悬沙采样器的设计说明

《悬沙采样器的设计说明》由会员分享，可在线阅读，更多相关《悬沙采样器的设计说明（18页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 .悬沙采样器的设计目 录摘要1关键词1Abstract.1Key word1引言21 材料与方法31.1 材料31.2 方法32 采样器的总体构造32.1 采样器总体结构与主要组成部分32.2 采样器控制电路的设计42.2.1四通开关阀驱动电机设计42.2.2 采样器控制仪电路设计42.3 采样器的主要技术指标52.4 关键结构的性能检测62.4.1 连通管隔水性能检测62.5 水力特性测试62.5.1 进口流速系数62.5.2 调压历时试验72.5.3 阻力系数试验82.5.4 泥沙取样特性试验92.5.5 含沙量比测试验93 悬沙采样器开关阀的技术研究103.1 悬沙采样器开关阀技术动态

2、103.2 新型开关阀设计方案113.3 开关阀的设计结构123.4 驱动控制电路设计144 结论15参考文献：17致1817 / 18悬沙采样器的设计机械电子工程专业学生 韦忠爽指导老师 摘要：悬沙采样器进水管路的结构和集合参数是影响采样器管嘴进口流速的关键因素之一。为保证所采样的真实和准确性，一般要求采样器进口流速可以接近河流的天然流速。同时，悬沙采样器开关阀的基本作用是控制采样仓的进水和排气，是采样器的另一关键元件，并对采样器的性能起决定性作用。因此，在对现行开关阀分析的基础上，设计了一种新型电动旋转开关阀，试验表明，新型开关阀不仅满足悬沙采样器的功能需求，而且大大提高可靠性。关键词：悬

3、沙采样器；调压；开关阀；含沙量； Design of the Sediment SamplerStudent 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

4、 real and the accuracy of sampling, general requirements 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 gre

5、at influence on the performance of the sampler .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

6、；Voltage regulation；Valve； Sediment concentration；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-、JL-、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围使用，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0.9X30mV；(13) 仪器总长:1300mm,器身最大截面直径

7、316 mm。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16 m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165 m/min，平均上提速度61 m/min。检测结果表明：头舱、水样舱无水，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

8、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值是否满足规要求。按相关规。含沙量在20kg/以下时，X为0.91.1的保证率应不小于75；含沙量在2050kg/时，为0.71.2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0.012.4kg/，比测流速围为0.404.92m/s。进口流速系数X为0.91.1的保证率为97.8%各级进口流速测试统计如表3-1。

9、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/(ms)比测点进口流速保证率/%4.03898合计23597.06V0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4流速系数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 （ms）图3-2 X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

10、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一样。进口流速系数X值为0.91.0的保证率为100%，均在容许围，说明调压历时不小于3s是完全能够满足要求的。见

11、表3-2。表3-2 AYX2-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/s mL进口流速/( 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

12、.985132.761114263.081.18142.763113872.791.03152.655113862.761.05注：施测水深为3 m。试验结果为：调压历时1s，X为0.91.1的保证率=60；调压历时3s,X为0.91.1的保证率 =100；调压历时5s，X为0.91.1的保证率=100。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：式中C为阻力系数；g为重力加速度；G为采样器的重力；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，

13、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。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。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

14、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%的围有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

15、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。表3-3 AYX2-1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/%误差不大于10%保证率/%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 -10.656.481.8616

16、12.4 51.8-2.64.9 -9.662.810071616.8 7.00.635.2 -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

17、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。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0.44.92m/s含沙量比测试验（320点）平均标准差为0.0375含沙量0.5392.24kg/3 悬沙采样器开关阀的技术研究

18、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

19、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。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，

20、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

21、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)采用瓷材料：采用结构瓷(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瓷阀门的可靠性，其寿命是钛金属阀的24倍，是蒙乃尔阀的35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，在密封面瓷

22、材料配方中加入防粘结无机非金属材料与瓷基一同烧结，形成有润滑性的瓷材料，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。采样仓旁通出水路采样位置调压位置调压仓进水路排气口图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。 图4-2 阀芯结构轴测图9、1

23、1.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，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，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与阀芯的各密封面。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

24、。阀盖5上的接线柱17、18、19，用于驱动电机的控制电路接线。图4-3 开关阀结构轴测图 1.阀体；2.密封垫；3.减速电机；4.阀芯；5.阀盖；6、7.密封圈；8.螺栓；图4-4 开关阀的装配结构剖面图示意图微电机旋转，通过减速器和齿轮传动驱动阀芯4的动瓷片10绕心轴转动。当大齿轮13上的定位销14与阀盖5上的限位销16接触时，触发控制电路，微电机失电停止转动。此时，静止瓷片9、11上的腰形槽分别与阀芯动片10上的过水孔相对，形成水通道；而静止瓷片9、11上的腰形槽分别与气孔相对时形成气通路。采样器管咀通过阀体1上的水孔、阀芯通路、阀盖进水，通过采样器引水道路流出采样器，形成了进水旁路。而

25、采样仓的空气通过阀盖5的气孔，经过阀芯气路、阀体和连接气管与调压仓连通，以实现采样仓的调压。调压结束，微电机反转，在驱动齿轮13的作用下阀芯4的动瓷片10绕心轴反向转动。当阀盖5上的限位销15与大齿轮13上的定位销14接触时，触发控制电路，微电机失电停止转动。此时，阀芯动片10上的过水孔和通气孔分别与静止瓷片9、11上的水孔和气孔同心，形成两个相互独立的通路：水路和气路。采样器管咀进水通过开关阀水路直通流入采样仓，而采样仓的空气经开关阀的气路排出采样器外。3.4 驱动控制电路设计旋转开关阀阀芯完全依靠微控电机转动。开关阀能否正常工作完全取决于驱动装置能否可靠的工作。驱动电机的控制电路如图4-5

26、。其中，A,B分别与开关阀的地线接线柱和限位销接线柱相接来控制微电机的转停。M为直流电机，K为双刀三位开关，J为常闭微型继电器，额定转速为14r/min，额定电流12V，转速比1:266，额定力矩不小于12.8kg.cm。J图4-5微电机控制电路图该控制电路的控制过程为:当闭合开关K到1的位置时红色发光二极管导通并发光，微控电机带动开关阀阀芯动片正向运转。当定位销与限位销接触时A,B接通，继电器J工作，J开关打开，电机停止转动，采样仓进行采样。当闭合开关K到2位置继电器掉电，恢复到初始状态。当闭合开关K到3位置时绿色发光二极管导通并发光，微控电机带动开关阀阀芯动片反向运转。当定位销与限位销接触

27、时A,B接通时，继电器J工作，J开关打开，电机停止转动，采样仓进行采样。4 结论悬沙采样器管嘴进口流速对采样的真实性和准确性有非常重要的影响，而且采样器进口管路的结构和几何参数是采样器管嘴进口流速的决定性因素，包括管嘴的长度和直径、扩散段的长度、直管段的长度和直径以与采样仓排气口与管嘴中心的高度差。因此，基于采样器进水管路的简化物理模型，建立进口流速的数学模型，并对采样器进口管路的结构参数进行优化。研究结果表明，优化后的管路参数用于新研制的采样器后，在水深040m，天然流速05m/s围，进口流速与天然流速基本一样，效果非常满意。 对悬沙采样器的开关阀进行设计时，新型的旋转开关阀经实验室的功能测

28、试、密封性试验后，进行了下水工作试验。试验结果表明，本新型开关关阀基本解决了长期困绕悬沙采样器粘沙、卡沙和可靠性差的难题，具有良好的推广应用前景。新型开关阀具有以下特点：(1)采用瓷材料制作阀芯，水样中的泥沙颗粒不会在瓷阀芯密封上发生粘结，造成开关阀卡沙。彻底解决了金属圆柱滑阀因泥沙粘结而经常卡死的问题；(2)采用平面硬密封，阀芯瓷片之间的间隙可补偿，密封更可靠，解决了圆柱滑阀阀芯与阀体之间的间隙无法补偿的弊端，避免了阀部通路之间、通路与阀体外界的串通和泄漏现象；(3)采用转阀结构，用低速大扭矩微减速电机驱动阀芯，阀芯转动更灵活、可靠，采样更准确。解决了电磁滑阀因电磁力小，易产生阀芯不动作或动

29、作不到位，从而造成采样器无法采样或采样不准确的问题；(4)开关阀的故障少，使用寿命大大延长。效果非常理想可以进行大围推广应用。参考文献：1肖明葵主编.水力学.：大学，2001：38-42.2长江上游水文水资源勘测局.AYX2-1型调压式悬移质采样器研究技术文件汇编.：长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，2004：65-69.3雷玉勇.AXY2-1型积时悬沙采样器进水管路优化设计J.水文，2005(8)：35-37.4许福玲.液压与气压传动M.：机械工业，2001：56-60.5成大先.机械设计手册M.：化学工业，1993：76-79.6水利电力学院，华东水利学院.水力学M.：人民教育，19

30、80：58-62.7GB939588，水文仪器总技术条件S，1980：78-83.8长办水文局.泥沙测验仪器设备研究成果汇编.电子科技大学，1987:110-116.9萍,学智,林广发. SPOT 卫星影像居民地信息自动提取的决策树方法研究.遥感学报,2003 ,7(4) :309-315.10吴波,良培,平湘.高光谱端元自动提取的迭代分解方法.遥感学报,2005 ,9(3):287-292.11 长江上游水文局.JL-3型悬沙采样器的鉴定资料R，1983：83-87.12尚权，吴卫等.AYX2-1型调压式悬沙采样器的设计与开发,人民长江，2008，39（8）：80-85.13 方彦军，红梅，

31、程瑛.含沙量测量的新进展.水利电力大学学报.1999,32(3):55-5714水利部水文司.1985-1992水文仪器设备研究成果汇编.：电子科技大学，1993：78-86.15衍升.氧化铝瓷与复合材料.：化学工业，2002：96-103.致论文是在导师讲师的悉心指导下完成的，在论文写作的实验设备、实验方案制定以与论文选题、论证和撰写的过程中，得到老师的大力支持和细心指导。论文的字里行间凝聚着老师的心血和对我的期望。大学期间正是在老师的启蒙引领下，我开始接触和走进实验室，开启了我的实践创新之旅，将我引领进另一片多彩世界。老师严谨的治学态度、平易近人的处世作风和独特的人格魅力，所有的这些都深深地影响了我，在此表示最衷心地感！真心的祝愿老师桃满天下！在大学学习期间、论文的前期准备、写作以与最终确定稿件的各阶段也得到我的班主任伟老师的鼓励支持和帮助，老师严谨的治学态度、孜孜不倦、开拓创新的工作作风、平易近人的处世风格使我终身受益，在此谨向我的恩师致以最诚挚的意！ 感在论文材料搜集、整理过程中热心帮忙的同学们，他们对我论文的写作给予了很多帮助，在此，感他们的支持和帮助!同时，在论文筹备写作过程中家人给予我不可缺少的细致周到的照顾，使我能顺利的完成论文写作，在此，感家人对我物质上的帮助和精神上的支持。最后，向所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友表示最真挚的意!