适用于水下作业的离心叶轮式伯努利吸盘的制作方法

1.本发明公开了一种水下吸盘，具体涉及一种适用于水下作业的离心叶轮式伯努利吸盘。


背景技术：

2.水下吸附技术与水下抓取技术是开展水下勘测与作业的关键技术之一，被广泛应用于海洋地质勘测、资源勘探及矿产评估、深海打捞等诸多领域，完成诸如水下取样、水下打捞、水下吸附等多种作业。传统的水下抓取技术多采用机械抓取装置，存在设计复杂以及操作不便等问题，难以适应诸多不规则形状的物体，有可能对抓取物造成损伤，且在无水环境下无法进行吸附。
3.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分类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。
4.水下爬壁机器人最常见的吸附技术为铁磁吸附技术，利用磁体或电磁铁间的相互作用产生吸附力，仅适用于铁磁性壁面，较多应用于船舶工业。水下rov或auv多采用螺旋桨作为动力源，也有将螺旋桨产生的推力作为水下爬壁机器人的吸附技术，但由于螺旋桨推力吸附较难控制且水流扰动太大，不适于观测。负压吸附技术则是利用离心泵或离心风机将吸盘内的水抽出，形成局部负压，负压吸附技术属于接触式吸附，较依赖于密封技术，吸盘本体或连接管路较容易发生堵塞，从而造成吸附失效。
5.如公布号cn110054073a的发明专利文献公开的一种凸起式真空吸盘，该吸盘由导气管、吸盘支架和吸盘膜组成。工作时先由外力将吸盘膜压在吸附壁面上，吸盘与吸附表面之间的液体被挤出，压平的吸盘膜与吸附表面的全贴合形成密封，对吸盘进行抽气，支架壳内形成真空，此时吸盘膜脱离吸附表面产生真空，以此产生吸附力。该吸盘首先得有稳定的外力预紧，在水下有水流冲击的情况下难以办到；其次吸附表面必须光滑平整，因此无法适用于粗糙表面；该吸盘需要制造真空的抽气装置，所占体积较大，在水下难以携带；吸盘膜多次使用会造成磨损。
6.如公布号cn112478109a的发明专利文献公开的一种适用于水下作业的伯努利吸盘，该吸盘包括吸附主体和吸附主体内的推进器组成。该吸盘通过螺旋桨制造环境流动，通过吸附面底部的支撑结构，在吸附面与壁面之间形成流动间隙，因为吸附面的伯努利效应和螺旋桨的反作用力形成整个吸盘的吸附力。这种设计的优点是结构简单，控制方便，制造与安装便捷。但是采用螺旋桨作为吸盘动力源，会导致水流扰动较大，影响水下观测；另外支撑结构在粗糙表面上容易发生磨损。
7.此外单独离心叶轮式吸盘吸附力大小有限，若要执行反作用力较大的水下钻凿工
作时，需要配置多个吸盘，且所要求的功率较大。


技术实现要素：

8.为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种适用于水下作业的离心叶轮式伯努利吸盘。
9.本发明采用的技术方案是：
10.本发明包括防水直流电机、吸盘外壳、伯努利底盘和离心叶轮，防水直流电机同轴安装在吸盘外壳的一端面上，吸盘外壳的另一端面同轴布置有伯努利底盘，吸盘外壳的另一端面开设有中空腔，离心叶轮同轴布置于中空腔内，离心叶轮的环形壳外壁与吸盘外壳内侧壁之间留有间隙，防水直流电机中心的输出轴穿过吸盘外壳与离心叶轮中心的旋转轴连接；吸盘外壳开设中空腔的另一端面为环形端面，环形端面固定在圆环形的伯努利底盘的一端面上，伯努利底盘的另一端面设有环形凸台；伯努利底盘的另一端面与环形凸台内环面之间的空间形成环形的“喷嘴”。
11.所述的伯努利底盘的内径等于中空腔的直径，伯努利底盘的外径大于吸盘外壳的直径；伯努利底盘的内径小于环形凸台的内径，伯努利底盘的外径大于环形凸台的外径；伯努利底盘的内径等于“喷嘴”的内径，“喷嘴”的外径等于环形凸台的内径。
12.所述的离心叶轮的多个叶片均为片状，多个叶片以和离心叶轮旋转时针方向相同的螺旋布置，即每个叶片沿径向向外延伸的同时也向离心叶轮旋转时针方向的下游延伸，多个叶片的径向外端固定于离心叶轮的外环壳体内壁。
13.所述的吸盘外壳的外侧壁上设有多个反向射流结构，反向射流结构入口连通到吸盘外壳内部，反向射流结构的出口方向垂直伯努利底盘布置。
14.所述的伯努利底盘在所需吸附的吸附壁为平面时为刚性结构，伯努利底盘在所需吸附的吸附壁为曲面时为柔性结构。
15.所述的伯努利底盘为柔性结构时，伯努利底盘的环形底端面上沿周向均匀间隔布置有多个支撑结构。工作时，柔性的伯努利底盘在装置重力与底部吸力的作用下吸附于吸附壁，伯努利底盘可以产生一定的形变，减小与吸附壁之间的间隙，支撑结构保证伯努利底盘与吸附壁之间的流道稳定，伯努利底盘底面距离吸附壁的间隙宽度h小于5mm。
16.本发明的有益效果是：
17.本发明将离心叶轮式吸盘与伯努利效应相结合，比传统离心叶轮式吸盘具有更大的吸附力，并且将吸盘内腔高速流出的水进行二次利用，通过伯努利效应产生的吸力以及反向射流结构的反作用力，提高了能源的利用效率。本发明结构简单，控制方便，且制造与安装便捷，为大规模制造和工程应用提供了便利性。
附图说明
18.图1为本发明的吸盘整体的主视图；
19.图2为本发明的吸盘整体的仰视图；
20.图3为本发明的吸盘工作原理图；
21.图4为本发明的环形凸台工作原理图；
22.图5为本发明加装柔性底盘的工作原理图；
23.图6为本发明的吸盘吸力随底盘高度的变化曲线图。
24.图中：1、防水直流电机，2、吸盘外壳，3、反向射流结构，4、伯努利底盘，5、离心叶轮，6、中空腔，7、环形凸台，8、支撑结构。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
26.如图1、图2、图3和图4所示，吸盘包括防水直流电机1、吸盘外壳2、伯努利底盘4和离心叶轮5，防水直流电机1同轴安装在吸盘外壳2的一端面上，吸盘外壳2的另一端面同轴布置有伯努利底盘4，吸盘外壳2的外侧壁上设有多个反向射流结构3，反向射流结构3入口连通到吸盘外壳2内部，反向射流结构3的出口方向垂直伯努利底盘4布置；吸盘外壳2的另一端面开设有中空腔6，离心叶轮5同轴布置于中空腔6内，离心叶轮5的多个叶片均为片状，多个叶片以和离心叶轮5旋转时针方向相同的螺旋布置，即每个叶片沿径向向外延伸的同时也向离心叶轮5旋转时针方向的下游延伸，多个叶片的径向外端固定于离心叶轮5的外环壳体内壁，离心叶轮5的环形壳外壁与吸盘外壳2内侧壁之间留有间隙，防水直流电机1中心的输出轴穿过吸盘外壳2与离心叶轮5中心的旋转轴连接；吸盘外壳2开设中空腔6的另一端面为环形端面，环形端面固定在圆环形的伯努利底盘4的一端面上，伯努利底盘4的另一端面设有环形凸台7；伯努利底盘4的另一端面与环形凸台7内环面之间的空间形成环形的“喷嘴”；伯努利底盘4的内径等于中空腔6的直径，伯努利底盘4的外径大于吸盘外壳2的直径；伯努利底盘4的内径小于环形凸台7的内径，伯努利底盘4的外径大于环形凸台7的外径；伯努利底盘4的内径等于“喷嘴”的内径，“喷嘴”的外径等于环形凸台7的内径。
27.实际工作过程中，防水直流电机1带动离心叶轮5旋转，水流在离心叶轮5高速旋转下离心流出中空腔6，使得中空腔6形成负压吸附区域a，产生吸力，中空腔6底面形成一个吸附表面，中空腔6与外部水体之间形成流道，离心叶轮5中的高速液体流出流道，经过伯努利底盘4，离心叶轮5内部与伯努利底盘4下部的水体产生流速差，产生伯努利效应，形成伯努利吸附区域b，产生更大的吸力，避免高速流体直接进入外部水域造成能量的损耗；离心叶轮5与吸盘外壳2之间的间隙处的水体向下流经“喷嘴”高速流出，对从离心叶轮5中流向伯努利底盘4下部的水体进行进一步的放大，水体流速从v1增加到v2，增强了伯努利效应，同时离心叶轮5与吸盘外壳2之间的间隙处的水体从反向射流结构3高速喷出，与外部的水体产生流速差，在反向射流结构3的出口形成反向推力作用区域c，从而产生向下的推力，加强了装置整体的吸附能力。
28.伯努利底盘4在所需吸附的吸附壁为平面时为刚性结构，伯努利底盘4在所需吸附的吸附壁为曲面时为柔性结构，如图5所示，伯努利底盘4为柔性结构时，伯努利底盘4的环形底端面上沿周向均匀间隔布置有多个支撑结构8；工作时，柔性的伯努利底盘4在装置重力与底部吸力的作用下吸附于吸附壁，伯努利底盘4可以产生一定的形变，减小与吸附壁之间的间隙，支撑结构8保证伯努利底盘4与吸附壁之间的流道稳定，伯努利底盘4底面距离吸附壁的间隙宽度h小于5mm。
29.具体的实施例如下：
30.在相同的情况下，规定伯努利底盘4与吸附壁的间隙宽度h为1mm，离心叶轮5的转速为1500r/min，伯努利底盘4的外径为150mm，加装了伯努利底盘4和反向射流结构3的离心
叶轮式伯努利吸盘对吸附壁产生的吸力为489n，而普通的离心叶轮式吸盘对吸附壁产生的吸力仅为173n，离心叶轮式伯努利吸盘产生的吸力是普通离心叶轮式吸盘的两倍多。
31.如图6所示，具体实施过程中，如果伯努利底盘4底面距吸附壁的距离h太小，由于水流对吸附壁的推力作用，会导致吸盘装置整体的吸力减小，如果伯努利底盘4底面距吸附壁的距离h太大，水流经过流道时与外界水体的速度差就会减小，将会减弱伯努利效应；同样地，如果伯努利底盘4顶面距吸附壁的距离h太小，靠近吸附壁处的水流的冲击力正压作用大于离心叶轮5中心低压漩涡的作用，随着h的增大，冲击力的正压作用和低压漩涡的作用都会减小，但是正压作用减小的更快，反映到吸盘整体上便是吸盘吸力的增加；故通过仿真数据分析计算得出了最佳h和最佳h，最佳伯努利底盘4厚度值＝最佳h-最佳h。