林小星

（廣西壯族自治區(qū)水文水資源局，廣西 南寧 530023）

0 引言

水文流量測驗有很多方式，如跨河纜道、超聲波、雷達(dá)、水工等技術(shù)方式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)[1]。其中水文纜道流量測驗方式具有應(yīng)用技術(shù)成熟，設(shè)施投資較小，運(yùn)行費(fèi)用低，操作人員較少，生產(chǎn)環(huán)境安全等優(yōu)點(diǎn)。但這種纜道設(shè)施需要建設(shè)纜道房、鉛魚循環(huán)索、起重索或配重系統(tǒng)，還要提供三相交流電源，將設(shè)備安裝在纜道房中才能形成完整的生產(chǎn)能力。在現(xiàn)實環(huán)境中，如果沒有專人看守纜道設(shè)施設(shè)備，極容易被人為破壞，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，每個測站要建立圍墻，增派或委托人員長期值守，增加人工、管理成本，形成駐測的模式，客觀上阻礙了水文巡測方式的推廣，不利于水文測驗方式的改革。

我國水文站網(wǎng)測驗發(fā)展改革大方向是大量發(fā)展巡測水文站，為此，研發(fā)一種新型水文巡測遙控纜道設(shè)備（以下簡稱纜道設(shè)備），可以到測站現(xiàn)場安裝，應(yīng)具有重量輕、體積小、無循環(huán)索、遙控操作、運(yùn)輸方便、使用安全、測驗準(zhǔn)確、價格合理、運(yùn)行費(fèi)低、適用輕型車輛運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，可以在測驗完成后運(yùn)回基地保管。

1 纜道設(shè)備設(shè)計需考慮的主要問題

新型水文巡測遙控纜道設(shè)備是機(jī)械、電子測驗、計算機(jī)、無線電、水文專業(yè)等多種實用技術(shù)的集成。在設(shè)計時，需要研究解決幾個主要方面的問題，確定設(shè)計目標(biāo)的基本原則，將各種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，創(chuàng)新觀念，實現(xiàn)設(shè)備的功能。

1.1 設(shè)備應(yīng)便于運(yùn)輸

目前，國內(nèi)水文系統(tǒng)的交通工具主要是越野車和皮卡車，從通往交通最困難的水文巡測站的道路考慮，設(shè)計主要考慮利用越野車的后廂空間進(jìn)行運(yùn)輸，車廂內(nèi)部空間約為：寬度 1 200 mm，前后空間650 mm，高度 1 400 mm。纜道設(shè)備包括主機(jī)、電池、鉛魚、流速儀、遙控器箱、工具箱，為了給后備廂留下盡可能多的空間，設(shè)備及工具的總質(zhì)量應(yīng)控制在 200 kg 以內(nèi)。

1.2 跨河設(shè)施的簡化及防盜

為了簡化跨河設(shè)施，設(shè)計的纜道設(shè)備可取消循環(huán)索和纜道房，主要由支柱、主索、信號地線、主機(jī)、鉛魚、遙控器組成，兩岸支柱宜采用自重式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，將鋼絲繩主索的端頭設(shè)計在較安全的地方。

1.3 行車與主機(jī)的連接固定

在巡測時，方便安裝測驗設(shè)備是十分必要的，水文遙控巡測纜道的主機(jī)與主索上的行車連接是這項技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。要求將主機(jī)吊上高空與安裝在主索上的行車連接、固定，傳動水平驅(qū)動的動力給行車。在流量測驗作業(yè)完成后，可以方便地松開連接機(jī)構(gòu)，將主機(jī)下降到地面。

基本方案是采用直流永磁電機(jī)（增加機(jī)械抱閘）和大速比的減速機(jī)組成升降絞車，由結(jié)構(gòu)定位銷將主機(jī)與行車連接定位并自鎖，通過行程開關(guān)、力矩耦合器限制絞車的拉力，防止主機(jī)連接鋼絲繩斷裂，這是關(guān)鍵技術(shù)之一。要求最大升降距離10～20 m，升降速度為 5～20 cm/s，起重質(zhì)量大于150 kg。

1.4 鉛魚、行車定位及水下測驗信號處理方式

纜道測驗過程中的鉛魚定位，包括水平和垂直2 種運(yùn)動，水平運(yùn)動的測量精度為 10 cm，垂直運(yùn)動的測量精度要求是 1 cm。水平距離和垂直升降傳感器均設(shè)置在獨(dú)立的傳感輪上，以防止行車打滑或起重過程因鋼絲繩疊繞產(chǎn)生過大的誤差，提高測量精度。

水下信號通過鉛魚起重索、主機(jī)、行車、主索與岸邊地線形成的信號回路進(jìn)行傳輸，采用水文傳統(tǒng)的無線方式。主張采用抗干擾性能良好的雙音頻信號檢測處理技術(shù)，傳輸 3 種信號：水面、河底和流速儀信號。

要重視岸邊信號地線的正規(guī)建設(shè)，保證信號回路的傳輸效率和長期穩(wěn)定性。

1.5 電源系統(tǒng)的選擇

水文纜道每次作業(yè)時間不會很長，可以選擇充電電池，最好使用 60 V 鋰電池組，電池質(zhì)量只有幾 kg。由于電機(jī)的暫載率（電機(jī)工作時間與不工作時間之比）低，所以，可以工作較長時間。

1.6 維修及標(biāo)準(zhǔn)化

在保證功能的同時，要充分考慮維修的問題，包括作業(yè)維修的空間、配件供應(yīng)及更換的問題，盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)件，這樣有利于降低成本和維修費(fèi)用。設(shè)計時可以將設(shè)備分檔，提供不同起重級別的設(shè)備。

1.7 鉛魚質(zhì)量的減輕

由于設(shè)備沒有循環(huán)索，在選擇鉛魚質(zhì)量時，不用考慮鉛魚在最大跨河距離時循環(huán)索自重產(chǎn)生的平衡質(zhì)量的問題。只需計算鉛魚質(zhì)量和水流沖擊產(chǎn)生的偏角問題，在考慮安全系數(shù)的因素下，應(yīng)用直徑較小的鉛魚升降鋼絲繩，可以大大減輕設(shè)備的自重和電機(jī)功率。

1.8 應(yīng)用范圍擴(kuò)展

應(yīng)考慮和走航式 ADCP、雷達(dá)測流系統(tǒng)及其他新型測驗設(shè)備的配套應(yīng)用，以滿足新型測驗設(shè)備所需的安裝平臺的要求。

2 纜道設(shè)備的設(shè)計思路

2.1 方案的選擇

巡測纜道可以采用不同的方案來實現(xiàn)。方案 1：保留循環(huán)索及起重索系統(tǒng)滑輪，鉛魚一直掛在主索上，在巡測時將驅(qū)動控制設(shè)備安裝在支柱的一側(cè)，驅(qū)動循環(huán)、起重系統(tǒng)。這個方案中的驅(qū)動、控制部分比較簡單，缺點(diǎn)是有大部分機(jī)械裝置留在無人值守的測站，設(shè)施安全有問題。方案 2：在支柱頂上安裝 1 個簡易吊機(jī)，將巡測纜道設(shè)備吊裝在主索上，回收時也采用同樣方法，采用遙控方式工作。缺點(diǎn)是吊裝比較困難，行車輪的摩擦增壓裝置要獨(dú)立設(shè)置 1 套遙控機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置，回收比較困難。方案 3：行車預(yù)先安裝在主索上，采用遙控方式工作，在現(xiàn)場由主機(jī)自身升降完成設(shè)備安裝。經(jīng)過綜合比較，選擇方案 3，測站設(shè)施只有主索和支柱，設(shè)施安全，安裝操作較簡單。

2.2 基本構(gòu)成及安裝

2.2.1 設(shè)備的基本構(gòu)成

遙控巡測纜道設(shè)備由行車、主機(jī)、鉛魚、遙控器、流速信號接收器組成。除主機(jī)升降、行車水平運(yùn)行、鉛魚升降由工作人員按照遙控方式操作之外，其他操作與傳統(tǒng)纜道方式一樣。巡測纜道各設(shè)備功能狀態(tài)示意圖如圖 1 所示。

2.2.2 設(shè)備的安裝

將設(shè)備運(yùn)輸?shù)街魉飨?，將行車上預(yù)留的升降鋼絲繩的一端固定在主機(jī)升降機(jī)的絞盤上，然后控制主機(jī)升降絞盤旋轉(zhuǎn)收緊鋼絲繩，將主機(jī)提升到行車下方，并與行車結(jié)合，此時將鉛魚一起提升。

在主機(jī)與行車安裝完成后，可以控制行車，下降鉛魚，安裝測驗儀器進(jìn)行測驗。

2.3 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.3.1 行車

行車是設(shè)備的重要部分，預(yù)先安裝在主索上，作為主機(jī)的行走機(jī)構(gòu)。行車有 2 個輪，其中一個為主動輪，接受主機(jī)的驅(qū)動力，主動輪下方設(shè)置 1 個可調(diào)節(jié)的彈簧壓力輪，提高主動輪與主索間的摩擦力，解決行車靠邊爬坡時摩擦力不足的問題；另一個為支承輪，在其軸上安裝 1 個旋轉(zhuǎn)編碼傳感器，提供行車水平運(yùn)動的距離測量數(shù)據(jù)。

在行車中心部位安裝 1 條鋼絲繩，作用是依靠主機(jī)上的電機(jī)驅(qū)動絞盤提升主機(jī)到行車底部，讓行車與主機(jī)連接并自鎖。

行車架下設(shè) 1 個長桿重錘，作用是保持行車在主索上的垂直姿態(tài)，不翻轉(zhuǎn)，保證與主機(jī)的連接位置和姿態(tài)。行車結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。主動輪與下壓力輪通過調(diào)整彈簧增減對主索的摩擦力。

圖1 巡測纜道各設(shè)備功能狀態(tài)示意圖

圖2 行車結(jié)構(gòu)示意圖

行車傳動系統(tǒng)的傘形齒結(jié)構(gòu)及滑套型聯(lián)軸器剖視結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.3.2 主機(jī)及總組裝圖

主機(jī)是設(shè)備的核心部件，由主機(jī)架、減速機(jī)（3 臺）、電機(jī)（3 臺）、升降絞盤（2 個）等部件組成，分別驅(qū)動行車水平行走、主機(jī)安裝時的升降、鉛魚的升降。

圖3 行車傳動傳動結(jié)構(gòu)剖視圖

主機(jī)與行車的動力傳動是由滑套型連軸器完成的，行車與主機(jī)連接的軸套由尖形引導(dǎo)頭和齒形軸構(gòu)成，在定位銷引導(dǎo)下實現(xiàn)定位后，實現(xiàn)行車的動力連接。絞盤下懸 2 長桿和滾輪組成的鉛魚升降傳感器，作用是夾持吊鉛魚的鋼絲繩，測量鋼絲繩移動的長度，通過光電編碼器測量鉛魚的入水深度[2]。巡測纜道行車與主機(jī)結(jié)構(gòu)及組裝如圖 4 所示。主要尺寸：長度約 104 cm，高度（不計算平衡錘和鉛魚位置傳感器）91 cm，厚度 40 cm。

圖4 水文巡測纜道設(shè)備結(jié)構(gòu)組裝圖

主機(jī)結(jié)構(gòu)及注意事項分析如下：

1）主機(jī)升降電機(jī)及減速機(jī)。由于主機(jī)在實際安裝與行車連接過程中，要求升降速度很低，且能正反轉(zhuǎn)，所以，可以選擇大傳動比減速機(jī)，電機(jī)可選擇長壽命的永磁式無刷電機(jī)，功率大小，可以根據(jù)主機(jī)及鉛魚質(zhì)量計算確定。

2）同軸齒形扭矩偶合裝置結(jié)構(gòu)。主機(jī)安裝升降機(jī)構(gòu)要求在電機(jī)輸出端安裝同軸齒形扭矩偶合裝置，配合采用機(jī)械限位開關(guān)，防止拉斷鋼絲繩。為電機(jī)配套電磁抱閘完成自鎖功能。

同軸齒形扭矩偶合裝置結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖5 同軸齒形扭矩偶合器

同軸齒形扭矩偶合器的原理是利用斜形齒面在彈簧的壓力下實現(xiàn)扭矩的傳遞，當(dāng)扭矩的阻力大于預(yù)定的力矩后，斜齒面的作用面產(chǎn)生軸向分力，壓迫彈簧后退，將扭矩保持在一定的數(shù)值內(nèi)，保證鋼絲繩不破斷。調(diào)整彈簧的壓力，保證自鎖狀態(tài)的扭矩，不讓鉛魚下滑。也可用高磁性材料制造優(yōu)良的磁力扭矩偶合器。

3）行車電機(jī)及減速機(jī)的選擇。行車的最大負(fù)載情況在靠近支柱兩端爬坡時，由于設(shè)備運(yùn)用在中小河流的測驗，河道寬度不大，多為 100 m 以下，行車速度要求不高，可以結(jié)合行車速度選擇電機(jī)。

4）鉛魚升降電機(jī)與減速機(jī)[3]。這是設(shè)備核心部分之一，要求有一定的提升能力，連續(xù)無級調(diào)速，較大的起動力矩，帶自鎖和精確定位功能。設(shè)計最大提升速度以 0.3 m/s 為宜，鉛魚質(zhì)量 15～100 kg。絞盤設(shè)計直徑約為 350 mm，直徑 3 mm 的鋼絲繩每繞 1 周，線長度約為 1 000 mm，絞盤寬度約為100 mm（可根據(jù)運(yùn)用范圍確定），鉛魚最大升降距離約 33 m。

5）主機(jī)主梁上的定位銷及中心的三角形均為方便行車與主機(jī)安裝時定位而設(shè)計，可以根據(jù)實踐進(jìn)行修改。

主機(jī)與行車的自鎖除了由主機(jī)升降機(jī)系統(tǒng)提供外，還可以增設(shè) 1 個小自鎖機(jī)構(gòu)。原理是在主機(jī)、行車兩端適當(dāng)位置安裝自鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)插銷進(jìn)入鎖定孔后，由彈簧作用力自動鎖定；解鎖由電控系統(tǒng)發(fā)出信號控制電磁鐵拉開鎖片。行車與主機(jī)連接自鎖機(jī)構(gòu)示意圖如圖 6 所示。

圖6 行車與主機(jī)連接自鎖機(jī)構(gòu)示意圖

6）主機(jī)安裝時注意事項。主機(jī)安裝時要保持垂直狀態(tài)。在電池等設(shè)備安裝完成后，進(jìn)行配重調(diào)整。安裝時，主要主梁邊上設(shè)置 1 根細(xì)軟繩子，由工作人員在地面牽引安裝定位。

要嚴(yán)格按設(shè)計文件規(guī)定的操作規(guī)程進(jìn)行操作。特別在主機(jī)與鉛魚提升的過程中要保證鋼絲繩不松開，防止鋼絲繩松開后發(fā)生亂卷現(xiàn)象。

3 纜道設(shè)備輔助控制件的設(shè)計

3.1 行車定位傳感器

行車定位傳感器由光電編碼器組成，安裝在行車的非驅(qū)動輪上，跟隨行車輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光電脈沖信號，傳輸給主機(jī)的發(fā)射電路。傳感器由 4 條電線提供電源和信號回路，采用專門設(shè)計的 4 蕊平面鍍金接線插頭，在行車與主機(jī)安裝到位時，自動接觸電路。該光電編碼器的分辨率按 SL344-2009《水文纜道測驗規(guī)范》要求為 10 cm[4]，實際距離可以通過設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修正。

3.2 主機(jī)安裝限位開關(guān)

在行車與主機(jī)連接時，采用位置行程開關(guān)進(jìn)行上限控制，防止電機(jī)在到位后繼續(xù)運(yùn)行。

3.3 鉛魚升降位置傳感器

鉛魚位置傳感器采用光電編碼器，安裝在主機(jī)鉛魚絞盤下的傳感輪上，傳感輪跟隨鉛魚升降的鋼絲繩一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光電脈沖信號，傳輸給主機(jī)的發(fā)射電路。按《水文纜道測驗規(guī)范》要求分辨率為 1 cm，實際距離可以通過設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修正。

4 纜道設(shè)備的組裝及電池組選用

4.1 纜道設(shè)備的組裝方法

纜道設(shè)備各部件整體結(jié)構(gòu)位置要按規(guī)程進(jìn)行以下操作：

1）檢查各部件是否完好及正常。將設(shè)備搬運(yùn)到支柱旁，檢查設(shè)備是否完好，檢查鉛魚與主機(jī)的鋼絲繩是否正常收卷，不能處于散亂狀態(tài)。將電池安裝到位，3 臺電機(jī)試機(jī)動作正常，垂直測深傳感器工作正常。

2）安裝主機(jī)。將行車上原先預(yù)留的鋼絲繩扣入主機(jī)升降絞盤與相關(guān)轉(zhuǎn)向滑輪，用遙控器控制主機(jī)升降電機(jī)運(yùn)行，收卷鋼絲繩，將鉛魚提升到一定高度后，安裝垂直傳感器的支架及傳感輪。將主機(jī)升到行車下部，通過主機(jī)上的牽繩控制主機(jī)在空中的位置，使其與行車正確接合。

3）放下鉛魚，檢查水平、垂直測距信號。

4）安裝流速儀及信號源，檢查是否正常。

5）確定起點(diǎn)距的零點(diǎn)，然后進(jìn)行測驗。

6）測驗作業(yè)完成后，返回原點(diǎn)，折裝設(shè)備。

4.2 纜道設(shè)備的質(zhì)量與材質(zhì)

主機(jī)、行車的質(zhì)量不宜太大，可以采用鋁合金制作。電機(jī)、減速機(jī)、支架均選擇鋁材，行車輪外殼為鋼材，其余為鋁質(zhì)材料。

4.3 電池組

電池組采用鋰電池，可以選擇電動自行車的充電電池，質(zhì)量 3 kg 左右。

5 纜道設(shè)備遙控、遙測、信號傳輸系統(tǒng)

5.1 纜道運(yùn)動遙控系統(tǒng)

遙控巡測纜道的控制方式采用無線電多通道遙控方式，可以選擇工業(yè)型的遙控器，也可以選擇航模型的比例控制器。遙控有效距離要求在 300 m 內(nèi)，可實現(xiàn)的遙控功能有：主機(jī)安裝升降的上下運(yùn)動；行車的水平前進(jìn)、后退運(yùn)動；鉛魚的上下運(yùn)動控制開關(guān)功能。

5.2 測距、測深遙測系統(tǒng)

測距、測深遙測系統(tǒng)是將行車和鉛魚的位置傳感器信號通過無線電方式發(fā)送到岸上接收機(jī)的裝置，可以通過小功率的無線電方式發(fā)送編號脈沖，要求由 2 個獨(dú)立的不同頻率的發(fā)射機(jī)發(fā)送，防止脈沖丟失。接收設(shè)備接到信號后，將信號移到計算機(jī)進(jìn)行工作。

5.3 流速測驗信號傳輸系統(tǒng)

流速測驗信號主要由水下信號源生產(chǎn)，水下信號源提供 3 種信號：1）水面信號，提供測驗的基準(zhǔn)水面；2）河底信號，提供河床的深度；3）流速儀信號。可以采用多種傳輸方式，建議采用雙音頻編碼技術(shù)[5]。

水下信號源內(nèi)部邏輯電路要求保證水面和河底信號優(yōu)先于流速儀信號，當(dāng)流速儀信號同時與水面、河底信號出現(xiàn)或先于其出現(xiàn)，只要水面、河底信號一出現(xiàn)，就要中斷流速儀信號的發(fā)生。這樣可以讓岸上接收設(shè)備及時、準(zhǔn)確收到水面或河底信號，并及時停車，為纜道測深建立可靠的基準(zhǔn)。這項技術(shù)已經(jīng)成熟。

操作者手持的遙控設(shè)備可以與測流的儀器合為一體，做成專用的操作設(shè)備。

6 纜道設(shè)備高空維修問題

凡是機(jī)電設(shè)備都有出現(xiàn)故障的可能，如何處理纜道遙控設(shè)備的故障，也是產(chǎn)品設(shè)計的重要內(nèi)容之一。為解決行車掛在空中無法維修的問題，提出雙主索的設(shè)計方案，方法是在支柱兩端安裝 1 對滑輪，將主索上繞 1 圈，形成雙主索，平常一側(cè)滑輪固定，將行車掛在 1 條主索上；當(dāng)行車出現(xiàn)故障時，只要搖動支柱上的滑輪，就可以將行車收回河邊進(jìn)行維修。

7 結(jié)語

綜合本文中介紹的方案可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）設(shè)計方案是可行的。因為采用的技術(shù)早已是成熟的，在水文行業(yè)中已經(jīng)普遍應(yīng)用，如雙音頻信號發(fā)射接收技術(shù)在纜道中的應(yīng)用；又如測量纜道起點(diǎn)距、水深的光電編碼技術(shù)等，已通過合理的組合設(shè)計和創(chuàng)新。

2）投資分析。這是一種投資少，效率高的巡測設(shè)施設(shè)備。假設(shè)：巡測纜道使用時，1 臺主設(shè)備巡測10 個站點(diǎn)，每個站點(diǎn)只要簡易支柱和主索，大約 15 萬元，主機(jī) 3 萬元，共計投資 180 萬元；傳統(tǒng)的纜道站每個站投資要 35～50 萬元，按 50 萬元計算，10 個站要投資 500 萬元，可節(jié)省 320 萬元，再加上人員費(fèi)用，供電系統(tǒng)的投資規(guī)模和維護(hù)費(fèi)，后勤系統(tǒng)的費(fèi)用，綜合成本也很高。投資分析證明巡測纜道是有明顯效益的。

3）適用性?？梢詫⑦@種遙控巡測式的纜道設(shè)備應(yīng)用到走航式超聲波測流設(shè)備 ADCP、雷達(dá)測流系統(tǒng)、測沙等其他項目中，改進(jìn)水文巡測工作。

4）研究方向和論證。今后應(yīng)該在以下方面進(jìn)行改進(jìn)，減輕設(shè)備的總質(zhì)量；簡化主機(jī)升降機(jī)構(gòu)，行車主機(jī)一體化；一體化操作儀；減小主索和起重索直徑等。研制一種更實用、經(jīng)濟(jì)、安全的水文巡測設(shè)備。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部. GB-50179-93 河流流量測驗規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2008：8-12.

[2] 成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 5 版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008: 300-400.

[3] 程龍泉. 電機(jī)與拖動[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2011: 200-256.

[4] 中華人民共和國水利水利部. SL344-2009 水文纜道測驗規(guī)范 [S]. 北京：中國水利水電出版社，2008: 29-30.

[5] 水利部水文局. 水文纜道設(shè)計規(guī)范（征求意見稿）[S]. 北京：中國水利電力出版社，2012: 80-90.