TWI719812B - 重力式橋墩外緣河床沖刷監測系統之系統重置裝置 - Google Patents

Abstract

本發明專利係基於現有之重力式沖刷監測專利技術，針對監測設備因河床回淤機制而導致掩埋與單次使用等問題所開發之防掩埋裝置。其中裝置之主要組件包含：1.馬達組件，包含一交流馬達與行星齒輪組，作為抬升配重部件之動力來源；2.定滑輪組，包含外蓋、兩種滑輪與連接三者之強化鋼棒，是為機械式防掩埋裝置，於監測桿隨河床沉降至特定高度時啟動，利用重力將沖刷監測裝置回歸至初始狀態；3.配重，本裝置包含兩組配重，其一連接於監測桿，以保持裝置運作時鋼纜之張力，其二為提供位能之配重，作為監測裝置回歸之動力來源。

Description

重力式橋墩外緣河床沖刷監測系統之系統重置裝置

本發明係基於現有之重力式河床沖刷監測專利技術，利用配重之重力位能，針對監測設備因河床回淤機制而導致掩埋與單次使用等問題所開發之防掩埋裝置，利用滑輪組之內部設計，於監測裝置沉降至設計深度時啟動裝置將其回歸至初始高度。

台灣因地形與山脈於空間上之分布，河川呈現坡陡流急之特性，再加上降雨於時間上分布不均，於洪汛期間常發生橋梁之橋基周圍土壤發生程度不等之沖刷，甚至造成基礎掏空。當沖刷發生時，除了使橋墩基礎裸露有遭漂流物碰撞而受損之風險外，沖刷使橋柱之基礎束制減少，將直接影響橋柱之承載能力，當沖刷嚴重時，甚至有落橋之風險。故對於橋基沖刷狀況之掌握，對於交通控管與災害防制是為相當重要的一環，並且時常搭配河川水位作為封橋決策標準之一。

由於台灣水文與地質特性，當河川流量大時，常挾帶大量泥沙、碎石與浮木，使的河川能見度極低，無法直接以目視或相關光學儀器測定河床狀況，且河川中石塊與漂流木易使裝設於水免下雨水面附近之儀器設備有相當高之損壞率，致使橋基沖刷狀況於洪汛期之量測關鍵時期反而難以取得。

為於洪水來臨期間取得當前之沖刷狀況，並且在儀器免於大水與漂流物破壞之前提下，我國目前以以下監測方式為大宗：

1.重力式沖刷測量裝置

將監測圓桿以加勁套管固定於橋墩側邊，使監測圓桿立於河床面上。利用重力，在沖刷發生時使監測桿隨沖刷之河床面下降，記錄監測桿下降幅度以反映沖刷程度，並配合電路系統，進行遠端沖刷資料收集。

2.預埋設信號浮球測量系統

於橋墩附近利用一長套管以特定深度區間埋設一組帶有訊號發射器之浮球，裝設後將套管取出。於沖刷發生時，當河床沖刷至一定深度時，河水之掏刷使浮球裸露並隨流水漂流至下游，透過浮球所發出之電子訊號，透過下游設置之接收器感測並辨識當前之沖刷深度。

雖上述沖刷量測方式皆能有效的量測當前沖刷情況，並得以克服汛期之河川惡劣測量條件，然舉例之量測方式皆存在一共通缺點：無法重複量測。沖刷事件發生後，水位及河川流速皆將趨緩，此時河川中之泥沙將隨回淤機制快速堆積於沖刷坑中，然而重力式沖刷量測桿並無法於河床回淤過程中隨河床上升，而將埋於河床中。此外，浮球於漂流至下游集中回收後，若欲對同一橋墩進行沖刷監測，除須針對所有浮球之儲電量進行確認外，必須於同一位置再次以套管進行開挖以埋設浮球。將監測系統重置，除消耗人力物力資源外，難以擔保重置工程能於下一次洪水來臨前完成，而使監測系統之維護難以執行。

本發明之主要目標是為解決習知重力式河床沖刷監測系統無法進行系統重置之問題。

為達本發明目的，本發明提供一用於重力式河床沖刷偵測系統之系統重置裝置，其包含一馬達組件、一定滑輪組、一配重以及一沖刷監測桿；該定滑輪組包含二個外蓋、一第一配重輪盤、一監測桿輪盤、一第二配重輪盤、一轉軸以及一傳力桿；該第一配重輪盤與該第二配重輪盤盤面具有沿半徑方向之一直線切削溝槽直至輪盤底端；該監測桿輪盤於盤面具有一弧形切削溝槽，該弧形切削溝之起點、終點與圓心之距離分別對應該第一配重輪盤與該第二配重輪盤直線溝槽兩端點與圓心之距離；該傳力桿具有直徑D；該二個外蓋內側焊具有一傳力桿擋板，該直線切削溝槽之頂端較該傳力桿擋板多該直徑D之長度；該二個外蓋作為該轉軸之支承固定，該第一配重輪盤、該第二配重輪盤與該轉軸相互固定，而該監測桿輪盤不與該轉軸相互固定；該傳力桿貫穿該第一配重輪盤之該直線切削溝槽、該監測桿輪盤之該弧形切削溝槽、該第二配重輪盤盤之該直線切削溝槽連結各輪盤；該第一配重輪盤、該監測桿輪盤與該第二配重輪盤上皆有溝槽，並掛有鋼索；該卦於該第一配重輪盤與該第二配重輪盤上之鋼索，一端接連該配重，另一端錨定於輪盤上；該掛於該監測桿輪盤上之鋼索，一端連接該沖刷監測桿，另一端連接一小型配重；該第一配重輪盤於該直線切削溝槽附近之外緣焊具有一金屬板，並於距離該監測桿輪盤之該弧形切削溝槽兩端所夾相同圓心角之外緣同樣焊具有另一金屬板；一極限開關設於該外蓋上端。

本發明之用於重力式河床沖刷偵測系統之系統重置裝置，其中該馬達組件由一馬達與一行星齒輪組構成，並藉由該轉軸傳動該定滑輪組。

本發明可將重力河床沖刷監測系統中之測量桿進行重置，並同時兼顧低用電。

1:馬達組件

11:馬達

12:行星齒輪組

13:轉軸

14:行星齒輪單元

15:太陽齒輪

16:行星齒輪

2:定滑輪組

21:外蓋

22:第一配重輪盤

23:監測桿輪盤

24:第二配重輪盤

25:極限開關

26:傳力桿

27:監測桿鋼索煞車

28:配重鋼索煞車

29:傳力桿擋板

210:金屬板

3:配重

4:沖刷監測桿

第1圖為本發明之完整裝置之立體圖，顯示本發明與重力式沖刷監測桿之關係。

第2圖為本發明中馬達組件與定滑輪組構件之側視圖。

第3圖為本發明中馬達組件與定滑輪組構件之俯視圖。

第4圖為本發明中馬達組件與定滑輪組構件之分解圖，顯示定滑輪組件之組裝方式。

第5圖為本發明中定滑輪組件中配重輪盤A之平面設計圖。

第6圖為本發明中定滑輪組件中配重輪盤B之平面設計圖。

第7圖為本發明中定滑輪組件中監測桿輪盤之平面設計圖。

第8圖為本發明中定滑輪組件中外蓋之平面設計圖。

第9圖為本發明中定滑輪組件中外蓋之等軸測投影設計圖。

第10圖為本發明中定滑輪組件透視圖，顯示組件之初始相對位置。

第11圖為本發明中定滑輪組件透視圖，顯示組件於沖刷監測階段之相對位置。

第12圖為本發明中定滑輪組件透視圖，顯示組件於監測桿達 到設計監測深度之相對位置。

第13圖為本發明中定滑輪組件透視圖，顯示組件於監測桿重置階段之相對位置。

第14圖為本發明中定滑輪組件透視圖，顯示組件於監測回歸至初始高程之相對位置。

第15圖為本發明中定滑輪組件透視圖，顯示組件於配重重置階段之相對位置。

第16圖為本發明中定滑輪組件中極限開關之觸發示意圖。

第17圖為本發明中定滑輪組件中鋼所煞車之運作示意圖。

第18圖為本發明中馬達組件中行星齒輪單元之平面圖。

以下將根據圖示中各圖說對本發明進行詳細之說明，包含其運作方式以及細部設計。參考第1圖，根據本發明係以重力式沖刷監測裝置為基礎之防回淤設計，故本發明是為一吊有沖刷監測桿之輪軸電機系統。根據圖中所示，本發明是由馬達組件1、定滑輪組2、配重3與沖刷監測桿4組成。第2與第3圖為本發明中馬達組件與定滑輪組之側視圖與俯視圖，說明馬達11與定滑輪組2之組合關係。本發明主要運作方式可分為兩階段：沖刷監測與系統重置，沖刷監測階段為進行本發明河床沖刷深度監測之主要功能；系統重製中包含監測桿4與配重3之狀態回歸。

於監測階段中，馬達組件1與定滑輪組2之電源為斷電狀態，沖刷監測桿4可自由滑動且其底部將接觸河床，使監測桿4立於河床之上，並隨河床沖刷沉降。當監測桿4沉降至設計深度時，便進入系統重階段，滑 輪組將啟動，使配重3利用自重透過滑輪2將監測桿4抬升至初始高程。當監測桿4重置至初始高程後，配重3將透過馬達組件1所提供之動力將其抬升回初始高程。

根據本發明主要功能係為提供重力式沖刷監測桿裝置之狀態重置，本發明利用定滑輪組2之輪盤21~24切削設計，使監測桿4得以抬升置初始高程。第4圖為定滑輪組2之分解圖，標示包含第一配重輪盤22、第二配重輪盤24、監測桿輪盤23與兩個外蓋21之相對關係，其中定滑輪組2中各輪盤之基本幾何設計由第5~9圖表示，並分別有兩條鋼纜設置於各輪盤上。高強度之傳力桿26貫穿三個輪盤盤面之切削孔洞以連結各輪盤，以將配重3之拉力傳達至監測桿4。兩外蓋21作為轉軸13之支承固定於橋柱或其他平面而將不轉動。第一配重輪盤22及第二配重輪盤24與轉軸13相互固定；監測桿輪盤23為了於配重回歸階段不與第一配重輪盤22及第二配重輪盤24一同轉動，其不與轉軸13相互固定。

參考第4圖，根據本發明吊掛監測桿4與配重3之方式，於第一配重輪盤22與第二配重輪盤24中，配重3吊掛於輪盤之右側(面對馬達11)，並將纜繩錨定於輪盤下方突起；於監測桿輪盤23中，監測桿4吊掛於輪盤左側，另一側由一小型配重維持纜繩張力。

於沖刷監測階段中，各輪盤之初始狀態由第10圖透視圖所表示，其中包含第一配重輪盤22、監測桿輪盤23、第二配重輪盤24與傳力桿26之相對位置。參考第4圖，配重3於第一配重輪盤22與第二配重輪盤24施予依順時針力矩，並藉由直線切削溝槽將力傳導至傳力桿26，由於傳力桿26位於外蓋21內傳力桿擋板29之左側，其給予傳力桿支撐力並阻止第一配 重輪盤22與第二配重輪盤24旋轉。參考第11圖，當監測桿4因重力隨河床沖刷而下降，並帶動監測輪盤23逆時針旋轉時，傳力桿26將因為監測桿輪盤23之弧形切削溝槽而被緩緩上推。參考第12圖，第一配重輪盤22與第二配重輪盤24直線切削溝槽之頂端較外蓋21內傳力桿擋板29多一傳力桿26之直徑D，故當監測桿4沉降至設計高程時，傳力桿26將會脫離外蓋21內傳力桿擋板29之束制，進入系統重置階段。

參考第13圖，於監測桿4重置階段中，第一配重輪盤22與第二配重輪盤24透過傳力桿26帶動所有輪盤順時針旋轉，藉由配重3之位能將監測桿4向上拉起。關於監測桿輪盤23之弧形切削溝槽長度，將根據欲監測橋梁之過往沖刷量測數據而決定，其設計目標是為：溝槽於半徑方向之位移，需於監測桿輪盤23放下相當於設計高程之纜繩時達到與第一配重輪盤22、第二配重輪盤24中直線切削溝槽頂端等高，故本發明得以根據不同橋樑與河川性質設計監測桿輪盤23之弧形切削溝槽長度。

參考第5圖，第一配重輪盤22於輪盤外緣焊有兩金屬板210。當第一配重輪盤22於監測桿4重置階段中旋轉時，位於第5圖中頂端之金屬板210將觸發裝設於外蓋21上之極限開關25，並以訊號啟動馬達11之控制系統，藉由控制配重鋼索煞車28的收放，以避免監測桿4上升速度過快而致裝置損毀，其中極限開關25觸發方式與鋼索煞車28方式分別參考第16圖與第17圖。參考第16圖，當第一配重輪盤22順時鐘旋轉時，金屬板210將會向右移動並觸動位於極限開關25右側之滑輪，使之產生訊號並傳回至系統告知回歸階段開始。參考第17圖，位於鋼索兩側之方塊為兩金屬塊，其內側接裝設有煞車皮，當收到來自系統之煞車指令時，煞車裝置得透過油壓使兩 金屬塊相互夾緊，利用煞車皮與鋼索之間之摩擦力使鋼索速度下降。兩金屬板210之間距將與略少於監測桿4沉降至設計高程時監測桿輪盤23旋轉之角度，故當極限開關25第二次被金屬板觸發時，控制系統將啟動配重鋼索煞車28使配重3、第一配重輪盤22與第二配重輪盤24輪盤停止動作。

參考第14圖，於監測桿4與監測桿輪盤23回歸至初始狀態，控制系統將啟動監測桿鋼索煞車27將其固定，進行配重3之重置程序。監測桿鋼索煞車27之運作方式同鋼索煞車28方式並可參考第17圖。參考第15圖，於配重3之重置程序控制中，系統將啟動馬達並解除配重鋼索煞車28，由於監測桿輪盤23並無與轉軸13相互固定且有監測桿鋼索煞車27固定，故此時僅有第一配重輪盤22與第二配重輪盤24被馬達11帶動，並藉由第一配重輪盤22上之金屬版210觸發極限開關以控制馬達11停止時機。第一配重輪盤22、第二配重輪盤24與傳力桿26藉由電力重置至初始狀態後，控制系統將啟動配重鋼索煞車28並將馬達斷電，再依序釋放監測感鋼索煞車27與配重鋼索煞車28，使監測桿4自由垂降並繼續進行沖刷監測。

根據計算，配重3於本發明中需要於200公斤以上之重量，而依據橋梁現地之電力、空間等環境限制下，難以於現地配置淨出力大於200公斤之絞盤或馬達裝置。考慮空間使用效率與機械性能，於本發明中選擇使用行星齒輪12於馬達組件中，將其連接於馬達11輸出端，使裝置得以提供足夠之扭力抬升配重3並得到降低轉速之功能。參考第18圖，行星齒輪12乃多個型星齒輪單元14所組成，每個單元又包含一組太陽齒輪15與行星齒輪16，以第一組與馬達11連接之行星齒輪單元14為例，馬達11之動力將與太陽齒輪15連接，並將動力傳達至行星齒輪16，完成第一次變速。第一組 行星齒輪單元14中之行星齒輪16將與下一組行星齒輪單元14之太陽齒輪15連接，以進行下一次之變速，依此類推。而最後一組之行星齒輪單元14之行星齒輪16將與本發明之轉軸13連接，將提升之馬達扭力傳送至定滑輪組2使用。但若現地環境許可配置足夠功率之機具，經評估可省略行星齒輪組12之設置，直接將馬達11之輸出端連接於轉軸13。

1:馬達組件

2:定滑輪組

3:配重

4:沖刷監測桿

Claims (2)

1. 一用於重力式河床沖刷偵測系統之系統重置裝置，其包含一馬達組件(1)、一定滑輪組(2)、一配重(3)以及一沖刷監測桿(4)；

   該定滑輪組(2)包含二個外蓋(21)、一第一配重輪盤(22)、一監測桿輪盤(23)、一第二配重輪盤(24)、一轉軸(13)以及一傳力桿(26)；

   該第一配重輪盤(22)與該第二配重輪盤(24)盤面具有沿半徑方向之一直線切削溝槽直至輪盤底端；

   該監測桿輪盤(23)於盤面具有一弧形切削溝槽，該弧形切削溝之起點、終點與圓心之距離分別對應該第一配重輪盤(22)與該第二配重輪盤(24)直線溝槽兩端點與圓心之距離；

   該傳力桿(26)具有直徑D；

   該二個外蓋(21)內側焊具有一傳力桿擋板(29)，該直線切削溝槽之頂端較該傳力桿擋板(29)多該直徑D之長度；

   該二個外蓋(21)作為該轉軸(13)之支承固定，該第一配重輪盤(22)、該第二配重輪盤(24)與該轉軸(13)相互固定，而該監測桿輪盤(23)不與該轉軸(13)相互固定；

   該傳力桿(26)貫穿該第一配重輪盤(22)之該直線切削溝槽、該監測桿輪盤(23)之該弧形切削溝槽、該第二配重輪盤(24)盤之該直線切削溝槽連結各輪盤；

   該第一配重輪盤(22)、該監測桿輪盤(23)與該第二配重輪盤(24)上皆有溝槽，並掛有鋼索；

   該卦於該第一配重輪盤(22)與該第二配重輪盤(24)上之鋼索，一端接連該配重(3)，另一端錨定於輪盤上；

   該掛於該監測桿輪盤(23)上之鋼索，一端連接該沖刷監測桿(4)，另一端 連接一小型配重；

   該第一配重輪盤(22)於該直線切削溝槽附近之外緣焊具有一金屬板(210)，並於距離該監測桿輪盤(23)之該弧形切削溝槽兩端所夾相同圓心角之外緣同樣焊具有另一金屬板(210)；

   一極限開關(25)設於該外蓋(21)上端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該馬達組件(1)由一馬達(11)與一行星齒輪組(12)構成，並藉由該轉軸(13)傳動該定滑輪組(2)。

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