移动式清凌钻冰一体机在封冻期水文测验中的技术创新及应用推广

梁秀日方，吴高庄，孔祥羽，陈 晨

（松辽水利委员会水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江佳木斯 154000）

0 引言

由于北方冬季气候寒冷且漫长的特殊性，封冻时冰情复杂，多以立封为主，冰面遍布冰堆、冰包，崎岖不平，冰层厚且坚硬，尤其立春以后，冰层表面冰雪融水下渗，表面冰层虽绵软但仍质地坚硬且易粘夹设备，很多先进的机械、仪器设备很难在测验中得以较好地应用。在这种特殊条件下，封冻期流量测验多采用人工方式，在测验断面用冰镩、铁锹、铁镐等工具清理出一条通道，用于测验人员拖拽水文缆车行走，然后在断面布设好的冰孔上破冰打孔。人工破冰打孔多使用铁镐、铁锹、冰镩等工具进行，有时也采用手持冰钻、油锯、冰钻机等半自动化、半机械化的设备打孔破冰，但无法从根本上实现封冻期测验机械化、自动化，致使测验劳动强度大，效率不高。

1 一体机

1.1 简介

结合北方冬季气候特点及封冻期测验的实际情况，研发制作了一体机。该设备采用农用四轮车车载，由前面冰面清冰凌设备与后面竖直可升降的钻冰设备两部分组合而成。清冰凌设备先清除江面崎岖不平的冰堆、冰块，打出冰道，清理完冰道后可根据实际情况选择是否卸掉清冰凌设备；然后利用冰钻设备沿清理好的冰道行进，并按照布设的冰孔位置进行破冰钻孔，改善了封冻期流量测验工作的作业环境，提高了水文测验工作的自动化、现代化水平。

1.2 主要参数与技术指标

-10℃以下，车辆冰上行驶的安全冰厚为0.40m；清冰高度不大于0.80m、一次性清冰宽度为1.65m，四轮车功率不小于30kW，柴油机功率不小于15kW。电启动的机型转速2200～2600 r/min，液压杆自由行程0.50m，辊筒直径0.25m，刀片为边长0.10m的三角形，辊筒顺时针转速为800～850r/min。

钻冰设备距离地面高度为2.30m，钻杆上下行程为1.60m，绞龙长度为1.10～1.20m，设备支架距离地面0.30m，可钻孔深度最大为1.60m，钻头尺寸大小为直径0.30～0.45m。

2 关键技术与创新

2.1 关键技术

1）可升降液压支臂与独立的动力输出

一体机清冰凌设备的动力平台（含独立的柴油机）和碎冰滚刀安装在农用四轮车前端，通过传动轴和链轮、链条传递到辊筒，辊筒高速旋转，从而带动焊接在其表面的刀片同步运行。由液压支臂、液压泵控制其与地面之间的高度，进而实现滚刀自上而下切入冰面。对冰层进行竖向逐层破冰的同时，利用四轮车带动滚刀横向移动，从而实现水平方向逐层碎冰，将高于冰面的冰包、冰堆破碎并抛离，从而清理出冰道，便于车辆与操作人员的通行。

2）采用液压马达技术

一体机的钻冰设备安装在农用四轮车尾部，将四轮车自带的备用后输出轴（转速为500～700 r/min）作为动力源驱动液压泵，通过高压油管传递给液压马达，通过动能与势能之间的转换，为钻杆的旋转提供动力，带动钻头旋转，从而实现高效钻冰打孔作业。制作安装简单方便，易操作。

3）遥控升降式移动平台

一体机的移动平台采用遥控升降式，安装有液压马达、旋转链轮组、钻杆轴承座、减速机、电动机、行走齿轮组、升降驱动机构、齿条等。液压马达轴上安装1套可降低转速的链轮，电动机通过减速机与行走齿轮组连接，行走齿轮组与齿条之间啮合，通过调试功率、输出轴转速、扭力等参数来稳定移动平台的移动速度。减速机输出轴带动传动轴，带动移动平台在2根导向杆（立柱）上做上下垂直移动。此外，采用了可升降结构支架，上下移动幅度距离超过0.40m，可调至与车辆同高，方便了进出车库，有利于冬季车辆的启动和设备的养护。

2.2 主要创新

1）采取新动力输出方式，增加绞龙长度及钻孔的深度

一体机采用钻杆顶端驱动的方式，设备距离地面高度为2.30m，钻杆上下行程为1.60m，设备支架距离地面0.30m（便于移动方便），可钻孔深度不小于1.30m，深度远超传统用钻冰设备的钻孔深度（0.60～0.80m），设计绞龙长度为1.10～1.20m，满足了作业需要。

2）有效地解决了钻孔时夹钻难题

一体机采用钻杆顶端驱动的方式，有效增加了绞龙长度。在使用中深度超过1.00m时钻下来的碎冰，能及时从冰孔中排出，解决了钻孔时夹钻卡钻的情况，尤其是刚刚钻透出水时夹钻的难题，保障了正常作业开展。

3）解决了有效润滑问题

传统钻冰机的钻杆通过丝杠进行传动，转动过程存在转动和上下位移两种摩擦力，且由于丝杠需通过键槽滑动传输动力，键槽的设置对丝杠的密封效果造成一定影响，导致无法使用液体润滑油，只能使用固体润滑油。达不到预期润滑效果，会产生干磨现象，缩短衬套使用寿命，导致设备使用过程中出现严重摆动等问题。而一体机采用液压马达直接驱动钻杆的方式，避免了转动摩擦，只产生低速上下移动一种摩擦力，使用固体润滑油即可满足其需要，解决了有效润滑问题。

3 应用效果及推广前景

3.1 应用效果

一体机可在-10℃以下，冰层厚0.40m以上的自然条件下安全应用；该设备结构简单，能够将高于冰面的冰堆、冰包打碎且抛离清理，安全可靠。该设备运行稳定，移动方便，使用寿命长，钻孔深度及精度远高于现有的钻冰机参数，能够满足各类作业环境要求。同时，该设备负荷能力大，性能稳定，工作效率高；可与任意型号农用四轮车配套使用，制作和安装程序便捷，成本较低；操作人员可独立完成全部操作，钻孔精度高，较传统方式相比，工作效率至少可提高80%。

以黑龙江干流中游段单次单个施测断面为例，按照传统人工、冰钻及一体机清凌破冰方式进行比对，具体定点比较数据详见表1。

表1 设备破冰清凌比较表

一体机在黑龙江干流中游段等封冻期流量测验工作的全面应运，改善了冬季水文测验作业条件，节省了人力物力，缩短了流量测验时间，提高了作业效率，大大减轻了水文测验人员的劳动强度，改善了工作环境，提高了水文数据的时效性，提升了封冻期水文测验现代化进程；与新时代水文测验的现代化、机械化、自动化程度相适应，提升了水文工作者在界河封冻期测验工作中的形象。

3.2 推广前景展望

一体机创造性地实现了清冰凌设备和钻冰设备的简约集成，使用方便、安全高效，达到了国内领先水平。一体机不仅适用于我国东北、西北高寒地区封冻期流量测验工作中河段冰面上破冰除障、清理道路和钻冰打孔等工作，同时适用于交通运输，以及渔业生产领域的打孔补氧、渔业捕捞冰下大拉网打孔作业等领域，运用前景广泛，有较高的推广应用价值。