水文多功能搭載平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

婁利華

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 前 言

遼寧地區(qū)水旱災(zāi)害發(fā)生的頻次較高，水利工作與水旱災(zāi)害有較為直接的聯(lián)系。水利工作的基礎(chǔ)在于水文監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和可靠性。當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，社會(huì)公眾對(duì)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求越來越高。水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性是保障水庫(kù)防洪安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與農(nóng)業(yè)灌溉安全的重要基礎(chǔ)。遼寧省現(xiàn)有水文站218處(國(guó)家基本水文站121處，中小河流專用水文站97)，水位站58處(國(guó)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(guó)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(shí)驗(yàn)站3處。每年水文儀器檢修和安裝的任務(wù)較多，而由于水文監(jiān)測(cè)設(shè)施大都位于河邊，正常檢修的維護(hù)的難度較大，且由于高空作業(yè)，檢修人員的安全難以得到保障。為方便水文監(jiān)測(cè)儀器的安裝和檢修，設(shè)計(jì)一種水文多功能搭載平臺(tái)，平臺(tái)可同時(shí)搭載多種水文檢測(cè)、監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)了水文監(jiān)測(cè)儀器安全檢修和安裝。平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有安全、可靠的特點(diǎn)，平臺(tái)包括主支撐臂、升降艙，實(shí)現(xiàn)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(dāng)前水文監(jiān)測(cè)儀器檢修平臺(tái)存在問題

目前，作為水文檢測(cè)、監(jiān)測(cè)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(jì)、流速計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、照明燈、監(jiān)控?cái)z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(jié)構(gòu)，具有固定支撐部和可沿固定支撐部上、下運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)，升降臺(tái)可搭載水位計(jì)、流速計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即在固定支撐部上布置有齒條結(jié)構(gòu)，在升降臺(tái)上設(shè)置與齒條結(jié)構(gòu)嚙合的齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪結(jié)構(gòu)帶動(dòng)升降臺(tái)在齒條結(jié)構(gòu)上爬升和下降。這種傳動(dòng)形式限制了升降臺(tái)的承重能力，致使安裝的水文檢測(cè)、監(jiān)測(cè)裝置數(shù)量有限，功能單一，造成支撐資源的浪費(fèi)；

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

3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)隱蔽性差，如齒條結(jié)構(gòu)位于固定支撐部表面，不但不美觀，還受環(huán)境因素影響較大，影響傳動(dòng)精度，維護(hù)周期短，同時(shí)也無法避免人為惡意破壞?；诖耍F(xiàn)有的水文檢測(cè)、監(jiān)測(cè)裝置的支撐載體仍需改進(jìn)。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)

水文多功能搭載平臺(tái)括主支撐臂、套裝于主支撐臂外部的升降艙，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(duì)平行支撐軸且支撐軸兩端分別固定有鏈輪，四個(gè)鏈輪在水平方向上位于主支撐臂的四角位置，兩個(gè)支撐軸之間設(shè)有同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)連接。主支撐臂為空心臂且其中設(shè)有配重塊，該配重塊的頂面四角分別連接有傳動(dòng)鐵鏈，四條傳動(dòng)鐵鏈與四個(gè)鏈輪一一對(duì)應(yīng)，傳動(dòng)鐵鏈的另一端繞過對(duì)應(yīng)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(cè)、監(jiān)測(cè)儀器。各主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別為：

圖1 水文多功能搭載平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

1)升降艙的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有水平副臂，水平副臂與升降艙側(cè)面設(shè)置的連接耳鉸接并固定，側(cè)面另設(shè)有對(duì)應(yīng)水平副臂的限位擋，水平副臂上設(shè)有水位計(jì)、流量計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z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(jì)、流量計(jì)或監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程測(cè)控單元RTU和電源裝置設(shè)于升降艙內(nèi)。

2)升降艙包括內(nèi)結(jié)構(gòu)架、包覆于內(nèi)結(jié)構(gòu)架外部的殼體，內(nèi)結(jié)構(gòu)架中固定有圍繞主支撐臂的環(huán)形導(dǎo)向架，環(huán)形導(dǎo)向架上設(shè)有與主支撐臂接觸的導(dǎo)向輪組，環(huán)形導(dǎo)向架的上端面低于內(nèi)結(jié)構(gòu)架的上端面，且環(huán)形導(dǎo)向架上端面四角分別設(shè)有與傳動(dòng)鐵鏈連接的吊耳，內(nèi)結(jié)構(gòu)架上部設(shè)有容納升降控制箱的空腔。

3)升降控制箱包括支撐框架、設(shè)于支撐框架內(nèi)的底板、包覆于支撐框架外周的殼體、設(shè)于殼體頂部的蓋板，底板一側(cè)另固定有電源裝置和電控箱，電控箱與驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)連接，底板下表面與主支撐臂頂端固定，且底板開設(shè)有對(duì)應(yīng)四條傳動(dòng)鐵鏈的行程通孔，支撐框架的底端固定有多個(gè)對(duì)應(yīng)配重塊和升降艙的緩沖墊，所述底板的下表面設(shè)有對(duì)應(yīng)升降艙的上升限位開關(guān)和對(duì)應(yīng)配重塊的下降限位開關(guān)，蓋板上設(shè)有主避雷針。

4)水位計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀或遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程測(cè)控單元RTU和電源裝置固定于升降控制箱內(nèi)，降控制箱頂部和/或升降艙頂部設(shè)有與電源裝置連接的太陽(yáng)能電池板。同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別設(shè)于兩個(gè)支撐軸上的從動(dòng)齒輪、與其中一個(gè)從動(dòng)齒輪嚙合的主動(dòng)齒輪、位于主動(dòng)齒輪和另一個(gè)從動(dòng)齒輪之間并與兩者分別嚙合的換向齒輪，所述主動(dòng)齒輪的輪軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)的輸出軸連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)為蝸輪蝸桿減速電機(jī)。

5)主支撐臂側(cè)面固定有對(duì)應(yīng)水位計(jì)或水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的空心柱，空心柱下端與外部相通，水位計(jì)或水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)空心柱的位置設(shè)有避讓口。

圖中1為主支撐臂；2為配重塊；3為傳動(dòng)鐵鏈；4為升降艙；5為遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭；6為水平副臂；7為超聲波雷達(dá)水位計(jì)；8為檢修欄；9為聚光燈或泛光燈；10為水位計(jì)或水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的空心柱；11為殼體頂部的蓋板；12為雨量筒；13為太陽(yáng)能電池板。

2.2 主要工作原理

啟動(dòng)蝸輪蝸桿減速電機(jī)，利用同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)四個(gè)鏈輪同步旋轉(zhuǎn)，四條傳動(dòng)鐵鏈拉動(dòng)升降艙上升或下降，上升到止點(diǎn)時(shí)，上升限位開關(guān)發(fā)出信號(hào)，蝸輪蝸桿減速電機(jī)停止，下降至止點(diǎn)時(shí)，下降限位開關(guān)發(fā)出信號(hào)，蝸輪蝸桿減速電機(jī)停止。

3 平臺(tái)主要優(yōu)點(diǎn)

1)在配重塊的作用下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)通過同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪及傳動(dòng)鐵鏈?zhǔn)×Φ膶⑸蹬撎嵘粮呖?，同時(shí)也由于配重塊的作用，保證了升降艙下放時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，因此，水文多功能搭載平臺(tái)的升降艙承重能力強(qiáng)，有效荷載可達(dá)300公斤，可以同時(shí)搭載多種水文檢測(cè)監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)多種水文檢測(cè)監(jiān)測(cè)功能。

2)采用四條傳動(dòng)鐵鏈和防墜器形成5級(jí)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(dòng)鐵鏈，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了多重防墜落作用，一條或兩條或三條傳動(dòng)鐵鏈斷裂后，不僅有配重塊利用其余傳動(dòng)鐵鏈拉動(dòng)升降艙，且由于作用力不平衡，升降艙卡在主支撐臂上，而當(dāng)所有傳動(dòng)鐵鏈斷裂時(shí)，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(nèi)部，傳動(dòng)鐵鏈將升降艙拉至上升終點(diǎn)后隱于主支撐臂內(nèi)，水文多功能搭載平臺(tái)的傳動(dòng)部分為隱蔽性設(shè)計(jì)，受環(huán)境影響小，使用壽命長(zhǎng)，在一定程度上避免了人為惡意破壞，同時(shí)保證了本發(fā)明外形美觀。

4)無梯設(shè)計(jì)提高了搭載設(shè)備整體的安全性。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)水文多功能搭載平臺(tái)的升降艙、有效荷載可達(dá)300公斤，可同時(shí)搭載多種水文檢測(cè)監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)多種水文檢測(cè)監(jiān)測(cè)功能，具有較好的實(shí)用推廣性；

2)相比于傳統(tǒng)傳送方式，設(shè)計(jì)的水文多功能搭載平臺(tái)的升降控制箱與升降艙之間連接著防墜器。可實(shí)現(xiàn)多重防墜落作用，顯著提高了水文監(jiān)測(cè)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(tái)的傳動(dòng)部分為隱蔽性設(shè)計(jì)，受環(huán)境影響小，使用壽命長(zhǎng)，保障了儀器的安全、長(zhǎng)期實(shí)用。