CN113522904A - 一种水下清沙装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下清沙装置，包括有机架、安装于机架两侧用于移动的移动模组、安装于机架前部用于对水槽进行清洗的清刷模组、安装于机架下部对含有颗粒泥沙水体的抽滤模组、安装于机架内部两侧的压载模组、安装于机架底部用于推动机架上浮的螺旋桨、安装于机架上部的控制模组和密封机构。本发明通过安装于机架前部用于对水槽进行清洗的清刷模组，带动水槽底部沉积泥沙而使泥沙扬起，同时利用安装于机架下部对含有颗粒泥沙水体的抽滤模组将含有大量泥沙的水抽进装置内部，经过滤后排除，以达到逐步降低水中沉积泥沙颗粒数量的效果，减少清理水槽中沉积泥沙时的人力和时间，并对水槽实现，全覆盖清刷，可靠度高，结构、操作简易。

Description

一种水下清沙装置

技术领域

本发明涉及一种水下清沙装置，属于水力学实验中的港池水槽清理净化领域。

背景技术

在目前涉及到港池、水槽中水体泥沙运动的研究实验中往往会用到大量且粒径不尽相同的泥沙颗粒。而因实验需求所用到的泥沙颗粒在实验结束后普遍难以清理干净，其原因在于普通抽水机构往往仅能将水槽中的水抽取出来，而其中的泥沙却往往会沉积在水底，并且泥沙颗粒难以用普通方式清理干净，而不将泥沙颗粒清理干净往往会对后续实验产生不良影响。

目前的小型水槽或港池的清理往往采用人工方式，实验人员需要反复清洗水槽，以至于试验后对实验装置的清理会消耗掉较多时间；而对于某些含有致癌物质实验水体，采用人工方式清理不仅耗时，更对实验人员的身体有着较大的伤害，使实验无法高效安全地进行。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前水力学相关实验的试验人员清理水槽、港池中泥沙颗粒时步骤繁琐复杂、耗时耗力、清理不彻底或对于某些特定条件无法清理等缺点，设计了一种操作简便、机动性强、省时省力、能够高效清理水槽中泥沙颗粒的新型水下清沙装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种水下清沙装置，包括机架、清刷模组、抽滤模组、压载模组以及控制模组；

所述清刷模组安装于机架前部，用于对含有泥沙的水体进行清刷，将含沙水体送入抽滤模组；

所述抽滤模组安装于机架下部，用于将吸入由清刷模组送入的含沙水体后，对含沙水体进行过滤分离，贮存泥沙，并排出无沙水体；

所述压载模组对称安装于机架内部两侧后端，用于提升清沙装置的抓地力，使得清沙装置能在水底稳定工作；

所述控制模组安装于机架上方，用于控制清沙装置的运行。

进一步的，所述清刷模组包括清刷电机、旋转往复机构以及刷盘；所述清刷电机安装于机架前部的空仓，清刷电机与刷盘通过连接于空仓下的旋转往复机构相连，并通过旋转往复机构实现刷盘的持续转动。

进一步的，所述旋转往复机构共有两块，包括与清刷电机连接的蜗杆、与蜗杆相啮合的蜗轮、与蜗轮相连的传动轴、将蜗轮固定在传动轴的固定铰链接和层面限位套。

进一步的，所述抽滤模组包括进水阀口、斯特塔管、贮沙筒、进水管、滤网、叶轮以及出水管；

所述进水阀口安装于机架前端面板内侧，阀口与面板重合，朝向清刷模组；

所述斯特塔管与进水阀口连接；

所述滤网安装于进水管管口；

所述贮沙筒安装于斯特塔管与进水管外侧，相对外界密封；

所述叶轮安装于进水管末端；

所述出水管与叶轮连接，且出水管出口安装于机架尾部面板；

清刷模组清刷的含沙水体从进水阀门进入抽滤模组，经斯特塔管的离心力作用，将水体中的泥沙离散到贮沙筒内，并经滤网过滤后，从进水管、叶轮和出水管排出，以此完成过滤作用。

进一步的，所述压载模组包括压载舱、压载阀门、压载泵以及转动电机；所述压载阀门包括门板、安装于门板一侧的条纹转动轴以及通过联轴器与条纹转动轴连接的主动轴；

所述压载阀门设置于机架底板处内侧，用于机械控制压载模组进出水体的打开与关闭；

所述压载舱与压载阀门连接，并与机架内部相对密封，用于承载水体；

所述压载泵位于压载舱内部后侧，用于控制对承重水体的吸力；

所述转动电机用于驱动压载阀门打开与关闭，并驱动压载泵吸入与放出承重水体。

进一步的，所述控制模组包括进行控制清沙装置的单片机主控模块、进行供电的电源模块以及用于控制各种电机执行动作的电机驱动模块。

进一步的，所述控制模组通过密封机构进行密封，保证控制模组在水下不会因为进水而损坏；

所述密封机构包括对控制模组进行密封安装的密封舱以及用于固定的支撑架。

进一步的，所述清沙装置还包括移动模组，所述移动模组包括安装于机架的两侧面板的转向前进机构和安装于机架底部的升降机构，用于对清沙装置进行驱动；

所述转向前进机构包括安装于机架两侧面板外侧的履带、安装于机架两侧面板内侧的驱动电机、穿设于机架两侧的传动轴、啮合于所述履带的内侧以实现联动的驱动轮、安装于机架两侧面板远离驱动轮的一侧且啮合于履带内侧壁的从动轮；通过驱动电机依次驱动传动轴、驱动轮、从动轮以及履带，达到控制清沙装置的前进、后退以及转向；

所述升降机构为螺旋桨，所述螺旋桨有三个，第一个安装于机架宽度方向中间线上，距离机架前端面板的距离为机架长度的四分之一，第二及第三个螺旋桨对称于宽度方向中间线安装于机架底面，两螺旋桨间的距离为机架宽度的二分之一，两螺旋桨距离机架尾部面板为机架长度的三分之一。

进一步的，所述清沙装置还包括含沙率探测装置，所述含沙率探测装置安装于机架头部，用于对水体中含沙率的测量。

本发明还提供了一种使用以上清沙装置的水下清沙方法，其清沙步骤为：

将清沙装置放入水下，由于重力作用清沙装置缓慢下沉，到达池底后压载模组打开，水体涌入压载舱，以此增加清沙装置的重力，与水体底部紧密贴合；

在完成压载过程后，启动清刷电机，清沙装置开始运作，移动模组通过履带，驱动电机进行动力驱动以带动履带行走，清刷电机启动以驱动刷盘进行清刷工作；

刷盘开始转动后，抽滤模组由电源供电开始工作，由刷盘转动而起动和浮起的泥沙颗粒被抽滤模组从进水阀口抽入，抽滤模组将含沙水体中的泥沙过滤后，由出水管将水体排出；

在抽滤模组工作后，探测装置对水中含沙率进行测量，根据测量结果来控制清沙装置的前进速度；

当完成清刷作业时，驱动电机、清刷电机等装置停止工作，压载模组中排水泵开始工作，将压载舱中的水排出；在压载舱中水排空后，清沙装置机架底部的螺旋桨开始工作，将清沙装置向水面推动，清沙装置浮出水面后，清沙作业完成。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

（1）通过在机架前端安装的清刷模组能够良好的对水槽和港池底部进行清刷，刷盘的转动使附着于水槽和港池底部的泥沙起动并浮起，刷盘对称放置并以相反的方向转动，能最大程度使得两刷盘中间的泥沙起动，配合抽滤模组的抽滤作用，快速将水体中已浮起的泥沙吸入抽滤模组内部，经滤网过滤，将泥沙保留在抽滤模组内部，将过滤后的水体经出水管排出；

（2）压载模组能够增加沉于水底的清沙装置的重力，以增强清沙装置的抓地力，降低清沙装置在水底前进和工作的难度，并使清沙装置能够适应更多不同的水底环境，进而使清刷更加的充分、高效；

（3）通过含沙率探测装置测定清沙装置所处区域的含沙率，判定清沙装置在当前位置的前进速度和停留时间，增加工作的针对性，到达高效工作的目的；

（4）清沙过程完成，并将压载舱中水体排放完毕后，通过底部螺旋桨转对清沙装置产生向上的推力，使清沙装置浮出水面，完成作业；清沙装置整体结构简单、操作便捷可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1中清扫装置立体结构图；

图2为本发明实施例1中清扫装置纵向剖面图；

图3为本发明实施例1中清扫装置侧面结构图；

图4为本发明实施例1中清扫装置的旋转往复机构的主视图；

图5为压载模组的立体结构图；

图6为压载模组局部结构图

图7为控制模组的立体结构图；

图中：机架1；清刷模组2；清刷电机21；旋转往复机构22；蜗杆221；蜗轮222；传动轴223；固定铰链接224；层面限位套225；刷盘23；抽滤模组3；进水阀门31；斯特塔管32；贮沙筒33；进水管34；滤网35；叶轮36；出水管37；压载模组4；压载舱41；压载阀门42；门板421；条纹转动轴422；联轴器423；主动轴424；压载泵43；转动电机44；控制模组5；单片机主控模块51；电源模块52；电机驱动模块53；密封机构6；密封舱61；支撑架62；移动模组7；驱动电机71；传动轴72；驱动轮73；从动轮74；履带75；螺旋桨76；探测装置8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-7所示，一种水下清沙装置，包括机架1、清刷模组2、抽滤模组3、压载模组4以及控制模组5，其中，机架1呈矩形，机架1的各个面板均可用以安装其他模组；清刷模组2安装于机架1前部，用于对含有泥沙的水体进行清刷，将含沙水体送入抽滤模组；抽滤模组3安装于机架1下部，用于将吸入由清刷模组2送入的含沙水体后，对含沙水体进行过滤分离，贮存泥沙，并排出无沙水体；压载模组4对称安装于机架1内部两侧后端，用于提升清沙装置的抓地力，使得清沙装置能在水底稳定工作；控制模组5安装于机架1上方，用于控制清沙装置的运行。

其中，清刷模组2包括清刷电机21、旋转往复机构22以及刷盘23；两个清刷电机21对称于机架1宽度方向中间线并安装于机架1的前端内部，清刷电机21与刷盘23通过连接于空仓下的旋转往复机构22相连，并通过旋转往复机构22实现刷盘23的持续转动；而旋转往复机构22共有两块，包括与清刷电机21连接的蜗杆221、与蜗杆221相啮合的蜗轮222、与蜗轮222相连的传动轴223、将蜗轮222固定在传动轴223的固定铰链接224和层面限位套225。清刷电机21通过蜗杆221与蜗轮222啮合来向刷盘23传动转矩，蜗轮222经层面限位套225和固定铰链接224与传动轴223连接后无法与传动轴23发生相对转动，进而实现蜗轮222与刷盘23同步转动的效果。

抽滤模组3包括进水阀口31、斯特塔管32、贮沙筒33、进水管34、滤网35、叶轮36以及出水管37；进水阀口31安装于机架1前端面板内侧，阀口与面板重合，朝向清刷模组2；斯特塔管32与进水阀口31连接；滤网35安装于进水管34管口；贮沙筒33安装于斯特塔管32与进水管34外侧，相对外界密封；叶轮36安装于进水管34末端；出水管37与叶轮36连接，且出水管37出口安装于机架1尾部面板。其中，在抽滤模组3开始运作后，斯特塔管32发生转动，并将其内部通过水体带动，利用离心力将水体中泥沙离散入贮沙筒33，斯特塔管32和进水管34、滤网35都位于贮沙筒33内部，并且与外部相对密封。滤网35可将经过斯特塔管32后水体中未被完全除净的泥沙过滤。完全过滤后的水体经后续进水管34、叶轮36和出水管37排出。

压载模组4包括压载舱41、压载阀门42、压载泵43以及转动电机44；其中压载阀门42包括门板421、安装于门板421一侧的条纹转动轴422以及通过联轴器423与条纹转动轴422连接的主动轴424；压载阀门42设置于机架1底板处内侧，用于机械控制压载模组4进出水体的打开与关闭；压载舱42与压载阀门42连接，并与机架1内部相对密封，用于承载水体；压载泵43位于压载舱42内部后侧，用于控制对承重水体的吸力；转动电机44用于驱动压载阀门42打开与关闭，并驱动压载泵43吸入与放出承重水体。而压载模组4有两组，对称安装于机架1内部两侧后端，在转动电机44的作用下，主动轴424开始转动，通过联轴器423的带动，条纹转动轴422也开始转动，使与条纹转动轴422啮合的齿状压载阀门门板421实现开闭；而压载阀门42打开后，水体进入压载舱41内部，待压载舱41充满后，压载阀门42关闭，经压载模组4压载后的清扫装置自重增加，对水槽或港池地面的抓地力提升，工作更加稳定高效。

本发明的实施例中还在清扫装置外配备了移动模组7，用于对清沙装置进行驱动，移动模组7包括安装于机架的两侧面板的转向前进机构和安装于机架底部的螺旋桨76；其中转向前进机构包括安装于机架1两侧面板外侧的履带75、安装于机架1两侧面板内侧的驱动电机71、穿设于机架两侧的传动轴72、啮合于所述履带75的内侧以实现联动的驱动轮73、安装于机架1两侧面板远离驱动轮73的一侧且啮合于履带75内侧壁的从动轮74；驱动电机71通过穿过机架1的传动轴72对驱动轮73进行驱动，驱动轮73与从动轮74半径相同，平行于机架1安装并且轮心与机架1底面距离相同；在驱动电机71的作用下，驱动轮73转动并与履带75相互啮合，带动履带75转动，从动轮74在机架1另一端被带动，也即通过驱动电机71依次驱动传动轴72、驱动轮73、从动轮74以及履带75，达到控制清沙装置的前进、后退以及转向；而螺旋桨76有三个，第一个安装于机架宽度方向中间线上，距离机架前端面板的距离为机架长度的四分之一，第二及第三个螺旋桨对称于宽度方向中间线安装于机架底面，两螺旋桨间的距离为机架宽度的二分之一，两螺旋桨距离机架尾部面板为机架长度的三分之一。

控制模组5包括进行控制清沙装置的单片机主控模块51、进行供电的电源模块52以及用于控制各种电机执行动作的电机驱动模块53。清沙装置还包括含沙率探测装置8，所述含沙率探测装置8安装于机架1头部，用于对水体中含沙率的测量。单片机主控模块51可以根据探测装置8所得的含沙率，判断清沙装置的前进速度、在当前位置的停留时间和清刷速度，并制定前进路线，缩短工作时间。电源模块52为锂电池，节能环保，持久耐用，用以维持整个清沙装置的各项工作，满足能源需求。驱动电机71、清刷电机21、抽滤模组3都受控于电机驱动模块53，响应于单片机主控模块51，由电源模块52供电。在电源模块52供电后：驱动电机71开始工作，移动模组7得以运作，清沙专职可以前进后退；清刷电机21开始工作，清刷模组2开始工作，刷盘23开始清刷作业；抽滤模组3开始工作，对水体进行过滤；压载阀门42开始工作，对清沙装置进行压载；待作业完毕后，电源模块52对压载泵43供能，将压载舱41内水泵出。

为了保证控制模组5中的单片机主控模块51、电源模块52和电机驱动模块53进水导致损坏，本发明还在控制模组5外设置密封机构6进行密封，其中密封机构6包括对控制模组5进行密封安装的密封舱61以及用于固定的支撑架62。

实施例2

本发明还提供了一种用于水下清沙的方法，采用实施例1所述的清沙装置，可对水槽、港池下的含沙水体进行过滤除沙，运行步骤为：

将清沙装置放入水下，由于重力作用清沙装置缓慢下沉，到达池底后压载模组打开，水体涌入压载舱，以此增加清沙装置的重力，与水体底部紧密贴合；

在完成压载过程后，启动清刷电机，清沙装置开始运作，移动模组通过履带，驱动电机进行动力驱动以带动履带行走，清刷电机启动以驱动刷盘进行清刷工作；

刷盘开始转动后，抽滤模组由电源供电开始工作，由刷盘转动而起动和浮起的泥沙颗粒被抽滤模组从进水阀口抽入，抽滤模组将含沙水体中的泥沙过滤后，由出水管将水体排出；

在抽滤模组工作后，探测装置对水中含沙率进行测量，根据测量结果来控制清沙装置的前进速度；

当完成清刷作业时，驱动电机、清刷电机等装置停止工作，压载模组中排水泵开始工作，将压载舱中的水排出；在压载舱中水排空后，清沙装置机架底部的螺旋桨开始工作，将清沙装置向水面推动，清沙装置浮出水面后，清沙作业完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下清沙装置，其特征在于，包括机架、清刷模组、抽滤模组、压载模组以及控制模组；

所述清刷模组安装于机架前部，用于对含有泥沙的水体进行清刷，将含沙水体送入抽滤模组；

所述抽滤模组安装于机架下部，用于将吸入由清刷模组送入的含沙水体后，对含沙水体进行过滤分离，贮存泥沙，并排出无沙水体；

所述压载模组对称安装于机架内部两侧后端，用于提升清沙装置的抓地力，使得清沙装置能在水底稳定工作；

所述控制模组安装于机架上方，用于控制清沙装置的运行。

2.根据权利要求1所述的水下清沙装置，其特征在于，所述清刷模组包括清刷电机、旋转往复机构以及刷盘；所述清刷电机安装于机架前部的空仓，清刷电机与刷盘通过连接于空仓下的旋转往复机构相连，并通过旋转往复机构实现刷盘的持续转动。

3.根据权利要求2所述的水下清沙装置，其特征在于，所述旋转往复机构共有两块，包括与清刷电机连接的蜗杆、与蜗杆相啮合的蜗轮、与蜗轮相连的传动轴、将蜗轮固定在传动轴的固定铰链接和层面限位套。

4.根据权利要求1所述的水下清沙装置，其特征在于，所述抽滤模组包括进水阀口、斯特塔管、贮沙筒、进水管、滤网、叶轮以及出水管；

所述进水阀口安装于机架前端面板内侧，阀口与面板重合，朝向清刷模组；

所述斯特塔管与进水阀口连接；

所述滤网安装于进水管管口；

所述贮沙筒安装于斯特塔管与进水管外侧，相对外界密封；

所述叶轮安装于进水管末端；

所述出水管与叶轮连接，且出水管出口安装于机架尾部面板；

清刷模组清刷的含沙水体从进水阀门进入抽滤模组，经斯特塔管的离心力作用，将水体中的泥沙离散到贮沙筒内，并经滤网过滤后，从进水管、叶轮和出水管排出，以此完成过滤作用。

5.根据权利要求1所述的水下清沙装置，其特征在于，所述压载模组包括压载舱、压载阀门、压载泵以及转动电机；所述压载阀门包括门板、安装于门板一侧的条纹转动轴以及通过联轴器与条纹转动轴连接的主动轴；

所述压载阀门设置于机架底板处内侧，用于机械控制压载模组进出水体的打开与关闭；

所述压载舱与压载阀门连接，并与机架内部相对密封，用于承载水体；

所述压载泵位于压载舱内部后侧，用于控制对承重水体的吸力；

所述转动电机用于驱动压载阀门打开与关闭，并驱动压载泵吸入与放出承重水体。

6.根据权利要求1所述的水下清沙装置，其特征在于，所述控制模组包括进行控制清沙装置的单片机主控模块、进行供电的电源模块以及用于控制各种电机执行动作的电机驱动模块。

7.根据权利要求6所述的水下清沙装置，其特征在于，所述控制模组通过密封机构进行密封，保证控制模组在水下不会因为进水而损坏；

所述密封机构包括对控制模组进行密封安装的密封舱以及用于固定的支撑架。

8.根据权利要求1所述的水下清沙装置，其特征在于，所述清沙装置还包括移动模组，所述移动模组包括安装于机架的两侧面板的转向前进机构和安装于机架底部的升降机构，用于对清沙装置进行驱动；

所述转向前进机构包括安装于机架两侧面板外侧的履带、安装于机架两侧面板内侧的驱动电机、穿设于机架两侧的传动轴、啮合于所述履带的内侧以实现联动的驱动轮、安装于机架两侧面板远离驱动轮的一侧且啮合于履带内侧壁的从动轮；通过驱动电机依次驱动传动轴、驱动轮、从动轮以及履带，达到控制清沙装置的前进、后退以及转向；

所述升降机构为螺旋桨，所述螺旋桨有三个，第一个安装于机架宽度方向中间线上，距离机架前端面板的距离为机架长度的四分之一，第二及第三个螺旋桨对称于宽度方向中间线安装于机架底面，两螺旋桨间的距离为机架宽度的二分之一，两螺旋桨距离机架尾部面板为机架长度的三分之一。

9.根据权利要求1所述的水下清沙装置，其特征在于，所述清沙装置还包括含沙率探测装置，所述含沙率探测装置安装于机架头部，用于对水体中含沙率的测量。

10.一种水下清沙的方法，其特征在于，使用权利要求1-9所述的任意一种水下清沙装置，清沙步骤为：

将清沙装置放入水下，由于重力作用清沙装置缓慢下沉，到达池底后压载模组打开，水体涌入压载舱，以此增加清沙装置的重力，与水体底部紧密贴合；

在完成压载过程后，启动清刷电机，清沙装置开始运作，移动模组通过履带，驱动电机进行动力驱动以带动履带行走，清刷电机启动以驱动刷盘进行清刷工作；

刷盘开始转动后，抽滤模组由电源供电开始工作，由刷盘转动而起动和浮起的泥沙颗粒被抽滤模组从进水阀口抽入，抽滤模组将含沙水体中的泥沙过滤后，由出水管将水体排出；

在抽滤模组工作后，探测装置对水中含沙率进行测量，根据测量结果来控制清沙装置的前进速度；

当完成清刷作业时，驱动电机、清刷电机等装置停止工作，压载模组中排水泵开始工作，将压载舱中的水排出；在压载舱中水排空后，清沙装置机架底部的螺旋桨开始工作，将清沙装置向水面推动，清沙装置浮出水面后，清沙作业完成。

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