船載數字化絞車在水文測驗工作中的應用探究

中圖分類號：P335 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0186-04

Abstract:Hydrologicalwinch isanimportanttechnicalequipment equippedonhydrological surveyships，whichhasthe advantagesofsmallsize，easyinstalltion，andsensitiveoperation.Itiswidelyusedinhydrologicalsurveywork.Tradional hydrologicalwincheshaveshortcomingsordefectssuchaslowacuracyinretractionandloading，highfailurerate，andeasy contactwiththebottom.Thisarticlefocusesontheproblemsexistinginthepracticalapplicationofhydrological winches.Starting fromthestructuraldesignofwinches，colectorsandcalibrators，combinedwithhydrologicalmeasurementcases，theaplication advantagesofdigialshipborehydrologicalmeasurementwinchesareanalyzed，aimingtoprovideusefulreferenesforiproving the efficiency and accuracy of hydrological measurement work.

Keywords:ship-borneequipment;digitalization;hydrological testwinch;deviceapplication;devicestructuraldesign

水文絞車是一種常用的水文測驗輔助設備，常常在水文測船或水文纜道上使用，船載水文絞車固定安裝在水文測船機械控制區域，該絞車利用卷揚機卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條提升或牽引重物，可以垂直提升、水平或傾斜牽引，以將水文測驗儀器設備送達指定監測點，其具有自重輕、懸臂長、安裝方便、操作簡單、可靠性強和使用壽命長等優點。在流量測驗工作中，常常采用水文絞車運載多普勒流速剖面儀（ADCP)以獲取斷面面積、水深、流速和流向等水文數據，進而計算斷面流量；在泥沙測驗工作中，可以利用水文絞車將懸移質泥沙采樣器、推移質泥沙采樣器放置于規范要求位置，從而采集到滿足要求的水樣。水文測驗過程中，往往要求測量儀器或采樣設備在水中勻速動態運動，這就要求收放測量儀器設備的水文絞車運行要平穩，不出現亂卷跳動的情況。在卷揚機收放測量設備的過程中，若無排繩和壓繩機構會造成排繩不當，從而導致鋼絲繩發生重疊，進而擾亂整個排繩的效果。傳統的水文絞車吊臂為硬支撐結構，安裝空間要求大，難以滿足靈活收放要求，其滾筒采用多層繞線方式，且每匝鋼絲繩長度差異大，難以保證水文絞車收放鋼絲繩速度。傳統水文絞車沒有設置對重疊翹起的鋼絲繩進行推動復位的機構，影響鋼絲繩的收卷效果，不便于使用者使用，甚至會影響水文儀器的正常工作。數字化水文絞車由操控系統、轉向滑輪、旋轉支臂和電動機械等組成，該絞車利用第一鏈輪、鏈條和第二鏈輪在傳動軸帶動收卷輥轉動的同時帶動往復螺桿轉動，且鏈輪速比和螺桿的螺距及鋼絲繩直徑要相匹配，從而使往復螺桿帶動滑塊往復移動且卷輥每轉動1圈，滑塊也移動鋼絲繩直徑的位移，實現滑塊下端的出繩輪帶動鋼絲繩沿著收卷輥的圓周面均勻排繩，防止鋼絲繩亂卷，以保證鋼絲繩收卷平整。壓繩機構利用轉動柱側壁上的扭簧，使擺動桿向收卷輥擺動，從而使擺動桿帶動壓桿對收卷輥上收卷的鋼絲繩進行緊壓，使鋼絲繩均勻排繩，防止鋼絲繩翹起亂卷，提高鋼絲繩的收卷效率。基于以上考慮，本文提出了一種基于PLC的數字化水文測驗絞車控制系統，旨在解決水文測驗過程中，操作人員對鋼絲繩長度、收放速度的精細化控制，確保儀器設備在水中的勻速動態運動姿態，以提高水文測驗數據的準確性和所采水樣的代表性。

1裝置結構設計

數字化水文測驗絞車裝置由絞車、推移質采集器和校準器組成。

1.1 絞車結構設計

數字化船載水文測驗絞車由PLC控制單元、HMO顯示設定單元、應急控制接觸器單元、旋轉編碼器、變頻器、變頻制定電機、滾筒減速機和角度傳感器組成。其中，HMI顯示器與PLC控制單元連接，用于設定水文測驗絞車控制參數；PLC控制單元和應急控制接觸器單元、變頻器連接，可手動、自動控制電機動作；變頻器與變頻制動電機連接，變頻電機與滾筒減速機相連，帶動滾筒轉動、減速動作。編碼器和角度傳感器用于檢測滾筒工作信號，并將信號發送至PLC控制單元，編碼器監測滾筒減速機狀態信號并發送至PLC控制單元，角度傳感器用于測量絞車鋼絲繩 X 軸向角度，并將檢測角度數據發送至PLC控制單元。PLC控制單元通過對比設定參數和減速機信號、角度傳感器數據，以此實現水文測驗絞車收放長度控制和長度監測

水文測驗絞車控制時，角度傳感器輸出信號為 4～ 20mA ，量程為 -45^°～45^° ，垂直角度信號為 12mA ，對應PLC控制單元內部數據為0\\~32767，由此可計算PLC采集信號與角度關系表示如下。

鋼絲繩人水角度 ?90^° 時，鋼絲繩角度可計算為

當鋼絲繩入水角度小于 90^° 時，鋼絲繩角度計算為

假設水文測驗絞車滾筒直徑為 D1 ，鋼絲繩直徑為D2 ，編碼器計數脈沖為 N 個/圈，編碼器采樣周圍計數脈沖為 M 個 ?/s ，編碼器脈沖計數累計為 A ，則可根據編碼器計數計算。

單圈滾筒鋼絲繩長度 L1 可表示為 L1=π×(D1+ D2)。

脈沖計數對應鋼絲繩長度為 L2=L1/n 。

采樣周期內鋼絲繩收放速凍可表示為 L1=π×(D1+ D2)。

已收、放鋼絲繩長度 L3 可表示為 L3=L2×A 0未觸底下放相對水深為 L4=cosαL3 0

滾筒上鋼絲繩設計通過滑動式軸套將鋼絲繩垂直向上引出，將鋼絲繩固定在水文測驗絞車導向輪上，實現鋼絲繩出繩方向由垂直方向改變為水平方向。再經舞線輪張緊裝置將鋼絲繩放線至折疊吊臂。正常工作情況下，水文絞車控制滾筒正向、反向旋轉實現鋼絲繩收、放控制，編碼器隨滾筒轉動采集脈沖計數。由于脈沖計數為定值，脈沖數對應的滾筒轉動、鋼絲繩收放長度也是定值，因此，通過計數編碼器采集的脈沖數即可監測水文測驗絞車面臨的鋼絲繩收放長度難控制、觸底等問題。

1.2 采集器

水文測驗絞車設計采用大口門推移質采集器，其主要結構為采樣桶，設備前端、后端各設計有前蓋、后蓋，前蓋(如圖1、圖2所示)，后蓋上端均采用鉸接方式與采樣桶連接。采樣桶上方平行安裝2個橫梁板，采樣桶前端焊接豎向支架，豎向支架與橫梁板通過螺栓連接。采樣桶中部上端設計中部支架，支架與采樣桶表面固定裝置通過螺栓連接。中部支架頂部通過轉軸與拉桿中部轉動連接，且2個橫梁板中部設計有觸發板，橫梁板經無頭銷軸與鋼絲繩連接。采集桶前蓋經門控鋼絲穿過連接桿的滑輪、拉桿一端連接，拉桿另一端經門控鋼絲與橫梁板上無頭銷軸連接，后蓋借助門控鋼絲與第3無頭銷軸連接。

采集器人水前，打開采集器前蓋門，并使用拉桿、插銷固定。使用套筒打開后蓋門。當水文測驗絞車下放采集器至河床時，受壓差作用影響，河床水流攜帶推移質進入采集桶內，水自采集桶后蓋排出（如圖3所示），泥沙在水流帶動作用下進入采集桶內，并因水流方向改變和自重影響而沉積在采集桶內。樣品采集完成后，測量人員啟動絞車，由于鋼絲繩連接采集桶上內套擊錘，當絞車提升鋼絲繩時，鋼絲繩提升帶動第1無頭銷軸和第3無頭銷軸脫落，實現采集器前蓋門、后蓋門同時鎖死（如圖4所示）。待采集桶提升出水面后，測驗人員可通過打開前蓋門取出樣品，完成水文測驗工作。由于采集桶前后蓋門均設計有橡膠密封墊，能夠實現在蓋門密閉情況下無滲漏，滿足樣品采集完整性要求。

考慮到水文測驗裝置需應對各種小型河流、船只特殊情況，設計采集器長度為 1.1m ，最大寬度為 0.3m ，容積為 24L 器身外形設計為流線型，以此減小采集器入水、采集阻力。采集器進口門尺寸為 20cm×10cm ，其寬度為 20cm ，顯著大于同類型采集器寬度的 10cm 。采集器重量為同類型裝置的 1/10～1/3 通過小型化采集器，并增加進口門寬度，可降低河床推移質獲取難度，提高水文測驗效率。

采集器進水門前端設計有壓板，可使采集器進口門與河床貼合，能夠減少水流對采集器進口門的沖擊、擾動作用，避免進口門產生明顯的淤泥。采集器出水門位置安裝小型雙尾翼，可起到導向水流、穩定器身的作用，防止采集器在水流帶動作用下出現滑移、翻轉、飄離河床等現象。此外，為滿足不同水文流域、不同采集深度水文測驗采集要求，采集器器身兩側設計有配重結構，可加裝不同重量鉛魚塊，以滿足不同情況下水文測驗采集要求。

1.3校準器

校準器由沉積箱和密封蓋組成，沉積箱呈錐型結構（如圖5所示），沉積箱開口處設計有密封蓋，沉積箱與密封蓋側邊均為弧形。沉積箱兩側距頂邊緣 7cm 處挖長方口，尺寸為 8cm×6cm ，內外層均安裝有小孔徑濾網，確保內外層水壓保持一致，以此減少水流阻力，防止校準器受水流影響而出現偏移、滑動等問題。

在淺水沙質水文測驗時（水深小于 0.6m ，測驗人員啟動水文測驗絞車，將校準器下放至河床中，沉積箱上端口與河床齊平，待河床表面恢復至原狀后，將校準器取出，與采集器同步測驗，驗證采集器采樣結構，并作為水文測驗采集器測驗結果校驗基準。

單位：mm

2 工程實例

以某水文測驗項目為例，測驗河段為某樞紐壩下流15km 河段處，水文斷面布設18個采集器和2個校準器，根據采集器和坑測法獲得水文斷面資料，測驗時間分別為10、20、30和 60min ，測得水文斷面單寬輸沙率范圍為 0～9.93g/s?m_?

水文測驗絞車下放測驗設備時，滾筒直徑為 355mm 鋼絲繩直徑為 6mm ，計數脈沖360個，計算滾筒單圈鋼絲繩長度為 1.13m ，由PLC控制單元計算和控制鋼絲繩收放長度和速度。絞車系統啟動后，PLC控制單元進入