楊要恩，吳 松，劉明治，孟 楊?，馮浩杰

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系，河北 石家莊 050043；2，西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 110071)

流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴乃w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(xiàng)。流量測驗(yàn)方法很多，常用的有流速面積法、水力學(xué)法、物理法、化學(xué)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(shí)長，測量效率低下，測量精度與測量人員的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)有很大關(guān)系，對(duì)于洪水時(shí)期的流量測量就更難實(shí)現(xiàn)了[1－3]。

隨著水利信息化技術(shù)的進(jìn)步，非接觸式的測量技術(shù)憑借安全高效的測量方式、準(zhǔn)確的測量結(jié)果等優(yōu)勢(shì)得到了長足的發(fā)展，雷達(dá)式的水位和流速測量裝置在國內(nèi)得到了推廣應(yīng)用，尤其是近年新建的站點(diǎn)。但是，國內(nèi)基于非接觸式的雷達(dá)流量測量設(shè)備的研究較少，還有很多關(guān)鍵技術(shù)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(yàn)規(guī)范?要求[3]，采用流速面積法測流，需要在斷面上布設(shè)足夠多的測速垂線、在每條垂線上還要布設(shè)多個(gè)測點(diǎn)，測得每個(gè)測點(diǎn)的流速，計(jì)算斷面流量。為了減少測點(diǎn)，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(diǎn)，在一條測速垂線上測一點(diǎn)或兩點(diǎn)流速，通過模型公式計(jì)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(shí)際測試中應(yīng)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(shí)[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(dòng)，而不能左右晃動(dòng)，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(fēng)的影響下浮船可以左右上下晃動(dòng)但傳感器不能左右晃動(dòng)，從而確保傳感器采集到的水速信號(hào)始終在同一垂線上的水速，進(jìn)而采用陳興偉等提出的垂線流速分布模型計(jì)算可得到水流量的真實(shí)值；另一方面，在對(duì)水量水速長期實(shí)時(shí)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(zhǔn)確。

為了解決這些在實(shí)踐中存在的問題急需從一個(gè)新的角度入手設(shè)計(jì)一款測量監(jiān)測裝置。從一個(gè)新的角度克服現(xiàn)有技術(shù)在長期測量時(shí)攔掛雜物垃圾及傳感器左右晃動(dòng)的不足。以往浮船監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)主要是二維CAD 平面設(shè)計(jì)，無法進(jìn)行虛擬樣機(jī)的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真測試，導(dǎo)致傳感器在外力作用下左右晃動(dòng)測試結(jié)果不準(zhǔn)確的結(jié)果。

因而，本研究提供一種基于Solidworks 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行在外力作用下浮船晃動(dòng)而傳感器始終保持同一垂面上下移動(dòng)的仿真測試。采用基于Solidworks 的虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)浮船監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字化，在計(jì)算機(jī)中建立面向全生命周期的數(shù)據(jù)產(chǎn)品模型，提高了設(shè)計(jì)效率，可以減少因制作物理原型所耗費(fèi)的人力、物力和時(shí)間，降低費(fèi)用，縮短周期。所設(shè)計(jì)的傳感器與浮船相互獨(dú)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(diǎn)。

1 測載裝置的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)的船體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示:兩個(gè)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(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。船體的船身和船頭均采用流線型弧形設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)將迎面而來的樹枝、塑料袋、泡沫板等雜物經(jīng)水流的帶動(dòng)下從船的兩側(cè)和下面導(dǎo)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(duì)船體造成晃動(dòng)從而避免了水的流動(dòng)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(huì)受外界的環(huán)境的影響而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

圖1 船體總設(shè)計(jì)圖

1.1 船體的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的船體是將兩只獨(dú)立的船浮子中后部連接組成船體，在船體的中間連接處設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，兩只獨(dú)立的船浮子大小相等，左右完全對(duì)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(gè)個(gè)獨(dú)立的防水倉從而可以容納各種模塊，可保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。船體的船身和船頭均采用流線型弧形設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)將迎面而來的樹枝、塑料袋、泡沫板等雜物經(jīng)水流的帶動(dòng)下從船的兩側(cè)和下面導(dǎo)出，避免了船身鉤掛雜物造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

圖2 船體俯視圖

1.2 監(jiān)測傳感器固定裝置的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的監(jiān)測傳感器底座裝置的設(shè)計(jì)采用了球形監(jiān)控?cái)z像頭的工作原理并使之與船體獨(dú)立，如圖3～圖6 所示。監(jiān)測傳感器底座為一個(gè)球型，位于船體的中間，左右對(duì)稱，在監(jiān)測傳感器底座的下側(cè)切通一個(gè)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(shè)計(jì)為一體并可以與固定上蓋用螺絲螺母連接實(shí)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(jìn)入船體，將監(jiān)測傳感器固定裝置與船體四周進(jìn)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(shí)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(yùn)動(dòng)而不影響監(jiān)測傳感器底座保持不動(dòng)的固定姿態(tài)，從而有效地解決了測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)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(dòng)，監(jiān)測傳感器就會(huì)保持不動(dòng)從而實(shí)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(shè)計(jì)

因?yàn)楸O(jiān)測裝置是需要常年固定在一處進(jìn)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(gè)拉桿固定裝置和兩根固定拉桿、兩根鋼纜、一個(gè)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(zhǔn)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(shí)施

該設(shè)計(jì)為一種基于浮船技術(shù)的水位流量流速的測量監(jiān)測裝置。該浮船通過滾塑機(jī)生產(chǎn)其船體結(jié)實(shí)耐用、密閉性好、穩(wěn)定性可靠。船體由兩個(gè)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(shè)計(jì)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(duì)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(shè)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(jī)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(jī)做出一個(gè)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(jìn)行切削加工出一個(gè)槽口放置監(jiān)測傳感器，上側(cè)切出一個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)監(jiān)測傳感器都始終保持水平不受浮船運(yùn)動(dòng)的影響。由一個(gè)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(gè)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(gè)固定裝置將浮船固定在一處漂浮而不會(huì)被水沖走。

同時(shí)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(jī)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(dòng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行測量河水的流量流速。有線方式:相對(duì)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(jī)房與監(jiān)測設(shè)備連接即可。該設(shè)計(jì)提供的船體裝置與監(jiān)測傳感器底座屬于獨(dú)立結(jié)構(gòu)，船身的晃動(dòng)不會(huì)影響監(jiān)測傳感器的水平監(jiān)測狀態(tài)。在長期實(shí)時(shí)監(jiān)測過程中，由于外力如風(fēng)力、水量水速等的變化，會(huì)導(dǎo)致傳感器固定裝置船身發(fā)生晃動(dòng)，采用一體化設(shè)計(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)，而不能左右晃動(dòng)，可以滿足長期實(shí)時(shí)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(duì)所設(shè)計(jì)的裝置用Solidworks 進(jìn)行模擬測試應(yīng)用，測試結(jié)果如圖9～圖14 所示，由于采用了一體化設(shè)計(jì)方式，船身的左右晃動(dòng)對(duì)傳感器沒有影響，使得傳感器測試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。該設(shè)計(jì)最顯著的特點(diǎn)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(shí)固定裝置可以繞著監(jiān)測傳感器底座左右運(yùn)動(dòng)而不影響監(jiān)測傳感器水平不動(dòng)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(dòng)使測量的水流流速均在一個(gè)平面，通過這兩個(gè)方面的獨(dú)立設(shè)計(jì)使得測量的數(shù)據(jù)不受到外來環(huán)境的影響其準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)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(bǔ)了現(xiàn)有的監(jiān)測裝置的缺陷。

圖9 船身晃動(dòng)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(dòng)15°傳感器保持水平

圖12 船身晃動(dòng)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(dòng)30°傳感器保持水平

3 應(yīng)用與驗(yàn)證

對(duì)河流水量水速的實(shí)時(shí)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(jìn)，在實(shí)際應(yīng)用中總會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問題，在本次改進(jìn)中，主要是采用基于Solidworks 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)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(jìn)行上下移動(dòng)而不能進(jìn)行前后左右的晃動(dòng)，進(jìn)而保證了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jìn)設(shè)計(jì)的測載系統(tǒng)用于某河流的水速水量流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測中，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測試，該設(shè)計(jì)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(fēng)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(zhǔn)確；在河水的帶動(dòng)下河面漂浮的垃圾也被船體順利從兩側(cè)導(dǎo)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(zhǔn)確性帶來影響。如圖15 所示為現(xiàn)場實(shí)際測試圖。如圖16 所示為某河流的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果。同時(shí)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(jī)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(dòng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行測量河水的流量流速。有線方式:相對(duì)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(jī)房與監(jiān)測設(shè)備連接即可。

圖15 現(xiàn)場實(shí)際測試圖

圖16 實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(duì)于監(jiān)測裝置采用二維CAD 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足在應(yīng)用過程中遇到的各類問題，因而采用基于Solidworks 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，利用滾塑機(jī)一次性成型技術(shù)進(jìn)行加工生產(chǎn)，可以實(shí)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(zhǔn)確。并采用該裝置在某河流中進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，所測得的水速、水量及流量正確，且長期應(yīng)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(zhǔn)確可靠、簡單易拆卸、性價(jià)比高、易批量化生產(chǎn)，市場應(yīng)用前景廣闊。