CN106938691A - 离心叶轮式水下吸盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心叶轮式水下吸盘。吸盘外壳底端开有中空腔，中空腔内安装离心叶轮；吸盘外壳顶部安装有电机支座和轴承座，轴承座位于电机支座内，电机支座上安装有防水直流电机，防水直流电机的输出轴穿过电机支座顶部后与连接轴上端同轴连接，连接轴下端穿过吸盘外壳中心孔后与离心叶轮同轴连接，并在连接轴下端套接有用于将离心叶轮轴向限位固定的轴端挡圈；防水直流电机运行带动连接轴进而驱动离心叶轮旋转，水流在离心叶轮高速旋转下离心流出中空腔，使得中空腔形成真空负压。本发明能够实现非接触吸附，且可以吸附粗糙壁面，吸盘在水下的应用效果较好，吸附能力强。

Description

离心叶轮式水下吸盘

技术领域

本发明涉及一种水下吸盘，特别是涉及了一种离心叶轮式水下吸盘，属于机械创新设计领域。

背景技术

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、水下吸附等多种作业。传统的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，且有可能对抓取物造成损伤。

随着特种机器人技术的发展，水下爬壁机器人作为一种新的需求应运而生，设计用于在危险、恶劣环境下代替人工进行水下检查与作业的机器人，被广泛应用于核燃料池检测行业、船舶清洗行业以及水利大坝维护行业等，有效可靠的水下吸附技术是水下爬壁机器人得以广泛应用的先决条件。

水下爬壁机器人最常见的吸附技术为铁磁吸附技术，利用磁铁或电磁铁间的相互作用产生吸附力，仅适用于铁磁性壁面，较多应用于船舶工业。水下ROV或AUV多采用螺旋桨作为动力源，也有将螺旋桨产生的推力作为水下爬壁机器人的吸附技术，但由于螺旋桨推力吸附较难控制且水流扰动太大，不适于观测。负压吸附技术则是利用离心泵或离心风机将吸盘内的水抽出，形成局部负压，负压吸附技术属于接触式吸附，较依赖于密封技术，且吸盘本体或连接管路较容易发生堵塞，从而造成吸附实效。

综上所述，现有水下抓取技术结构复杂，不能适应多种结构形态的物件，且抓取时容易造成物件的损伤。现有水下吸附技术虽有多种手段，但均有自各的不足之处，不能很好地满足水下爬壁机器人的需求。

发明内容

本发明的目的是为了设计出满足水下爬壁机器人稳定吸附要求的水下吸盘，解决水下爬壁机器人吸附技术方面的欠缺，为大力研发水下特种机器人奠定良好的基础，设计了一种离心叶轮式水下吸盘，采用防水直流电机直接驱动，体积小、质量轻，但能提供极强的水下吸附力，能够实现非接触吸附，且对吸附壁面的粗糙度没有严格的要求，能够适应不同的水下壁面。

同时，设计的该离心叶轮式水下吸盘能够作为水下抓取机构，结构与控制简单，且能够很好地保护被抓取对象，防止其受到损伤。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括吸盘外壳和安装在吸盘外壳上的防水直流电机、连接轴和离心叶轮；吸盘外壳底端开有中空腔，中空腔内安装离心叶轮；吸盘外壳顶部安装有电机支座和轴承座，轴承座位于电机支座内，电机支座上安装有防水直流电机，防水直流电机的输出轴穿过电机支座顶部后与连接轴上端同轴连接，连接轴下端穿过吸盘外壳中心孔后与离心叶轮同轴连接，并在连接轴下端套接有用于将离心叶轮轴向限位固定的轴端挡圈。

防水直流电机运行带动连接轴进而驱动离心叶轮旋转，使得离心叶轮在吸盘外壳的中空腔内通过防水直流电机带动进而高速旋转，旋腔内的水流受到离心作用而流出，在吸盘内的中空腔形成局部真空负压，使得能吸取物体或者吸附于物体。

所述离心叶轮包括叶轮板和叶片，叶片沿周向均布地固定在叶轮板下端的端面，离心叶轮旋转使得叶片旋转空间形成旋腔。

所述离心叶轮的叶轮板中部设有中央凸台，中央凸台处开有异形孔，连接轴的轴端和异形孔相配合连接使得连接轴和离心叶轮形成同轴旋转。

所述离心叶轮中的叶片采用后弯式结构，即叶片的弯转方向与离心叶轮的旋转方向相反；并且叶片为平板型叶片，即叶片垂直于离心叶轮的底面。

所述的离心叶轮叶轮板的边缘沿轴向延伸设置环形凸台，并在环形凸台的内周面设置倒角，水流在离心叶轮的旋腔内高速旋转离心后通过倒角流出。

倒角角度根据离心叶轮下端端面与吸盘外壳下端端面之间的轴向距离而调整。优选地，所述离心叶轮的倒角所处锥面的向下延伸锥面与吸盘中空腔相交于下底面。

离心叶轮的旋腔的外径和深度根据吸盘外壳的中空腔而调整。

所述的离心叶轮下端端面不低于吸盘外壳下端端面。

所述的吸盘外壳下端面外缘设置有用于防止水流倒流入旋腔的毛刷。

所述的吸盘外壳的顶面铣有分别位于外圈和内圈的外环形浅槽和内环形浅槽，电机支座和轴承座分别嵌入到外环形浅槽和内环形浅槽中进行定位，从而确保防水直流电机与连接轴的同轴度。

所述的连接轴上端端部周面通过上深沟球轴承活动套接在轴承座中，连接轴下端端部周面通过下深沟球轴承活动套接在吸盘外壳中。

本发明将离心叶轮应用于水下吸盘，叶轮形式采用后弯式离心叶轮，叶片的形状为平板型叶片，即叶片呈平板状，且垂直于离心叶轮的底部，叶片的偏转方向与离心叶轮的旋转方向相反，这样能产生更高的效率。

本发明在离心叶轮的边缘设置了倒角，倒角的作用是起导流作用，使离心叶轮旋腔内高速旋转的水流通过倒角流出旋腔，于吸盘出水口形成涡流，进而增强吸附作用。

本发明所述的水下吸盘与现有吸附技术相比，特点在于：

(1)采用离心叶轮产生高速旋流，利用高速旋流的离心作用产生吸附力，将水流导出旋腔，避免杂物进入吸盘内部，使吸附失效；

(2)离心叶轮式水下吸盘利用旋流进行吸附，可实现非接触吸附，且对吸附壁面的粗糙度没有要求，也对吸附壁面的材质没有要求；

(3)选用平板型后弯式的离心叶轮，加工简单，且能量利用效率高；

(4)离心叶轮式水下吸盘的吸附力简单可控，可通过调节电机转速来调节吸附力，也可通过调整离心叶轮的设计参数来调节吸附力。

综合来说，本发明能够实现非接触吸附，且可以吸附粗糙壁面，吸盘在水下的应用效果较好，吸附能力强。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的吸盘外壳的顶端结构示意图。

图3是本发明的离心叶轮的底端结构示意图。

图4是本发明的离心叶轮的剖面结构示意图。

图5是本发明的另一种离心叶轮的结构示意图。

图6是本发明的工作原理图。

图7是本发明的一种改进后的结构原理图。

图中：吸盘外壳1，下深沟球轴承2，连接轴3，防水直流电机4，紧定螺钉5，电机支座6，上深沟球轴承7，轴承座8，离心叶轮9，轴端挡圈10，叶片11，倒角12，异形孔13，凸台14，旋腔15，叶片16，中空腔17，毛刷18，外环形浅槽19，内环形浅槽20。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细描述本发明。

如图1所示，本发明具体实施包括外形为圆柱形的吸盘外壳1，吸盘外壳1顶部安装有电机支座6和轴承座8，轴承座8位于电机支座6内，电机支座6上安装有防水直流电机4，吸盘外壳垂直轴向的一个端面铣出一个圆柱形的中空腔17，形成一个封闭端面和一个开口端面，中空腔17内安装离心叶轮9。

封闭端面上开有阶梯孔，阶梯孔内放置下深沟球轴承2以及连接轴3，连接轴3通过上深沟球轴承7以及轴承座8固定于吸盘外壳1上，防水直流电机4的输出轴朝下穿过电机支座6顶部后与连接轴3上端同轴连接，防水直流电机4的输出轴与连接轴3上端之间通过周向的紧定螺钉5形成同轴连接固定，连接轴3下端穿过吸盘外壳1中心孔后与离心叶轮9同轴连接，并在连接轴3下端套接有用于将离心叶轮9轴向限位固定的轴端挡圈10。

如图2所示，吸盘外壳1的顶面铣有分别位于外圈和内圈的外环形浅槽19和内环形浅槽20，作为电机支座与轴承座装配时的定位孔，电机支座6和轴承座8分别嵌入到外环形浅槽19和内环形浅槽20中进行定位，从而确保防水直流电机4与连接轴3的同轴度。

连接轴3通过深沟球轴承2、7固定于轴承座8和吸盘外壳1之间，连接轴3上端端部周面通过上深沟球轴承7活动套接在轴承座8中，连接轴3下端端部周面通过下深沟球轴承2活动套接在吸盘外壳1中。

如图4所示，离心叶轮9包括叶轮板和叶片11，叶片11沿周向均布地固定在叶轮板下端的端面，离心叶轮9旋转使得叶片11旋转空间形成旋腔15。离心叶轮9的叶轮板中部设有中央凸台14，中央凸台14处开有异形孔13，连接轴3的轴段和异形孔13相配合连接使得连接轴3和离心叶轮9形成同轴旋转。

如图3所示，离心叶轮9中的叶片11采用后弯式结构，即叶片11的弯转方向与离心叶轮9的旋转方向相反；并且叶片11为平板型叶片，即叶片11垂直于离心叶轮9的底面。

如图4所示，离心叶轮9叶轮板的边缘沿轴向延伸设置环形凸台，并在环形凸台的内周面设置倒角12，水流在离心叶轮9的旋腔15内高速旋转离心，由于离心作用叶轮中间产生环形负压，水流通过倒角12流出离心叶轮，在吸盘外壳开口端面形成较大的漩涡，在吸盘外壳的开口端面对一定距离的水下物体或壁面产生吸附作用。

如图5所示，本发明提供另一种离心叶轮的叶片形式，叶片16采用平板曲线叶片，同样采用后弯式的形式，使离心叶轮中央产生更大的漩涡，但能耗比叶片11要高。

如图6所示，离心叶轮9在连接轴3的带动下在吸盘外壳1的中空腔17内高速旋转，叶轮旋腔内的液体高速旋转，于吸盘外壳1的开口端面处形成强大的漩涡，对离吸盘开口端一定距离的物体或壁面产生吸附作用。

如图7所示，本发明提供了一种改进的吸盘装置，在吸盘外壳1的底端装有毛刷18，毛刷18可有效阻止水流或者异物倒吸入离心叶轮9中，保护吸盘装置，同时该装置也可以抓取任何粗糙表面的物体。

本发明的实施过程如下：

实施例1

本实施例利用环形浅槽19、20确保装配过程中防水直流电机4与连接轴3的同轴度，利用紧定螺钉5确保连接轴3与防水电机4的周向固定，利用离心叶轮9上的异形孔13与连接轴3的另一端连接，确保与连接轴3的周向固定，利用轴端挡圈10确保离心叶轮9与连接轴3的轴向固定。

本实施例的离心叶轮9叶片的形状为平板状，采用后弯式的叶片形式，离心叶轮9的边缘设有环形凸台，并在环形凸台的内周面设有倒角12，倒角12的向下延伸锥面与中空腔17的底面相交。

本实施例的离心叶轮9的外径为98mm，高度为8mm，吸盘外壳1的中空腔17的内径为100mm，深度为10mm，离心叶轮9的下底面高出吸盘外壳1的下底面1mm。防水直流电机转速设为3000r/min，离心叶轮9的倒角12设置为45度，固定吸盘外壳1与壁面的距离为5mm，可对壁面产生40N的吸附力。

实施例2

本实施例的离心叶轮9的倒角12设置为90度，即取消倒角12，离心叶轮9的其余参数、中空腔17的参数、电机的参数均保持不变，固定吸盘外壳1与壁面的距离为5mm，吸盘对壁面产生的吸附力不足30N。

对比例

本对比例将离心叶轮9替换为常见的平板直叶片，平板直叶片的叶片形状为平板状，叶片垂直于底面，叶片采用径向安装形式，即叶片的伸展方向沿着径向，平板直叶片不设外圈环形凸台和倒角，外径为98mm，高度为8mm。固定吸盘外壳1与壁面的距离为5mm，吸盘对壁面产生的吸附力不足30N。

比较实施例1和对比例产生的漩涡，实施例1在吸盘外壳1下方产生的漩涡直径较大而高度较小，对比例在吸盘外壳1下方产生的漩涡直径较小而高度较大，实施例1的吸附效果优于对比例。

由此可见，采用带倒角12的离心叶轮9，可增加吸盘的吸附能力。倒角12的倒流作用一方面减缓了水流对壁面的冲击力，减小了吸力的损失，另一方面增大了吸盘出水口的旋流区域，使吸盘出水口产生更大面积的漩涡，增强了吸附效果。采用后弯式的叶片形式，相对于径向安装的叶片，其能量利用率更为高效，在启动与运行过程中，后弯式的叶片比径向安装的叶片产生更小的反向扭矩。

由此可见，本发明离心叶轮式水下吸盘能够实现水下吸附与抓取，尤其能够实现非接触吸附以及适应不同粗糙度的壁面，吸力稳定可控，结构简单，在水下抓取行业以及水下爬壁机器人领域具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：包括吸盘外壳(1)和安装在吸盘外壳(1)上的防水直流电机(4)、连接轴(3)和离心叶轮(9)；吸盘外壳(1)底端开有中空腔(17)，中空腔(17)内安装离心叶轮(9)；吸盘外壳(1)顶部安装有电机支座(6)和轴承座(8)，轴承座(8)位于电机支座(6)内，电机支座(6)上安装有防水直流电机(4)，防水直流电机(4)的输出轴穿过电机支座(6)顶部后与连接轴(3)上端同轴连接，连接轴(3)下端穿过吸盘外壳(1)中心孔后与离心叶轮(9)同轴连接，并在连接轴(3)下端套接有用于将离心叶轮(9)轴向限位固定的轴端挡圈(10)。

2.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：防水直流电机(4)运行带动连接轴(3)进而驱动离心叶轮(9)旋转，水流在离心叶轮(9)高速旋转下离心流出中空腔(17)，使得中空腔(17)形成真空负压，从而实现水下吸附。

3.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述离心叶轮(9)的叶轮板中部设有中央凸台(14)，中央凸台(14)处开有异形孔(13)，连接轴(3)的轴端和异形孔(13)相配合连接使得连接轴(3)和离心叶轮(9)形成同轴旋转。

4.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述离心叶轮(9)中的叶片(11)采用后弯式结构，即叶片(11)的弯转方向与离心叶轮(9)的旋转方向相反；并且叶片(11)为平板型叶片，即叶片(11)垂直于离心叶轮(9)的底面。

5.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述的离心叶轮(9)叶轮板的边缘沿轴向延伸设置环形凸台，并在环形凸台的内周面设置倒角(12)，水流在离心叶轮(9)的旋腔(15)内高速旋转离心后通过倒角(12)流出。

6.根据权利要求5所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述离心叶轮(9)的倒角(12)所处锥面的向下延伸锥面与吸盘中空腔(17)相交于下底面。

7.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述的离心叶轮(9)下端端面不低于吸盘外壳(1)下端端面。

8.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述的吸盘外壳(1)下端面外缘设置有用于防止水流倒流入旋腔(15)的毛刷(18)。

9.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述的吸盘外壳(1)的顶面铣有分别位于外圈和内圈的外环形浅槽(19)和内环形浅槽(20)，电机支座(6)和轴承座(8)分别嵌入到外环形浅槽(19)和内环形浅槽(20)中进行定位，从而确保防水直流电机(4)与连接轴(3)的同轴度。

10.根据权利要求1所述的一种离心叶轮式水下吸盘，其特征在于：所述的连接轴(3)上端端部周面通过上深沟球轴承(7)活动套接在轴承座(8)中，连接轴(3)下端端部周面通过下深沟球轴承(2)活动套接在吸盘外壳(1)中。