一种适用于抗高速水流的浮动式旋流吸盘装置

本发明属于水下吸盘，特别是涉及了一种适用于抗高速水流的浮动式旋流吸盘装置。

背景技术：

1、水库大坝、桥梁桥墩、大型水下管线等大型水下结构在使用过程中，由于长期受到水流冲刷及其他地质灾害的影响，其水下结构极易产生混凝土裂缝、钢筋锈蚀等问题，若不定期维护将严重威胁结构整体安全，因此对于水下结构的检测必不可少。

2、但是对于使用中的水下结构，尤其是处于具有复杂流域和大流速环境下的水下结构的检测一直较为困难。在复杂的水流环境下，机器人本体在水流的冲击下难以维持稳定，同时，水下动力器件容易受到水流的扰动，输出动力变得极不稳定，使得机器人在复杂水流环境下的作业变得十分困难。目前能适应大水流环境的水下作业机械非常少，大部分大水流下的作业机械都是通过加大水下动力器件的功率来抵抗水流冲击，这不仅增大了机器人本体的体积，也造成了一定程度上的能源浪费。此外，水下工程往往发生在复杂多变的水下环境中，例如海流强度、吸附表面粗糙度等因素对吸附的性能提出了挑战。传统技术在这些特殊环境下可能表现出限制和不足。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种适用于抗高速水流的浮动式旋流吸盘装置。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、装置包括直流电机、旋流吸盘、微针吸附单元、流场保护单元和浮动式旋流单元；流场保护单元套设在旋流吸盘的外侧，微针吸附单元固定安装在流场保护单元的外侧壁上，且流场保护单元和微针吸附单元的下表面齐平，浮动式旋流单元固定安装在流场保护单元的上表面，旋流吸盘的外壳与浮动式旋流单元中的销钉压板固定连接，销钉压板用于限制旋流吸盘在水中上下浮动的幅度，直流电机的输出轴与旋流吸盘中的旋流叶片连接，用于驱动旋流吸盘的旋流叶片转动，从而在水中形成流场，进而通过水中流场实现对待吸附壁面的吸附。

4、所述的流场保护单元包括环状的阻流罩、环状的密封圈和密封圈固定环；所述旋流吸盘可上下移动地设置在阻流罩的内侧，且旋流吸盘外壳的外侧壁和阻流罩的内侧壁之间接触，密封圈和密封圈固定环均通过微针吸附单元固定安装在阻流罩的下表面，密封圈密封套设在密封圈固定环的外表面，且密封圈和密封圈固定环的下表面齐平；当所述旋流吸盘装置对待吸附壁面进行吸附时，旋流吸盘的旋流叶片在直流电机的驱动下转动，当密封圈与待吸附壁面接触时，所述旋流吸盘的外壳、与旋流吸盘连接的阻流罩、密封圈和待吸附壁面之间围成封闭负压水腔，使得所述旋流吸盘装置在封闭负压水腔负压的作用下实现对待吸附壁面的吸附。

5、所述的浮动式旋流单元包括环形的销钉压板、销钉定位杆和弹簧销；一圈销钉定位杆固定安装在阻流罩上表面的外周，弹簧销套设在销钉定位杆的外侧壁上，销钉压板和阻流罩之间平行间隔设置，且销钉压板位于阻流罩的上方，弹簧销的底端和顶端分别与阻流罩和销钉压板连接，使得销钉压板通过弹簧销可上下移动地连接在阻流罩上；

6、销钉压板和旋流吸盘的外壳固定连接，当旋流吸盘在外部水流冲击作用下上下运动时，旋流吸盘带动销钉压板沿着弹簧销的轴向上下移动，通过弹簧销中弹簧的弹力对旋流吸盘在上下方向的运动进行缓冲，防止旋流吸盘装置脱离待吸附壁面。

7、所述的微针吸附单元主要由微针固定环和若干个微针组成，一圈微针固定安装在微针固定环的外侧壁上；所述的密封圈和密封圈固定环均安装在微针固定环的下表面，微针位于所述密封圈的外侧，且微针的尖端下表面与密封圈的下表面齐平，当所述密封圈与待吸附壁面接触时，微针刺入待吸附壁面，通过微针与待吸附壁面之间的侧向摩擦力实现所述旋流吸盘装置与待吸附壁面之间的可靠吸附。

8、所述的密封圈固定环内侧壁的顶端设有一圈矩形凸起组合，矩形凸起组合主要由若干个朝下设置的矩形凸起沿着密封圈固定环的周向均匀间隔排布形成，所述密封圈固定环内侧壁的底端设有一圈矩形凸缘组合，矩形凸缘组合主要由若干个朝里侧设置的矩形凸缘沿着密封圈固定环的周向均匀间隔排布形成；矩形凸起组合和矩形凸缘组合位于同一周向方向上，且使得矩形凸起和矩形凸缘沿周向交替布置，当水流流入旋流吸盘装置时，矩形凸起和矩形凸缘用于对水流进行缓冲，以防止过量的水流破坏旋流吸盘装置内部的流场。

9、所述销钉定位杆的顶端安装有限位螺栓，所述销钉压板被限位在限位螺栓的下方以防止销钉压板的脱落，进而限制旋流吸盘在上下方向的位移。

10、所述阻流罩的外侧壁呈倾斜设置，用于减缓水下水流对所述旋流吸盘装置的冲击力，所述阻流罩外侧壁的倾斜角度范围为30度～45度。

11、当所述旋流吸盘装置对待吸附壁面进行吸附时，所述旋流吸盘中旋流叶片与待吸附壁面之间的距离不大于20mm。

12、微针固定环上周向等距固定微针若干，微针固定环上方与阻流罩固定连接，阻流罩上周向垂直开有孔位，用于固定弹簧销，弹簧销外套于销钉定位杆，弹簧销可以在销钉定位杆外壁上下移动，弹簧销与销钉压板固定连接，销钉压板与伺服电机固定连接，因此旋流吸盘可以与销钉压板同步上下移动。

13、微针固定环内部嵌有密封圈固定环，密封圈固定环内部与旋流吸盘间隙配合，密封圈固定环外部嵌套密封圈，用于增大吸附过程中内部流场密闭性。

14、如图6所示，图中fk表示弹簧销产生的弹力；fk'表示弹簧销产生的反作用力；fd表示外部扰动产生向上的力；fξ表示流场保护产生的阻尼力；fs表示吸盘产生的吸附力；δ表示吸盘与壁面间隙；vs表示吸盘垂直壁面移动速度；v表示空腔体积；与传统水下旋流吸盘相比，本发明装置能够在高流速水下环境中实现吸盘的稳定吸附。同时浮动式旋流吸盘装置确保了即使吸盘离开壁面一定距离后仍能保持稳定，吸盘装置不离开壁面时吸盘间隙δ的增大几乎不对吸力造成影响。并且通过周向安装的微针阵列，能够在吸附的初始阶段，通过微针刺入壁面造成微破坏，嵌入壁面而增加吸盘抵抗高速水流的侧向摩擦力。

15、当吸盘因外力产生离开壁面的速度时，吸盘内部空腔的体积迅速增大，使得内部压强降低，在内外压差作用下产生一个向下的力，该力的产生对外力具有抵抗效果，阻止了吸盘间隙进一步增大，将这一现象定义吸盘的阻尼特性，阻尼力的产生使得吸盘能适应复杂流速环境下水流的冲击载荷，即使加载远大于吸盘吸力的负载，也不会造成吸盘脱离壁面，避免了因载荷过大造成吸盘吸附突然失效的问题。

16、本发明的有益效果如下：

17、1本发明装置通过密封圈的密封大大提升吸盘在高流速环境下的吸力fs，减少了吸盘的功耗。

18、2、本发明装置确保了即使吸盘离开壁面一定距离后仍能保持稳定，保护装置不离开壁面时，吸盘间隙δ的增大几乎不对吸力造成影响，这样避免了因负载突然增大造成吸盘离开壁面而导致的吸力失效问题，且最大保护间隙为弹簧销的行程，吸盘离开壁面20mm以内均可保证安全吸附。

19、4、本发明装置中安装微针阵列，当吸盘吸附时，压缩弹簧销使弹簧销到达极限位置，对微针施加正压力进而刺入壁面中造成微破坏，微针嵌入壁面形成了机械限位大大增加了吸盘的侧向摩擦力。