本发明涉及钻冰设备技术领域，尤其涉及一种可移动的竖直升降钻冰设备及钻冰方法。
背景技术：
水文测验系统(hydrometry)是收集和整理水文资料的各种技术工作的总称，通过水文测验能够取得各种水文要素的数据，从而通过数据分析和计算生成综合结论，并为水资源的评价和合理开发利用，以及为工程建设的规划、设计、施工、管理运行及防汛、抗旱提供有利依据。
在冬季封冻期进行水文测验需要在水面冰冻层进行打孔。目前，冬季封冻期的水文测验多采用人工冰穿打孔，存在劳动强度大、费时费力的问题，并且存在安全隐患；此外，虽然也有手持钻冰设备可以钻冰打孔，但由于受钻头直径、钻杆长度及刀片强度等因素影响，利用该类设备不能一次性打出够大够深的冰孔，同时该设备的操作属于半自动化，即操作时仍需有大量人工操作环节，仍然存在着较大的安全隐患，对未来的测验发展存在局限性。
目前，现有的大型钻冰机由于体积过于庞大，对于一些条件复杂的冰面(如无路、陡坡、梯形路面等)无法进行钻孔，移动和操作不便，且成本高；而小型手持钻冰机不能实现全自动化操作，且钻孔又难以达到孔径标准和深度要求。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种可移动的竖直升降钻冰设备及钻冰方法，能够保证钻杆竖直升降以确保钻孔精度高，且设备移动方便，能够实现全自动化操作。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可移动的竖直升降钻冰设备，包括移动车、移动平台和钻杆，所述移动平台可升降的连接在所述移动车的后部，所述钻杆竖直安装在所述移动平台上，所述移动平台在升降时能带动所述钻杆竖直移动；所述移动平台上安装有钻杆传动机构，所述移动车的输出轴通过钻杆传动机构与钻杆连接，所述钻杆传动机构用于在所述输出轴的动力驱动下、为所述钻杆的旋转提供动力。
优选的，所述钻杆传动机构包括液压马达和旋转链轮组，所述液压马达和旋转链轮组分别安装在移动平台上，所述液压马达的动力输入轴与所述移动车的输出轴连接，所述液压马达的动力输出端通过旋转链轮组与所述钻杆连接。
优选的，所述旋转链轮组包括液压输出轮和旋转传动轮，所述液压输出轮安装在所述液压马达的动力输出端上，所述旋转传动轮安装在所述钻杆上，所述液压输出轮和旋转传动轮之间通过链条连接。
优选的，所述移动车的输出轴上连接有动力转换组件，所述动力转换组件与所述液压马达的动力输入轴连接。
优选的，所述动力转换组件包括液压泵、驱动链轮和输出链轮，所述驱动链轮套装在所述液压泵的泵轴外，所述输出链轮套装在所述移动车的输出轴外，所述驱动链轮和输出链轮之间通过链条连接。
优选的，该设备还包括：
导向框架，通过滑道可升降的连接在所述移动车的后部；
升降驱动机构，安装在所述移动平台上，并与所述导向框架连接，用于驱动所述移动平台沿所述导向框架竖直升降。
优选的，所述导向框架包括顶板、底架和导向立柱，所述底架伸出有横臂，所述横臂装配在所述滑道内，并能沿所述滑道滑动升降；所述导向立柱竖直连接在所述顶板和底架之间，所述移动平台通过套筒套装在所述导向立柱外，并在所述升降驱动机构的带动下能沿所述导向立柱竖直升降。
优选的，升降驱动机构包括齿条、行走齿轮组、电动机和减速器，所述齿条竖直连接在所述顶板和底架之间，所述电动机和减速器分别安装在所述移动平台上，所述电动机通过减速器与行走齿轮组连接，所述行走齿轮组与所述齿条之间啮合。
优选的，所述钻杆的底部外套装有螺旋叶片，所述螺旋叶片沿所述钻杆的外部螺旋设置；所述螺旋叶片的底部设有刀头组，所述刀头组设置在螺旋叶片的底部，所述刀头组包括钻冰刀头和尖刀头，所述钻冰刀头和尖刀头相互垂直。
本发明还提供了一种可移动的竖直升降钻冰方法，其特征在于，是基于如上所述的可移动的竖直升降钻冰设备提出的，该方法包括以下步骤：
通过移动车带动所述钻杆移动至待钻孔的冰面上方；
启动移动车，以使所述移动车的输出轴通过钻杆传动机构为钻杆提供旋转动力；
保持所述钻杆处于旋转状态，通过移动平台带动所述钻杆竖直降下，以使旋转中的所述钻杆自冰面竖直向下钻孔；
在所述钻杆降至预设深度后，竖直升起所述移动平台，以带动所述旋转中的所述钻杆竖直升起并离开冰面即可。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的可移动的竖直升降钻冰设备包括移动车、移动平台和钻杆，移动平台可升降的连接在移动车的后部，钻杆竖直安装在移动平台上，移动平台在升降时能带动钻杆竖直移动；移动平台上安装有钻杆传动机构，移动车的输出轴通过钻杆传动机构与钻杆连接，钻杆传动机构用于在输出轴的动力驱动下、为钻杆的旋转提供动力，从而利用钻杆传动机构将移动车输出的动力转化为势能后，再重新转化为动能带动钻头旋转，从而实现高效钻冰打孔作业。该设备及方法能够保证钻杆竖直升降以确保钻孔精度高，且设备移动方便，能够实现全自动化操作，并且能够严格保证钻杆竖直升降，从而避免了钻杆折曲带来的钻冰效率低、深度不满足要求等问题，具有结构简单、安装制作简单、易操作、成本低的优点。
与现有的钻冰机相比，该设备在总体高度较低(最高高度≤2.2m)且不影响设备整体进出车库的情况下，该设备动力为15kw，钻杆转速达到200～300r/min，钻杆下降速度达到0.5～0.6m/min，驱动移动平台升降的电动机功率为800～1000w，钻杆上的螺旋叶片总长度达到1.3m以上，可实现钻孔直径超过0.45m、一次性钻孔深度≥1.30m的要求，该设备的钻孔深度及精度要求远高于现有的钻冰机参数，能够满足各类作业环境。
附图说明
图1为本发明实施例的可移动的竖直升降钻冰设备在待机状态时的结构主视图；
图2为本发明实施例的可移动的竖直升降钻冰设备的在待机状态时的右视图；
图3为本发明实施例的可移动的竖直升降钻冰设备在钻孔状态时的主视图；
图4为本发明实施例的可移动的竖直升降钻冰设备在钻孔状态时的右视图；
图5为本发明实施例的车体传动机构的结构示意图；
图6为本发明实施例的钻杆传动机构的主视图；
图7为本发明实施例的钻杆传动机构的俯视图；
图8为本发明实施例的钻杆传动机构的右视图；
图9为本发明实施例的连接组件的结构示意图。
其中，1、顶板；2、导向立柱；3、套筒；4、钻杆传动机构；5、电动机；6、移动平台；7、动力杆；8、钻杆；9、螺旋叶片；10、底架；11、连接件；12、齿条；13、行走齿轮组；14、移动车；15、横臂；16、滑道；17、车轮；18、车桥；19、输出轴；20、输出链轮；21、液压泵；22、驱动链轮；23、液压马达；24、旋转链轮组；25、减速器；26、刀头组；27、旋转传动轮；28、液压输出轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1～图4所示，本实施例提供的可移动的竖直升降钻冰设备移动方便，能够实现全自动化操作，通过移动平台6的升降确保钻杆8在破冰钻孔时始终保持竖直运动，以确保钻孔精度高，同时通过钻杆8传动机构4保证钻杆8的旋转动力传输可靠，并且充分利用移动车14自带的动力输出驱动钻杆8旋转，提高设备的动力传输效率。
具体的，该设备包括移动车14、移动平台6和钻杆8，移动平台6可升降的连接在移动车14的后部，优选移动车14的后部连接有导向框架，移动平台6安装在导向框架上，并能沿导向框架竖直升降；钻杆8竖直安装在移动平台6上，一方面移动平台6在升降时能带动钻杆8竖直移动，从而能够严格保证钻杆8竖直升降，从而避免了钻杆8折曲带来的钻冰效率低、深度不满足要求等问题，另一方面在移动平台6上安装有钻杆8传动机构4，移动车14的输出轴19通过钻杆8传动机构4与钻杆8连接，钻杆8传动机构4用于在输出轴19的动力驱动下、为钻杆8的旋转提供动力，从而利用钻杆8传动机构4将移动车14输出的动力转化为势能后，再重新转化为动能带动钻头旋转，以实现高效钻冰打孔作业。
本实施例中，如图5所示，移动车14的后轮的两个车轮17之间连接有车桥18，移动车14的输出轴19上连接有动力转换组件，动力转换组件安装在车桥18上，并且动力转换组件通过高压油管与液压马达23的动力输入端连接，利用动力转化组件将移动车14输出的动力转化为势能后传递给液压马达23，液压马达23将势能重新转化为动力，从而输出给钻杆8作为钻杆8旋转的动力源，有效节约能源，提高能源利用率。
优选的，动力转换组件包括液压泵21、驱动链轮22和输出链轮20，液压泵21固定在车桥18上，驱动链轮22套装在液压泵21的泵轴外，输出链轮20套装在移动车14的输出轴19外，驱动链轮22和输出链轮20之间通过链条连接。需要说明的是，本实施例的动力转换组件采用链传动的方式进行动力转换，也可以采用其他传动方式，例如齿轮传动。
本实施例的移动车14可以选用农用四轮车，其配备的备用后部输出轴19可作为动力转换组件的动力源(农用四轮车的输出轴19转速为500～700r/min)，优选输出链轮20的轮径不小于驱动链轮22，其最优比例为5.5：1，以保证液压泵21的转速达到设计转速3000r/min以上，从而使得液压泵21的输出压力达到额定压力，确保势能充分被传递到移动平台6上的液压马达23中，优选液压泵21通过高压油管与液压马达23连接，以使液压马达23获得动力。
如图6和图7所示，本实施例的钻杆8传动机构4包括液压马达23和旋转链轮组24，液压马达23和旋转链轮组24分别安装在移动平台6上，从而跟随着移动平台6的升降而与动力转换组件的位置发生相对变化；液压马达23的动力输入端与移动车14的输出轴19通过液压泵21连接，液压马达23的动力输出端通过旋转链轮组24与钻杆8连接，以便于接收来自移动车14的输出轴19的输出动力并传递给钻杆8，驱动钻杆8旋转。
本实施例中，该旋转链轮组24包括液压输出轮28和旋转传动轮27，液压输出轮28安装在液压马达23的动力输出端上，旋转传动轮27安装在钻杆8上，液压输出轮和旋转传动轮之间通过链条连接。优选的，旋转传动轮的轴心内套装有动力杆7，动力杆7通过联轴器与钻杆8连接；旋转传动轮27不小于液压输出轮28，两者的最优轮径比为2:1，可有效降低钻杆8转速，提高扭力。
如图8所示，本实施例的钻杆8的底部外套装有螺旋叶片9，螺旋叶片9沿钻杆8的外部螺旋设置，螺旋叶片9的底部设有刀头组26，刀头组26设置在螺旋叶片9的底部，刀头组26包括钻冰刀头和尖刀头，钻冰刀头和尖刀头相互垂直，钻杆8通过旋转带动螺旋叶片9和刀头组26将冰破碎，在移动平台6的竖直下降带动下钻杆8下移的同时，螺旋叶片9通过螺旋通道将碎冰排出冰孔，从而完成打孔作业。优选的，所设钻杆8连接旋转传动轮，钻杆8的长度约1.5m，其底端设有长约1.2m的螺旋叶片9，在钻杆8的底端安装两个锯齿形的钻冰刀头和一个三角形的尖刀头，钻冰尖刀头与三角形尖刀头相互垂直，以实现快速钻冰，从而有效解决润滑问题，避免造成“干磨”现象，进而保证设备的长时间保持稳定工作。
为了保证移动平台6的可靠升降，如图9所示，优选该设备还包括导向框架和升降驱动机构，导向框架通过连接件11可升降的连接在移动车14的后部，升降驱动机构安装在移动平台6上，并与导向框架连接，用于驱动移动平台6沿导向框架竖直升降。
本实施例中，导向框架用于在升降平台竖直升降时为升降平台提供驱动力和导向作用。具体的，该导向框架包括顶板1、底架10和导向立柱2，连接件11包括横臂15和滑道16，底架10朝向移动车14的一侧伸出有横臂15，在移动车14的后部竖直设置有滑道16，底架10通过横臂15装配在滑道16内，并能沿滑道16滑动升降，以便于调整底架10的高度，进一步扩展移动平台6的移动范围；导向立柱2竖直连接在顶板1和底架10之间，移动平台6通过套筒3套装在导向立柱2外，并在升降驱动机构的带动下能沿导向立柱2竖直升降，套筒3的设置可以保证移动平台6与导向立柱2之间具有径向限位作用，且套筒3能对导向立柱2和移动平台6之间产生保护作用，避免移动平台6在升降时磨损过大。
本实施例中，底架10为一个正方形框架，其前端通过两个横臂15与四轮车后桥连接，在横臂15与正方形框架连接处设有可上下移动的滑道16，用于提升或降低底架10，从而能带动整个导向框架相对于移动车14竖直升降；底架10中间位置安装有两个与底架10垂直且互相平行的导向立柱2，在导向立柱2上安装有一个可在导向立柱2上滑动、与底架10平行的移动平台6。移动平台6的两端分别设有套筒3，套筒3套装在立柱外，并能带动移动平台6沿立柱竖直滑动升降，套筒3优选长约40cm，以确保移动平台6的稳定滑动，移动平台6的竖直位移范围较大，可保证带动钻杆8实现钻冰厚度不小于1.3m；优选底架10的允许上下移动的范围不小于0.4m，且能保证移动车14进入车库时导向框架的高度在车库允许高度范围内，即有限的高度限定条件下最大化钻杆8的位移距离，从而提高可实现的钻冰厚度范围。
如图6所示，本实施例的升降驱动机构包括齿条12、行走齿轮组13、电动机5和减速器25，齿条12竖直连接在顶板1和底架10之间，电动机5和减速器25分别安装在移动平台6上，电动机5通过减速器25与行走齿轮组13连接，行走齿轮组13与齿条12之间啮合，从而利用齿轮齿条12啮合传动的方式驱动移动平台6沿齿条12竖直升降。
本实施例中，电动机5优选采用车载带行星减速机的结构，功率1000w，扭力1500kg，输出轴转速26r/min，通过直角减速机变5r/min，以保证移动平台6的移动速度在50～60cm/min。优选行走齿轮组13包括传动轴和齿轮，传动轴与减速器25的输出轴连接，利用减速器25的输出轴带动传动轴旋转，在传动轴两端分别安装一个齿轮，在两个导向立柱2的侧面分别竖立两个齿条12，齿轮通过和齿条12的耦合作用，带动移动平台6上下移动。
本实施例还提供了一种可移动的竖直升降钻冰方法，该方法是基于如上所述的可移动的竖直升降钻冰设备提出的，该方法可节省人工、提高工作效率，实现冬季封冻期水文测验破冰打孔工作的自动化。
具体的，如图1～图4所示，该方法包括以下步骤：
s1、通过移动车14带动钻杆8移动至待钻孔的冰面上方，此时该设备的状态如图1和图2所示；
s2、启动移动车14，以使移动车14的输出轴19通过钻杆8传动机构4为钻杆8提供旋转动力；
s3、保持钻杆8处于旋转状态，通过移动平台6带动钻杆8竖直降下，以使旋转中的钻杆8自冰面竖直向下钻孔，当钻杆8钻入冰面以下后，该设备的状态如图3和图4所示，在钻冰过程中，碎冰会随着钻杆8外的螺旋叶片9被排出；
s4、在钻杆8降至预设深度后，竖直升起移动平台6，以带动旋转中的钻杆8竖直升起并离开冰面即可。
综上所述，本实施例的可移动的竖直升降钻冰设备该设备可节省人工、提高工作效率，实现冬季封冻期水文测验破冰打孔工作的自动化。该设备的移动平台6可升降的连接在移动车14的后部，钻杆8竖直安装在移动平台6上，移动平台6在升降时能带动钻杆8竖直移动；移动平台6上安装有钻杆8传动机构4，移动车14的输出轴19通过钻杆8传动机构4与钻杆8连接，钻杆8传动机构4用于在输出轴19的动力驱动下、为钻杆8的旋转提供动力，从而利用钻杆8传动机构4将移动车14输出的动力转化为势能后，再重新转化为动能带动钻头旋转，从而实现高效钻冰打孔作业。该设备及方法能够保证钻杆8竖直升降以确保钻孔精度高，且设备移动方便，能够实现全自动化操作，并且能够严格保证钻杆8竖直升降，从而避免了钻杆8折曲带来的钻冰效率低、深度不满足要求等问题，具有结构简单、安装制作简单、易操作、成本低的优点。
与现有的钻冰机相比，该设备在总体高度较低(最高高度≤2.2m)且不影响设备整体进出车库的情况下，该设备动力为15kw，钻杆8转速达到200～300r/min，钻杆8下降速度达到0.5～0.6m/min，驱动移动平台6升降的电动机5功率为800～1000w，钻杆8上的螺旋叶片9总长度达到1.3m以上，可实现钻孔直径超过0.45m、一次性钻孔深度≥1.30m的要求，该设备的钻孔深度及精度要求远高于现有的钻冰机参数，能够满足各类作业环境。
同时，该设备负荷能力大，性能稳定，工作效率高；可与任意型号拖拉机车体配套使用，安装方便；操作人员可独立完成全部操作，提高作业效率，操作熟练的情况下每小时不低于20个(厚度为1米)冰孔，较传统工艺钻孔相比，工作效率可提高80％。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。