路
3.3开关阀的设计结构
图4-2是阀芯结构轴测图。
其中瓷片10的外圆周上嵌套有大齿轮13，二者通过键齿和键槽周向定位和传递扭矩，台肩对齿轮进行轴向定位，通过粘结技术将瓷片10与大齿轮13装配成整体。
大齿轮13上有定位销（图中未标出）。
心轴12穿过瓷片9、10、11的中心孔，一起组成阀芯。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
图4-2阀芯结构轴测图
9、11.阀芯静片；
10.阀芯动片；
12.心轴；
13.大齿轮；
图4-3是旋转开关阀结构轴测图。
阀芯4装入阀体的座孔中。
瓷片9圆周上的键齿插入阀体1的键槽内，进行周向定位；
阀体与瓷片9之间有密封圈。
瓷片11装入阀盖5的座孔中，其圆周上的键齿插入阀盖5的键槽内，进行周向定位；
阀盖5与瓷片11之间有密封圈6。
用四颗螺钉将减速电机3安装在阀体11上，其输出小齿轮与阀芯4上的大齿轮11进行啮合，构成外啮合圆柱齿轮传动。
由螺栓7连接阀盖与阀体，同时压紧阀体与阀盖的密封垫以及阀芯的各密封面。
两颗限位销15、16在阀盖5上（见图4-4），大齿轮13上的定位销14在两颗限位销之间转动，用于定位阀芯瓷片10的位置和转动角度。
阀盖5上的接线柱17、18、19，用于驱动电机的控制电路接线。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
图4-3开关阀结构轴测图
1.阀体；
2.密封垫；
3.减
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