本發(fā)明涉及一種水下作業(yè)結(jié)構(gòu)，特別是涉及了一種非接觸負(fù)壓吸附水下爬壁檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

水下爬壁檢測(cè)裝置是特種檢測(cè)裝置的一種，是一種設(shè)計(jì)用來在危險(xiǎn)、惡劣情況下，代替人工進(jìn)行水下特定作業(yè)如檢查、檢測(cè)、磨削、鉆孔等。水下爬壁檢測(cè)裝置最常見的形式是鐵磁吸附式水下爬壁檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置利用鐵磁技術(shù)吸附并行走于導(dǎo)磁壁面，攜帶特定工具或機(jī)械手進(jìn)行水下作業(yè)，在核工業(yè)、船舶工業(yè)、石化工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在水利水電行業(yè)，尤其是在混凝土壩面檢測(cè)行業(yè)，需要定期對(duì)大壩水下表面或水下混凝土管道表面進(jìn)行裂縫檢測(cè)。目前先進(jìn)技術(shù)工程領(lǐng)域常采用rov(remoteoperatedvehicle)輔助進(jìn)行壩體檢測(cè)，rov不僅造價(jià)高，體積龐大，而且需要專門的操作人員進(jìn)行操作，使用起來非常不方便，因而有些部門寧可用潛水員檢測(cè)的方法也不采用rov來輔助檢測(cè)。此外，從作業(yè)效率上來看，rov檢測(cè)過程中常伴隨車體抖動(dòng)、水體擾動(dòng)等現(xiàn)象，給水下觀測(cè)帶來諸多不便，rov的行進(jìn)速度也很難控制，需要對(duì)多個(gè)螺旋槳進(jìn)行協(xié)同控制，不能達(dá)到想動(dòng)就動(dòng)、想停就停的目標(biāo)，對(duì)細(xì)節(jié)位置的檢測(cè)不盡如人意。

除了磁吸附技術(shù)以外，爬壁檢測(cè)裝置的吸附技術(shù)還有：負(fù)壓吸附、螺旋槳推力吸附、分子力吸附等。螺旋槳推力吸附較難控制，且擾動(dòng)太大，不適合用于水下檢測(cè)，分子力吸附則從力的量級(jí)上考慮不能滿足水下爬壁檢測(cè)裝置的需求。負(fù)壓吸附技術(shù)利用離心泵或離心葉片使吸盤內(nèi)部產(chǎn)生局部真空，利用吸盤內(nèi)外壓力差來產(chǎn)生吸附力，但是這樣的吸附方式屬于接觸吸附，吸盤的泄露以及管路的堵塞問題一直是難點(diǎn)，一旦壁面不平整或者有裂縫，爬壁檢測(cè)裝置很可能因?yàn)槲绞Ф袈洹?/p>

綜上所述，現(xiàn)有水下爬壁檢測(cè)裝置對(duì)于非導(dǎo)磁壁面缺乏很好的吸附技術(shù)，缺少能夠在非導(dǎo)磁壁面上進(jìn)行爬行的水下檢測(cè)裝置，不能滿足水利水電行業(yè)的檢測(cè)需求，大壩面自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)設(shè)備技術(shù)尚未成熟。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服水下爬壁檢測(cè)裝置在非導(dǎo)磁壁面上的水下吸附技術(shù)方面的缺乏，解決混凝土壩面檢測(cè)水下爬壁檢測(cè)裝置的吸附與行走技術(shù)，設(shè)計(jì)一種非接觸負(fù)壓吸附輪式水下爬壁檢測(cè)裝置，使其能在水下壁面自如行走，且可以在任意位置停留，操作方式簡(jiǎn)便，體積小巧，是混凝土壩面自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括車體和安裝在車體上的浮筒、輪式移動(dòng)裝置和負(fù)壓吸附裝置，車體作為爬壁檢測(cè)裝置底盤，通過浮筒提供浮力，通過輪式移動(dòng)裝置帶動(dòng)爬壁檢測(cè)裝置沿水下的壁面滾動(dòng)爬行，負(fù)壓吸附裝置正對(duì)壁面以非接觸方式安裝，通過負(fù)壓吸附裝置將爬壁檢測(cè)裝置貼附在水下的壁面，通過調(diào)節(jié)負(fù)壓吸附裝置固定盤和底盤的距離調(diào)節(jié)吸附固定裝置與大壩面間的吸附間隙。

所述負(fù)壓吸附裝置包括安裝在車體頂部的高壓潛水泵和液壓閥、安裝在車體底部的四通接頭和三個(gè)三通接口以及固定在固定盤上的旋流吸盤；固定盤位于車體下方位置，高壓潛水泵出口端與四通接頭入口端連接，高壓潛水泵出口端與四通接頭入口端之間的管道上安裝有液壓閥，四通接頭的其他三個(gè)端口均為出口端并分別與三個(gè)三通接口中間入口端連接，每個(gè)三通接口兩側(cè)的端口均為出口端，以每?jī)蓚€(gè)不同三通接口各自的一個(gè)出口端分別連接到同一旋流吸盤兩個(gè)入口端的方式將三個(gè)三通接口的六個(gè)出口端與三個(gè)旋流吸盤的六個(gè)入口端相連接。換句話說，即是同一個(gè)三通接口的兩個(gè)出口端分別連接到兩個(gè)不同旋流吸盤的入口端。

所述的旋流吸盤一端端面開口并在對(duì)稱的兩側(cè)側(cè)壁開有旋流入口作為入口端，開口內(nèi)部形成旋流腔，旋流入口沿旋流腔的切向方向設(shè)置，開口的端面平行壁面布置并且使得開口朝向水下的壁面；高壓潛水泵產(chǎn)生高壓水流，高壓水流經(jīng)由管路從對(duì)稱兩端的旋流入口切向入射至旋流腔中并在旋流腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，從而使得吸附在水下的壁面。

所述的高壓水流的水源是由高壓潛水泵直接從工作水環(huán)境中抽取產(chǎn)生。

所述旋流吸盤距離大壩壁面的間隙為2-4mm。

所述旋流吸盤采用6061鋁合金制造。

所述輪式移動(dòng)裝置包括以中心對(duì)稱安裝在車體底部?jī)蓚?cè)的兩個(gè)滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪、主動(dòng)輪軸、主動(dòng)鏈輪、鏈條、聯(lián)軸器、電機(jī)座、防水電機(jī)、從動(dòng)輪、從動(dòng)輪軸和從動(dòng)鏈輪，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪分別安裝在車體底部的同一側(cè)，主動(dòng)輪和主動(dòng)輪軸一端同軸安裝連接，從動(dòng)輪和從動(dòng)輪軸一端同軸安裝連接，主動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸平行布置并且兩端均通過深溝球軸承支撐在固定于車體底部上的軸承座，主動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸中部分別同軸安裝有主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪之間通過鏈條鏈傳動(dòng)連接，主動(dòng)鏈輪另一端與防水電機(jī)的輸出軸同軸連接，防水電機(jī)通過電機(jī)座固定安裝在車體底部；防水電機(jī)工作通過主動(dòng)輪軸帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輪軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)而使得從動(dòng)輪軸旋轉(zhuǎn)。

所述主動(dòng)輪和從動(dòng)輪均采用高摩擦輪。

所述的兩個(gè)滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)以中心對(duì)稱的反對(duì)稱方式布置，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

所述的車體頂部安裝有兩個(gè)浮筒，所述爬壁檢測(cè)裝置在水下時(shí)浮筒產(chǎn)生的浮力和爬壁檢測(cè)裝置的重力相同，并且浮筒的安裝位置使得爬壁檢測(cè)裝置沿豎直的壁面爬行時(shí)的浮力和重心在同一鉛垂線上。

本發(fā)明由高壓潛水泵提供高速水流，經(jīng)液體管路分流后，從吸盤兩側(cè)切向射入吸盤內(nèi)，水流在吸盤內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)并從吸盤與壁面的間隙流出，由于液體的離心作用在吸盤內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形負(fù)壓來提供吸力。吸盤與壁面是非接觸的，通過調(diào)節(jié)吸盤與壁面之間的距離來調(diào)整吸力。

本發(fā)明水下爬壁檢測(cè)裝置靠旋流吸盤的吸力吸附在壁面上，靠本體的輪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行壁面行走。其吸盤與壁面有一定的間隙。旋流吸盤內(nèi)，高速水流由切向入射至旋流吸盤并在吸盤內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用吸盤內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)形負(fù)壓，對(duì)離吸盤出水口2-4mm的壁面產(chǎn)生吸附力。水下爬壁檢測(cè)裝置整體進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，其重力與浮力在一條直線上，且大小近似相等。采用輪式驅(qū)動(dòng)，通過輪胎與壁面的摩擦力保證不滑落，平衡設(shè)計(jì)與極強(qiáng)的吸附力保證不傾覆。如圖1所示，爬壁檢測(cè)裝置受到重力為g重，浮力為f浮，重力與浮力的平衡使得爬壁檢測(cè)裝置在水中處于零重力狀態(tài)；吸附裝置為爬壁檢測(cè)裝置提供的吸力為f吸，使爬壁檢測(cè)裝置受到壁面彈力fn以及摩擦力ff。當(dāng)爬壁檢測(cè)裝置在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粘性阻力以及慣性力，車輪的摩擦力ff可抵消這些力以確保爬壁檢測(cè)裝置不滑落；浮力與重力相對(duì)壁面都會(huì)對(duì)爬壁檢測(cè)裝置產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，平衡設(shè)計(jì)將這兩個(gè)力矩相互抵消，吸力f吸的存在增加了爬壁檢測(cè)裝置的抗傾覆力矩。

本發(fā)明所述的爬壁檢測(cè)裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，特點(diǎn)在于：

(1)將非接觸旋流抓取器引入水下爬壁檢測(cè)裝置的吸附技術(shù)中，有效解決了水下非鐵磁壁面在水下吸附技術(shù)上的不足，能夠在水下的非導(dǎo)磁壁面上進(jìn)行爬行，拓展了水下爬壁檢測(cè)裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，為混凝土壩面自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)提供了關(guān)鍵的移動(dòng)平臺(tái)。

(2)從原理上解決了真空吸附技術(shù)的真空泄露以及管路堵塞的問題，可實(shí)現(xiàn)非接觸吸附，使得負(fù)壓吸附技術(shù)與輪式驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠很好地結(jié)合，增強(qiáng)了爬壁檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)靈活性。并且本發(fā)明的爬壁檢測(cè)裝置采用對(duì)稱式輪式移動(dòng)裝置，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)向半徑小。

(3)運(yùn)用有效元分析工具對(duì)吸附裝置中吸附單元關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用了液體的壓力能，使得吸盤吸力在一定條件下達(dá)到最優(yōu)，提高了能量利用率。

(4)利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)爬壁檢測(cè)裝置進(jìn)行水下平衡設(shè)計(jì)，使爬壁檢測(cè)裝置在水中幾乎處于零重力狀態(tài)，大大增強(qiáng)爬壁檢測(cè)裝置的負(fù)載能力。

(5)爬壁檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制較為方便。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的輪式移動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明輪式移動(dòng)裝置差動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)原理示意圖。

圖4是本發(fā)明的車體安裝示意圖。

圖5是本發(fā)明的高壓水流管路示意圖。

圖6是本發(fā)明的旋流吸盤安裝示意圖。

圖7是本發(fā)明單個(gè)旋流吸盤結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：主動(dòng)輪1，主動(dòng)輪軸2，主動(dòng)鏈輪3，鏈條4，聯(lián)軸器5，電機(jī)座6，防水電機(jī)7，從動(dòng)輪8，從動(dòng)輪軸9，從動(dòng)鏈輪10，車體11，浮筒12、14，高壓潛水泵13，液壓閥15，四通接頭16，固定盤17，旋流吸盤18、20、23，三通接口19、21、22，旋流腔26，旋流入口25，螺紋孔24。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。

如圖3所示，本發(fā)明具體實(shí)施包括車體11和安裝在車體11上的浮筒12、14、輪式移動(dòng)裝置和負(fù)壓吸附裝置，車體11作為爬壁檢測(cè)裝置底盤，通過浮筒12、14提供浮力，通過輪式移動(dòng)裝置帶動(dòng)爬壁檢測(cè)裝置沿水下的壁面滾動(dòng)爬行，負(fù)壓吸附裝置正對(duì)壁面以非接觸方式安裝，通過負(fù)壓吸附裝置將爬壁檢測(cè)裝置貼附在水下的壁面。

如圖4所示，車體11頂部安裝有兩個(gè)浮筒12、14，所述爬壁檢測(cè)裝置在水下時(shí)浮筒12、14產(chǎn)生的浮力和爬壁檢測(cè)裝置的重力相同，并且浮筒12、14的安裝位置使得爬壁檢測(cè)裝置沿豎直的壁面爬行時(shí)的浮力和重心在同一鉛垂線上。

如圖5所示，負(fù)壓吸附裝置包括安裝在車體11頂部的高壓潛水泵13和液壓閥15、安裝在車體11底部的四通接頭16和三個(gè)三通接口19、21、22以及固定在固定盤17上的旋流吸盤18、20、23；如圖4所示，高壓潛水泵13固定在車體11頂部，四通接頭16和三個(gè)三通接口19、21、22均固定在車體11底部，固定盤17位于車體11下方位置，三個(gè)旋流吸盤18、20、23均固定在固定盤17底面，如圖6所示。

高壓水流管路如圖5所示，高壓水流經(jīng)由四通接頭16后分三路，每路水流分別經(jīng)三通接口19、21、22后進(jìn)入旋流吸盤，高壓潛水泵13與四通接頭16之間的管道上安裝有液壓閥15，液壓閥15控制供給吸附裝置的高壓水流。具體是，高壓潛水泵13出口端與四通接頭16入口端連接，四通接頭16的其他三個(gè)端口均為出口端并分別與三個(gè)三通接口19、21、22中間入口端連接，每個(gè)三通接口19、21、22兩側(cè)的端口均為出口端，以每?jī)蓚€(gè)不同三通接口19、21、22各自的一個(gè)出口端分別連接到同一旋流吸盤18、20、23兩個(gè)入口端的方式將三個(gè)三通接口19、21、22的六個(gè)出口端與三個(gè)旋流吸盤18、20、23的六個(gè)入口端相連接。換句話說，即是同一個(gè)三通接口19、21、22的兩個(gè)出口端分別連接到兩個(gè)不同旋流吸盤18、20、23的入口端。

如圖7所示，旋流吸盤具有兩個(gè)切向高壓水流入口，旋流吸盤18、20、23一端端面開口并在對(duì)稱的兩側(cè)側(cè)壁開有旋流入口25作為入口端，開口內(nèi)部形成旋流腔26，旋流入口25沿旋流腔26的切向方向設(shè)置，開口的端面平行壁面布置并且使得開口朝向水下的壁面，旋流吸盤18、20、23通過螺紋孔24固定在固定盤17上；螺紋孔用于連接旋流吸盤和吸附裝置固定盤。旋流入口25通過接頭和管路連接，用于接收高壓水流，每個(gè)旋流吸盤具有兩個(gè)旋流入口，便于提高旋流吸附的能力。

如圖2和3所示，輪式移動(dòng)裝置包括以中心對(duì)稱安裝在車體11底部?jī)蓚?cè)的兩個(gè)滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的差速控制轉(zhuǎn)向。右側(cè)滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)與左側(cè)的滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)相同，排列上呈反對(duì)稱。

每個(gè)滾輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪1、主動(dòng)輪軸2、主動(dòng)鏈輪3、鏈條4、聯(lián)軸器5、電機(jī)座6、防水電機(jī)7、從動(dòng)輪8、從動(dòng)輪軸9和從動(dòng)鏈輪10，主動(dòng)輪1和從動(dòng)輪8采用高摩擦輪并分別安裝在車體11底部的同一側(cè)，主動(dòng)輪1和主動(dòng)輪軸2一端同軸安裝連接，從動(dòng)輪8和從動(dòng)輪軸9一端同軸安裝連接，主動(dòng)輪軸2和從動(dòng)輪軸9平行布置并且兩端均通過深溝球軸承支撐在固定于車體11底部上的軸承座，主動(dòng)輪軸2和從動(dòng)輪軸9中部分別同軸安裝有主動(dòng)鏈輪3和從動(dòng)鏈輪10，主動(dòng)鏈輪3和從動(dòng)鏈輪10均置于兩深溝球軸承之間，主動(dòng)鏈輪3和從動(dòng)鏈輪10之間通過鏈條4鏈傳動(dòng)連接，主動(dòng)鏈輪3另一端與防水電機(jī)7的輸出軸同軸連接，防水電機(jī)7通過電機(jī)座6固定安裝在車體11底部；防水電機(jī)7工作通過主動(dòng)輪軸2帶動(dòng)主動(dòng)輪1旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輪軸9旋轉(zhuǎn)進(jìn)而使得從動(dòng)輪8旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的實(shí)施過程如下：

具體實(shí)施中，對(duì)爬壁檢測(cè)裝置進(jìn)行水下平衡設(shè)計(jì)，采用加裝浮筒的方式，利用creo三維設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使爬壁檢測(cè)裝置在水中幾乎處于零重力狀態(tài)，且重力線與浮力線應(yīng)共線。

具體實(shí)施中，爬壁檢測(cè)裝置依靠車輪與壁面的摩擦力保持在壁面上，車輪表面帶有許多凸起結(jié)構(gòu)，可嵌入混凝土表面，增大車輪與壁面的摩擦力。

其中，兩個(gè)主動(dòng)輪和兩個(gè)從動(dòng)輪反對(duì)稱安裝在底盤11上，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪采取差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。如圖3所示，在爬壁檢測(cè)裝置移動(dòng)時(shí)，若兩主動(dòng)輪速度(vl1、vr1)不同，則檢測(cè)裝置可以以不同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎，特殊的，當(dāng)兩主動(dòng)輪速度(vl1、vr1)大小相同，方向相反時(shí)，移動(dòng)檢測(cè)裝置可以近似繞車體中心轉(zhuǎn)動(dòng)。所有輪需要保證一定的摩擦力，爬壁檢測(cè)裝置通過輪胎與壁面的摩擦力保證不滑落。

具體實(shí)施中，高壓潛水泵13從工作水環(huán)境中抽取產(chǎn)生高壓水流，高壓水流經(jīng)由管路從對(duì)稱兩端的旋流入口25切向入射至旋流腔26中并在旋流腔26內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，從而使得吸附在水下的壁面。

具體實(shí)施中，利用fluent對(duì)吸盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用了液體的壓力能，通過仿真的方法使吸盤結(jié)構(gòu)與泵提供的流量達(dá)到最優(yōu)的結(jié)合，使得吸盤吸力達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)選取高壓潛水泵13的實(shí)際參數(shù)：出口壓力為1mpa，出口流量為2m³/h；根據(jù)設(shè)計(jì)吸盤的實(shí)際尺寸：旋流腔26內(nèi)徑為50mm、深度為15mm；建立吸盤內(nèi)液體的fluent流動(dòng)模型，通過不斷調(diào)整與修改吸盤出口與壁面的距離，可仿真得到吸盤吸力的最大值。根據(jù)目前已發(fā)表的旋流吸盤的文獻(xiàn)，吸盤吸力隨著距離的增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，距離在某一值時(shí)吸盤吸力可達(dá)到最大值。根據(jù)fluent仿真結(jié)果，實(shí)施例設(shè)計(jì)的旋流吸盤在距離壁面大約為3mm時(shí)產(chǎn)生最大吸力。

具體實(shí)施中，以fluent仿真結(jié)果為參考，通過調(diào)整固定盤17與車體11之間的連接螺栓可調(diào)整固定盤17與車體11的距離，相當(dāng)于調(diào)整了吸盤與壁面的距離，使得吸盤與壁面的距離達(dá)到最優(yōu)值，此時(shí)吸盤吸力達(dá)到最大化。

由此可見，本發(fā)明水下檢測(cè)裝置能夠與大壩面實(shí)現(xiàn)非接觸吸附，尤其適用于如混凝土大壩面等諸多非鐵磁性粗糙表面，吸力穩(wěn)定可控，造價(jià)便宜，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。