CN117722477B - 海底测量平台用步进传动棘爪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了海底测量平台用步进传动棘爪，属于海洋传动设备技术领域，本方案实现了依靠海洋波浪为基础动力的下潜和上浮控制，相较传统该类棘爪，本方案能够对一些较重的检测仪器和设备安装，使其下潜到指定深度后，能够依据海洋动力进行向上攀爬，实现双向可控的单向限位棘爪设计，本方案创新性的海洋监测平台利用海洋波浪的动力，通过钢缆、夹持轮和传动室的智能协同设计，实现了测量平台的自主、多向上下往复运动，无需外部动力源。这一技术方案克服了传统方式中的动力依赖、能源供给和单向运动的限制，使得测量平台具备了更高的适应性和灵活性。为海洋环境监测提供了一种经济高效、智能自主、适应性强的创新解决方案。
Description
技术领域
本发明属于海洋传动设备技术领域，具体地说，涉及海底测量平台用步进传动棘爪。
背景技术
海洋环境监测和资源调查中,经常需要对海洋动力环境进行长期、定点、实时立体监测,即进行海洋水体中不同剖面参数(如温度、盐度、流速和光学特性量)的测量,希望可以在恶劣环境下实现无人值守的全天候长期连续定点观测。这就要求携带传感器的测量平台能够在所测量的深度范围内不停的作往复循环运动,若采用海洋观测站或海洋调查船来投放并保证测量平台的运行,势必需要大量的人力、物力和财力。若没有海洋观测站或海洋调查船,则能源供给又成为一个很大的问题。如中国公开了一种专利步进传动式棘爪(公开号：CN101178117A)，提出了一种能充分利用海洋无时不在的波浪能，驱动测量平台进行运动，是解决上述矛盾的一个很好的方案。
传统方式则是在待测海域表面投放半径稍大些,随波性能良好的浮球,浮球下端悬挂一接近该区域海水深度的引导钢缆,钢缆下端分别悬挂链条和重物,以使钢缆在水中铅直并能随着浮球的升降而上下运动(浮球的运动靠海浪驱动)。这里要求测量平台能够沿着引导钢缆先是不断的下降,当下降到预定深度,测量平台开始上升,到指定高度后,测量平台再下潜,如此反复，如刘素花、龚德俊、徐永平、李思忍和姜静波在2011年三月在刊名为《仪器仪表学报》2011，32(3)期中提出了“海洋剖面要素测量系统波浪驱动自治的实现方法”,详细阐述了在升或降的过程中,置于测量平台上的传感器进行参数测量,从而实现对该观测区域长期连续的垂直剖面的立体监测。希望是测量的时候没有海洋观测站和调查船,平台的运动也不需要依靠电池等供给能量的整体设计思路。
然而该类传统的方式存在着一些局限性，如传统的棘爪设计通常仅依靠动力进行下潜，而上浮操作则依赖于自身浮力，限制了设备在深海环境中的应用。此外，对于较重的检测仪器和设备的安装，传统设计存在着一定的困难，因为它们无法灵活应对海洋波浪的动力。传统设计通常只能沿着一种方向运动，限制了设备的灵活性和适应性。上浮操作完全依赖于设备自身的浮力，无法应对海洋动力的变化。传统设计无法轻松应对较重的检测仪器和设备的安装，限制了深海监测的应用范围。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
海底测量平台用步进传动棘爪，包括：
基板；
封仓；
所述封仓位于基板的一侧固定安装，用于维持内部空气填充的密闭空间；
钢缆；
所述钢缆位于基板的一侧设置，用于整体的依托支撑；
两个夹持轮；
两个夹持轮对称设置在钢缆的两侧，所述夹持轮转动设置在基板的一侧，且夹持轮紧密贴合于钢缆的表面；
两个棘爪组件；
所述棘爪组件位于封仓的内壁设置，且两个棘爪组件用于配合限制两个夹持轮相向和/或反向转动；
主动调控机构；
所述主动调控机构位于封仓的内壁安装，基于电磁力的主动控制进而切换棘爪组件的工作状态；
保险组件；
所述保险组件位于棘爪组件的一端固定连接，用于下潜压力过载时自动终止单向传动状态。
作为本发明的进一步方案：还包括：
转接板；
所述转接板的一侧固定连接在基板的表面，所述转接板的另一侧与封仓的表面固定连接，用于封仓的密封安装固定。
作为本发明的进一步方案：所述基板的表面贯穿转动有两个用于夹持轮和棘爪组件相互之间传动连接的驱动轴。
作为本发明的进一步方案：还包括：
背部封板；
所述背部封板位于封仓的表面密封闭合固定，所述背部封板的表面开设有两个闭合仓；
所述保险组件位于闭合仓的内壁。
作为本发明的进一步方案：所述棘爪组件包括与驱动轴一端固定连接的传动室，所述传动室的内壁轴向转动设置有保险轴、基础环和调向盘；
所述保险轴与基础环之间通过若干个翅片固定连接，所述基础环的表面固定连接有若干个弹片；
所述调向盘的表面开设有若干个与弹片对应的拨孔，所述保险轴贯穿转动在调向盘的内壁，所述调向盘的一端固定连接有与主动调控机构啮合的弧形齿轮；
所述传动室的内壁开设有若干个配合弹片单向限位的齿槽，所述齿槽靠近基板的一侧呈倾斜状设置。
作为本发明的进一步方案：所述保险组件包括位于闭合仓内壁贴合滑动的活塞，所述闭合仓的内壁固定连接有弹簧，所述弹簧的一端固定连接有活塞，所述活塞的表面贴合滑动在闭合仓的内壁，所述闭合仓的开口处固定有对活塞限位的卡环，所述活塞与棘爪组件固定连接。
作为本发明的进一步方案：还包括：
若干个滑片；
所述滑片位于传动室的内壁固定连接，且滑片位于对应相邻两个齿槽之间设置。
作为本发明的进一步方案：所述主动调控机构包括固定在封仓内壁的两个保持架，所述保持架的内壁贯穿滑动有滑杆，两个滑杆相远离的一端设置有齿条，所述齿条与对应弧形齿轮相啮合，所述滑杆与齿条相远离的一端均固定有吸附件，所述封仓的内壁固定有与吸附件配合的上潜控制部和两个下潜控制部。
作为本发明的进一步方案：所述保险轴贯穿滑动在闭合仓的内壁，且一端与活塞固定连接。
作为本发明的进一步方案：所述上潜控制部和两个下潜控制部均为电磁铁。
有益效果：
本方案基于海洋波浪的驱动，实现了测量平台的自主上下往复运动。通过钢缆与夹持轮的协同作用，钢缆能够随着海洋波浪进行动力驱动的上下运动。夹持轮和传动室的设计使得测量平台能够实现双向可控的单向限位运动，充分利用海洋波浪动力进行运动。这一创新设计使得测量平台具备多向运动性，能够适应不同深度的海洋环境，同时无需依赖外部动力源，降低了运维成本。综合而言，结合海洋波浪的动力，该工作原理为海洋环境监测提供了一种经济高效、适应性强的解决方案。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
在附图中：
图1为本发明立体的结构示意图；
图2为本发明另一视角立体的结构示意图；
图3为本发明爆炸的结构示意图；
图4为本发明主动调控机构与两个棘爪组件配合状态示意图；
图5为本发明棘爪组件爆炸的结构示意图；
图6为本发明传动室截面的结构示意图；
图7为本发明传动室立体的剖面结构示意图。
图中：1、基板；2、转接板；3、封仓；4、棘爪组件；41、传动室；42、保险轴；43、调向盘；44、拨孔；45、弹片；46、基础环；47、翅片；48、齿槽；49、弧形齿轮；5、保险组件；51、活塞；52、弹簧；53、卡环；6、主动调控机构；61、滑杆；62、齿条；63、保持架；64、吸附件；65、下潜控制部；66、上潜控制部；7、背部封板；8、闭合仓；9、驱动轴；10、夹持轮；11、钢缆；12、滑片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明。
如图1至图7所示，海底测量平台用步进传动棘爪，包括：
基板1；
基板1在海底测量平台中具有支撑和固定其他关键组件的作用。它是整个系统的底部结构，提供了一个稳定的平台，用于安装和固定封仓3、夹持轮10、棘爪组件4等重要部件。基板1的设计足够坚固，以承受海洋环境中的各种力和压力，确保整个测量平台在运动和测量过程中能够保持稳定性。
封仓3位于基板1的一侧固定安装，用于维持内部空气填充的密闭空间；
封仓3位于基板1的一侧并固定安装，创建了一个内部密闭空间。这个密闭空间保持空气填充，确保平台内部保持稳定的气压和浮力，同时防止海水进入，保护平台内部的电子设备和其他敏感部件。
封仓3不仅提供了一个密闭空间，还在其内壁上设置了棘爪组件4。这些组件配合夹持轮10，使得平台能够在海洋波浪的驱动下实现上下往复运动。封仓3的结构设计要足够强固，以承受海洋环境的各种力和压力。
钢缆11位于基板1的一侧设置，用于整体的依托支撑；
两个夹持轮10对称设置在钢缆11的两侧，夹持轮10转动设置在基板1的一侧，且夹持轮10紧密贴合于钢缆11的表面；
夹持轮10对称地设置在钢缆11的两侧，通过紧密贴合于钢缆11的表面，实现了对钢缆11的协同运动。在海洋波浪的作用下，钢缆11上下往复运动时，夹持轮10能够保持紧密贴合，使得整个系统能够利用海洋波浪的动力。
夹持轮10的滚动运动与钢缆11的上下往复运动相协同工作。在一个工作状态下，当钢缆11向上移动时，夹持轮10滚动，但不随其运动；当钢缆11向下运动时，夹持轮10则处于锁定夹持状态，跟随钢缆11向下运动，从而实现整个平台的上下往复运动。
夹持轮10的运动通过驱动轴9传递给传动室41，使得传动室41能够实现同步转动。
夹持轮10始终处于夹紧状态，设计上采用了非弹性夹持的设计，相较于传统的弹性夹持摩擦的方式，本设计对轮体摩擦力极低，能够满足常年使用的要求，传统的磨块在使用一段时间会出现一定程度的磨损，长年累月之下则会出现较为可观的磨损缺失，基于钢缆11与模块的圆形贴合面弧度会不断摩擦增大，使其摩擦力会随着磨损的加剧而降低。
棘爪组件4位于封仓3的内壁设置，且两个棘爪组件4用于配合限制两个夹持轮10相向和/或反向转动；
主动调控机构6位于封仓3的内壁安装，基于电磁力的主动控制进而切换棘爪组件4的工作状态；
保险组件5位于棘爪组件4的一端固定连接，用于下潜压力过载时自动终止单向传动状态。
转接板2的一侧固定连接在基板1的表面，转接板2的另一侧与封仓3的表面固定连接，用于封仓3的密封安装固定。
基板1的表面贯穿转动有两个用于夹持轮10和棘爪组件4相互之间传动连接的驱动轴9。
背部封板7位于封仓3的表面密封闭合固定，背部封板7的表面开设有两个闭合仓8；
保险组件5位于闭合仓8的内壁。
保险组件5通过与棘爪组件4结合，用于在平台持续向深海下降时应对深度增加导致的海洋压力增大。在较大的压力作用下，保险组件5能够触发活塞51推动弹簧52发生形变，从而终止单向传动状态，确保测量设备在危险深度时免受损害。
在下潜到危险深度后，保险组件5通过活塞51推动保险杆，使其与棘爪组件4发生滑动，解除两个方向的单向转动限制。这一机制使得测量平台能够在达到安全深度后自动解除保险，恢复正常的单向传动状态。
保险组件5内部包含了一个活塞51和相应的弹簧52机构。活塞51的运动受到海洋压力的影响，在深度较大的情况下能够推动弹簧52，触发保险杆的运动。弹簧52的存在是为了确保在危险深度时，能够快速而可靠地启动保险机制。
通过保险组件5的设计，包括保险杆、基础环46、调向盘43等部件，能够实现解除棘爪组件4的卡位状态，从而解锁夹持轮10，使得整个系统能够上浮至安全深度。
棘爪组件4包括与驱动轴9一端固定连接的传动室41，传动室41的内壁轴向转动设置有保险轴42、基础环46和调向盘43；
保险轴42与基础环46之间通过若干个翅片47固定连接，基础环46的表面固定连接有若干个弹片45；
调向盘43的表面开设有若干个与弹片45对应的拨孔44，保险轴42贯穿转动在调向盘43的内壁，调向盘43的一端固定连接有与主动调控机构6啮合的弧形齿轮49；
调向盘43的表面开设有若干个与弹片45对应的拨孔44。这些拨孔44在传动室41需要改变传动方向时发挥作用，通过拨动弹片45的弧面，从而将弹片45弧度方向进行变化。
调向盘43转动设置在保险杆的表面，以保险杆为支撑。
传动室41的内壁开设有若干个配合弹片45单向限位的齿槽48，齿槽48靠近基板1的一侧呈倾斜状设置。
齿槽48靠近基板1的一侧呈倾斜状设置，使其弹片45位于内部受到推动力移动式，能够基于倾斜面滑出齿槽48，实现保险触发后的脱离。
保险组件5包括位于闭合仓8内壁贴合滑动的活塞51，闭合仓8的内壁固定连接有弹簧52，弹簧52的一端固定连接有活塞51，活塞51的表面贴合滑动在闭合仓8的内壁，闭合仓8的开口处固定有对活塞51限位的卡环53，活塞51与棘爪组件4固定连接。
滑片12位于传动室41的内壁固定连接，且滑片12位于对应相邻两个齿槽48之间设置。
主动调控机构6包括固定在封仓3内壁的两个保持架63，保持架63的内壁贯穿滑动有滑杆61，两个滑杆61相远离的一端设置有齿条62，齿条62与对应弧形齿轮49相啮合，滑杆61与齿条62相远离的一端均固定有吸附件64，封仓3的内壁固定有与吸附件64配合的上潜控制部66和两个下潜控制部65。
保险轴42贯穿滑动在闭合仓8的内壁，且一端与活塞51固定连接。
上潜控制部66和两个下潜控制部65均为电磁铁。
工作原理：
本方案在使用时，随着钢缆11在上下往复的运动时，钢缆11向上移动，其表面贴合的夹持轮10进行滚动，使其钢缆11向上移动时，夹持轮10不随其运动，当钢缆11向下运动时，夹持轮10处于锁定夹持状态，使其随着钢缆11向下运动，整体向下运动；
夹持轮10转动时通过驱动轴9带着传动室41同步转动，传动室41内壁的齿槽48顺着呈弧形状态的弹片45弧面进行滑动，使其能够进行转动，实现单向的传动，当出现反向转动时，弹面的一端位于齿槽48内，使其进行支撑，将其卡死，避免出现逆向转动；
在需要测量时，通过对上潜控制部66通电，使其对上潜控制部66的电磁铁通电后将对应侧的两个吸附件64进行吸引，直至贴合，使其滑杆61与齿条62相向移动时啮合两个弧形齿轮49转动，此时弧形齿轮49带着调向盘43进行小幅摆动，使其调向盘43通过拨孔44的偏移挤压弹片45的弧面，使其弹片45的弧形方向变化，此时传动室41能够通过齿槽48与弹片45配合实现单向转动方向的转变，使其在钢缆11上下摆动时，向下移动夹持轮10通过驱动轴9带着传动室41转动，传动室41通过齿槽48贴合弹片45的弧面滑动，使其没有收到摩擦，钢缆11向上摆动时弹片45此时该转动方向与齿槽48处于卡死状态，使其夹持轮10无法转动，整体随着向上移动；
综上实现了钢缆11在波浪配合下上下往复运动的动力为基础，实现了海洋不同深度的下潜和上浮的运动，充分利用海洋的动力；
当本设备持续向着深度较大的深海下降，随着深度增加，海洋的压力增大，其压力在闭合仓8内作用到活塞51，使其活塞51在压力作用下压动弹簧52只在较大压力时弹簧52才会出现形变，常规深度无影响随着到达危险深度，其测量设备容易受到压力作用出现偏差和损坏，随着活塞51持续运动压动弹簧52，活塞51则推动保险杆移动，直至保险杆通过翅片47带着基础环46和弹片45滑动，弹片45同时带着调向盘43同步移动，此时弧形齿轮49滑动在齿条62表面，但仍处于啮合状态，直至弹片45在齿槽48内壁滑动方向的斜面下滑出齿槽48，此时同时解除两个方向的单向转动限制，使其封仓3内空气的密度作用下开始上浮，直至到安全深度后活塞51复位，弹片45进入到齿槽48内复位即可。
综上本方案实现了依靠海洋波浪为基础动力的下潜和上浮控制，相较传统该类棘爪，只能够依靠动力进行下降操作，上浮操作完全依靠自身浮力进行，本方案能够对一些较重的检测仪器和设备安装，使其下潜到指定深度后，能够依据海洋动力进行向上攀爬，实现双向可控的单向限位棘爪设计，且本方案内部存在一定的空间，使其到一定深度其密度差异下则在浮力作用下不会下沉，基于此设计一套保险，能够到一定的危险深度后，实现自动解除单向传动，依靠浮力上浮到安全深度后压力恢复则自动解除保险，不仅实现较重探测设备的安装和正常使用，且整体使用的安全系数更高上述需要说明的是，本设备在常规使用仍旧可以采用传统浮力运动的方式，使其快速向上漂浮运动，但在安装较重的设备后，则无法完全付出水面，此时可以依靠单向向上移动实现正常的运作和使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (10)
1.海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，包括：
基板(1)；
封仓(3)；
所述封仓(3)位于基板(1)的一侧固定安装，用于维持内部空气填充的密闭空间；
钢缆(11)；
所述钢缆(11)位于基板(1)的一侧设置，用于整体的依托支撑；
两个夹持轮(10)；
两个夹持轮(10)对称设置在钢缆(11)的两侧，所述夹持轮(10)转动设置在基板(1)的一侧，且夹持轮(10)紧密贴合于钢缆(11)的表面；
两个棘爪组件(4)；
所述棘爪组件(4)位于封仓(3)的内壁设置，且两个棘爪组件(4)用于配合限制两个夹持轮(10)相向或反向的单向转动；
主动调控机构(6)；
所述主动调控机构(6)位于封仓(3)的内壁安装，基于电磁力的主动控制进而切换棘爪组件(4)的工作状态；
保险组件(5)；
所述保险组件(5)固定连接于棘爪组件(4)的一端，用于下潜压力过载时自动解除两个方向的单向转动限制。
2.根据权利要求1所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，还包括：
转接板(2)；
所述转接板(2)的一侧固定连接在基板(1)的表面，所述转接板(2)的另一侧与封仓(3)的表面固定连接，用于封仓(3)的密封安装固定。
3.根据权利要求1所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，所述基板(1)的表面贯穿转动有两个用于夹持轮(10)和棘爪组件(4)相互之间传动连接的驱动轴(9)。
4.根据权利要求3所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，还包括：
背部封板(7)；
所述背部封板(7)位于封仓(3)的表面密封闭合固定，所述背部封板(7)的表面开设有两个闭合仓(8)；
所述保险组件(5)位于闭合仓(8)的内壁。
5.根据权利要求4所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，所述棘爪组件(4)包括与驱动轴(9)一端固定连接的传动室(41)，所述传动室(41)的内壁轴向转动设置有保险轴(42)、基础环(46)和调向盘(43)；
所述保险轴(42)与基础环(46)之间通过若干个翅片(47)固定连接，所述基础环(46)的表面固定连接有若干个弹片(45)；
所述调向盘(43)的表面开设有若干个与弹片(45)对应的拨孔(44)，所述保险轴(42)贯穿转动在调向盘(43)的内壁，所述调向盘(43)的一端固定连接有与主动调控机构(6)啮合的弧形齿轮(49)；
所述传动室(41)的内壁开设有若干个配合弹片(45)单向限位的齿槽(48)，所述齿槽(48)靠近基板(1)的一侧呈倾斜状设置。
6.根据权利要求4所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，所述保险组件(5)包括位于闭合仓(8)内壁贴合滑动的活塞(51)，所述闭合仓(8)的内壁固定连接有弹簧(52)，所述弹簧(52)的一端固定连接有活塞(51)，所述活塞(51)的表面贴合滑动在闭合仓(8)的内壁，所述闭合仓(8)的开口处固定有对活塞(51)限位的卡环(53)，所述活塞(51)与棘爪组件(4)固定连接。
7.根据权利要求5所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，还包括：
若干个滑片(12)；
所述滑片(12)位于传动室(41)的内壁固定连接，且滑片(12)位于对应相邻两个齿槽(48)之间设置。
8.根据权利要求7所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，所述主动调控机构(6)包括固定在封仓(3)内壁的两个保持架(63)，所述保持架(63)的内壁贯穿滑动有滑杆(61)，两个滑杆(61)相远离的一端设置有齿条(62)，所述齿条(62)与对应弧形齿轮(49)相啮合，所述滑杆(61)与齿条(62)相远离的一端均固定有吸附件(64)，所述封仓(3)的内壁固定有与吸附件(64)配合的上潜控制部(66)和两个下潜控制部(65)。
9.根据权利要求5所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，所述保险轴(42)贯穿滑动在闭合仓(8)的内壁，且一端与活塞(51)固定连接。
10.根据权利要求8所述的海底测量平台用步进传动棘爪，其特征在于，所述上潜控制部(66)和两个下潜控制部(65)均为电磁铁。
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