摆线针轮减速器在水文缆道测验中的应用

摘要：主要论述了摆线针轮减速器的特性及在水文测验缆道中应用的具体实例、应用特点、使用效果。  


1   引言
        缆道测流是根据我国国情独创的一种测流方式，特别适用于测流断面容易变化的天然河床的断面面积和平均流速的测量，是目前其它测流方法不可取代的。水文缆道测验本身，是一个复杂空间系的动态变化过程，如缆道弹跳$机械运动惯性，流速的变化等因素都影响流量测验的精度，而且是一个随机变量，把这些主要变量建立成数学模型，编制相应的程序，输入微机，由微机自动运算调整，而得到正确的结果，这样就会大大提高水文测验的精度，又能及时地提供成果资料。
        经过近 50 年的发展，水文测流已形成以缆道测流为主，特别是缆道测流技术，近几年发展迅速，基本可形成标准化建设的条件，如缆道架设已从多样化发展到基本采用开口游轮省力方式；水文绞车已从手摇、皮带联连到滑差调速电动驱动、直流伺服电机驱动到与交流变频调速配套使用的普通交流异步电机驱动绞车；缆道信号从直流有线、交流有线、交流无线和无线电信号发展到缆道综合信号的地回路传输方式；流速测算已从电铃$音响记数和自记计数、计时计数和流速直接测算到直接整算流量成果报表；起点距和入水深测量已从绳结测量、绳长计数测量到具有垂弧度自动修正的实距测量；行车控制也由手动、电动、滑差调速到直流可控硅调速发展到今天的交流变频调速；总的缆道测流系统也由手动到半自动发展到全自动控制测流系统。
        然而无论水文测验缆道发展到什么程度，它的运行机构，也就是水文绞车是必不可少的，就水文缆道本身而言,它是测站进行测流、取沙、测深的一项重要技术装备，它由五大部分组成:一是河道外部硬件,即钢支架或山锚、承载索、地锚、拉线；二是导向循回系统，包括行车架、牵引索、滑轮导向组件、铅鱼等；三是动力系统即水文绞车，它包含循回、升降及制动设备；四是自动控制，防雷系统；五是信号计数装置；六是计算机数据处理系统，这几项缺一不可，相互制约又密切联系，其中水文绞车可以说是缆道的心脏所在，没有运行机构，后续工作无从谈起，由此可见水文绞车在水文缆道测验中占有举足轻重的地位。
       就水文绞车本身而言，它又可以分为手摇绞车，机动绞车，电动绞车，目前使用最多的是电动绞车，同时保留手动部分，电动绞车从结构组成来讲，分五部分：①电动机②减速器部分③分线装置④制动部分⑤计数装置，构成水文绞车五要素，这里减速器种类的选择，适用型号及规格直接影响水文绞车质量的好坏，与缆道测验精度息息相关，如何有效地运用它的性能，从具体工作的实际出发，既满足工作要求，又能保证机械能量有效发挥，同时考虑结构设计的合理，制造及装配的难易，成本的高低，工作寿命的长短等，这是不容易的。为此我们根据多年缆道测验的实践经验，对水文绞车进行多次技术设计与改进，通过测站具体实践，一致认为水文绞车采用摆线针轮减速器这种结构非常适合水文缆道测验工作，它运行平稳，性能稳定，又能频繁起动且正反转，正好满足水文测验的需要。

2   摆线针轮减速器的工作原理
        图 1 为卧式摆线针轮减速器%动力输入轴 17 与偏心套（即转臂）14 相连，为了使机构达到动力平衡，在两段相为差 180-的偏心套上安装两个行星摆线齿轮 4%在传动时，行星摆线齿轮 4 既随转臂 14 一起绕输入轴中心作公转，又绕自己轴线作自转的复合运动%由于它受到固定的中心轮针齿（56）的反作用，于是就绕自身轴线向相反方向作减速回转，并且通过销轴式输出机构（78）将行星摆线齿轮 4 的减速回转运动等速地传给输出轴 9 输出。
                  
   
 3  摆线针轮减速器的特性
   3.1结构紧凑、体积小、重量轻、输入轴和输出轴在同一轴线上，采用电动机与减速器直联，安装更加省事方便。
    3.2 故障少、寿命长，因针齿销可以加套筒，使摆线轮的接触成为滚动摩擦，延长了摆线轮这一重要零件的寿命；同时主要转动啮合件使用轴承钢制造，耐磨性好，摆线轮和针轮间几乎有半数齿同时接触，而且摆线齿和针齿都可以磨削，故运转平稳，噪声小。
    3.3传动效率高，由于该机啮合部位采用了滚动啮合，故效率可达 90%以上。
    3.4对过载和冲击有较强的承受能力，适合于起动频繁和正反向运转。
    3.5 应用广泛，适合各种传动机械中的减速机构。特别是起重、运输、矿山、冶金、化工等领域。
    3.6 摆线针轮减速器的缺点：制造精度要求比较高，否则达不到多齿接触%此外摆线齿的磨削需要专用的机床。
     
4    如何选择摆线针轮减速器
        摆线针轮减速器已属国家标准产品，用途非常广泛，目前市场上销售的此类产品型号规格繁多，现结合黄委会上游水文水资源局水文工作的实际情况，简要叙述选择的方法。
 4.1 首先选择电动机功率
        驱动水文绞车需电动机，功率选择要适当。功率过大，不仅耗电 、附属设备也要相应增大；功率过小，又不能满足生产要求。一般可按下列公式计算：
                      
                     
         根据上述计算参数，便可对摆线针轮减速器的型号进行选择。
       
5   摆线针轮减速器在水文缆道中的应用
       鉴于上述摆线针轮减速器的工作特性，黄委会上游水文水资源局在水文绞车中选用了 XWD-3-5-43 型号减速器，该机为 X 系列卧式结构、减速器与电机直联型、传动比为 43功率 3kW，具有对过载和冲击有较强的承受能力，并适用于启动频繁和正反方向运转的场合。而水文缆道就是通过水文绞车牵引，由交流变频器调速控制系统完成前进、后退、下降、提升等方向无级调速控制，实施水文测验工作。
          图 2 绞车是黄委会上游水文水资源局 1998 年改进使用摆线针轮减速器传动系统图，在所属 6 个水文站自动或半自动缆道测验中陆续投入使用，运行效果达到设计规范要求。
                      

  6   水文测流的发展方向
         随着现代水文的信息化$数字化的高速发展，水文测验中的流量测量也应与水位$雨量的自动化测量一样，实现流量测量的自动化，才能适应全国水文测量的现代化建设，才能满足国家防汛指挥系统的现代化发展的要求。
       流量测量的自动化发展应从缆道测流自动化、测船测流自动化、水力法测流自动化和超声波测流自动化等方面发展。
       由高新技术研制成功的全自动缆道测流系统的建成，推动了缆道测流的进一步发展，使缆道测流成为水文流量测量的重要手段之一，测流精度可达到2%~5%，无须其它借用条件和辅助备，所谓全自动缆道测流，是指由人工现场或远程一次性启动缆道测流装置后，可自动测量水位和全断面的垂线水深和预置测点的流速，并自动计算出断面面积和流量，由于此方法所限，每次测流仍需几十分钟或几小时，故目前无法实现实时自动监测，但可用此方法与水位自动测量组合使用，利用缆道流量法建立短期水位流量关系线，再通过对水位的自动测量实现较高精度的流量自动实时监测。