CN112474084B - 一种空化射流智能喷嘴及水下清洗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空化射流智能喷嘴及水下清洗机器人，属于喷头领域，在不同目标物、水深和进出口压力下，依靠嵌入式控制系统可以自动选择最佳出射口清洗作业，提高水射流喷射清洗效果，包括轴管连接轴管的喷头主体，喷头主体设有多个规格相异的出射口，轴管连接动力源和控制器以驱动轴管自转，位于轴管前端的轴管出口能够与多个出射口中的一个对接，轴管与喷头主体之间密封。

Description

一种空化射流智能喷嘴及水下清洗机器人

技术领域

本发明属于喷头领域，具体的，涉及一种空化射流智能喷嘴及水下清洗机器人。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

空化射流技术在清洗、除锈、破碎等方面都有很大的发展空间，其关键部件喷嘴是高压清洗机应用中获得高能量利用率的关键因素之一，水射流都是靠喷嘴来实现的，特殊的喷嘴结构能产生理想的射流效果，对空化射流的清洗质量有明显的影响。经过实验，如果喷嘴的结构设计或者进出口压力不合理，将引起空化射流质量恶化，最终导致设备大部分功率浪费掉。空化的实现要求喷嘴有特定的结构来引起空化作用。喷嘴结构参数尺寸、靶距、冲蚀时间和工作压力对空化射流的冲蚀效果影响很大，尤其是优化喷嘴结构参数对于提高空化效率很有用处。在同样的压力、流量下，调节喷嘴尺寸配比、冲蚀靶距和冲蚀时间,得到不同的冲蚀效果。喷嘴的结构参数直接影响淹没空化水射流性能，淹没水深对水下空化水射流形成和空化效果也有一定的关系。

现有技术中，为获得更好的空化射流效果，先后提出了中心体式空化喷嘴、风琴管自振空化喷嘴和角型空化喷嘴等。但这些喷嘴最终只有一个射出口，当水下清洗机器人使用空化射流清洗时，使用同一喷嘴清洗不同深度的目标物舰船、养殖网箱等，无法得到优化的清洗效果；即使水下机器人清洗同一目标物，当目标物水下部分过深时，使用同一喷嘴仍无法获得优化的效果。只能依靠人工频繁更换喷嘴，费事费力，影响清洗效率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种空化射流智能喷嘴及水下清洗机器人，设有多个出射口，在不同目标物、水深和进出口压力下，依靠嵌入式控制系统可以自动选择最佳出射口清洗作业，提高水射流喷射清洗效果。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的技术方案提供了一种空化射流智能喷嘴，包括轴管连接轴管的喷头主体，喷头主体设有多个规格相异的出射口，轴管连接动力源和控制器以驱动轴管自转，位于轴管前端的轴管出口能够与多个出射口中的一个对接，轴管与喷头主体之间密封。

第二方面，本发明还公开了一种水下清洗机器人，包括如第一方面所述的一种空化射流智能喷嘴。

本发明的原理是，空化水射流利用一束从小口径孔中射出的高速水射流作用在材料上，通过在射流中人为形成空泡并使在其在靶物破灭，产生空蚀破坏来加强冲蚀效果，可使用其所具有的足够能量进行材料清洗。尤其在水下清洗应用中所表现出良好的冲蚀性能。由于空蚀破坏作用几乎足以破坏大多数的工程材料，空化水射流则充分利用这种破坏机理来加强冲蚀特性，其工作原理是由喷嘴出来的高速水射流，与周围静水发生强烈的剪切作用，充满着剧烈的分布旋涡，在一定的压力分布下，诱发水中空泡初生，适度控制喷嘴出口与靶材之间的距离，使空泡发展成熟，当射流冲击到靶材表面发生溃灭，使靶材引起空蚀破坏，以达到清洗、切割或破碎物料的效果。

本发明在工作时，在不同目标物、水深、进出口压力、温度下，依靠控制器可以自动选择最佳出射口清洗作业，明显提高水射流喷射清洗效果；喷嘴主体连接控制器和传感器，考虑水深、进出口压力和温度等影响，有多个规格相异的出射口可以选择作为喷射口，提高了水下清洗机器人的自动化和智能化水平。

上述本发明的技术方案的有益效果如下：

1)本发明中，设有多个出射口，在不同目标物、水深、进出口压力、温度下，依靠嵌入式控制系统可以自动选择最佳出射口清洗作业，明显提高水射流喷射清洗效果。

2)本发明中，使用能够电控的动力源驱动轴管自转，从而实现轴管前端出口与出射口之间的对接，使用电动的动力源驱动齿轮对进行传动，可以实现准确对接，为射流提供良好的流量。

3)本发明中，使用环状凹槽安装的动力源、控制器和电源，巧妙地将动力源、控制器和电源隐层在的壳体呢，避免外露，有利于水下作业。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的侧剖视图，

图2是本发明根据一个或多个实施方式的第一角度立视示意图，

图3是本发明根据一个或多个实施方式的第二角度立视示意图，

图4是本发明根据一个或多个实施方式的尺寸标注示意图，

图5是本发明根据一个或多个实施方式的左视示意图。

图中：1、喷嘴体；2、第一密封圈；3、喷嘴密封盖；4、第二密封圈；5、电路板；6、轴管盖；7、齿圈；8、轴管；9、第一滑动轴承；10、格莱圈；11、锂电池电源；12、第二滑动轴；13、信号缆；14、深度传感器；15、电机轴；16 齿轮；17、充电接口；18、第一出射口；19、第二出射口；20、第三出射口；21、高压水入口，24、电机系统；25、第二密封圈凹槽；26、第一密封圈凹槽；23、深度传感器安装孔；22、环形凹槽。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在喷嘴只有一个射出口，使用同一喷嘴清洗不同深度的目标物舰船、养殖网箱等，无法得到优化的清洗效果，只能依靠人工频繁更换喷嘴，费事费力，影响清洗效率的不足，针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种空化射流智能喷嘴，设有多个出射口，在不同目标物、水深和进出口压力下，依靠嵌入式控制系统可以自动选择最佳出射口清洗作业，提高水射流喷射清洗效果。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1～图5所示，本实施例公开了一种空化射流智能喷嘴，本智能喷嘴是由多组件装配组成的，主要由喷嘴体1和轴管8构成喷嘴主体结构，喷嘴体1和轴管8的接触面完全贴合；喷嘴1设有3个出射口，分别为第一出射口18，第二出射口19和第三出射口20、设有一个深度传感器14，用于测量水下深度、压力和温度，还设有一个环形凹槽22，两个密封圈凹槽，分别为第一密封圈凹槽25和第二密封圈凹槽26。在喷嘴体环形凹槽22内，设有控制电源、控制板和电机系统，环形凹槽22左侧设有密封盖3，目的是保护凹槽内控制系统，防止水进入；固定在环形凹槽22内的电机，其轴端设有一个齿轮16，轴管的右侧外圆设有一个齿圈7，齿轮16和齿圈7啮合。从而使轴管可以在喷嘴体内部转动；为减小摩擦，安装了第一滑动轴承9和第二滑动轴承12，使电机系统可以带动齿圈7，从而使轴管整体转动，确保在同一时刻，轴管的入水口和喷嘴体的其中一个出射口相通，另外两个出射口完全由接触面堵死,高压水从出射口喷射到目标物，实现空化射流清洗。

请参考图2和图3，本实施例中的喷嘴设有三个出射口，分别为第一出射口18、第二出射口19和第三出射口20，以及至少一个水深传感器14，水深传感器14通过信号缆27与凹槽内的控制板相连，控制板的单片机可以实时采集水深度、压力和温度数据，用于分析选择出射口的依据。喷嘴右侧设有齿轮或棘轮系统，单片机自动控制电机按指令旋转，从而使轴管在喷嘴体内部转动，自动对齐所选的出射口。

更为具体的，所述喷头主体包括柱状部以及连接于柱状部后端的环状部，柱状部内开设多个规格相异的出射口，多个出射口的位于柱状部后端的开口的几何中心距离柱状部的中轴线距离均相等。所述环状部开设有环形凹槽，环形凹槽内用于安装电源、控制器和动力源。

喷嘴的结构参数直接影响淹没空化水射流性能。喷嘴的主要参数设计成分段尺寸形式,图中，D1、D2、D3分别表示喷嘴喉部直径；L1、L2、L3分别表示喷嘴喉部孔长度；θ1、θ2、θ3分别表示喷嘴喉部锥孔角度。其中，θ、D、L、D/L 是喷嘴设计中的重要参数，参数配比是否合适直接影响到喷嘴空化的产生，直接影响到射流空化清洗的效果。

其中锥角θ、圆柱孔直线段长度L、圆孔直径D、以及L/D为喷嘴重要的结构设计参数，直接影响到淹没空化水射流冲蚀性能及靶距。锥角θ的增大或减小, 将在一定程度内引起射流清洗性能和靶距的提高或减少。圆柱直线段L的变化,选择最佳的参数配比D/L，以求达到最优效果，射流的清洗性能随之改变。

除了喷嘴结构尺寸外，对于给定喷嘴,随着水压力和温度的改变、例如图1的入口处压力Pin，温度Tin和出射口处的压力Pout，温度Tout变化，淹没空化水射流的清洗性能也随之改变。进出口压力值、温度值影响空化数，即空化起始的能力。进口压力是射流整体的能量来源，其大小也影响到了射流的出射行程和作业能力。出口流域压力即射流围压，直接影响到射流射出后的作业环境压力。进出口压力涉及到射流的能量大小、围压大小、空化能力等因素，所以对射流空化能力和冲蚀效果影响非常大。

空化射流在工业中有较为广泛的应用,喷嘴结构参数尺寸、靶距、清洗时间和工作压力对空化射流的冲蚀效果影响很大,主要通过调节喷嘴直径、喷嘴尺寸配比、进出口压力、靶距和清洗时间，改变射流流束的形态和靶材的清洗形态，尤其优化喷嘴结构参数对于提高空化效率很有用处。通过试验每种参数变化对空化射流打击效果的影响规律,最终找到最优化的参数配比和条件。

本实施例中的喷嘴嵌入式控制系统，包括环形微控制器控制板、环形锂电池电源及电机，环形微控制器控制板连接环形锂电池电源以获得供电，环形锂电池电源还连接电机以为电机供电。

本实施例中的环形微控制器控制板例如可以是stm32单片机系统，可以下载程序代码，进行控制，内部烧写清洗优化算法，该算法可以根据常见目标物、水深、进出口压力等自动从三个出射口中选择最优的出射口实现自动清洗。

这种优化选择出射口的算法可以基于流体理论分析和试验验证，最后下载到单片机中实现自动控制。环形锂电池电源分别向环形微控制器控制板、电机、深度传感器等供电。

本实施例还包括电机驱动系统，其控制电机按位置指令旋转，从而带动齿圈 7旋转，齿圈7固定在轴管上。由于电机固定不动，喷嘴1内孔内设有第一滑动轴承9和第二滑动轴承12，齿圈7带动轴管在喷嘴体内部孔内自由转动。喷嘴体内的格莱圈10防止高压水流出，只能从其中一个出射口中喷射。为了精确控制轴管的入水口和喷嘴体的指定的出射口完全相通，另两个出射口完全堵死，电机需要集成编码器，用以精确控制电机转动的角度。

应当理解的，环形凹槽的主体结构为圆环，那么向心侧即为内侧，离心侧即为外侧，基于该基础方位，本发明中的内外被准确限定。

应当理解的，

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，本实施例还公开了一种水下清洗机器人，包括如实施例1所述的一种空化射流智能喷嘴。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空化射流智能喷嘴，其特征在于，包括轴管连接轴管的喷头主体，喷头主体设有多个规格相异的出射口，轴管连接动力源和控制器以驱动轴管自转，位于轴管前端的轴管出口能够与多个出射口中的一个对接，轴管与喷头主体之间密封；

还包括传感器，传感器安装于喷头主体，传感器通信连接所述控制器，所述喷头主体包括柱状部以及连接于柱状部后端的环状部，柱状部内开设多个规格相异的出射口，多个出射口的位于柱状部后端的开口的几何中心距离柱状部的中轴线距离均相等，所述环状部开设有环形凹槽，环形凹槽内用于安装电源、控制器和动力源；所述环形凹槽的开口位于环状部的前侧，所述开口能够连接盖体以密封；所述环形凹槽的开口还设有连接于电源的充电口；

所述传感器为水深传感器，通过信号缆与凹槽的控制器相连，控制器的单片机可以实时采集水深度、压力和温度数据，用于分析选择出射口的依据；

还包括传动机构，控制器连接动力源，动力源通过传动机构连接所述轴管，动力源能够带动轴管前端的轴管出口在每次自转后均于一个出射口对接；

所述传动机构包括齿轮和套接于轴管的齿圈，齿轮啮合于齿圈，齿轮的齿轮轴连接动力源，单片机自动控制动力源按指令旋转，从而使轴管在喷嘴体内部转动，自动对齐所选的出射口。

2.如权利要求1所述的空化射流智能喷嘴，其特征在于，所述多个出射口之间的喷头主体还开设用于安装传感器的凹槽，凹槽还连通通道，通道在喷头主体的外侧设有出口。

3.如权利要求1所述的空化射流智能喷嘴，其特征在于，所述喷头主体的后端开设用于容纳所述轴管的凹槽，所述轴管套接于凹槽内，且轴管与喷头主体之间还设有密封圈。

4.一种水下清洗机器人，其特征在于，包括如权利要求1所述的空化射流智能喷嘴。

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