CN105015748B - 一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人工程领域，具体地说是一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，包括壳体、卷轮、封板、传动机构及螺旋桨，壳体上左右两侧分别设有型腔，每个型腔内均转动安装有卷轮；型腔的上下两面均设有封板，左右两型腔上面的封板位于同侧，下面的封板位于同侧、且与上面的封板安装方向相反，封板的一侧安装在壳体上，另一侧为在水流通过时可开启的自由侧；卷轮上均布有多个叶片，每个卷轮的轮轴均通过传动机构连接有同向旋转的螺旋桨；转化机构在升降的过程中，水流由左右两型腔的同一侧经过，通过卷轮带动螺旋桨转动，左右两侧型腔中的卷轮旋转方向相反。本发明具有操作简单，故障率低，安全可靠，成本低，绿色环保等优点。

Description

一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构

技术领域

本发明属于水下机器人工程领域，具体地说是一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，可用于海洋测量平台进行海洋的观测和探测。

背景技术

水下机器人作为一种重要的海洋作业观测平台，已经在海洋科学研究、海洋资源开发、海洋大气物理、海洋生态等方面得到广泛应用。然而海洋是个广阔的水域，要想进行以上的任务并不容易，主要问题是由于水下机器人自身体积的制约，决定了其所带的能源很有限，其续航能力受到能源的极大限制，所以各国都在水下机器人能源问题方面力求突破。一方面各国在优化改进系统的能源利用率，另一方面在研究开发一些新式能源，如温差能，波浪能等，有些新能源已经在水下机器人领域得到一定的应用。其中海洋的波浪能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，现在的波浪能主要用于发电，有各种各样波浪能发电装置，有振荡浮子式、振荡水柱式、聚波式、摆式等。但是这些波浪能转化装置在水下机器人领域应用有一定的困难，一方面是转化装置的体积很大，不容易装配；另一方面是即使能装配，水下机器人的惯性会使得波浪能转化装置的效率很低，因为波浪首先要激励水下机器人的壳体，让水下机器人运动，水下机器人再把运动传给内部的波浪能转化装置。

发明内容

为了解决海洋机器人在海洋观测中能源制约的问题，本发明的目的在于提供一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括壳体、卷轮、封板、传动机构及螺旋桨，其中壳体与水面浮体的系缆相连，所述壳体上沿壳体长度方向的左右两侧分别设有型腔，每个型腔内均转动安装有卷轮；所述型腔的上下两面均设有封板，左右两型腔上面的封板位于同侧，左右两型腔下面的封板位于同侧、且与上面的封板安装方向相反，所述封板的一侧安装在壳体上，另一侧为在水流通过时可开启的自由侧；所述卷轮上沿卷轮的轴向均布有多个叶片，每个卷轮的轮轴尾端均通过所述传动机构连接有与所连接卷轮同向旋转的螺旋桨；所述转化机构在上升或下降的过程中，水流由左右两型腔的同一侧经过，通过所述叶片带动每个卷轮旋转，进而带动所述螺旋桨转动，所述左右两侧型腔中的卷轮旋转方向相反。

其中：所述壳体分为形状结构相同的上壳体及下壳体，该上壳体与下壳体的两端通过连接螺栓相连，所述上、下壳体上沿长度方向的左右两侧分别开有空腔，上、下壳体的空腔形成所述型腔；所述上壳体的前端及尾端均安装有用于与所述水面浮体的系缆相连接的吊环螺钉；所述型腔通过内部安装的卷轮分为内外两个，每个型腔上面的封板位于内侧或外侧，每个型腔下面的封板位于外侧或内侧；

所述壳体尾端设有尾部端盖，所述传动机构位于该尾部端盖内，包括大齿轮轴、大齿轮、小齿轮轴及小齿轮，该大齿轮轴的一端转动安装在型腔尾端且与所述卷轮的轮轴相连，所述大齿轮轴的另一端连接有大齿轮，所述小齿轮轴的一端转动安装在型腔尾端，另一端由所述尾部端盖穿出、连接有所述螺旋桨，所述小齿轮安装在小齿轮轴上、与所述大齿轮相啮合；

所述大齿轮轴上设有凸台，该凸台与所述型腔配合，实现大齿轮轴的轴向定位；所述大齿轮轴的另一端端面沿轴向开有螺纹孔，所述大齿轮朝向所述另一端的外侧设有套设在大齿轮轴上的挡片，所述螺纹孔上螺纹连接有用于大齿轮轴向定位的螺栓，该螺栓上加有第一平垫圈及第一弹簧垫圈；

所述小齿轮轴上设有凸台，该凸台与所述型腔配合，实现小齿轮轴的轴向定位；所述小齿轮朝向所述另一端的外侧设有螺纹，并螺纹连接有用于小齿轮轴向定位的螺母，该螺母上加有第二平垫圈及第二弹簧垫圈；

所述螺旋桨末端设有固定螺旋桨的、带螺纹的螺旋桨头部，所述卷轮轮轴的尾端开有与大齿轮轴连接的十字槽，所述大齿轮与大齿轮轴之间、小齿轮与小齿轮轴之间以及螺旋桨与小齿轮轴之间均为键连接；

所述舵机系统安装在两螺旋桨之间的壳体上，舵机系统的下方通过舵机轴连接有控制所述转化机构方向的舵叶；

所述型腔上面的封板位于外侧、下面的封板位于内侧时，安装在壳体尾端左侧的左侧螺旋桨为左旋螺旋桨，安装在壳体尾端右侧的右侧螺旋桨为右旋螺旋桨；所述型腔上面的封板位于内侧、下面的封板位于外侧时，安装在壳体尾端左侧的左侧螺旋桨为右旋螺旋桨，安装在壳体尾端右侧的右侧螺旋桨为左旋螺旋桨。

本发明的优点与积极效果为：

1.操作简单；本发明作为海洋观测平台的动力部分带动浮体运动的，螺旋桨的运动也是靠浮体受波浪激励被动产生，完全靠自身自主进行波浪能的转化，不需要人为干预。

2.故障率低；海洋观测平台的导航传感器部分都在浮体里面，而水下部分除了封装好的舵机系统，没有其他电子器件，不需要水密封，减少了装置出现故障的可能性。

3.安全可靠；本发明采用机械式的机构，将波浪运动的机械能直接转化为海洋测量平台的机械能，中间没有其他转化环节，而且机构两侧对称，无论强度还是稳定性都很有保证。

4.成本低；本发明结构简单，主要有一些标准件组成，没有复杂的零件，节约成本。

5.绿色环保；本发明面向海洋观测应用需求，就地取材，采用波浪能作为驱动能源，不仅续航能力充足，而且没有利用电池等，减少了污染环境的可能。

附图说明

图1为本发明的结构主视图；

图2为本发明的结构俯视图；

图3为本发明的结构仰视图；

图4为本发明壳体的结构俯视图；

图5为本发明去掉上壳体及尾部端盖后的结构俯视图；

图6为本发明上升时水流示意图；

图7为本发明下降时水流示意图；

其中：1为吊环螺钉，2为上壳体，3为尾部端盖，4为舵叶，5为下壳体，6为右侧上封板，7为右侧螺旋桨，8为连接螺栓，9为左侧螺旋桨，10为左侧上封板，11为左侧底部封板，12为左侧螺旋桨头部，13为右侧螺旋桨头部，14为右侧底部封板，15为右侧卷轮，16为小齿轮轴，17为小齿轮，18为第二平垫圈，19为第二弹簧垫圈，20为螺母，21为第一平垫圈，22为第一弹簧垫圈，23为螺栓，24为挡片，25为大齿轮，26为大齿轮轴，27为舵机系统，28为左侧卷轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

实施例一

如图1～4所示，本发明包括壳体、卷轮、封板、传动机构、螺旋桨及舵机系统27，其中壳体分为形状结构相同的上壳体2及下壳体5，该上壳体2与下壳体5的两端通过连接螺栓相连，上、下壳体2、5上沿长度方向的左右两侧分别对称开有两个空腔，上、下壳体2、5上的空腔形成沿壳体长度方向左右两侧相对称的型腔。在上壳体2的前端及尾端均固接有用于与水面浮体的系缆相连接的吊环螺钉1。

位于左侧的型腔内转动安装有左侧卷轮28，位于右侧的型腔内转动安装有右侧卷轮15，当左侧卷轮28及右侧卷轮15安装后，左右两个型腔分别被左、右侧卷轮28、15分成了内外两侧共四个小型腔。左侧卷轮28及右侧卷轮15上分别沿轴向均布有多个叶片，在水动力的作用下发生转动，两个卷轮的两端分别通过轴肩进行轴向定位。

壳体上左右两个型腔的上面及下面均设有封板，左侧型腔的上面设有左侧上封板10、下面设有左侧底部封板11，右侧型腔的上面设有右侧上封板6、下面设有右侧底部封板14。左右型腔上面的封板位于两个型腔的同侧，左右型腔下面的封板位于两个型腔的同侧、且与上面封板的安装方向相反。本实施例中的左侧上封板10及右侧上封板6分别位于左右型腔的外侧，左侧底部封板11及右侧底部封板14分别位于左右型腔的内侧；即，左侧上封板10位于左侧型腔中靠左的外侧上面、将该侧型口密封，右侧上封板6位于右侧型腔中靠右的外侧上面、将该侧型口密封，左侧底部封板11位于左侧型腔中靠右的内侧下面、将该侧型口密封，右侧底部封板14位于右侧型腔中靠左的内侧下面、将该侧型口密封。左、右侧上封板10、6的内侧安装在上壳体2上，另一侧（外侧）为在水流通过时可开启的自由侧；左、右侧底部封板11、14的外侧安装在下壳体5上，另一侧（内侧）为在水流通过时可开启的自由侧。本发明的左、右侧上封板10、6及左、右侧底部封板11、14均有橡胶制成，具有弹性回复能力，在外部的水流作用下会将封板压在壳体，而内部的水流则可以很容易地将封板冲开。

每个卷轮的轮轴尾端均通过传动机构连接有与所连接卷轮同向旋转的螺旋桨，两个传动机构在左右两侧是对称的，壳体尾端设有尾部端盖3，两个传动机构均位于该尾部端盖3内。如图5所示，两个传动机构结构完全相同，均包括大齿轮轴26、大齿轮25、小齿轮轴16及小齿轮17，大齿轮轴26的一端转动安装在型腔尾端，左侧卷轮28或右侧卷轮15的轮轴尾端设有十字槽，用于与大齿轮轴26相连；大齿轮轴26的另一端连接有大齿轮25，并在另一端端面沿轴向开有螺纹孔，大齿轮25朝向另一端的外侧设有套设在大齿轮轴26上的挡片，螺纹孔上螺纹连接有用于大齿轮25轴向定位的螺栓23，该螺栓23上加有第一平垫圈21及第一弹簧垫圈22，防止螺栓23松动。大齿轮轴26上设有凸台，该凸台与型腔配合，实现大齿轮轴26的轴向定位。小齿轮轴16的一端转动安装在型腔尾端，另一端由尾部端盖3穿出、连接有左侧螺旋桨9或右侧螺旋桨7，小齿轮17安装在小齿轮轴16上、与大齿轮25相啮合；小齿轮轴16上设有凸台，该凸台与型腔配合，实现小齿轮轴16的轴向定位；小齿轮17朝向另一端的外侧一段设有螺纹，并螺纹连接有用于小齿轮17轴向定位的螺母20，该螺母20上加有第二平垫圈18及第二弹簧垫圈19，防止螺母松动。大齿轮25的轴向定位一端用轴肩，另一端用螺栓23固定；小齿轮17的轴向固定采取相似的方式，不同的是小齿轮17的另一端采用的是螺母20进行压紧。在左侧螺旋桨9及右侧螺旋桨7的末端分别用带有螺纹的左侧螺旋桨头部12及右侧螺旋桨头部13来实现对左侧螺旋桨9及右侧螺旋桨7的固定。左、右侧螺旋桨9、7的旋向相反，左侧螺旋桨9为左旋，右侧螺旋桨7为右旋。大齿轮25与大齿轮轴26之间、小齿轮17与小齿轮轴16之间以及左、右侧螺旋桨9、7与小齿轮轴16之间均为键连接。本发明的传动机构还可采用链轮、链条或皮带轮、皮带等结构。

舵机系统27安装在左侧螺旋桨9与右侧螺旋桨7之间的壳体上，舵机系统27的下方通过舵机轴连接有控制转化机构方向的舵叶4。本发明的舵机系统27为现有技术，可成套封装好直接应用在本发明的转化机构上。

本发明的工作原理为：

本发明转化机构作为海洋测量平台的动力部分，与水面浮体通过系缆连接，海面波浪的运动引起水面浮体的上下振动，水面浮体通过系缆带动转化机构，再由转化机构将上下振动由螺旋桨转化为水平方向的驱动力，拉动海面的水面浮体运动。本发明充分利用了海洋的有利条件，利用海洋能源来反过来观测研究海洋，具有很大的经济和现实意义。具体为：

本发明在浮体系缆的拉力和自身的重力作用下，在海水中不断的上下震荡。如图6所示，当波浪波峰来临，激励海面的浮体使其向上运动时，转化机构在系缆的拉力下也会向上运动，水流分别从左右两个型腔的内侧流入，水动力作用于左侧卷轮28和右侧卷轮15的叶片上，使得左侧卷轮28及右侧卷轮15发生转动，从舵机系统27位置尾部向前看，左侧卷轮28是顺时针旋转，右侧卷轮15是逆时针旋转，两个卷轮在水动力作用下发生相反的旋转运动；同时，下壳体5下面两个有弹性的左侧底部封板11及右侧底部封板14被水流冲开，水流流出，而上壳体2上面的左侧上封板10及右侧上封板6则被水动力紧压在上壳体2上；与左侧卷轮28及右侧卷轮15轮轴相连接的大齿轮轴26也会发生相同的转动，通过大齿轮25与小齿轮17的啮合，带动小齿轮轴16上的左侧螺旋桨9及右侧螺旋桨7，进而获得螺旋桨的推力，最终通过系缆拉动水面浮体向前运动。

如图7所示，当波浪波谷来临，水面浮体和转化机构由于受到负浮力作用而向下运动，转化机构在向下运动时，水流分别从左右两个型腔的外侧流入，水动力作用于左侧卷轮28和右侧卷轮15的叶片上，使得左侧卷轮28及右侧卷轮15发生转动，左侧卷轮28还是顺时针旋转，右侧卷轮15仍是逆时针旋转；由于这次水流在型腔的另一侧，两个卷轮在水动力作用下均发生与波峰激励下的情况相同的旋转运动；同时，上壳体2上面两个有弹性的左侧上封板10及右侧上封板6被水冲开，水流流出，而下壳体5下面的左侧底部封板11及右侧底部封板14则被水动力紧压在下壳体5上；与左侧卷轮28及右侧卷轮15轮轴相连接的大齿轮轴26也会发生相同的转动，通过大齿轮25与小齿轮17的啮合，带动小齿轮轴16上的左侧螺旋桨9及右侧螺旋桨7，进而获得螺旋桨的推力，最终通过系缆拉动水面浮体向前运动。

在转化机构上升或下降时，两个型腔只有同一侧被打开，所以在运动中，本实施例的左侧卷轮28一直是顺时针旋转，右侧卷轮15一直是逆时针旋转。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：左侧上封板10及右侧上封板6分别位于左右型腔的内侧，左侧底部封板11及右侧底部封板14分别位于左右型腔的外侧；即，左侧上封板10位于左侧型腔中靠右的内侧上面、将该侧型口密封，右侧上封板6位于右侧型腔中靠左的内侧上面、将该侧型口密封，左侧底部封板11位于左侧型腔中靠左的外侧下面、将该侧型口密封，右侧底部封板14位于右侧型腔中靠右的外侧下面、将该侧型口密封。左、右侧上封板10、6的内侧安装在上壳体2上，另一侧（外侧）为在水流通过时可开启的自由侧；左、右侧底部封板11、14的外侧安装在下壳体5上，另一侧（内侧）为在水流通过时可开启的自由侧。此外，左侧卷轮28在水动力的作用下沿逆时针方向旋转，右侧卷轮15在水动力的作用下沿顺时针方向旋转；左侧螺旋桨9与左侧卷轮28的旋转方向相同，为右旋螺旋桨，右侧螺旋桨7与右侧卷轮15的旋转方向相同，为左旋螺旋桨。

这样，无论波峰还是波谷的激励作用，本发明都会产生向前的驱动力，而搭载有各种海洋传感器的水面浮体也会在它的拉力下向前运动，完成海洋观测的需要；而且波浪能取之不尽，用之不竭，这就使得本发明具有超强的续航能力，非常适合大面积海洋的科学研究。另外，无论是本发明上，还是在水面浮体上，都可以根据不同应用需要来搭配传感器，所以其在海洋中的应用也是开放的，这样极大地扩大了其适用范围。因此，本发明的转化机构具有操作简单，故障率低，安全可靠，成本低等优点。

Claims (10)

1.一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：包括壳体、卷轮、封板、传动机构及螺旋桨，其中壳体与水面浮体的系缆相连，所述壳体上沿壳体长度方向的左右两侧分别设有型腔，每个型腔内均转动安装有卷轮；所述型腔的上下两面均设有封板，左右两型腔上面的封板位于同侧，左右两型腔下面的封板位于同侧、且与上面的封板安装方向相反，所述封板的一侧安装在壳体上，另一侧为在水流通过时可开启的自由侧；所述卷轮上沿卷轮的轴向均布有多个叶片，每个卷轮的轮轴尾端均通过所述传动机构连接有与所连接卷轮同向旋转的螺旋桨；所述转化机构在上升或下降的过程中，水流由左右两型腔的同一侧经过，通过所述叶片带动每个卷轮旋转，进而带动所述螺旋桨转动，所述左右两侧型腔中的卷轮旋转方向相反。

2.按权利要求1所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述壳体分为形状结构相同的上壳体(2)及下壳体(5)，该上壳体(2)与下壳体(5)的两端通过连接螺栓相连，所述上、下壳体(2、5)上沿长度方向的左右两侧分别开有空腔，上、下壳体(2、5)的空腔形成所述型腔。

3.按权利要求2所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述上壳体(2)的前端及尾端均安装有用于与所述水面浮体的系缆相连接的吊环螺钉(1)。

4.按权利要求1或2所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述型腔通过内部安装的卷轮分为内外两个，每个型腔上面的封板位于内侧或外侧，每个型腔下面的封板位于外侧或内侧。

5.按权利要求1或2所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述壳体尾端设有尾部端盖(3)，所述传动机构位于该尾部端盖(3)内，包括大齿轮轴(26)、大齿轮(25)、小齿轮轴(16)及小齿轮(17)，该大齿轮轴(26)的一端转动安装在型腔尾端且与所述卷轮的轮轴相连，所述大齿轮轴(26)的另一端连接有大齿轮(25)，所述小齿轮轴(16)的一端转动安装在型腔尾端，另一端由所述尾部端盖(3)穿出、连接有所述螺旋桨，所述小齿轮(17)安装在小齿轮轴(16)上、与所述大齿轮(25)相啮合。

6.按权利要求5所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述大齿轮轴(26)上设有凸台，该凸台与所述型腔配合，实现大齿轮轴(26)的轴向定位；所述大齿轮轴(26)的另一端端面沿轴向开有螺纹孔，所述大齿轮(25)朝向所述另一端的外侧设有套设在大齿轮轴(26)上的挡片，所述螺纹孔上螺纹连接有用于大齿轮(25)轴向定位的螺栓(23)，该螺栓(23)上加有第一平垫圈(21)及第一弹簧垫圈(22)。

7.按权利要求5所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述小齿轮轴(16)上设有凸台，该凸台与所述型腔配合，实现小齿轮轴(16)的轴向定位；所述小齿轮(17)朝向所述另一端的外侧设有螺纹，并螺纹连接有用于小齿轮(17)轴向定位的螺母(20)，该螺母(20)上加有第二平垫圈(18)及第二弹簧垫圈(19)。

8.按权利要求5所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述螺旋桨末端设有固定螺旋桨的、带螺纹的螺旋桨头部，所述卷轮轮轴的尾端开有与大齿轮轴(26)连接的十字槽，所述大齿轮(25)与大齿轮轴(26)之间、小齿轮(17)与小齿轮轴(16)之间以及螺旋桨与小齿轮轴(16)之间均为键连接。

9.按权利要求1或2所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：舵机系统(27)安装在两螺旋桨之间的壳体上，所述舵机系统(27)的下方通过舵机轴连接有控制所述转化机构方向的舵叶(4)。

10.按权利要求1或2所述用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构，其特征在于：所述型腔上面的封板位于外侧、下面的封板位于内侧时，安装在壳体尾端左侧的左侧螺旋桨(9)为左旋螺旋桨，安装在壳体尾端右侧的右侧螺旋桨(7)为右旋螺旋桨；所述型腔上面的封板位于内侧、下面的封板位于外侧时，安装在壳体尾端左侧的左侧螺旋桨(9)为右旋螺旋桨，安装在壳体尾端右侧的右侧螺旋桨(7)为左旋螺旋桨。