水文多功能搭載平臺的結構設計分析

婁利華

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 前 言

遼寧地區水旱災害發生的頻次較高，水利工作與水旱災害有較為直接的聯系。水利工作的基礎在于水文監測的及時性和可靠性。當前，隨著社會經濟快速發展，社會公眾對水文監測數據需求越來越高。水文監測數據的時效性是保障水庫防洪安全、國民經濟發展與農業灌溉安全的重要基礎。遼寧省現有水文站218處(國家基本水文站121處，中小河流專用水文站97)，水位站58處(國家基本水位站9處、中小河流專用水位站49處)、雨量站1863處(國家基本雨量站561處、專用雨量站1302處)、墑情站96處、地下水站1153處、實驗站3處。每年水文儀器檢修和安裝的任務較多，而由于水文監測設施大都位于河邊，正常檢修的維護的難度較大，且由于高空作業，檢修人員的安全難以得到保障。為方便水文監測儀器的安裝和檢修，設計一種水文多功能搭載平臺，平臺可同時搭載多種水文檢測、監測儀器，實現了水文監測儀器安全檢修和安裝。平臺結構設計具有安全、可靠的特點，平臺包括主支撐臂、升降艙，實現升降艙搭載檢修人員完成水文儀器的安裝和檢修[1-9]。

1 當前水文監測儀器檢修平臺存在問題

目前，作為水文檢測、監測裝置的支撐載體通常有以下兩種形式：第一種，固定式支架，由于需要將水位計、流速計、水質監測儀、照明燈、監控攝像頭等支撐在半空中，所以安裝和檢修均非常不方便，也存在安全隱患；第二種，可升降式支撐架體結構，具有固定支撐部和可沿固定支撐部上、下運動的升降臺，升降臺可搭載水位計、流速計、水質監測儀等，在一定程度上方便了安裝和檢修。但仍存在如下問題：

1)采用的升降傳動機構為齒輪齒條傳動機構，即在固定支撐部上布置有齒條結構，在升降臺上設置與齒條結構嚙合的齒輪結構，齒輪結構帶動升降臺在齒條結構上爬升和下降。這種傳動形式限制了升降臺的承重能力，致使安裝的水文檢測、監測裝置數量有限，功能單一，造成支撐資源的浪費；

2)上述的傳動方式安全性較差，很容易發生升降臺墜落的情況，危及檢修人員和設備安全，也因此，其承重能力再次被制約；

3)傳動機構隱蔽性差，如齒條結構位于固定支撐部表面，不但不美觀，還受環境因素影響較大，影響傳動精度，維護周期短，同時也無法避免人為惡意破壞。基于此，現有的水文檢測、監測裝置的支撐載體仍需改進。

2 主要結構設計

2.1 主體結構

水文多功能搭載平臺括主支撐臂、套裝于主支撐臂外部的升降艙，結構設計見圖1。結構設計要點為：在主支撐臂頂部安裝升降控制箱，升降控制箱的底板上固定一對平行支撐軸且支撐軸兩端分別固定有鏈輪，四個鏈輪在水平方向上位于主支撐臂的四角位置，兩個支撐軸之間設有同步傳動機構，同步傳動機構的動力輸入端與驅動電機減速機連接。主支撐臂為空心臂且其中設有配重塊，該配重塊的頂面四角分別連接有傳動鐵鏈，四條傳動鐵鏈與四個鏈輪一一對應，傳動鐵鏈的另一端繞過對應的鏈輪后與升降艙連接，升降艙與升降控制箱之間連接有防墜器。升降艙或/和升降控制箱上可放置水文檢測、監測儀器。各主體結構特點分別為：

圖1 水文多功能搭載平臺主體結構

1)升降艙的一側或兩側設有水平副臂，水平副臂與升降艙側面設置的連接耳鉸接并固定，側面另設有對應水平副臂的限位擋，水平副臂上設有水位計、流量計、遠程監控攝像頭中的一種或多種組合，水平副臂的懸臂端固定有副避雷針，與水位計、流量計或監控攝像頭對應的遠程測控單元RTU和電源裝置設于升降艙內。

2)升降艙包括內結構架、包覆于內結構架外部的殼體，內結構架中固定有圍繞主支撐臂的環形導向架，環形導向架上設有與主支撐臂接觸的導向輪組，環形導向架的上端面低于內結構架的上端面，且環形導向架上端面四角分別設有與傳動鐵鏈連接的吊耳，內結構架上部設有容納升降控制箱的空腔。

3)升降控制箱包括支撐框架、設于支撐框架內的底板、包覆于支撐框架外周的殼體、設于殼體頂部的蓋板，底板一側另固定有電源裝置和電控箱，電控箱與驅動電機減速機連接，底板下表面與主支撐臂頂端固定，且底板開設有對應四條傳動鐵鏈的行程通孔，支撐框架的底端固定有多個對應配重塊和升降艙的緩沖墊，所述底板的下表面設有對應升降艙的上升限位開關和對應配重塊的下降限位開關，蓋板上設有主避雷針。

4)水位計、水質監測儀或遠程監控攝像頭對應的遠程測控單元RTU和電源裝置固定于升降控制箱內，降控制箱頂部和/或升降艙頂部設有與電源裝置連接的太陽能電池板。同步傳動機構包括分別設于兩個支撐軸上的從動齒輪、與其中一個從動齒輪嚙合的主動齒輪、位于主動齒輪和另一個從動齒輪之間并與兩者分別嚙合的換向齒輪，所述主動齒輪的輪軸與驅動電機減速機的輸出軸連接，驅動電機減速機為蝸輪蝸桿減速電機。

5)主支撐臂側面固定有對應水位計或水質監測儀的空心柱，空心柱下端與外部相通，水位計或水質監測儀的監測端垂直下落于空心柱中或通過空心柱下方地基引至空心柱外部，升降艙對應空心柱的位置設有避讓口。

圖中1為主支撐臂；2為配重塊；3為傳動鐵鏈；4為升降艙；5為遠程監控攝像頭；6為水平副臂；7為超聲波雷達水位計；8為檢修欄；9為聚光燈或泛光燈；10為水位計或水質監測儀的空心柱；11為殼體頂部的蓋板；12為雨量筒；13為太陽能電池板。

2.2 主要工作原理

啟動蝸輪蝸桿減速電機，利用同步傳動機構帶動四個鏈輪同步旋轉，四條傳動鐵鏈拉動升降艙上升或下降，上升到止點時，上升限位開關發出信號，蝸輪蝸桿減速電機停止，下降至止點時，下降限位開關發出信號，蝸輪蝸桿減速電機停止。

3 平臺主要優點

1)在配重塊的作用下，驅動電機減速機通過同步傳動機構、鏈輪及傳動鐵鏈省力的將升降艙提升至高空，同時也由于配重塊的作用，保證了升降艙下放時運行平穩，因此，水文多功能搭載平臺的升降艙承重能力強，有效荷載可達300公斤，可以同時搭載多種水文檢測監測儀器，實現多種水文檢測監測功能。

2)采用四條傳動鐵鏈和防墜器形成5級防墜落手段，具體是：由于配重塊與升降艙之間連接著四條傳動鐵鏈，同時升降控制箱與升降艙之間連接著防墜器，再者升降艙與主支撐臂之間的摩擦作用，實現了多重防墜落作用，一條或兩條或三條傳動鐵鏈斷裂后，不僅有配重塊利用其余傳動鐵鏈拉動升降艙，且由于作用力不平衡，升降艙卡在主支撐臂上，而當所有傳動鐵鏈斷裂時，另有防墜器作用，故大大提高了安全性和可靠性。

3)升降控制箱位于主支撐臂頂部，配重塊位于主支撐臂內部，傳動鐵鏈將升降艙拉至上升終點后隱于主支撐臂內，水文多功能搭載平臺的傳動部分為隱蔽性設計，受環境影響小，使用壽命長，在一定程度上避免了人為惡意破壞，同時保證了本發明外形美觀。

4)無梯設計提高了搭載設備整體的安全性。

4 結 語

1)水文多功能搭載平臺的升降艙、有效荷載可達300公斤，可同時搭載多種水文檢測監測儀器，實現多種水文檢測監測功能，具有較好的實用推廣性；

2)相比于傳統傳送方式，設計的水文多功能搭載平臺的升降控制箱與升降艙之間連接著防墜器。可實現多重防墜落作用，顯著提高了水文監測儀器安裝和檢修的安全性和可靠性；

3)水文多功能搭載平臺的傳動部分為隱蔽性設計，受環境影響小，使用壽命長，保障了儀器的安全、長期實用。