新型水文巡測遙控纜道設備設計方案的探討

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、水工等技術方式，它們各有優(yōu)缺點[1]。其中水文纜道流量測驗方式具有應用技術成熟，設施投資較小，運行費用低，操作人員較少，生產環(huán)境安全等優(yōu)點。但這種纜道設施需要建設纜道房、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，將設備安裝在纜道房中才能形成完整的生產能力。在現(xiàn)實環(huán)境中，如果沒有專人看守纜道設施設備，極容易被人為破壞，造成嚴重損失。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備（以下簡稱纜道設備），可以到測站現(xiàn)場安裝，應具有重量輕、體積小、無循環(huán)索、遙控操作、運輸方便、使用安全、測驗準確、價格合理、運行費低、適用輕型車輛運輸?shù)忍攸c，可以在測驗完成后運回基地保管。

1 纜道設備設計需考慮的主要問題

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

1.1 設備應便于運輸

目前，國內水文系統(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，設計主要考慮利用越野車的后廂空間進行運輸，車廂內部空間約為：寬度 1 200 mm，前后空間650 mm，高度 1 400 mm。纜道設備包括主機、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，設備及工具的總質量應控制在 200 kg 以內。

1.2 跨河設施的簡化及防盜

為了簡化跨河設施，設計的纜道設備可取消循環(huán)索和纜道房，主要由支柱、主索、信號地線、主機、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構，將鋼絲繩主索的端頭設計在較安全的地方。

1.3 行車與主機的連接固定

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

基本方案是采用直流永磁電機（增加機械抱閘）和大速比的減速機組成升降絞車，由結構定位銷將主機與行車連接定位并自鎖，通過行程開關、力矩耦合器限制絞車的拉力，防止主機連接鋼絲繩斷裂，這是關鍵技術之一。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 種運動，水平運動的測量精度為 10 cm，垂直運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置在獨立的傳感輪上，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、行車、主索與岸邊地線形成的信號回路進行傳輸，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，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，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，電池質量只有幾 kg。由于電機的暫載率（電機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 維修及標準化

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、配件供應及更換的問題，盡可能選擇標準件，這樣有利于降低成本和維修費用。設計時可以將設備分檔，提供不同起重級別的設備。

1.7 鉛魚質量的減輕

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

1.8 應用范圍擴展

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

2 纜道設備的設計思路

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，在巡測時將驅動控制設備安裝在支柱的一側，驅動循環(huán)、起重系統(tǒng)。這個方案中的驅動、控制部分比較簡單，缺點是有大部分機械裝置留在無人值守的測站，設施安全有問題。方案 2：在支柱頂上安裝 1 個簡易吊機，將巡測纜道設備吊裝在主索上，回收時也采用同樣方法，采用遙控方式工作。缺點是吊裝比較困難，行車輪的摩擦增壓裝置要獨立設置 1 套遙控機構和驅動裝置，回收比較困難。方案 3：行車預先安裝在主索上，采用遙控方式工作，在現(xiàn)場由主機自身升降完成設備安裝。經過綜合比較，選擇方案 3，測站設施只有主索和支柱，設施安全，安裝操作較簡單。

2.2 基本構成及安裝

2.2.1 設備的基本構成

遙控巡測纜道設備由行車、主機、鉛魚、遙控器、流速信號接收器組成。除主機升降、行車水平運行、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。巡測纜道各設備功能狀態(tài)示意圖如圖 1 所示。

2.2.2 設備的安裝

將設備運輸?shù)街魉飨?，將行車上預留的升降鋼絲繩的一端固定在主機升降機的絞盤上，然后控制主機升降絞盤旋轉收緊鋼絲繩，將主機提升到行車下方，并與行車結合，此時將鉛魚一起提升。

在主機與行車安裝完成后，可以控制行車，下降鉛魚，安裝測驗儀器進行測驗。

2.3 主要機械結構的設計

2.3.1 行車

行車是設備的重要部分，預先安裝在主索上，作為主機的行走機構。行車有 2 個輪，其中一個為主動輪，接受主機的驅動力，主動輪下方設置 1 個可調節(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 個旋轉編碼傳感器，提供行車水平運動的距離測量數(shù)據(jù)。

在行車中心部位安裝 1 條鋼絲繩，作用是依靠主機上的電機驅動絞盤提升主機到行車底部，讓行車與主機連接并自鎖。

行車架下設 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，保證與主機的連接位置和姿態(tài)。行車結構示意圖如圖 2 所示。主動輪與下壓力輪通過調整彈簧增減對主索的摩擦力。

圖1 巡測纜道各設備功能狀態(tài)示意圖

圖2 行車結構示意圖

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

2.3.2 主機及總組裝圖

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

圖3 行車傳動傳動結構剖視圖

主機與行車的動力傳動是由滑套型連軸器完成的，行車與主機連接的軸套由尖形引導頭和齒形軸構成，在定位銷引導下實現(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結構及組裝如圖 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 水文巡測纜道設備結構組裝圖

主機結構及注意事項分析如下：

1）主機升降電機及減速機。由于主機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，所以，可以選擇大傳動比減速機，電機可選擇長壽命的永磁式無刷電機，功率大小，可以根據(jù)主機及鉛魚質量計算確定。

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

同軸齒形扭矩偶合裝置結構如圖 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，當扭矩的阻力大于預定的力矩后，斜齒面的作用面產生軸向分力，壓迫彈簧后退，將扭矩保持在一定的數(shù)值內，保證鋼絲繩不破斷。調整彈簧的壓力，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）行車電機及減速機的選擇。行車的最大負載情況在靠近支柱兩端爬坡時，由于設備運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，可以結合行車速度選擇電機。

4）鉛魚升降電機與減速機[3]。這是設備核心部分之一，要求有一定的提升能力，連續(xù)無級調速，較大的起動力矩，帶自鎖和精確定位功能。設計最大提升速度以 0.3 m/s 為宜，鉛魚質量 15～100 kg。絞盤設計直徑約為 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)運用范圍確定），鉛魚最大升降距離約 33 m。

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

主機與行車的自鎖除了由主機升降機系統(tǒng)提供外，還可以增設 1 個小自鎖機構。原理是在主機、行車兩端適當位置安裝自鎖機構，當插銷進入鎖定孔后，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。行車與主機連接自鎖機構示意圖如圖 6 所示。

圖6 行車與主機連接自鎖機構示意圖

6）主機安裝時注意事項。主機安裝時要保持垂直狀態(tài)。在電池等設備安裝完成后，進行配重調整。安裝時，主要主梁邊上設置 1 根細軟繩子，由工作人員在地面牽引安裝定位。

要嚴格按設計文件規(guī)定的操作規(guī)程進行操作。特別在主機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 纜道設備輔助控制件的設計

3.1 行車定位傳感器

行車定位傳感器由光電編碼器組成，安裝在行車的非驅動輪上，跟隨行車輪旋轉，產生光電脈沖信號，傳輸給主機的發(fā)射電路。傳感器由 4 條電線提供電源和信號回路，采用專門設計的 4 蕊平面鍍金接線插頭，在行車與主機安裝到位時，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備參數(shù)進行修正。

3.2 主機安裝限位開關

在行車與主機連接時，采用位置行程開關進行上限控制，防止電機在到位后繼續(xù)運行。

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，產生光電脈沖信號，傳輸給主機的發(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備參數(shù)進行修正。

4 纜道設備的組裝及電池組選用

4.1 纜道設備的組裝方法

纜道設備各部件整體結構位置要按規(guī)程進行以下操作：

1）檢查各部件是否完好及正常。將設備搬運到支柱旁，檢查設備是否完好，檢查鉛魚與主機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 臺電機試機動作正常，垂直測深傳感器工作正常。

2）安裝主機。將行車上原先預留的鋼絲繩扣入主機升降絞盤與相關轉向滑輪，用遙控器控制主機升降電機運行，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。將主機升到行車下部，通過主機上的牽繩控制主機在空中的位置，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）確定起點距的零點，然后進行測驗。

6）測驗作業(yè)完成后，返回原點，折裝設備。

4.2 纜道設備的質量與材質

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

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，質量 3 kg 左右。

5 纜道設備遙控、遙測、信號傳輸系統(tǒng)

5.1 纜道運動遙控系統(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，可實現(xiàn)的遙控功能有：主機安裝升降的上下運動；行車的水平前進、后退運動；鉛魚的上下運動控制開關功能。

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 個獨立的不同頻率的發(fā)射機發(fā)送，防止脈沖丟失。接收設備接到信號后，將信號移到計算機進行工作。

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，水下信號源提供 3 種信號：1）水面信號，提供測驗的基準水面；2）河底信號，提供河床的深度；3）流速儀信號?？梢圆捎枚喾N傳輸方式，建議采用雙音頻編碼技術[5]。

水下信號源內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備及時、準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。這項技術已經成熟。

操作者手持的遙控設備可以與測流的儀器合為一體，做成專用的操作設備。

6 纜道設備高空維修問題

凡是機電設備都有出現(xiàn)故障的可能，如何處理纜道遙控設備的故障，也是產品設計的重要內容之一。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，平常一側滑輪固定，將行車掛在 1 條主索上；當行車出現(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行維修。

7 結語

綜合本文中介紹的方案可以得出以下幾點結論：

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

2）投資分析。這是一種投資少，效率高的巡測設施設備。假設：巡測纜道使用時，1 臺主設備巡測10 個站點，每個站點只要簡易支柱和主索，大約 15 萬元，主機 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，再加上人員費用，供電系統(tǒng)的投資規(guī)模和維護費，后勤系統(tǒng)的費用，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備應用到走航式超聲波測流設備 ADCP、雷達測流系統(tǒng)、測沙等其他項目中，改進水文巡測工作。

4）研究方向和論證。今后應該在以下方面進行改進，減輕設備的總質量；簡化主機升降機構，行車主機一體化；一體化操作儀；減小主索和起重索直徑等。研制一種更實用、經濟、安全的水文巡測設備。

[1] 國家技術監(jiān)督局，中華人民共和國建設部. 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. 機械設計手冊[M]. 5 版. 北京：化學工業(yè)出版社，2008: 300-400.

[3] 程龍泉. 電機與拖動[M]. 北京：北京理工大學出版社，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. 水文纜道設計規(guī)范（征求意見稿）[S]. 北京：中國水利電力出版社，2012: 80-90.