水下离心环流叶轮式吸盘

1.本发明属于机械创新设计领域的一种水下勘测吸盘，尤其是涉及了一种水下离心环流叶轮式吸盘。


背景技术：

2.水下吸附技术与水下抓取技术是开展水下勘测与作业的关键技术之一，被广泛应用于海洋地质勘测、资源勘探及矿产评估、深海打捞等诸多领域，完成诸如水下取样、水下打捞、水下吸附等多种工程作业。传统的水下吸附技术若要使承担钻凿切割、高压清洗等重型作业的水下机器人稳定吸附，则需要一个大吸盘或多个小吸盘，导致机构整体复杂且沉重，而水下抓取技术多采用机械抓取装置，存在设计复杂以及操作不便等问题，难以适应诸多不规则形状的物体，有可能对抓取物造成损伤，且在无水环境下无法进行吸附。
3.机器人技术一直都是学术和工业界的研究热点之一，近年来，伴随着机器人被广泛应用于各个领域之中，特种机器人技术也得到了飞速的发展。区别于工业和服务机器人，特种机器人面向于解决专业领域内的难点问题，因此需要在一些特殊的功能和需求上进行细化和加强。而水下爬壁机器人作为特种机器人的一个新的重要分支，在海洋装备清洗、水下结构物勘探以及水利设备维护中扮演着十分重要的角色。但是如何实现在不同类型的表面上的稳定吸附，一直都是水下爬壁机器人的研究难点之一。
4.传统水下机器人依赖于磁吸附、真空吸附或负压吸附实现在结构及装备物上的贴附，然后目前各种吸附技术均存在一定的缺陷，磁力吸附的适用场景局限于铁磁材料表面，无法在桥墩和坝体等非铁磁材料结构上发挥作用；真空吸附难以摆脱真空泵的限制，并且真空吸盘在水下环境中极易发生泄漏，大大增加了机构设计与实际操作的困难程度；旋流负压吸附依靠高压水泵或大功率电机在吸盘腔体内产生负压区，负压吸附技术属于接触式吸附，较依赖于密封性能，吸盘本体或连接管路较容易堵塞造成吸附失效。
5.针对负压吸附技术，目前所应用的吸盘主要可分为两类：一是依靠真空发生装置产生真空负压从而进行吸附。这种吸盘由于是依靠真空发生装置，所以吸盘可以液体介质环境中工作。不足之处是装置相对复杂，操作要求也相对较多，而且费用较高。另一种则是通过机械运动排除密闭空间内介质，形成负压环境从而形成吸附。这种吸盘结构简单、操作方便，但在一定体积和功率限制下吸附能力有限，无法满足一些重型作业领域，因此设计出一种体积小、功率小、吸附能力强的水下吸盘具有重要的应用价值。
6.如公布号cn112478109a的发明专利文献公开的一种适用于水下作业的伯努利吸盘，该吸盘包括吸附主体和吸附主体内的推进器组成。该吸盘通过螺旋桨制造环境流动，通过吸附面底部的支撑结构，在吸附面与壁面之间形成流动间隙，因为吸附面的伯努利效应和螺旋桨的反作用力形成整个吸盘的吸附力。这种设计的优点是结构简单，控制方便，制造与安装便捷。但是采用螺旋桨作为吸盘动力源，会导致水流扰动较大，影响水下观测；另外支撑结构在粗糙表面上容易发生磨损。此外单独的离心叶轮式吸盘或者加装伯努利底盘后的吸附能力有限，若要执行反作用力较大的水下钻凿、切割等重型作业需要配置多个吸盘，
分布占用面积、体积大，且所要求的功率较大。


技术实现要素：

7.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种水下离心环流叶轮式吸盘。本发明的水下离心环流叶轮式吸盘安装便捷，具有更大的吸附力。
8.本发明技术方案如下：
9.包括防水直流电机、吸盘外壳、轴端挡圈、环状的伯努利底盘和离心机构；所述的吸盘外壳为顶端开设孔洞底端开口的空心柱状结构，离心机构设置在吸盘外壳内部的空腔中且离心机构不与吸盘外壳的内侧壁接触，防水直流电机和伯努利底盘分别同轴固定安装在吸盘外壳的上、下两侧，轴端挡圈位于离心机构的中部，防水直流电机输出轴的下端穿设过吸盘外壳后依次与离心机构和轴端挡圈固定连接；
10.防水直流电机的输出轴带动离心机构旋转，导致水流流出吸盘外壳的空腔中，从而使吸盘外壳的空腔内形成真空负压，进而实现吸盘的水下吸附。
11.所述的离心机构包括圆盘状的叶轮底盘和离心环流叶轮，离心环流叶轮固定连接在叶轮底盘的下表面，叶轮底盘和离心环流叶轮固定连接后同轴安装在吸盘外壳内部的空腔中，叶轮底盘和离心环流叶轮的中部均开设有孔洞，防水直流电机输出轴的底端穿设过吸盘外壳后依次与叶轮底盘和轴端挡圈同轴固定连接。
12.所述的离心环流叶轮主要由离心圆环和倾斜叶片阵列组成，离心圆环的上部开设有若干个梯形凹槽从而在相邻间的梯形凹槽之间形成凸起块，倾斜叶片阵列主要由若干个倾斜叶片沿着离心圆环的周向均匀间隔排布形成，各个倾斜叶片沿着离心圆环的径向布置，各个倾斜叶片均与离心圆环的凸起块固定连接。
13.所述的倾斜叶片包括内侧倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片，内侧倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片分别固定连接在离心圆环的内侧壁和外侧壁上，内侧倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反；
14.内侧倾斜直叶片、外侧倾斜直叶片和凸起块的数量和排布位置分布相同且对齐。
15.所述伯努利底盘的内径等于吸盘外壳的内径，伯努利底盘的外径大于吸盘外壳的外径。
16.所述离心环流叶轮的下端面不低于伯努利底盘的下端面。
17.所述外侧倾斜直叶片的长度大于内侧倾斜直叶片的长度。
18.本发明的原理如下：
19.如图6所示，防水直流电机与离心环流叶轮和叶轮底盘同轴连接，防水直流电机工作时高速旋转带动离心环流叶轮和叶轮底盘同步高速旋转，离心环流叶轮中的内侧倾斜直叶片搅动离心环流叶轮中心的水流向外推动，离离心环流叶轮中心处的水流经过离心圆环处的梯形凹槽后再进入到外侧倾斜直叶片的作用区域。由于外侧倾斜直叶片和离心环流叶轮的中轴线呈一定的倾斜角度，外侧倾斜直叶片高速旋转时给予吸盘内水流的力不仅有离心力还有向上推动的力。吸盘内的一部分水流因离心力作用被甩向离心环流叶轮边缘，随后流出离心环流叶轮中间的空腔外，使得吸盘内部形成局部真空负压而产生吸力，水流流出离心环流叶轮的空腔后再经过环形的伯努利底盘流到外部环境时，离心环流叶轮内部与伯努利底盘下部的水流产生流速差形成伯努利效应，从而产生更大的吸力。而吸盘内的另
一部分向上流动的水流遇到叶轮底盘和吸盘外壳内壁的阻隔无法继续前行，便会有一部分的水流积聚在吸盘外壳内壁的上边缘处，从而形成压力相对增大、速度相对稳定、分布相对集中的周向环流，流体粘性增大的周向环流会通过流体内摩擦力带动吸盘下方的流体沿着圆周切线做高速圆周运动，因此产生旋流及离心力进一步增大吸盘吸附力。因此离心环流吸盘通过流体内摩擦力和离心力的共同作用下产生压差形成内部真空负压而不是单靠离心叶轮式的离心力产生压差形成真空负压。吸盘吸附壁面后吸盘内水流几乎不流出吸盘外，即使少量水流流出，环境中的水流会进入吸盘中从而实现吸盘内水流的动平衡，进而实现吸盘对壁面的稳定吸附。
20.吸盘可以实现非接触式吸附，属于非接触式吸盘的一种，对吸附壁面的粗糙度没有要求，对吸附壁面的材质也没有要求。防水直流电机工作时高速旋转带动叶轮底盘以及离心环流叶轮同轴旋转，吸盘内部的水流在离心环流叶轮特殊结构的引导下一部分流出中离心环流叶轮的空腔外，使得离心环流叶轮的空腔内形成真空负压，另一部分积聚在叶轮底盘的边缘部分形成周向环流，周向环流通过流体内摩擦力带动吸盘下方的流体做高速圆周运动，从而产生旋流和离心力，进一步增大了吸盘的吸附能力。
21.本发明的有益效果为：
22.1、在同等吸附面积、相同转速下，本发明的水下离心环流叶轮式吸盘比传统的离心叶轮式吸盘或伯努利吸盘可以产生更大的吸附力，吸附能力更强。
23.2、相比于传统的水下离心叶轮式吸盘，在产生相同的吸附力条件下，本发明吸盘消耗更小的功率，即能量利用效率更高。
24.3、本发明结构简单，制造安装方便便携，为大规模加工制造和实际工程应用提供了可能。
25.4、本发明吸盘吸附力简单可调，通过控制水下防水电机的转速来调节吸盘吸附力的大小。
附图说明
26.图1为本发明离心环流叶轮式吸盘结构展开图；
27.图2为本发明离心环流叶轮式吸盘等轴测图；
28.图3为本发明离心环流叶轮等轴测图；
29.图4为本发明离心环流叶轮俯视图；
30.图5为本发明离心环流叶轮仰视图；
31.图6为本发明离心环流叶轮式吸盘剖面及原理示意图。
32.图中：1、防水直流电机；2、吸盘外壳；3、叶轮底盘；4、离心环流叶轮；5、轴端挡圈；6、伯努利底盘；7、梯形凹槽；8、外侧倾斜直叶片；9、内侧倾斜直叶片；10、离心圆环。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
34.本发明的实施例的实施过程如下：
35.如图1和图2所示，吸盘包括防水直流电机1、吸盘外壳2、轴端挡圈5、环状的伯努利底盘6和离心机构；吸盘外壳2为顶端开设孔洞底端开口的空心柱状结构，中间设有孔洞的
离心机构设置在吸盘外壳2内部的空腔中且离心机构不与吸盘外壳的内侧壁接触，防水直流电机1和伯努利底盘6分别同轴固定安装在吸盘外壳2的上、下两侧，轴端挡圈5位于离心机构的中部，防水直流电机1输出轴的下端穿设过吸盘外壳2后从上到下依次与离心机构和轴端挡圈5固定连接；
36.防水直流电机1的输出轴带动离心机构旋转，导致水流流出吸盘外壳2的空腔中，从而使吸盘外壳2的空腔内形成真空负压，进而实现吸盘的高效水下吸附。
37.离心机构包括圆盘状的叶轮底盘3和离心环流叶轮4，离心环流叶轮4固定连接在叶轮底盘3的下表面，叶轮底盘3和离心环流叶轮4固定连接后同轴安装在吸盘外壳2内部的空腔中，叶轮底盘3和离心环流叶轮4的中部均开设有孔洞，防水直流电机1输出轴的底端穿设过吸盘外壳2后依次与叶轮底盘3和轴端挡圈5同轴固定连接。
38.轴端挡圈5用于对叶轮底盘3和离心环流叶轮4进行轴向限位固定。叶轮底盘3和离心环流叶轮4紧密贴后组成的离心机构的侧面和上表面分别与吸盘外壳2内壁的侧面和上表面均保持一定大小的间隙(间隙大小一般为1mm～5mm)。
39.防水直流电机1穿过吸盘外壳2上端中心孔与离心环流叶轮4和叶轮底盘3进行同轴连接，且带动离心环流叶轮4和叶轮底盘3组成的离心机构高速旋转。吸盘外壳2下端面同轴安装有环形伯努利底盘6，吸盘外壳2的高度需保证离心环流叶轮4的下端面不低于伯努利底盘6的下端面。
40.如图3、图4和图5所示，离心环流叶轮4主要由环状的离心圆环10和倾斜叶片阵列组成，离心圆环10的上部开设有若干个梯形凹槽7从而在相邻间的梯形凹槽7之间形成凸起块，倾斜叶片阵列主要由若干个倾斜叶片沿着离心圆环10的周向均匀间隔排布形成，各个倾斜叶片沿着离心圆环10的径向布置，各个倾斜叶片均与各自对应的离心圆环10的凸起块固定连接，每个倾斜叶片与一个凸起块相对应。
41.倾斜叶片包括内侧倾斜直叶片9和外侧倾斜直叶片8，内侧倾斜直叶片9和外侧倾斜直叶片8分别固定连接在离心环流叶轮4的内侧壁和外侧壁上，内侧倾斜直叶片9和外侧倾斜直叶片8之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反；
42.内侧倾斜直叶片9、外侧倾斜直叶片8和凸起块的数量和排布位置分布相同且对齐；
43.将离心圆环10中除凸起块的部分作为中心圆环，内侧倾斜直叶片9顶部、底部分别和外侧倾斜直叶片8顶部、底部之间分别通过凸起块和中心圆环固定连接。
44.伯努利底盘6的内径等于吸盘外壳2的内径，伯努利底盘6的外径大于吸盘外壳2的外径，吸盘实际工作过程中伯努利底盘6的下表面与被吸附的壁面始终保持有一定的小间隙。
45.离心环流叶轮4的下端面不低于伯努利底盘6的下端面。
46.所述外侧倾斜直叶片8的长度大于内侧倾斜直叶片9的长度。
47.离心环流叶轮4的内侧倾斜直叶片9和外侧倾斜直叶片8的数量不定，外侧倾斜直叶片8长度大于内侧倾斜直叶片9长度时，吸盘的吸附力较大，吸附效果较好。
48.防水直流电机1工作时高速旋转带动离心环流叶轮4和叶轮底盘3同轴高速旋转，水流在离心环流叶轮4的高速旋转带动下离心流出吸盘外壳2中空腔内，使得吸盘外壳2中空腔内形成真空负压，从而实现吸盘的水下吸附。
49.本发明中的离心环流叶轮4与传统离心叶轮作用原理不同，在传统离心叶轮高速旋转时水在离心力的作用下被直接甩向叶轮边缘，叶轮中心处由于水被甩出而形成真空负压；本发明的离心环流叶轮4在高速旋转时，内侧倾斜直叶片9与离心环流叶轮4轴线形成一定的倾斜角度，从而将离心环流叶轮4中心处的水流向上推动，在离心力的作用下通过离心圆环10的梯形凹槽7进入到外侧倾斜直叶片8的作用区域，外侧倾斜直叶片8将一部分水流向外甩出，另一部分水流向上挤压又在离心力的作用下积聚在叶轮底盘3下端面的边缘处，形成速度分布相对稳定集中的周向环流带动下方水流高速旋转，因此离心环流叶轮式吸盘通过流体内摩擦力和离心力共同产生压差形成真空负压。
50.在相同转速和叶轮直径的条件下，本发明的离心环流叶轮式吸盘比传统的离心叶轮式吸盘或伯努利吸盘可以产生更大更稳定的吸附力。在相同叶轮直径的条件下，规定本发明水下离心环流叶轮式吸盘的环流叶轮直径和普通离心叶轮式吸盘的叶轮直径均为125mm，两者的吸盘外壳直径均为135mm，伯努利底盘直径为190mm，转速均为2000r/min，吸盘外壳离壁间隙均为4mm，以及其他条件相同情况下，本发明水下离心环流叶轮式吸盘对吸附壁产生的吸力为546n，所消耗的功率312w，而普通的离心叶轮式吸盘对吸附壁产生的吸力为472n，所消耗的功率为293w，即水下离心环流叶轮式吸盘较普通的离心叶轮式吸盘的吸附力有了较明显的提升。而如果普通的离心叶轮式吸盘想要产生546n的吸附力需要消耗370w左右的功率，即普通的离心叶轮式吸盘需要付出更多的功耗才能达到和水下离心环流叶轮式吸盘相同的吸附效果。因此，说明水下离心环流叶轮式吸盘的吸附性能较现有的普通离心叶轮式吸盘有了明显的提升效果。

技术特征：
1.一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：包括防水直流电机(1)、吸盘外壳(2)、轴端挡圈(5)、环状的伯努利底盘(6)和离心机构；所述的吸盘外壳(2)为顶端开设孔洞底端开口的空心柱状结构，离心机构设置在吸盘外壳(2)内部的空腔中且离心机构不与吸盘外壳的内侧壁接触，防水直流电机(1)和伯努利底盘(6)分别同轴固定安装在吸盘外壳(2)的上、下两侧，轴端挡圈(5)位于离心机构的中部，防水直流电机(1)输出轴的下端穿设过吸盘外壳(2)后依次与离心机构和轴端挡圈(5)固定连接；防水直流电机(1)的输出轴带动离心机构旋转，导致水流流出吸盘外壳(2)的空腔中，从而使吸盘外壳(2)的空腔内形成真空负压，进而实现吸盘的水下吸附。2.根据权利要求1所述的一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：所述的离心机构包括圆盘状的叶轮底盘(3)和离心环流叶轮(4)，离心环流叶轮(4)固定连接在叶轮底盘(3)的下表面，叶轮底盘(3)和离心环流叶轮(4)固定连接后同轴安装在吸盘外壳(2)内部的空腔中，叶轮底盘(3)和离心环流叶轮(4)的中部均开设有孔洞，防水直流电机(1)输出轴的底端穿设过吸盘外壳(2)后依次与叶轮底盘(3)和轴端挡圈(5)同轴固定连接。3.根据权利要求2所述的一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：所述的离心环流叶轮(4)主要由离心圆环(10)和倾斜叶片阵列组成，离心圆环(10)的上部开设有若干个梯形凹槽(7)从而在相邻间的梯形凹槽(7)之间形成凸起块，倾斜叶片阵列主要由若干个倾斜叶片沿着离心圆环(10)的周向均匀间隔排布形成，各个倾斜叶片沿着离心圆环(10)的径向布置，各个倾斜叶片均与离心圆环(10)的凸起块固定连接。4.根据权利要求3所述的一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：所述的倾斜叶片包括内侧倾斜直叶片(9)和外侧倾斜直叶片(8)，内侧倾斜直叶片(9)和外侧倾斜直叶片(8)分别固定连接在离心圆环(10)的内侧壁和外侧壁上，内侧倾斜直叶片(9)和外侧倾斜直叶片(8)之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反；内侧倾斜直叶片(9)、外侧倾斜直叶片(8)和凸起块的数量和排布位置分布相同且对齐。5.根据权利要求1所述的一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：所述伯努利底盘(6)的内径等于吸盘外壳(2)的内径，伯努利底盘(6)的外径大于吸盘外壳(2)的外径。6.根据权利要求2所述的一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：所述离心环流叶轮(4)的下端面不低于伯努利底盘(6)的下端面。7.根据权利要求4所述的一种水下离心环流叶轮式吸盘，其特征在于：所述外侧倾斜直叶片(8)的长度大于内侧倾斜直叶片(9)的长度。

技术总结
本发明公开了一种水下离心环流叶轮式吸盘。吸盘外壳为空心柱状结构，叶轮底盘和离心环流叶轮固定连接后安装在内部的空腔中，防水直流电机和伯努利底盘分别同轴固定安装在吸盘外壳的上、下两侧，防水直流电机输出轴的下端穿设过吸盘外壳后依次与叶轮底盘和轴端挡圈固定连接，离心圆环的上部开设有若干个梯形凹槽从而在相邻的梯形凹槽之间形成凸起块，内侧倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片之间通过凸起块固定连接，内侧倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反。本发明的水下离心环流叶轮式吸盘比传统的离心叶轮式吸盘或伯努利吸盘可以产生更大的吸附力，且吸盘能耗小。盘能耗小。盘能耗小。


技术研发人员：雷勇 王旭 张俊鹏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/24