一种适应于水下作业的双层离心环流吸盘

本技术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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、本实用新型技术方案如下：

3、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；

4、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。

5、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；

6、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。

7、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。

8、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；

9、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。

10、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。

11、所述环流叶轮的下端面不低于伯努利底盘的下端面。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、本实用新型的原理如下：

18、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。

19、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。

20、本实用新型的有益效果为：

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。