CN219946255U - 一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘。防水直流电机固定连接在电机托架的上表面，电机托架和上层吸盘外壳之间通过密封盘连接，上层吸盘外壳位于下层吸盘外壳上方，上层吸盘外壳和下层吸盘外壳之间通过引流管道连通，伯努利底盘固定安装在下层吸盘外壳的下表面，离心叶轮设置在上层吸盘外壳的空腔中，叶轮板和环流叶轮固定连接后同轴安装在下层吸盘外壳内部的空腔中，联轴器顶部和底部分别与防水直流电机的输出轴和连接轴的顶部固定连接，连接轴的下部穿设过电机托架和密封盘后依次与离心叶轮、叶轮板和轴端挡圈固定连接。本实用新型的双层离心环流吸盘结构新颖、功率小、吸附能力强，能耗小，具有较高研究及应用价值。

Description

一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘

技术领域

本实用新型属于机械创新设计领域的一种离心环流吸盘，尤其是涉及了一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘。

背景技术

机器人技术一直都是学术和工业界的研究热点之一，近年来，伴随着机器人被广泛应用于各个领域之中，特种机器人技术也得到了飞速的发展。区别于工业和服务机器人，特种机器人面向于解决专业领域内的难点问题，因此需要在一些特殊的功能和需求上进行细化和加强。而水下爬壁机器人作为特种机器人的一个新的重要分支，在海洋装备清洗、水下结构物勘探以及水利设备维护中扮演着十分重要的角色。但是如何实现在不同类型的表面上的稳定吸附，一直都是水下爬壁机器人的研究难点之一。

传统水下机器人依赖于磁吸附、真空吸附或负压吸附实现在结构及装备物上的贴附，然后目前各种吸附技术均存在一定的缺陷，磁力吸附的适用场景局限于铁磁材料表面，无法在桥墩和坝体等非铁磁材料结构上发挥作用；真空吸附难以摆脱真空泵的限制，并且真空吸盘在水下环境中极易发生泄漏，大大增加了机构设计与实际操作的困难程度；旋流负压吸附依靠高压水泵或大功率电机在吸盘腔体内产生负压区，负压吸附技术属于接触式吸附，较依赖于密封性能，吸盘本体或连接管路较容易堵塞造成吸附失效。

针对负压吸附技术，目前所应用的吸盘主要可分为两类：一是依靠真空发生装置产生真空负压从而进行吸附。这种吸盘由于是依靠真空发生装置，所以吸盘可以液体介质环境中工作。不足之处是装置相对复杂，操作要求也相对较多，而且费用较高。另一种则是通过机械运动排除密闭空间内介质，形成负压环境从而形成吸附。这种吸盘结构简单、操作方便，但在一定体积和功率限制下吸附能力有限，无法满足一些重型作业领域，因此设计出一种体积小、功率小、吸附能力强的水下吸盘具有重要的应用价值。

现有的单层离心叶轮式吸盘或者加装伯努利底盘后的吸附能力有限，若要执行反作用力较大的水下钻凿、切割等重型作业需要配置多个吸盘，分布占用面积、体积大，且所要求的功率较大。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于设计一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘。本实用新型的双层离心环流吸盘结构新颖、功率小、吸附能力强，具有较高研究及应用价值。

本实用新型技术方案如下：

包括防水直流电机、电机托架、联轴器、连接轴、伯努利底盘、轴端挡圈和离心模块；防水直流电机固定安装在电机托架上，电机托架和伯努利底盘分别同轴固定安装在离心模块的上、下两侧，联轴器设置在电机托架中，联轴器顶部和底部分别与防水直流电机的输出轴和连接轴的顶部固定连接，轴端挡圈位于离心模块的中部，连接轴的底端穿设过电机托架后依次与离心模块后和轴端挡圈固定连接；

离心模块中设置有可旋转的叶轮，防水直流电机的输出轴带动离心模块中的叶轮旋转同时扰动吸盘内部的水流，从而使得吸盘在流体内摩擦力和离心力的共同作用下在内部形成真空负压，进而实现吸盘的水下吸附。

所述的离心模块包括环状的密封盘、上层吸盘外壳、离心叶轮、叶轮板、下层吸盘外壳和环流叶轮；所述的上层吸盘外壳为底端和侧壁均开设孔洞且顶端开口的空心柱状结构，下层吸盘外壳为顶端开设孔洞底端开口的空心柱状结构，密封盘同轴放置在上层吸盘外壳上，上层吸盘外壳同轴设置在下层吸盘外壳的上方，上层吸盘外壳侧壁的开孔和下层吸盘外壳顶端外周的开孔之间通过引流管道连通，离心叶轮设置在上层吸盘外壳的空腔中，且离心叶轮和上层吸盘外壳的内壁之间不接触，环流叶轮固定连接在叶轮板的下表面，叶轮板和环流叶轮固定连接后同轴安装在下层吸盘外壳内部的空腔中，离心叶轮、叶轮板和环流叶轮的中部均开设有孔洞，轴端挡圈位于下层吸盘外壳的空腔中，连接轴的下部穿设过电机托架和密封盘后依次与离心叶轮、叶轮板和轴端挡圈固定连接；

电机托架同轴固定安装在密封盘上，伯努利底盘固定安装在下层吸盘外壳的下表面。

所述的环流叶轮主要由离心圆环和倾斜叶片阵列组成，离心圆环的上部开设有若干个梯形凹槽，相邻间的梯形凹槽之间形成凸起块，倾斜叶片阵列主要由若干个倾斜叶片沿着离心圆环的周向均匀间隔排布形成，各个倾斜叶片沿着离心圆环的径向布置，各个倾斜叶片均与离心圆环的凸起块固定连接。

所述的倾斜叶片包括内侧反向倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片，内侧反向倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片分别固定连接在离心圆环的内侧壁和外侧壁上，内侧反向倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反；

内侧反向倾斜直叶片、外侧倾斜直叶片和凸起块的数量和排布位置分布相同且对齐。

所述伯努利底盘的内径等于下层吸盘外壳的内径，伯努利底盘的外径大于下层吸盘外壳的外径。

所述环流叶轮的下端面不低于伯努利底盘的下端面。

所述外侧倾斜直叶片的长度大于内侧反向倾斜直叶片的长度。

所述下层吸盘外壳上端面的内壁中开设有环形凹槽，叶轮板的上端面设有环状凸起，叶轮板的环状凸起安装在下层吸盘外壳的环形凹槽中。

所述叶轮板和环流叶轮均不与下层吸盘外壳的内侧壁接触。

上层吸盘外壳上端面开设有中空腔体，下端面开有小中心孔，侧周引出六条引流管道与下层吸盘外壳上端面的六条引流管道相连通，下层吸盘外壳上端面中心开孔，上端面边缘引出与上层吸盘外壳的引流管道相同直径大小的六条引流管道并与上层吸盘外壳相连通。离心叶轮与上层吸盘外壳内的所有壁面均保持一定的间隙。下层吸盘外壳上端面的内壁中心开有一定深度的环形凹槽，环形凹槽与叶轮板上端面设置的环形凸台构成间隙配合，用于阻止吸盘边缘的水流从叶轮板上端面流向吸盘中心。

环流叶轮与离心叶轮作用不同，在离心叶轮高速旋转时水在离心力的作用下被甩向离心叶轮边缘并流入压水管路中，离心叶轮中心处由于水被甩出而形成真空负压，而环流叶轮外侧与环流叶轮轴线形成一定倾斜角的直叶片用于将水流向外甩出，内外反向倾斜直叶片和外侧倾斜直叶片用于辅助流体向上流动，同时带有梯形凹槽的离心圆环结构使得部分水流可以积聚在下层吸盘外壳上边缘处形成速度分布集中的周向环流，通过流体内摩擦力和离心力产生压差形成真空负压。

本实用新型的原理如下：

如图3所示，防水直流电机工作时高速旋转带动离心叶轮、环流叶轮和叶轮板同轴高速旋转，下层吸盘外壳内的水流在环流叶轮的高速旋转带动下甩向环流叶轮边缘后流出吸盘，使得下层吸盘外壳中心形成真空负压；上层吸盘外壳内的水流在离心叶轮的高速旋转下也被甩向上层吸盘外壳内边缘进入侧周引流管道中，水流经与下层吸盘外壳连通的引流管道进入到下层吸盘外壳内，而由于叶轮板的环形凸台和吸盘外壳的环形凹槽的间隙配合结构阻止了上层的水流从叶轮板上端面流向吸盘中心造成扰动，因此水流只能在下层吸盘外壳内边缘处流动，同时上层吸盘外壳中心处也形成真空负压，而在内外压差的作用下，吸盘周围环境中的水流源源不断地从密封盘中心大孔内被吸入到上层吸盘外壳内进行补水，从而实现吸盘内水流的动平衡，进而实现吸盘对壁面的稳定吸附。

防水直流电机工作时高速旋转带动离心叶轮和环流叶轮同轴旋转，在离心叶轮的高速旋转下上层吸盘外壳中形成部真空负压，外部的水流流入上层吸盘外壳后通过引流管道流入下层吸盘外壳中，实现吸盘的补水功能；下层吸盘外壳中的水流一部分被甩向环流叶轮边缘后流到外部环境中，从而在吸盘内部形成局部真空负压，另一部分流体积聚在叶轮板边缘，形成速度、压力分布集中的高速旋转周向环流，产生旋流及离心力，进而增大了吸盘吸附能力。

本实用新型的有益效果为：

1、相比于传统的水下离心叶轮式吸盘，相同的吸附面积和相同的转速下，本实用新型的双层离心环流吸盘可以产生更大的吸附力且提升效果明显，即吸附能力更强。

2、相比于传统的水下离心叶轮式吸盘，在产生相同的吸附力条件下，本实用新型的双层离心环流吸盘消耗更小的功率，即能量利用效率更高。

3、本实用新型的双层离心环流吸盘可实现非接触吸附，对吸附壁面的粗糙度没有要求，对吸附壁面的材质也没有要求。

4、本实用新型控制方便，制造安装便携，实现了小体积大吸附力的水下吸盘目标需求，为类似重型大型水下作业等工程应用提供了可能。

附图说明

图1为本实用新型双层离心环流吸盘主视图；

图2为本实用新型双层离心环流吸盘仰视图；

图3为本实用新型双层离心环流吸盘剖面及原理示意图；

图4为本实用新型环流叶轮等轴测图。

图中：1、防水直流电机；2、电机托架；3、联轴器；4、密封盘；5、上层吸盘外壳；6、离心叶轮；7、连接轴；8、叶轮板；9、下层吸盘外壳；10、环流叶轮；11、伯努利底盘；12、轴端挡圈；13、离心圆环；14、外侧倾斜直叶片；15、内外反向倾斜直叶片；16、梯形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本实用新型的具体实施过程如下：

如图1-图2所示，包括防水直流电机1、上下左右四通的电机托架2、联轴器3、连接轴7、伯努利底盘11、轴端挡圈12和离心模块；防水直流电机1固定连接在电机托架2上，电机托架2和伯努利底盘11分别同轴固定安装在离心模块的上、下两侧，联轴器3设置在电机托架2中，联轴器3顶部和底部分别与防水直流电机1的输出轴和连接轴7的顶部固定连接，轴端挡圈12位于离心模块的中部，连接轴7的底端穿设过电机托架2后依次与离心模块后和轴端挡圈12固定连接；

离心模块中设置有可旋转的叶轮，防水直流电机1的输出轴带动离心模块中的叶轮旋转同时扰动吸盘内部的水流，从而使得吸盘在流体内摩擦力和离心力的共同作用下在吸盘外壳空腔内部形成真空负压，进而实现吸盘的高效水下吸附。

离心模块包括环状的密封盘4、上层吸盘外壳5、离心叶轮6、叶轮板8、下层吸盘外壳9和环流叶轮10；上层吸盘外壳5为底端和侧壁均开设孔洞且顶端开口的空心柱状结构，下层吸盘外壳9为顶端开设孔洞底端开口的空心柱状结构，密封盘4同轴放置在上层吸盘外壳5上，密封盘4的外周和上层吸盘外壳5的外周之间连接为一体式结构，上层吸盘外壳5同轴设置在下层吸盘外壳9的上方，上层吸盘外壳5侧壁的开孔和下层吸盘外壳9顶端外周的开孔之间通过引流管道连通，即若干个引流管道的两端分别与上层吸盘外壳5侧壁的开孔和下层吸盘外壳9顶端外周的开孔连通，使得上层吸盘外壳5中间的空腔和下层吸盘外壳9的空腔导通，离心叶轮6同轴设置在上层吸盘外壳5的空腔中且离心叶轮6和上层吸盘外壳5的内壁之间不接触，叶轮板8和环流叶轮10均位于下层吸盘外壳9内部的空腔中，环流叶轮10同轴固定连接在叶轮板8的下表面，叶轮板8和环流叶轮10固定连接后同轴安装在下层吸盘外壳9内部的空腔中，离心叶轮6、叶轮板8和环流叶轮10的中部均开设有孔洞，轴端挡圈12位于下层吸盘外壳9的空腔中，连接轴7的下部穿设过电机托架2和密封盘4后从上到下依次与离心叶轮6、叶轮板8和轴端挡圈12固定连接；

电机托架2同轴固定安装在密封盘4上，伯努利底盘11固定安装在下层吸盘外壳9的下表面。

如图4所示，环流叶轮10主要由离心圆环13和倾斜叶片阵列组成，离心圆环13的上部开设有若干个梯形凹槽16从而在相邻间的梯形凹槽16之间形成凸起块，倾斜叶片阵列主要由若干个倾斜叶片沿着离心圆环13的周向均匀间隔排布形成，各个倾斜叶片沿着离心圆环13的径向布置，各个倾斜叶片均与离心圆环13的凸起块固定连接。

倾斜叶片包括内侧反向倾斜直叶片15和外侧倾斜直叶片14，内侧反向倾斜直叶片15和外侧倾斜直叶片14分别固定连接在离心圆环13的内侧壁和外侧壁上，内侧反向倾斜直叶片15和外侧倾斜直叶片14之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反；

内侧反向倾斜直叶片15、外侧倾斜直叶片14和凸起块的数量和排布位置分布相同且对齐。

伯努利底盘11的内径等于下层吸盘外壳9的内径，伯努利底盘11的外径大于下层吸盘外壳9的外径。

环流叶轮10的下端面不低于伯努利底盘11的下端面。

外侧倾斜直叶片14的长度大于内侧反向倾斜直叶片15的长度。

下层吸盘外壳9上端面的内壁中开设有环形凹槽，叶轮板8的上端面设有环状凸起，叶轮板8的环状凸起安装在下层吸盘外壳9的环形凹槽中。

叶轮板8和环流叶轮10均不与下层吸盘外壳9的内侧壁接触。

吸盘外壳下端面与待吸附的壁面保持小间隙(，间隙大小一般为2mm～5mm)。

如图3所示，防水直流电机1与离心叶轮6、叶轮板8、环流叶轮10同轴连接，防水直流电机1工作时高速旋转带动离心叶轮6、叶轮板8及环流叶轮10同步高速旋转；首先下层吸盘外壳9内的水流在叶轮板8和环流叶轮10的带动下，下层吸盘外壳9内的水流大部分被甩向环流叶轮10边缘，然后经过伯努利底盘11下端面流到外部环境中，因此在下层吸盘外壳9内部形成局部真空负压，少部分的流体由于外侧倾斜直叶片14的作用力下向上流动，遇到叶轮板8和下层吸盘外壳9内壁的阻隔便积聚在下层吸盘外壳9内壁上边缘以及叶轮板8下端面的凹槽内，以形成速度、压力分布集中的高速旋转周向环流，周向环流的流体粘性的增大带动下面的流体沿着圆周切线做高速圆周运动，产生旋流及离心力增大了吸盘吸附力。

同时由于上层吸盘外壳5中心处的水流在离心叶轮6的离心力的作用下被甩出，在上层吸盘外壳5内也形成了真空产生局部负压，在内外压差的作用下，吸盘周围环境中的水流源源不断地从密封盘4中心大孔内被吸入到上层吸盘外壳5内，上层吸盘外壳5内充足的水源经上层吸盘外壳5周围的引流管道进入下层吸盘外壳9内进行补水，水流进入下层吸盘外壳9内后，由于叶轮板8上端面的环状凸起和下层吸盘外壳9内壁上表面的环形凹槽之间形成间隙配合的阻隔，使得上层吸盘外壳5推压来的水流无法进入吸盘中心处形成汇集造成扰动及过多的能量损失，只得从下层吸盘外壳9内壁侧边缘处向下流动。

环流叶轮10工作高速旋转时，外侧倾斜直叶片14用于将吸盘内的水流向外甩出，内侧反向倾斜直叶片15用于搅动环流叶轮10中心处的水流向上及外侧流动，同时带有梯形凹槽16的离心圆环结构13使得部分水流可以积聚在下层吸盘外壳10上边缘处形成速度分布集中的周向环流，即吸盘是通过流体内摩擦力和离心力的共同作用下产生压差形成内部真空负压而不是单靠离心叶轮6和环流叶轮10的离心力产生压差形成真空负压。

在相同叶轮直径下，规定双层离心环流吸盘的环流叶轮10直径和传统的离心叶轮式吸盘的叶轮直径均为125mm，吸盘外壳直径均为135mm，伯努利底盘11直径为190mm，转速均为1500r/min，吸盘外壳离壁间隙均为4mm，以及其他条件相同情况下，双层离心环流吸盘对吸附壁产生的吸力为562N，所消耗的功率为117W，相应的吸力功率比为4.78；而普通的离心叶轮式吸盘对吸附壁产生的吸力仅为264N，所消耗的功率为77W，对应的吸力功率比为3.42，双层离心环流吸盘产生的吸力是离心叶轮式吸盘的两倍多，吸力功率比也大于离心叶轮式吸盘的吸力功率比；而如果离心叶轮式吸盘想要产生562N的吸附力时需要消耗320W的功率，即要付出将近两倍的功耗才能达到和双层离心环流吸盘相同的吸附效果。本实用新型吸盘的吸附性能较现有的普通吸盘有了明显的提升效果，且随着转速的提升双层离心环流吸盘的吸力功率比同离心叶轮式吸盘的吸力功率比的比值会越来越大，吸附效果提升的更加明显。

Claims (9)

1.一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：

包括防水直流电机(1)、电机托架(2)、联轴器(3)、连接轴(7)、伯努利底盘(11)、轴端挡圈(12)和离心模块；防水直流电机(1)固定安装在电机托架(2)上，电机托架(2)和伯努利底盘(11)分别同轴固定安装在离心模块的上、下两侧，联轴器(3)设置在电机托架(2)中，联轴器(3)顶部和底部分别与防水直流电机(1)的输出轴和连接轴(7)的顶部固定连接，轴端挡圈(12)位于离心模块的中部，连接轴(7)的底端穿设过电机托架(2)后依次与离心模块后和轴端挡圈(12)固定连接；

离心模块中设置有可旋转的叶轮，防水直流电机(1)的输出轴带动离心模块中的叶轮旋转同时扰动吸盘内部的水流，从而使得吸盘在流体内摩擦力和离心力的共同作用下在内部形成真空负压，进而实现吸盘的水下吸附。

2.根据权利要求1所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述的离心模块包括环状的密封盘(4)、上层吸盘外壳(5)、离心叶轮(6)、叶轮板(8)、下层吸盘外壳(9)和环流叶轮(10)；所述的上层吸盘外壳(5)为底端和侧壁均开设孔洞且顶端开口的空心柱状结构，下层吸盘外壳(9)为顶端开设孔洞底端开口的空心柱状结构，密封盘(4)同轴放置在上层吸盘外壳(5)上，上层吸盘外壳(5)同轴设置在下层吸盘外壳(9)的上方，上层吸盘外壳(5)侧壁的开孔和下层吸盘外壳(9)顶端外周的开孔之间通过引流管道连通，离心叶轮(6)设置在上层吸盘外壳(5)的空腔中，且离心叶轮(6)和上层吸盘外壳(5)的内壁之间不接触，环流叶轮(10)固定连接在叶轮板(8)的下表面，叶轮板(8)和环流叶轮(10)固定连接后同轴安装在下层吸盘外壳(9)内部的空腔中，离心叶轮(6)、叶轮板(8)和环流叶轮(10)的中部均开设有孔洞，轴端挡圈(12)位于下层吸盘外壳(9)的空腔中，连接轴(7)的下部穿设过电机托架(2)和密封盘(4)后依次与离心叶轮(6)、叶轮板(8)和轴端挡圈(12)固定连接；

电机托架(2)同轴固定安装在密封盘(4)上，伯努利底盘(11)固定安装在下层吸盘外壳(9)的下表面。

3.根据权利要求2所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述的环流叶轮(10)主要由离心圆环(13)和倾斜叶片阵列组成，离心圆环(13)的上部开设有若干个梯形凹槽(16)，相邻间的梯形凹槽(16)之间形成凸起块，倾斜叶片阵列主要由若干个倾斜叶片沿着离心圆环(13)的周向均匀间隔排布形成，各个倾斜叶片沿着离心圆环(13)的径向布置，各个倾斜叶片均与离心圆环(13)的凸起块固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述的倾斜叶片包括内侧反向倾斜直叶片(15)和外侧倾斜直叶片(14)，内侧反向倾斜直叶片(15)和外侧倾斜直叶片(14)分别固定连接在离心圆环(13)的内侧壁和外侧壁上，内侧反向倾斜直叶片(15)和外侧倾斜直叶片(14)之间的倾斜角度相同、倾斜方向相反；

内侧反向倾斜直叶片(15)、外侧倾斜直叶片(14)和凸起块的数量和排布位置分布相同且对齐。

5.根据权利要求2所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述伯努利底盘(11)的内径等于下层吸盘外壳(9)的内径，伯努利底盘(11)的外径大于下层吸盘外壳(9)的外径。

6.根据权利要求2所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述环流叶轮(10)的下端面不低于伯努利底盘(11)的下端面。

7.根据权利要求4所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述外侧倾斜直叶片(14)的长度大于内侧反向倾斜直叶片(15)的长度。

8.根据权利要求2所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述下层吸盘外壳(9)上端面的内壁中开设有环形凹槽，叶轮板(8)的上端面设有环状凸起，叶轮板(8)的环状凸起安装在下层吸盘外壳(9)的环形凹槽中。

9.根据权利要求2所述的一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘，其特征在于：所述叶轮板(8)和环流叶轮(10)均不与下层吸盘外壳(9)的内侧壁接触。