一種寬體水槽自動移動的行車測量裝置的製作方法

2023-05-23 16:29:06 4

本發明涉及水利工程、環境工程和海洋工程實驗室中進行環境泥沙實驗的大型寬體動床實驗水槽技術領域。

背景技術：

在河床形態演變、推移質輸移、動床模型試驗等實驗研究中，只使用寬度小於1 m的玻璃水槽往往會帶來較大的邊壁效應，但是使用2 m以上的大型寬體水槽，實驗儀器的架設以及水槽中泥沙如何整平都是非常令人頭疼的問題。

近10年，隨著測量儀器進步與研究理念的更新，使用寬體水槽的室內實驗再次興起，為認識河流動力學注入新活力。引人關注的是，Braudrick 等在水槽中種植苜蓿芽固定邊灘和河岸，模擬了連續彎道形成和斜槽裁彎過程，並認為苜蓿芽提供的抗衝強度是維持自認河道衝彎的必要條件，細顆粒泥沙補給是維持彎道穩定的關鍵因子，這個重要認識與尹學良認為「大流量時懸移質對河灣形成具有十分重要影響」異曲同工。近期，通過粉沙中添加石英粉也成功塑造類似自然河流的彎曲河道，並有效地固定凸岸邊灘和模擬斜槽裁彎，並認為維持卵石河床的彎曲河流形成的充分必要條件是來自上遊的持續擾動和洪泛平原形成。可見，添加粘性細顆粒和種植草本植物是室內水槽實驗塑造彎曲河流和引導自然裁彎的關鍵因子。

在研究自然河流的彎曲河道或者是辮狀河道中，使用的多是動床水槽，雖然在玻璃水槽中的實驗沙整平還是比較容易，但是為了能更好的還原野外的實際情況，還是需要用到大型的寬體動床水槽，而這樣在整平實驗沙時就是一項非常有技術性的工作了。

目前，平整泥沙床面，往往採用人工用刀片或薄板憑感覺推平，對於寬度達到兩米以上、長度達到幾十米或上百米的寬體水槽，不僅工作量大，而且很難做到縱向達到一致的平整度。實驗儀器的搭載也存在問題，只能以固定為主，並且如果要在寬體水槽中進行定點取樣也沒有辦法，只能進入水槽，這樣會使床面遭到破壞，整組實驗報廢。

技術實現要素：

本發明要解決的問題是：

1、大型實驗寬體水槽的泥沙初始床面整平工作的問題，從而能針對幾十米或上百米的長水槽做到縱向達到一致的平整度；

2、實驗人員在大型寬體水槽上的行動、儀器架設、定點採樣問題。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：

1、系統部件包括：一個大型寬體水槽（長×寬至少為20 m×4 m），一個水準儀，一個雷射器，一塊長方形鋼製刀片，兩個變頻交流電電動機，兩根長直鋼管，一組無接縫滑觸線和一塊水平連接鋼板。

2、本發明主要是設計一種可以在大型寬體水槽上可自動移動的行車，行車的兩面具有不同的功能。移動行車一邊可以採用水平雷射定位來校準沙床平整度，從而獲得一致性很高的平整泥沙床面；另一邊可以靈活安裝多組實驗用儀器，並且能隨時讓實驗員對水槽中的實驗動床進行採樣。

3、移動平車在大型寬體水槽中的使用步驟如下：

步驟①：在大型寬體水槽中加入細沙，先用人工大致鋪平，這層細沙的最薄處需要比要求的厚度要厚；

步驟②：在水槽的一端安置雷射器，確定預先需要平整床面的高程位置，調節雷射器高度與已確定床面高程重合，打開雷射器，向另一端發射水平雷射線；

步驟③：從移動行車的一側放下已經通過水準儀矯正過的長方形刀片進入細沙床面中，同時長方形刀片的下邊緣與雷射線正中對齊；

步驟④：啟動移動行車的變頻電動機，採用低速，沿水槽縱向開始移動，長方形刀片會開始自行推平沙床；

步驟⑤：若刀片前面的多餘沙堆積接近長方形刀片上邊緣，則從長方形刀片前面將多餘泥沙到水槽外部，繼續推平沙床，直至水槽另一端；

步驟⑥：完成第一遍拉平沙床後，若局部仍不平或凹陷，可以在長方形刀片前面加入一定量的泥沙，繼續第二次拉平，直至整個沙床完全水平，水平之後將長方形刀片升起至不與沙床相接觸的高度；

步驟⑦：從移動行車的另一側選擇合適的位置，架設實驗需要使用到的儀器；

步驟⑧：需要採樣時，實驗員可以從移動行車的一側上來，將移動行車移至合適的位置，實驗員在行車上放下採樣器，完成採樣。

本發明採用的寬體水槽自動移動的行車測量裝置是這樣的，它至少包括一個裝有泥沙和水的大型寬體水槽以及設置在該大型寬體水槽其中一端外面的雷射器，並包括設置在該大型寬體水槽中的一架可控制速度的移動平車。具體是這樣的，在移動行車的兩側各有不同的使用功能，一側設有三根位置可調的垂直連接杆，三根垂直連接杆懸空垂入玻璃水槽中，長方形刀片設在垂直連接杆的底部，水準儀設在長方形形刀片上部；另一側設有兩根水平放置的光滑鋼管，上面架設了可以橫向移動的四個測架。

對於一側的整平沙床用的長方形刀片，在長方形刀片的兩端設置預留一定的寬度以使其與大型寬體水槽並不會直接接觸。位於左右兩側以軸對稱設置的垂直連接杆與正中間的垂直連接杆中間用其他鋼管進行三角形的連接，這可以使左右兩根垂直連接杆隨著正中間的連接杆，保持水平的進行上下微調節，也可以使得三根垂直連接杆底部的長方形形刀片達到水平。中間的垂直連接杆的卡口是這樣設計的：在垂直連接杆上固定一段足夠粗的螺紋鋼，行車上面則有一段螺紋口，螺紋鋼通過螺紋口之後在上面焊接一圓形把手，通過旋轉把手來控制中間的連接杆，就能夠對其底部高度進行微調。對於另一側的儀器測架，將會有兩根平行於水槽的橫向方向架設光滑鋼管，具備不同接口的四個測架將會搭載在光滑的鋼管上，這將保證橫向移動不受阻。

本發明具有如下優點：移動行車一側的可調整高度的水平長方形刀片能推平沙床，同時採用水平雷射定位和校準沙床平整度，從而獲得一致性很高的平整泥沙床面；相比手工推動的沙床，本發明可以高精度地確定沙床水位位置和控制沙床的平整高達到1毫米誤差範圍。移動行車另一側可以滿足多種儀器的搭載（如雷射水平儀、溶解氧儀、ADV、PIV等），使得水槽用途更加廣泛，並將實驗從定床層次提高至動床層次。若再配以XYZ三軸攝像技術便可將試驗中的變化過程進行立體化呈現。行車可供實驗員隨時進行採樣，不會對動床造成破壞。

附圖說明

圖1是本發明的正面結構圖；圖2是本發明的側面結構圖。

附圖標記說明：1-水平護欄，2-豎直護欄，3-水平通行鋼板，4-光滑鋼管，5-變頻電動機，6-垂直連接杆，7-正中垂直螺紋杆，8-橫向三角穩定杆，9-長方形刀片控制把手，10-電箱，11-無接縫滑觸線，12-滾輪，13-細沙層，14-大型寬體水槽，15-水準儀，16-初始河道刮片，17-長方形刀片，18-初始河道刮片控制把手，19-水平雷射儀，20-鋼軌，21-多卡扣測架。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

首先本發明的主要構件是初始河道刮片16、長方形刀片17、水準儀15、正中垂直螺紋杆7、變頻電動機5、無接縫滑觸線11、水平雷射儀19、光滑鋼管4、電箱10、多卡扣測架21。

首先，長方形刀片17和大型寬體水槽14中存在10 cm的距離，這是為了避免長方形刀片17直接接觸大型寬體水槽14的防水壁面，刮壞防水壁面，同時大型寬體水槽14縱向寬度不可能完成一致，需要在長方形刀片17與大型寬體水槽14之間預留一定位置。位於大型寬體水槽14右側的無接縫滑觸線11將保證不會存在冗餘的電線，並能有效防止電線磨損之後的漏電危險。

水準儀15安置在長方形刀片17上方，用於指示刀片水平，便於調節刀片達到完全水平。水平雷射儀19安置在大型寬體水槽14起始端，根據實驗需要的泥沙水平位置，調節水平雷射儀19，使其放射水平雷射線剛好打到長方形刀片17尾端，以此位置確定刀片高程位置。

左右兩個滾輪12安置在大型寬體水槽14頂面的兩側的水槽頂面鋼軌20上，對整個移動行車提供支持力以及行動力。垂直連接杆6用於連接長方形刀片17與水平通行鋼板3，正中垂直螺紋杆7使用螺紋口與水平通行鋼板3相連，垂直連接杆6與正中垂直螺紋杆7用橫向三角穩定杆8相連接，這可以使長方形刀片17通過正中垂直螺紋杆7上的長方形刀片控制把手9進行高度調節，初始河道刮片16則通過初始河道刮片控制把手18進行高度調節。

對於另一側的多卡扣測架21，將會有兩根平行於水槽的橫向方向架設的光滑鋼管4，具備不同接口的四個多卡扣測架21將會搭載在光滑的鋼管上，這將保證橫向移動不受阻。

所有的部件將隨著水平通行鋼板3移動。在水平通行鋼板3的下方是變頻電動機5，它將提供滾輪12所需要的動力，滾輪12接觸的是鋼軌20，鋼軌20鋪設在大型寬體水槽14的兩旁。通過控制電箱10中的電流大小，移動行車的速度也將受到控制。

如圖1和圖2所示，本發明是這樣實施的：先在大型寬體水槽14的一端安置水平雷射儀19，確定沙床細沙層13平整床面的高程位置，調節水平雷射儀19沿著已確定水平位置向大型寬體水槽14另一端發射水平雷射。通過旋轉長方形刀片控制把手9，調節正中垂直螺紋杆7使得長方形刀片17下邊緣與水平雷射線對齊。然後用電箱10對變頻電動機5進行轉速調節，從而對整個移動行車進行速度調節，移動行車將帶動長方形刀片17與初始河道刮片16，開始整平河床。若刀片前面的多餘沙堆積接近長方形刀片17上邊緣，則清除多餘泥沙到水槽外部，繼續推平沙床；若刀片前面存在低於長方形刀片17下邊緣的沙坑，則填入部分細沙。當到達大型寬體水槽14的一端時，刮沙結束。

具體的步驟是這樣的：

步驟①：在大型寬體水槽14中加入細沙層13，先用人工大致鋪平，這層細沙的最薄處需要比要求的厚度要厚；

步驟②：在大型寬體水槽14的一端安置水平雷射儀19，確定預先需要平整床面的高程位置，調節水平雷射儀19高度與已確定床面高程重合，打開水平雷射儀19，向另一端發射水平雷射線；

步驟③：從移動行車的一側放下已經通過水準儀15矯正過的長方形刀片17進入床面細沙層13中，同時長方形刀片17的下邊緣與水平雷射儀19射出的雷射線正中對齊；

步驟④：啟動移動行車的變頻電動機5，採用低速，沿大型寬體水槽14縱向開始移動，長方形刀片17會開始自行推平沙床，初始河道刮片會16開始自行刮出初始河道；

步驟⑤：若刀片前面的多餘沙堆積接近刀片上邊緣，則清除多餘泥沙到大型寬體水槽14外部，繼續推平沙床細沙層13，直至大型寬體水槽14另一端；

步驟⑥：完成第一遍拉平沙床後，若局部仍不平或凹陷，可以在長方形刀片17前面加入一定量的泥沙，繼續第二次拉平，直至整個沙床完全水平，水平之後將長方形刀片17升起至不與沙床相接觸的高度。

步驟⑦：從移動行車的另一側選擇合適的位置，在多卡扣測架21架設實驗需要使用到的儀器；

步驟⑧：需要採樣時，實驗員可以從移動行車的一側上來，將移動行車移至合適的位置，實驗員在行車上放下採樣器，完成採樣。

當然，以上只是本發明的具體應用範例，本發明還有其他的實施方式，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明所要求的保護範圍之內。