CN106938692B - 非接触负压吸附水下爬壁检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置。包括车体和安装在车体上的浮筒、轮式移动装置和负压吸附装置，车体作为爬壁检测装置底盘，通过浮筒提供浮力，通过轮式移动装置带动爬壁检测装置沿水下的壁面滚动爬行，负压吸附装置正对壁面以非接触方式安装，通过负压吸附装置将爬壁检测装置贴附在水下的壁面。本发明与大坝面实现非接触吸附，适用于非铁磁性粗糙表面，吸力稳定可控，简单可靠便宜，具有广泛的应用前景。

Description

非接触负压吸附水下爬壁检测装置

技术领域

本发明涉及一种水下作业结构，特别是涉及了一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置。

背景技术

水下爬壁检测装置是特种检测装置的一种，是一种设计用来在危险、恶劣情况下，代替人工进行水下特定作业如检查、检测、磨削、钻孔等。水下爬壁检测装置最常见的形式是铁磁吸附式水下爬壁检测装置，检测装置利用铁磁技术吸附并行走于导磁壁面，携带特定工具或机械手进行水下作业，在核工业、船舶工业、石化工业等领域得到广泛应用。

在水利水电行业，尤其是在混凝土坝面检测行业，需要定期对大坝水下表面或水下混凝土管道表面进行裂缝检测。目前先进技术工程领域常采用ROV(Remote OperatedVehicle)辅助进行坝体检测，ROV不仅造价高，体积庞大，而且需要专门的操作人员进行操作，使用起来非常不方便，因而有些部门宁可用潜水员检测的方法也不采用ROV来辅助检测。此外，从作业效率上来看，ROV检测过程中常伴随车体抖动、水体扰动等现象，给水下观测带来诸多不便，ROV的行进速度也很难控制，需要对多个螺旋桨进行协同控制，不能达到想动就动、想停就停的目标，对细节位置的检测不尽如人意。

除了磁吸附技术以外，爬壁检测装置的吸附技术还有：负压吸附、螺旋桨推力吸附、分子力吸附等。螺旋桨推力吸附较难控制，且扰动太大，不适合用于水下检测，分子力吸附则从力的量级上考虑不能满足水下爬壁检测装置的需求。负压吸附技术利用离心泵或离心叶片使吸盘内部产生局部真空，利用吸盘内外压力差来产生吸附力，但是这样的吸附方式属于接触吸附，吸盘的泄露以及管路的堵塞问题一直是难点，一旦壁面不平整或者有裂缝，爬壁检测装置很可能因为吸附失效而掉落。

综上所述，现有水下爬壁检测装置对于非导磁壁面缺乏很好的吸附技术，缺少能够在非导磁壁面上进行爬行的水下检测装置，不能满足水利水电行业的检测需求，大坝面自动化养护设备技术尚未成熟。

发明内容

本发明的目的是为了克服水下爬壁检测装置在非导磁壁面上的水下吸附技术方面的缺乏，解决混凝土坝面检测水下爬壁检测装置的吸附与行走技术，设计一种非接触负压吸附轮式水下爬壁检测装置，使其能在水下壁面自如行走，且可以在任意位置停留，操作方式简便，体积小巧，是混凝土坝面自动化养护的关键设备。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括车体和安装在车体上的浮筒、轮式移动装置和负压吸附装置，车体作为爬壁检测装置底盘，通过浮筒提供浮力，通过轮式移动装置带动爬壁检测装置沿水下的壁面滚动爬行，负压吸附装置正对壁面以非接触方式安装，通过负压吸附装置将爬壁检测装置贴附在水下的壁面，通过调节负压吸附装置固定盘和底盘的距离调节吸附固定装置与大坝面间的吸附间隙。

所述负压吸附装置包括安装在车体顶部的高压潜水泵和液压阀、安装在车体底部的四通接头和三个三通接口以及固定在固定盘上的旋流吸盘；固定盘位于车体下方位置，高压潜水泵出口端与四通接头入口端连接，高压潜水泵出口端与四通接头入口端之间的管道上安装有液压阀，四通接头的其他三个端口均为出口端并分别与三个三通接口中间入口端连接，每个三通接口两侧的端口均为出口端，以每两个不同三通接口各自的一个出口端分别连接到同一旋流吸盘两个入口端的方式将三个三通接口的六个出口端与三个旋流吸盘的六个入口端相连接。换句话说，即是同一个三通接口的两个出口端分别连接到两个不同旋流吸盘的入口端。

所述的旋流吸盘一端端面开口并在对称的两侧侧壁开有旋流入口作为入口端，开口内部形成旋流腔，旋流入口沿旋流腔的切向方向设置，开口的端面平行壁面布置并且使得开口朝向水下的壁面；高压潜水泵产生高压水流，高压水流经由管路从对称两端的旋流入口切向入射至旋流腔中并在旋流腔内高速旋转产生负压，从而使得吸附在水下的壁面。

所述的高压水流的水源是由高压潜水泵直接从工作水环境中抽取产生。

所述旋流吸盘距离大坝壁面的间隙为2-4mm。

所述旋流吸盘采用6061铝合金制造。

所述轮式移动装置包括以中心对称安装在车体底部两侧的两个滚轮移动机构，每个滚轮移动机构包括主动轮、主动轮轴、主动链轮、链条、联轴器、电机座、防水电机、从动轮、从动轮轴和从动链轮，主动轮和从动轮分别安装在车体底部的同一侧，主动轮和主动轮轴一端同轴安装连接，从动轮和从动轮轴一端同轴安装连接，主动轮轴和从动轮轴平行布置并且两端均通过深沟球轴承支撑在固定于车体底部上的轴承座，主动轮轴和从动轮轴中部分别同轴安装有主动链轮和从动链轮，主动链轮和从动链轮之间通过链条链传动连接，主动链轮另一端与防水电机的输出轴同轴连接，防水电机通过电机座固定安装在车体底部；防水电机工作通过主动轮轴带动主动轮旋转，并经链传动带动从动轮轴旋转进而使得从动轮轴旋转。

所述主动轮和从动轮均采用高摩擦轮。

所述的两个滚轮移动机构以中心对称的反对称方式布置，采用差动驱动方式，依靠驱动电机的差速实现转向。

所述的车体顶部安装有两个浮筒，所述爬壁检测装置在水下时浮筒产生的浮力和爬壁检测装置的重力相同，并且浮筒的安装位置使得爬壁检测装置沿竖直的壁面爬行时的浮力和重心在同一铅垂线上。

本发明由高压潜水泵提供高速水流，经液体管路分流后，从吸盘两侧切向射入吸盘内，水流在吸盘内高速旋转并从吸盘与壁面的间隙流出，由于液体的离心作用在吸盘内产生环形负压来提供吸力。吸盘与壁面是非接触的，通过调节吸盘与壁面之间的距离来调整吸力。

本发明水下爬壁检测装置靠旋流吸盘的吸力吸附在壁面上，靠本体的轮式机构进行壁面行走。其吸盘与壁面有一定的间隙。旋流吸盘内，高速水流由切向入射至旋流吸盘并在吸盘内高速旋转，由于离心力的作用吸盘内部产生环形负压，对离吸盘出水口2-4mm的壁面产生吸附力。水下爬壁检测装置整体进行平衡设计，其重力与浮力在一条直线上，且大小近似相等。采用轮式驱动，通过轮胎与壁面的摩擦力保证不滑落，平衡设计与极强的吸附力保证不倾覆。如图1所示，爬壁检测装置受到重力为G_重，浮力为F_浮，重力与浮力的平衡使得爬壁检测装置在水中处于零重力状态；吸附装置为爬壁检测装置提供的吸力为F_吸，使爬壁检测装置受到壁面弹力F_N以及摩擦力F_f。当爬壁检测装置在水下运动时，会产生粘性阻力以及惯性力，车轮的摩擦力F_f可抵消这些力以确保爬壁检测装置不滑落；浮力与重力相对壁面都会对爬壁检测装置产生一个倾覆力矩，平衡设计将这两个力矩相互抵消，吸力F_吸的存在增加了爬壁检测装置的抗倾覆力矩。

本发明所述的爬壁检测装置与现有技术相比，特点在于：

(1)将非接触旋流抓取器引入水下爬壁检测装置的吸附技术中，有效解决了水下非铁磁壁面在水下吸附技术上的不足，能够在水下的非导磁壁面上进行爬行，拓展了水下爬壁检测装置的应用领域，为混凝土坝面自动化养护提供了关键的移动平台。

(2)从原理上解决了真空吸附技术的真空泄露以及管路堵塞的问题，可实现非接触吸附，使得负压吸附技术与轮式驱动技术能够很好地结合，增强了爬壁检测装置的运动灵活性。并且本发明的爬壁检测装置采用对称式轮式移动装置，差动驱动方式，运动灵活，转向半径小。

(3)运用有效元分析工具对吸附装置中吸附单元关键参数进行了优化设计，充分利用了液体的压力能，使得吸盘吸力在一定条件下达到最优，提高了能量利用率。

(4)利用三维设计软件进行检测装置结构优化设计，对爬壁检测装置进行水下平衡设计，使爬壁检测装置在水中几乎处于零重力状态，大大增强爬壁检测装置的负载能力。

(5)爬壁检测装置机械结构简单，控制较为方便。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是本发明的轮式移动装置结构示意图。

图3是本发明轮式移动装置差动控制实现旋转移动原理示意图。

图4是本发明的车体安装示意图。

图5是本发明的高压水流管路示意图。

图6是本发明的旋流吸盘安装示意图。

图7是本发明单个旋流吸盘结构示意图。

图中：主动轮1，主动轮轴2，主动链轮3，链条4，联轴器5，电机座6，防水电机7，从动轮8，从动轮轴9，从动链轮10，车体11，浮筒12、14，高压潜水泵13，液压阀15，四通接头16，固定盘17，旋流吸盘18、20、23，三通接口19、21、22，旋流腔26，旋流入口25，螺纹孔24。

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3所示，本发明具体实施包括车体11和安装在车体11上的浮筒12、14、轮式移动装置和负压吸附装置，车体11作为爬壁检测装置底盘，通过浮筒12、14提供浮力，通过轮式移动装置带动爬壁检测装置沿水下的壁面滚动爬行，负压吸附装置正对壁面以非接触方式安装，通过负压吸附装置将爬壁检测装置贴附在水下的壁面。

如图4所示，车体11顶部安装有两个浮筒12、14，所述爬壁检测装置在水下时浮筒12、14产生的浮力和爬壁检测装置的重力相同，并且浮筒12、14的安装位置使得爬壁检测装置沿竖直的壁面爬行时的浮力和重心在同一铅垂线上。

如图5所示，负压吸附装置包括安装在车体11顶部的高压潜水泵13和液压阀15、安装在车体11底部的四通接头16和三个三通接口19、21、22以及固定在固定盘17上的旋流吸盘18、20、23；如图4所示，高压潜水泵13固定在车体11顶部，四通接头16和三个三通接口19、21、22均固定在车体11底部，固定盘17位于车体11下方位置，三个旋流吸盘18、20、23均固定在固定盘17底面，如图6所示。

高压水流管路如图5所示，高压水流经由四通接头16后分三路，每路水流分别经三通接口19、21、22后进入旋流吸盘，高压潜水泵13与四通接头16之间的管道上安装有液压阀15，液压阀15控制供给吸附装置的高压水流。具体是，高压潜水泵13出口端与四通接头16入口端连接，四通接头16的其他三个端口均为出口端并分别与三个三通接口19、21、22中间入口端连接，每个三通接口19、21、22两侧的端口均为出口端，以每两个不同三通接口19、21、22各自的一个出口端分别连接到同一旋流吸盘18、20、23两个入口端的方式将三个三通接口19、21、22的六个出口端与三个旋流吸盘18、20、23的六个入口端相连接。换句话说，即是同一个三通接口19、21、22的两个出口端分别连接到两个不同旋流吸盘18、20、23的入口端。

如图7所示，旋流吸盘具有两个切向高压水流入口，旋流吸盘18、20、23一端端面开口并在对称的两侧侧壁开有旋流入口25作为入口端，开口内部形成旋流腔26，旋流入口25沿旋流腔26的切向方向设置，开口的端面平行壁面布置并且使得开口朝向水下的壁面，旋流吸盘18、20、23通过螺纹孔24固定在固定盘17上；螺纹孔用于连接旋流吸盘和吸附装置固定盘。旋流入口25通过接头和管路连接，用于接收高压水流，每个旋流吸盘具有两个旋流入口，便于提高旋流吸附的能力。

如图2和3所示，轮式移动装置包括以中心对称安装在车体11底部两侧的两个滚轮移动机构，采用差动驱动方式，依靠驱动电机的差速控制转向。右侧滚轮移动机构与左侧的滚轮移动机构相同，排列上呈反对称。

每个滚轮移动机构包括主动轮1、主动轮轴2、主动链轮3、链条4、联轴器5、电机座6、防水电机7、从动轮8、从动轮轴9和从动链轮10，主动轮1和从动轮8采用高摩擦轮并分别安装在车体11底部的同一侧，主动轮1和主动轮轴2一端同轴安装连接，从动轮8和从动轮轴9一端同轴安装连接，主动轮轴2和从动轮轴9平行布置并且两端均通过深沟球轴承支撑在固定于车体11底部上的轴承座，主动轮轴2和从动轮轴9中部分别同轴安装有主动链轮3和从动链轮10，主动链轮3和从动链轮10均置于两深沟球轴承之间，主动链轮3和从动链轮10之间通过链条4链传动连接，主动链轮3另一端与防水电机7的输出轴同轴连接，防水电机7通过电机座6固定安装在车体11底部；防水电机7工作通过主动轮轴2带动主动轮1旋转，并经链传动带动从动轮轴9旋转进而使得从动轮8旋转。

本发明的实施过程如下：

具体实施中，对爬壁检测装置进行水下平衡设计，采用加装浮筒的方式，利用CREO三维设计软件导出的数据进行设计，使爬壁检测装置在水中几乎处于零重力状态，且重力线与浮力线应共线。

具体实施中，爬壁检测装置依靠车轮与壁面的摩擦力保持在壁面上，车轮表面带有许多凸起结构，可嵌入混凝土表面，增大车轮与壁面的摩擦力。

其中，两个主动轮和两个从动轮反对称安装在底盘11上，两个驱动轮采取差动驱动方式。如图3所示，在爬壁检测装置移动时，若两主动轮速度(V_L1、V_R1)不同，则检测装置可以以不同转弯半径转弯，特殊的，当两主动轮速度(V_L1、V_R1)大小相同，方向相反时，移动检测装置可以近似绕车体中心转动。所有轮需要保证一定的摩擦力，爬壁检测装置通过轮胎与壁面的摩擦力保证不滑落。

具体实施中，高压潜水泵13从工作水环境中抽取产生高压水流，高压水流经由管路从对称两端的旋流入口25切向入射至旋流腔26中并在旋流腔26内高速旋转产生负压，从而使得吸附在水下的壁面。

具体实施中，利用FLUENT对吸盘结构进行有限元分析和优化设计，充分利用了液体的压力能，通过仿真的方法使吸盘结构与泵提供的流量达到最优的结合，使得吸盘吸力达到最优。根据选取高压潜水泵13的实际参数：出口压力为1MPa，出口流量为2m³/h；根据设计吸盘的实际尺寸：旋流腔26内径为50mm、深度为15mm；建立吸盘内液体的FLUENT流动模型，通过不断调整与修改吸盘出口与壁面的距离，可仿真得到吸盘吸力的最大值。根据目前已发表的旋流吸盘的文献，吸盘吸力随着距离的增大呈现出先增后减的趋势，距离在某一值时吸盘吸力可达到最大值。根据FLUENT仿真结果，实施例设计的旋流吸盘在距离壁面大约为3mm时产生最大吸力。

具体实施中，以FLUENT仿真结果为参考，通过调整固定盘17与车体11之间的连接螺栓可调整固定盘17与车体11的距离，相当于调整了吸盘与壁面的距离，使得吸盘与壁面的距离达到最优值，此时吸盘吸力达到最大化。

由此可见，本发明水下检测装置能够与大坝面实现非接触吸附，尤其适用于如混凝土大坝面等诸多非铁磁性粗糙表面，吸力稳定可控，造价便宜，实现方式简单可靠，具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：包括车体(11)和安装在车体(11)上的浮筒(12、14)、轮式移动装置和负压吸附装置，车体(11)作为爬壁检测装置底盘，通过浮筒(12、14)提供浮力，通过轮式移动装置带动爬壁检测装置沿水下的壁面滚动爬行，负压吸附装置正对壁面以非接触方式安装，通过负压吸附装置将爬壁检测装置贴附在水下的壁面；

所述负压吸附装置包括安装在车体(11)顶部的高压潜水泵(13)和液压阀(15)、安装在车体(11)底部的四通接头(16)和三个三通接口(19、21、22)以及固定在固定盘(17)上的旋流吸盘(18、20、23)；固定盘(17)位于车体(11)下方位置，高压潜水泵(13)出口端与四通接头(16)入口端连接，高压潜水泵(13)出口端与四通接头(16)入口端之间的管道上安装有液压阀(15)，四通接头(16)的其他三个端口均为出口端并分别与三个三通接口(19、21、22)中间入口端连接，每个三通接口(19、21、22)两侧的端口均为出口端，以每两个不同三通接口(19、21、22)各自的一个出口端分别连接到同一旋流吸盘(18、20、23)两个入口端的方式将三个三通接口(19、21、22)的六个出口端与三个旋流吸盘(18、20、23)的六个入口端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述的旋流吸盘(18、20、23)一端端面开口并在对称的两侧侧壁开有旋流入口(25)，开口内部形成旋流腔(26)，旋流入口(25)沿旋流腔(26)的切向方向设置，开口的端面平行壁面布置并且使得开口朝向水下的壁面；高压潜水泵(13)产生高压水流，高压水流经由管路从对称两端的旋流入口(25)切向入射至旋流腔(26)中并在旋流腔(26)内高速旋转产生负压，从而使得吸附在水下的壁面。

3.根据权利要求2所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述的高压水流的水源是由高压潜水泵(13)直接从工作水环境中抽取产生。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述旋流吸盘距离壁面的间隙为2-4mm。

5.根据权利要求1所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述轮式移动装置包括以中心对称安装在车体(11)底部两侧的两个滚轮移动机构，每个滚轮移动机构包括主动轮(1)、主动轮轴(2)、主动链轮(3)、链条(4)、联轴器(5)、电机座(6)、防水电机(7)、从动轮(8)、从动轮轴(9)和从动链轮(10)，主动轮(1)和从动轮(8)分别安装在车体(11)底部的同一侧，主动轮(1)和主动轮轴(2)一端同轴安装连接，从动轮(8)和从动轮轴(9)一端同轴安装连接，主动轮轴(2)和从动轮轴(9)平行布置并且两端均通过深沟球轴承支撑在固定于车体(11)底部上的轴承座，主动轮轴(2)和从动轮轴(9)中部分别同轴安装有主动链轮(3)和从动链轮(10)，主动链轮(3)和从动链轮(10)之间通过链条(4)链传动连接，主动链轮(3)另一端与防水电机(7)的输出轴同轴连接，防水电机(7)通过电机座(6)固定安装在车体(11)底部；防水电机(7)工作通过主动轮轴(2)带动主动轮(1)旋转，并经链传动带动从动轮轴(9)旋转进而使得从动轮(8)旋转。

6.根据权利要求5所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述主动轮(1)和从动轮(8)均采用高摩擦轮。

7.根据权利要求5所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述的两个滚轮移动机构以中心对称的反对称方式布置，采用差动驱动方式，依靠驱动电机的差速实现转向。

8.根据权利要求1所述的一种非接触负压吸附水下爬壁检测装置，其特征在于：所述的车体(11)顶部安装有两个浮筒(12、14)，所述爬壁检测装置在水下时浮筒(12、14)产生的浮力和爬壁检测装置的重力相同，并且浮筒(12、14)的安装位置使得爬壁检测装置沿竖直的壁面爬行时的浮力和重心在同一铅垂线上。