一種基于Solidworks的河流水流流量流速的監(jiān)測裝置的研究?

楊要恩，吳 松，劉明治，孟 楊?，馮浩杰

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術學院軌道交通系，河北 石家莊 050043；2，西安電子科技大學機電工程學院，陜西 西安 110071)

流量是指單位時間內(nèi)通過某一過水斷面的水體體積，是河流重要的水文特征。在水文監(jiān)測中，流量監(jiān)測是其中的核心內(nèi)容，也是監(jiān)測難度最大的一項。流量測驗方法很多，常用的有流速面積法、水力學法、物理法、化學法、直接法等等。在各種監(jiān)測方法中所用的監(jiān)測手段也各有不同，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段一般需要依靠測量人員下水完成，流量測量工作量大，耗時長，測量效率低下，測量精度與測量人員的經(jīng)驗技術有很大關系，對于洪水時期的流量測量就更難實現(xiàn)了[1－3]。

隨著水利信息化技術的進步，非接觸式的測量技術憑借安全高效的測量方式、準確的測量結(jié)果等優(yōu)勢得到了長足的發(fā)展，雷達式的水位和流速測量裝置在國內(nèi)得到了推廣應用，尤其是近年新建的站點。但是，國內(nèi)基于非接觸式的雷達流量測量設備的研究較少，還有很多關鍵技術問題尚需解決，尚未形成成熟的產(chǎn)品[4－6]。

根據(jù)?河流流量測驗規(guī)范?要求[3]，采用流速面積法測流，需要在斷面上布設足夠多的測速垂線、在每條垂線上還要布設多個測點，測得每個測點的流速，計算斷面流量。為了減少測點，陳興偉等[1]提出了垂線上的流速分布模型，目的是簡化垂線上的測點，在一條測速垂線上測一點或兩點流速，通過模型公式計算出垂線平均流速，從而縮短測流間。從理論上可以采用流速面積法測流，但在近幾年的實際測試中應用中，暴露出了一系列問題。所暴露的問題一方面表現(xiàn)在采用流速面積法測流時[7－10]，要求測速所用的傳感器只能在某一垂直水位上可以上下移動，而不能左右晃動，這就要求測速傳感器和裝載傳感器的浮船不能是一體化的，要確保裝載傳感器的浮船在外力比如大風的影響下浮船可以左右上下晃動但傳感器不能左右晃動，從而確保傳感器采集到的水速信號始終在同一垂線上的水速，進而采用陳興偉等提出的垂線流速分布模型計算可得到水流量的真實值；另一方面，在對水量水速長期實時監(jiān)測過程中，傳感器與裝載傳感器的浮船易被水中雜物阻擾，水中雜物頻頻阻礙傳感器使得數(shù)據(jù)的監(jiān)測不準確。

為了解決這些在實踐中存在的問題急需從一個新的角度入手設計一款測量監(jiān)測裝置。從一個新的角度克服現(xiàn)有技術在長期測量時攔掛雜物垃圾及傳感器左右晃動的不足。以往浮船監(jiān)測裝置的設計主要是二維CAD 平面設計，無法進行虛擬樣機的三維設計和動態(tài)仿真測試，導致傳感器在外力作用下左右晃動測試結(jié)果不準確的結(jié)果。

因而，本研究提供一種基于Solidworks 虛擬現(xiàn)實軟件設計技術進行設計并進行在外力作用下浮船晃動而傳感器始終保持同一垂面上下移動的仿真測試。采用基于Solidworks 的虛擬設計的技術，可以實現(xiàn)浮船監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設計的數(shù)字化，在計算機中建立面向全生命周期的數(shù)據(jù)產(chǎn)品模型，提高了設計效率，可以減少因制作物理原型所耗費的人力、物力和時間，降低費用，縮短周期。所設計的傳感器與浮船相互獨立水流量流速的測量監(jiān)測裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，拆卸組裝方便的特點。

1 測載裝置的總體設計

本設計提供設計的船體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示:兩個浮子組成的船體、監(jiān)測傳感器固定裝置、船體固定裝置和固定連接裝置共同構(gòu)成。由于其寬大的船身為船體在水中漂浮提供了足夠的穩(wěn)定性支撐，且船身也具有承受較大水流沖擊的能力和容納各種模塊的密封空間，可保證設備的穩(wěn)定運行。船體的船身和船頭均采用流線型弧形設計方式，這使得該浮船可以更好更有效地避免阻擋水中的雜物，通過船頭船身的流線型弧形設計將迎面而來的樹枝、塑料袋、泡沫板等雜物經(jīng)水流的帶動下從船的兩側(cè)和下面導出避免了船身鉤掛雜物；而船體固定裝置使用兩根從河兩岸岸堤上的鋼索與船體固定裝置連接，通過船體固定裝置上的掛重配件使船體穩(wěn)定減少了外界環(huán)境對船體造成晃動從而避免了水的流動使船跑偏的問題；最后通過固定連接裝置將船體和固定裝置連接，通過以上部分的共同作用最終使其監(jiān)測傳感器不會受外界的環(huán)境的影響而導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準確。

圖1 船體總設計圖

1.1 船體的設計

該設計的船體是將兩只獨立的船浮子中后部連接組成船體，在船體的中間連接處設計了放置固定監(jiān)測傳感器底座的卡槽和監(jiān)測傳感器底座固定裝置，如圖2 所示。本設計中，兩只獨立的船浮子大小相等，左右完全對稱，受力平衡，可以平穩(wěn)地浸透于水中。該船體由其寬大的船身為整條船在水中漂浮提供了足夠的穩(wěn)定性支撐，且船身也具有承受較大水流沖擊的能力。通過隔離擋板將船體分為一個個獨立的防水倉從而可以容納各種模塊，可保證設備的穩(wěn)定運行。船體的船身和船頭均采用流線型弧形設計方式，這使得該浮船可以更好更有效地避免阻擋水中的雜物，通過船頭船身的流線型弧形設計將迎面而來的樹枝、塑料袋、泡沫板等雜物經(jīng)水流的帶動下從船的兩側(cè)和下面導出，避免了船身鉤掛雜物造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準確。

圖2 船體俯視圖

1.2 監(jiān)測傳感器固定裝置的設計

該設計的監(jiān)測傳感器底座裝置的設計采用了球形監(jiān)控攝像頭的工作原理并使之與船體獨立，如圖3～圖6 所示。監(jiān)測傳感器底座為一個球型，位于船體的中間，左右對稱，在監(jiān)測傳感器底座的下側(cè)切通一個槽口用來放置監(jiān)測傳感器，將球面上側(cè)削平加裝一根可以固定監(jiān)測傳感器底座的固定拉桿，監(jiān)測傳感器底座固定裝置與船體設計為一體并可以與固定上蓋用螺絲螺母連接實現(xiàn)密封，監(jiān)測傳感器底座固定裝置為上下貫通，為防止河水進入船體，將監(jiān)測傳感器固定裝置與船體四周進行了密封處理。將監(jiān)測傳感器底座放入監(jiān)測傳感器固定裝置后，即使船體受水流的沖擊左右搖擺時監(jiān)測傳感器固定裝置與船體可以繞著傳感器底座自由運動而不影響監(jiān)測傳感器底座保持不動的固定姿態(tài)，從而有效地解決了測量數(shù)據(jù)的精準性。監(jiān)測傳感器底座與監(jiān)測傳感器為固定連接，通過螺絲孔將監(jiān)測傳感器底座來固定監(jiān)測傳感器，只要監(jiān)測傳感器底座通過與固定拉桿的固定從而保持不動，監(jiān)測傳感器就會保持不動從而實現(xiàn)精確測量。

圖3 傳感器底座左視圖

圖4 傳感器底座正視圖

圖5 傳感器底座與傳感器側(cè)視圖

圖6 傳感器底座與傳感器裝配圖

1.3 船體固定裝置和固定連接裝置的設計

因為監(jiān)測裝置是需要常年固定在一處進行監(jiān)測的裝置，所以浮船的固定也尤為重要。浮船固定裝置由兩個拉桿固定裝置和兩根固定拉桿、兩根鋼纜、一個掛重配件共同組成。固定拉桿用螺絲螺母連接拉桿固定裝置，兩根固定拉桿是平行狀態(tài)，可以根據(jù)不同的水位高度需求任意豎直調(diào)節(jié)拉桿與船體的水平夾角，而不影響傳感器的水平監(jiān)測狀態(tài)，如圖7、圖8 所示。從河兩岸岸堤上連接兩根鋼索，鋼索與掛重配件一同由螺絲螺母固定在拉桿固定裝置上，通過以上部件的共同作用使監(jiān)測器可以準確測量數(shù)據(jù)。

圖7 連接裝置

圖8 固定裝置

2 測載分離裝置的具體實施

該設計為一種基于浮船技術的水位流量流速的測量監(jiān)測裝置。該浮船通過滾塑機生產(chǎn)其船體結(jié)實耐用、密閉性好、穩(wěn)定性可靠。船體由兩個浮子組成船體，監(jiān)測傳感器固定裝置、船體固定裝置和固定連接裝置組成，其船體的船身和船頭均采用流線型弧形設計方式，這使得該浮船可以更好更有效地避免水中的雜物堆積攔掛對監(jiān)測傳感器的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。在船體的中間設置的監(jiān)測傳感器底座的卡槽和監(jiān)測傳感器底座固定裝置，通過滾塑機可以將此結(jié)構(gòu)與船體形成密封性空間，再同樣用滾塑機做出一個球型監(jiān)測傳感器底座，將球型監(jiān)測傳感器底座下側(cè)進行切削加工出一個槽口放置監(jiān)測傳感器，上側(cè)切出一個平面并安裝一根固定拉桿，最后將監(jiān)測傳感器底座放入監(jiān)測傳感器底座的卡槽和監(jiān)測傳感器底座固定裝置內(nèi)，將固定上蓋與監(jiān)測傳感器底座固定裝置用螺絲螺母連接，使得浮船在受水流的影響左右傾斜運動時監(jiān)測傳感器都始終保持水平不受浮船運動的影響。由一個拉桿固定裝置固定在監(jiān)測傳感器底座上的固定拉桿上，另一個拉桿固定裝置則與兩根鋼纜連接并用掛重配件使其穩(wěn)定，而兩根固定拉桿由螺絲螺母固定在固定拉桿之上，這個固定裝置將浮船固定在一處漂浮而不會被水沖走。

同時考慮到測量裝置在不同的場合中的需求而使用，可以采用有線和無線兩種方式，無線方式:浮船的船身通過滾塑機制造有其很好的密封性，利用其密封性能在浮船的船身上制造隔離艙，用來放置電源模塊、無線通信模塊、監(jiān)測控制模塊等。在浮船的頂部有較大的空間安裝太陽能電板，通過太陽能電板發(fā)電后再由電源模塊分配給監(jiān)測裝置，從而帶動各個設備的運行進行測量河水的流量流速。有線方式:相對于無線使用方式有線方式只需將傳感器的線經(jīng)由固定拉桿，經(jīng)鋼纜送入河岸里的監(jiān)測主機房與監(jiān)測設備連接即可。該設計提供的船體裝置與監(jiān)測傳感器底座屬于獨立結(jié)構(gòu)，船身的晃動不會影響監(jiān)測傳感器的水平監(jiān)測狀態(tài)。在長期實時監(jiān)測過程中，由于外力如風力、水量水速等的變化，會導致傳感器固定裝置船身發(fā)生晃動，采用一體化設計方式使得監(jiān)測傳感器固定裝置(3、4)與船體固定裝置(7、8)通過固定連接裝置(5、6)連接成為一個整體，在固定連接裝置5、6 的作用下，監(jiān)測傳感器在監(jiān)測傳感器固定裝置(3、4)里只能在豎直方向運動，而不能左右晃動，可以滿足長期實時監(jiān)測只能在同一垂線范圍內(nèi)監(jiān)測的需求(參見圖1)。對所設計的裝置用Solidworks 進行模擬測試應用，測試結(jié)果如圖9～圖14 所示，由于采用了一體化設計方式，船身的左右晃動對傳感器沒有影響，使得傳感器測試的數(shù)據(jù)準確無誤。該設計最顯著的特點一是采用了測量裝置和浮船分離的方式，使得船體受水流的沖擊左右搖擺時固定裝置可以繞著監(jiān)測傳感器底座左右運動而不影響監(jiān)測傳感器水平不動的固定姿態(tài)，二是監(jiān)測傳感器底座上的固定拉桿和兩根固定拉桿裝置連接，使船體受水流沖擊傾斜使傳感器依然垂直向下保持不動使測量的水流流速均在一個平面，通過這兩個方面的獨立設計使得測量的數(shù)據(jù)不受到外來環(huán)境的影響其準確性。本設計提供的監(jiān)測裝置可以根據(jù)不同的場合中的需求而使用，可以采用有線和無線兩種方式，極大地彌補了現(xiàn)有的監(jiān)測裝置的缺陷。

圖9 船身晃動5°傳感器保持水平

圖10 船身晃10°傳感器保持水平

圖11 船身晃動15°傳感器保持水平

圖12 船身晃動20°傳感器保持水平

圖13 船身晃25°傳感器保持水平

圖14 船身晃動30°傳感器保持水平

3 應用與驗證

對河流水量水速的實時非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)的研制已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)次改進，在實際應用中總會出現(xiàn)這樣那樣的問題，在本次改進中，主要是采用基于Solidworks 虛擬現(xiàn)實技術改進了傳感器測載裝置和傳感器的安裝模式，使得傳感器在測載裝置的固定下只能進行上下移動而不能進行前后左右的晃動，進而保證了測試數(shù)據(jù)的準確性，且采用流線型傳感器接觸面，保證了河流表面漂浮的垃圾不被纏繞。

將所改進設計的測載系統(tǒng)用于某河流的水速水量流量的實時監(jiān)測中，經(jīng)過現(xiàn)場實際測試，該設計中的河流水流流量流速的監(jiān)測裝置體現(xiàn)出良好的使用性能，在外力如風力河水的沖擊下監(jiān)測裝置并未產(chǎn)生劇烈的搖擺其監(jiān)測數(shù)據(jù)測量準確；在河水的帶動下河面漂浮的垃圾也被船體順利從兩側(cè)導出并未出現(xiàn)垃圾雜物纏繞在監(jiān)測裝置上給數(shù)據(jù)的監(jiān)測準確性帶來影響。如圖15 所示為現(xiàn)場實際測試圖。如圖16 所示為某河流的實時監(jiān)測結(jié)果。同時考慮到測量裝置在不同的場合中的需求而使用，可以采用有線和無線兩種方式，無線方式:浮船的船身通過滾塑機制造有其很好的密封性，利用其密封性能在浮船的船身上制造隔離艙，用來放置電源模塊、無線通信模塊、監(jiān)測控制模塊等。在浮船的頂部有較大的空間安裝太陽能電板，通過太陽能電板發(fā)電后再由電源模塊分配給監(jiān)測裝置，從而帶動各個設備的運行進行測量河水的流量流速。有線方式:相對于無線使用方式有線方式只需將傳感器的線經(jīng)由固定拉桿，經(jīng)鋼纜送入河岸里的監(jiān)測主機房與監(jiān)測設備連接即可。

圖15 現(xiàn)場實際測試圖

圖16 實時水流流速流量監(jiān)測圖

4 結(jié)論

開放性河流的水量水速的實時測試是目前國內(nèi)外工程界比較難以解決的問題，沒有一套成熟的理論和成套的監(jiān)測裝置產(chǎn)品化、規(guī)范化。對于監(jiān)測裝置采用二維CAD 計算機輔助設計已經(jīng)無法滿足在應用過程中遇到的各類問題，因而采用基于Solidworks 虛擬現(xiàn)實技術進行三維數(shù)字化設計，利用滾塑機一次性成型技術進行加工生產(chǎn)，可以實現(xiàn)傳感器在外力作用下始終保持在同一垂線上，可以保證所監(jiān)測的水速水量數(shù)值準確。并采用該裝置在某河流中進行長期實時監(jiān)測，所測得的水速、水量及流量正確，且長期應用過程中，傳感器與測載裝置未掛垃圾。該測試裝置測試數(shù)據(jù)準確可靠、簡單易拆卸、性價比高、易批量化生產(chǎn)，市場應用前景廣闊。