梁秀日方，吳高莊，孔祥羽，陳 晨

（松遼水利委員會水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江佳木斯 154000）

0 引言

由于北方冬季氣候寒冷且漫長的特殊性，封凍時(shí)冰情復(fù)雜，多以立封為主，冰面遍布冰堆、冰包，崎嶇不平，冰層厚且堅(jiān)硬，尤其立春以后，冰層表面冰雪融水下滲，表面冰層雖綿軟但仍質(zhì)地堅(jiān)硬且易粘夾設(shè)備，很多先進(jìn)的機(jī)械、儀器設(shè)備很難在測驗(yàn)中得以較好地應(yīng)用。在這種特殊條件下，封凍期流量測驗(yàn)多采用人工方式，在測驗(yàn)斷面用冰镩、鐵鍬、鐵鎬等工具清理出一條通道，用于測驗(yàn)人員拖拽水文纜車行走，然后在斷面布設(shè)好的冰孔上破冰打孔。人工破冰打孔多使用鐵鎬、鐵鍬、冰镩等工具進(jìn)行，有時(shí)也采用手持冰鉆、油鋸、冰鉆機(jī)等半自動(dòng)化、半機(jī)械化的設(shè)備打孔破冰，但無法從根本上實(shí)現(xiàn)封凍期測驗(yàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，致使測驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率不高。

1 一體機(jī)

1.1 簡介

結(jié)合北方冬季氣候特點(diǎn)及封凍期測驗(yàn)的實(shí)際情況，研發(fā)制作了一體機(jī)。該設(shè)備采用農(nóng)用四輪車車載，由前面冰面清冰凌設(shè)備與后面豎直可升降的鉆冰設(shè)備兩部分組合而成。清冰凌設(shè)備先清除江面崎嶇不平的冰堆、冰塊，打出冰道，清理完冰道后可根據(jù)實(shí)際情況選擇是否卸掉清冰凌設(shè)備；然后利用冰鉆設(shè)備沿清理好的冰道行進(jìn)，并按照布設(shè)的冰孔位置進(jìn)行破冰鉆孔，改善了封凍期流量測驗(yàn)工作的作業(yè)環(huán)境，提高了水文測驗(yàn)工作的自動(dòng)化、現(xiàn)代化水平。

1.2 主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

-10℃以下，車輛冰上行駛的安全冰厚為0.40m；清冰高度不大于0.80m、一次性清冰寬度為1.65m，四輪車功率不小于30kW，柴油機(jī)功率不小于15kW。電啟動(dòng)的機(jī)型轉(zhuǎn)速2200～2600 r/min，液壓桿自由行程0.50m，輥筒直徑0.25m，刀片為邊長0.10m的三角形，輥筒順時(shí)針轉(zhuǎn)速為800～850r/min。

鉆冰設(shè)備距離地面高度為2.30m，鉆桿上下行程為1.60m，絞龍長度為1.10～1.20m，設(shè)備支架距離地面0.30m，可鉆孔深度最大為1.60m，鉆頭尺寸大小為直徑0.30～0.45m。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）可升降液壓支臂與獨(dú)立的動(dòng)力輸出

一體機(jī)清冰凌設(shè)備的動(dòng)力平臺（含獨(dú)立的柴油機(jī)）和碎冰滾刀安裝在農(nóng)用四輪車前端，通過傳動(dòng)軸和鏈輪、鏈條傳遞到輥筒，輥筒高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)焊接在其表面的刀片同步運(yùn)行。由液壓支臂、液壓泵控制其與地面之間的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滾刀自上而下切入冰面。對冰層進(jìn)行豎向逐層破冰的同時(shí)，利用四輪車帶動(dòng)滾刀橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水平方向逐層碎冰，將高于冰面的冰包、冰堆破碎并拋離，從而清理出冰道，便于車輛與操作人員的通行。

2）采用液壓馬達(dá)技術(shù)

一體機(jī)的鉆冰設(shè)備安裝在農(nóng)用四輪車尾部，將四輪車自帶的備用后輸出軸（轉(zhuǎn)速為500～700 r/min）作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液壓泵，通過高壓油管傳遞給液壓馬達(dá)，通過動(dòng)能與勢能之間的轉(zhuǎn)換，為鉆桿的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效鉆冰打孔作業(yè)。制作安裝簡單方便，易操作。

3）遙控升降式移動(dòng)平臺

一體機(jī)的移動(dòng)平臺采用遙控升降式，安裝有液壓馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)鏈輪組、鉆桿軸承座、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)、行走齒輪組、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒條等。液壓馬達(dá)軸上安裝1套可降低轉(zhuǎn)速的鏈輪，電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)與行走齒輪組連接，行走齒輪組與齒條之間嚙合，通過調(diào)試功率、輸出軸轉(zhuǎn)速、扭力等參數(shù)來穩(wěn)定移動(dòng)平臺的移動(dòng)速度。減速機(jī)輸出軸帶動(dòng)傳動(dòng)軸，帶動(dòng)移動(dòng)平臺在2根導(dǎo)向桿（立柱）上做上下垂直移動(dòng)。此外，采用了可升降結(jié)構(gòu)支架，上下移動(dòng)幅度距離超過0.40m，可調(diào)至與車輛同高，方便了進(jìn)出車庫，有利于冬季車輛的啟動(dòng)和設(shè)備的養(yǎng)護(hù)。

2.2 主要?jiǎng)?chuàng)新

1）采取新動(dòng)力輸出方式，增加絞龍長度及鉆孔的深度

一體機(jī)采用鉆桿頂端驅(qū)動(dòng)的方式，設(shè)備距離地面高度為2.30m，鉆桿上下行程為1.60m，設(shè)備支架距離地面0.30m（便于移動(dòng)方便），可鉆孔深度不小于1.30m，深度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)用鉆冰設(shè)備的鉆孔深度（0.60～0.80m），設(shè)計(jì)絞龍長度為1.10～1.20m，滿足了作業(yè)需要。

2）有效地解決了鉆孔時(shí)夾鉆難題

一體機(jī)采用鉆桿頂端驅(qū)動(dòng)的方式，有效增加了絞龍長度。在使用中深度超過1.00m時(shí)鉆下來的碎冰，能及時(shí)從冰孔中排出，解決了鉆孔時(shí)夾鉆卡鉆的情況，尤其是剛剛鉆透出水時(shí)夾鉆的難題，保障了正常作業(yè)開展。

3）解決了有效潤滑問題

傳統(tǒng)鉆冰機(jī)的鉆桿通過絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程存在轉(zhuǎn)動(dòng)和上下位移兩種摩擦力，且由于絲杠需通過鍵槽滑動(dòng)傳輸動(dòng)力，鍵槽的設(shè)置對絲杠的密封效果造成一定影響，導(dǎo)致無法使用液體潤滑油，只能使用固體潤滑油。達(dá)不到預(yù)期潤滑效果，會產(chǎn)生干磨現(xiàn)象，縮短襯套使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備使用過程中出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)[動(dòng)等問題。而一體機(jī)采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)鉆桿的方式，避免了轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，只產(chǎn)生低速上下移動(dòng)一種摩擦力，使用固體潤滑油即可滿足其需要，解決了有效潤滑問題。

3 應(yīng)用效果及推廣前景

3.1 應(yīng)用效果

一體機(jī)可在-10℃以下，冰層厚0.40m以上的自然條件下安全應(yīng)用；該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)⒏哂诒娴谋?、冰包打碎且拋離清理，安全可靠。該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，移動(dòng)方便，使用壽命長，鉆孔深度及精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的鉆冰機(jī)參數(shù)，能夠滿足各類作業(yè)環(huán)境要求。同時(shí)，該設(shè)備負(fù)荷能力大，性能穩(wěn)定，工作效率高；可與任意型號農(nóng)用四輪車配套使用，制作和安裝程序便捷，成本較低；操作人員可獨(dú)立完成全部操作，鉆孔精度高，較傳統(tǒng)方式相比，工作效率至少可提高80%。

以黑龍江干流中游段單次單個(gè)施測斷面為例，按照傳統(tǒng)人工、冰鉆及一體機(jī)清凌破冰方式進(jìn)行比對，具體定點(diǎn)比較數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 設(shè)備破冰清凌比較表

一體機(jī)在黑龍江干流中游段等封凍期流量測驗(yàn)工作的全面應(yīng)運(yùn)，改善了冬季水文測驗(yàn)作業(yè)條件，節(jié)省了人力物力，縮短了流量測驗(yàn)時(shí)間，提高了作業(yè)效率，大大減輕了水文測驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，提高了水文數(shù)據(jù)的時(shí)效性，提升了封凍期水文測驗(yàn)現(xiàn)代化進(jìn)程；與新時(shí)代水文測驗(yàn)的現(xiàn)代化、機(jī)械化、自動(dòng)化程度相適應(yīng)，提升了水文工作者在界河封凍期測驗(yàn)工作中的形象。

3.2 推廣前景展望

一體機(jī)創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了清冰凌設(shè)備和鉆冰設(shè)備的簡約集成，使用方便、安全高效，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。一體機(jī)不僅適用于我國東北、西北高寒地區(qū)封凍期流量測驗(yàn)工作中河段冰面上破冰除障、清理道路和鉆冰打孔等工作，同時(shí)適用于交通運(yùn)輸，以及漁業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的打孔補(bǔ)氧、漁業(yè)捕撈冰下大拉網(wǎng)打孔作業(yè)等領(lǐng)域，運(yùn)用前景廣泛，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。