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CN201420198849.X 用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构

技术领域

本实用新型属于水下机器人工程领域,具体地说是一种用于海洋 测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机构,可用于海洋测量平台进行海 洋的观测和探测。

背景技术

水下机器人作为一种重要的海洋作业观测平台,已经在海洋科学 研究、海洋资源开发、海洋大气物理、海洋生态等方面得到广泛应用。 然而海洋是个广阔的水域,要想进行以上的任务并不容易,主要问题 是由于水下机器人自身体积的制约,决定了其所带的能源很有限,其 续航能力受到能源的极大限制,所以各国都在水下机器人能源问题方 面力求突破。一方面各国在优化改进系统的能源利用率,另一方面在 研究开发一些新式能源,如温差能,波浪能等,有些新能源已经在水 下机器人领域得到一定的应用。其中海洋的波浪能是一种取之不尽用 之不竭的清洁能源,现在的波浪能主要用于发电,有各种各样波浪能 发电装置,有振荡浮子式、振荡水柱式、聚波式、摆式等。但是这些 波浪能转化装置在水下机器人领域应用有一定的困难,一方面是转化 装置的体积很大,不容易装配;另一方面是即使能装配,水下机器人 的惯性会使得波浪能转化装置的效率很低,因为波浪首先要激励水下 机器人的壳体,让水下机器人运动,水下机器人再把运动传给内部的 波浪能转化装置。

实用新型内容

为了解决海洋机器人在海洋观测中能源制约的问题,本实用新型 的目的在于提供一种用于海洋测量平台的螺旋桨驱动波浪能转化机 构。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:

本实用新型包括壳体、卷轮、封板、传动机构及螺旋桨,其中壳 体与水面浮体的系缆相连,所述壳体上沿壳体长度方向的左右两侧分 别设有型腔,每个型腔内均转动安装有卷轮;所述型腔的上下两面均 设有封板,左右两型腔上面的封板位于同侧,左右两型腔下面的封板 位于同侧、且与上面的封板安装方向相反,所述封板的一侧安装在壳 体上,另一侧为在水流通过时可开启的自由侧;所述卷轮上沿卷轮的 轴向均布有多个叶片,每个卷轮的轮轴尾端均通过所述传动机构连接 有与所连接卷轮同向旋转的螺旋桨;所述转化机构在上升或下降的过 程中,水流由左右两型腔的同一侧经过,通过所述叶片带动每个卷轮 旋转,进而带动所述螺旋桨转动,所述左右两侧型腔中的卷轮旋转方 向相反。

其中:所述壳体分为形状结构相同的上壳体及下壳体,该上壳体 与下壳体的两端通过连接螺栓相连,所述上、下壳体上沿长度方向的 左右两侧分别开有空腔,上、下壳体的空腔形成所述型腔;所述上壳 体的前端及尾端均安装有用于与所述水面浮体的系缆相连接的吊环 螺钉;所述型腔通过内部安装的卷轮分为内外两个,每个型腔上面的 封板位于内侧或外侧,每个型腔下面的封板位于外侧或内侧;

所述壳体尾端设有尾部端盖,所述传动机构位于该尾部端盖内, 包括大齿轮轴、大齿轮、小齿轮轴及小齿轮,该大齿轮轴的一端转动 安装在型腔尾端且与所述卷轮的轮轴相连,所述大齿轮轴的另一端连 接有大齿轮,所述小齿轮轴的一端转动安装在型腔尾端,另一端由所 述尾部端盖穿出、连接有所述螺旋桨,所述小齿轮安装在小齿轮轴上、 与所述大齿轮相啮合;

所述大齿轮轴上设有凸台,该凸台与所述型腔配合,实现大齿轮 轴的轴向定位;所述大齿轮轴的另一端端面沿轴向开有螺纹孔,所述 大齿轮朝向所述另一端的外侧设有套设在大齿轮轴上的挡片,所述螺 纹孔上螺纹连接有用于大齿轮轴向定位的螺栓,该螺栓上加有第一平 垫圈及第一弹簧垫圈;

所述小齿轮轴上设有凸台,该凸台与所述型腔配合,实现小齿轮 轴的轴向定位;所述小齿轮朝向所述另一端的外侧设有螺纹,并螺纹 连接有用于小齿轮轴向定位的螺母,该螺母上加有第二平垫圈及第二 弹簧垫圈;

所述螺旋桨末端设有固定螺旋桨的、带螺纹的螺旋桨头部,所述 卷轮轮轴的尾端开有与大齿轮轴连接的十字槽,所述大齿轮与大齿轮 轴之间、小齿轮与小齿轮轴之间以及螺旋桨与小齿轮轴之间均为键连 接;

所述舵机系统安装在两螺旋桨之间的壳体上,舵机系统的下方通 过舵机轴连接有控制所述转化机构方向的舵叶;

所述型腔上面的封板位于外侧、下面的封板位于内侧时,安装在 壳体尾端左侧的左侧螺旋桨为左旋螺旋桨,安装在壳体尾端右侧的右 侧螺旋桨为右旋螺旋桨;所述型腔上面的封板位于内侧、下面的封板 位于外侧时,安装在壳体尾端左侧的左侧螺旋桨为右旋螺旋桨,安装 在壳体尾端右侧的右侧螺旋桨为左旋螺旋桨。

本实用新型的优点与积极效果为:

1.操作简单;本实用新型作为海洋观测平台的动力部分带动浮 体运动的,螺旋桨的运动也是靠浮体受波浪激励被动产生,完全靠自 身自主进行波浪能的转化,不需要人为干预。

2.故障率低;海洋观测平台的导航传感器部分都在浮体里面, 而水下部分除了封装好的舵机系统,没有其他电子器件,不需要水密 封,减少了装置出现故障的可能性。

3.安全可靠;本实用新型采用机械式的机构,将波浪运动的机 械能直接转化为海洋测量平台的机械能,中间没有其他转化环节,而 且机构两侧对称,无论强度还是稳定性都很有保证。

4.成本低;本实用新型结构简单,主要有一些标准件组成,没 有复杂的零件,节约成本。

5.绿色环保;本实用新型面向海洋观测应用需求,就地取材, 采用波浪能作为驱动能源,不仅续航能力充足,而且没有利用电池等, 减少了污染环境的可能。

附图说明

图1为本实用新型的结构主视图;

图2为本实用新型的结构俯视图;

图3为本实用新型的结构仰视图;

图4为本实用新型壳体的结构俯视图;

图5为本实用新型去掉上壳体及尾部端盖后的结构俯视图;

图6为本实用新型上升时水流示意图;

图7为本实用新型下降时水流示意图;

其中:1为吊环螺钉,2为上壳体,3为尾部端盖,4为舵叶,5 为下壳体,6为右侧上封板,7为右侧螺旋桨,8为连接螺栓,9为左 侧螺旋桨,10为左侧上封板,11为左侧底部封板,12为左侧螺旋桨 头部,13为右侧螺旋桨头部,14为右侧底部封板,15为右侧卷轮, 16为小齿轮轴,17为小齿轮,18为第二平垫圈,19为第二弹簧垫圈, 20为螺母,21为第一平垫圈,22为第一弹簧垫圈,23为螺栓,24 为挡片,25为大齿轮,26为大齿轮轴,27为舵机系统,28为左侧卷 轮。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

实施例一

如图1~4所示,本实用新型包括壳体、卷轮、封板、传动机构、 螺旋桨及舵机系统27,其中壳体分为形状结构相同的上壳体2及下 壳体5,该上壳体2与下壳体5的两端通过连接螺栓相连,上、下壳 体2、5上沿长度方向的左右两侧分别对称开有两个空腔,上、下壳 体2、5上的空腔形成沿壳体长度方向左右两侧相对称的型腔。在上 壳体2的前端及尾端均固接有用于与水面浮体的系缆相连接的吊环 螺钉1。

位于左侧的型腔内转动安装有左侧卷轮28,位于右侧的型腔内 转动安装有右侧卷轮15,当左侧卷轮28及右侧卷轮15安装后,左 右两个型腔分别被左、右侧卷轮28、15分成了内外两侧共四个小型 腔。左侧卷轮28及右侧卷轮15上分别沿轴向均布有多个叶片,在水 动力的作用下发生转动,两个卷轮的两端分别通过轴肩进行轴向定 位。

壳体上左右两个型腔的上面及下面均设有封板,左侧型腔的上面 设有左侧上封板10、下面设有左侧底部封板11,右侧型腔的上面设 有右侧上封板6、下面设有右侧底部封板14。左右型腔上面的封板位 于两个型腔的同侧,左右型腔下面的封板位于两个型腔的同侧、且与 上面封板的安装方向相反。本实施例中的左侧上封板10及右侧上封 板6分别位于左右型腔的外侧,左侧底部封板11及右侧底部封板14 分别位于左右型腔的内侧;即,左侧上封板10位于左侧型腔中靠左 的外侧上面、将该侧型口密封,右侧上封板6位于右侧型腔中靠右的 外侧上面、将该侧型口密封,左侧底部封板11位于左侧型腔中靠右 的内侧下面、将该侧型口密封,右侧底部封板14位于右侧型腔中靠 左的内侧下面、将该侧型口密封。左、右侧上封板10、6的内侧安装 在上壳体2上,另一侧(外侧)为在水流通过时可开启的自由侧;左、 右侧底部封板11、14的外侧安装在下壳体5上,另一侧(内侧)为 在水流通过时可开启的自由侧。本实用新型的左、右侧上封板10、6 及左、右侧底部封板11、14均有橡胶制成,具有弹性回复能力,在 外部的水流作用下会将封板压在壳体,而内部的水流则可以很容易地 将封板冲开。

每个卷轮的轮轴尾端均通过传动机构连接有与所连接卷轮同向 旋转的螺旋桨,两个传动机构在左右两侧是对称的,壳体尾端设有尾 部端盖3,两个传动机构均位于该尾部端盖3内。如图5所示,两个 传动机构结构完全相同,均包括大齿轮轴26、大齿轮25、小齿轮轴 16及小齿轮17,大齿轮轴26的一端转动安装在型腔尾端,左侧卷轮 28或右侧卷轮15的轮轴尾端设有十字槽,用于与大齿轮轴26相连; 大齿轮轴26的另一端连接有大齿轮25,并在另一端端面沿轴向开有 螺纹孔,大齿轮25朝向另一端的外侧设有套设在大齿轮轴26上的挡 片,螺纹孔上螺纹连接有用于大齿轮25轴向定位的螺栓23,该螺栓 23上加有第一平垫圈21及第一弹簧垫圈22,防止螺栓23松动。大 齿轮轴26上设有凸台,该凸台与型腔配合,实现大齿轮轴26的轴向 定位。小齿轮轴16的一端转动安装在型腔尾端,另一端由尾部端盖 3穿出、连接有左侧螺旋桨9或右侧螺旋桨7,小齿轮17安装在小齿 轮轴16上、与大齿轮25相啮合;小齿轮轴16上设有凸台,该凸台 与型腔配合,实现小齿轮轴16的轴向定位;小齿轮17朝向另一端的 外侧一段设有螺纹,并螺纹连接有用于小齿轮17轴向定位的螺母20, 该螺母20上加有第二平垫圈18及第二弹簧垫圈19,防止螺母松动。 大齿轮25的轴向定位一端用轴肩,另一端用螺栓23固定;小齿轮 17的轴向固定采取相似的方式,不同的是小齿轮17的另一端采用的 是螺母20进行压紧。在左侧螺旋桨9及右侧螺旋桨7的末端分别用 带有螺纹的左侧螺旋桨头部12及右侧螺旋桨头部13来实现对左侧螺 旋桨9及右侧螺旋桨7的固定。左、右侧螺旋桨9、7的旋向相反, 左侧螺旋桨9为左旋,右侧螺旋桨7为右旋。大齿轮25与大齿轮轴 26之间、小齿轮17与小齿轮轴16之间以及左、右侧螺旋桨9、7与 小齿轮轴16之间均为键连接。本实用新型的传动机构还可采用链轮、 链条或皮带轮、皮带等结构。

舵机系统27安装在左侧螺旋桨9与右侧螺旋桨7之间的壳体上,舵 机系统27的下方通过舵机轴连接有控制转化机构方向的舵叶4。本实 用新型的舵机系统27为现有技术,可成套封装好直接应用在本实用新 型的转化机构上。

本实用新型的工作原理为:

本实用新型转化机构作为海洋测量平台的动力部分,与水面浮体 通过系缆连接,海面波浪的运动引起水面浮体的上下振动,水面浮体 通过系缆带动转化机构,再由转化机构将上下振动由螺旋桨转化为水 平方向的驱动力,拉动海面的水面浮体运动。本实用新型充分利用了 海洋的有利条件,利用海洋能源来反过来观测研究海洋,具有很大的 经济和现实意义。具体为:

本实用新型在浮体系缆的拉力和自身的重力作用下,在海水中不 断的上下震荡。如图6所示,当波浪波峰来临,激励海面的浮体使其 向上运动时,转化机构在系缆的拉力下也会向上运动,水流分别从左 右两个型腔的内侧流入,水动力作用于左侧卷轮28和右侧卷轮15的 叶片上,使得左侧卷轮28及右侧卷轮15发生转动,从舵机系统27 位置尾部向前看,左侧卷轮28是顺时针旋转,右侧卷轮15是逆时针 旋转,两个卷轮在水动力作用下发生相反的旋转运动;同时,下壳体 5下面两个有弹性的左侧底部封板11及右侧底部封板14被水流冲开, 水流流出,而上壳体2上面的左侧上封板10及右侧上封板6则被水 动力紧压在上壳体2上;与左侧卷轮28及右侧卷轮15轮轴相连接的 大齿轮轴26也会发生相同的转动,通过大齿轮25与小齿轮17的啮 合,带动小齿轮轴16上的左侧螺旋桨9及右侧螺旋桨7,进而获得 螺旋桨的推力,最终通过系缆拉动水面浮体向前运动。

如图7所示,当波浪波谷来临,水面浮体和转化机构由于受到负 浮力作用而向下运动,转化机构在向下运动时,水流分别从左右两个 型腔的外侧流入,水动力作用于左侧卷轮28和右侧卷轮15的叶片上, 使得左侧卷轮28及右侧卷轮15发生转动,左侧卷轮28还是顺时针 旋转,右侧卷轮15仍是逆时针旋转;由于这次水流在型腔的另一侧, 两个卷轮在水动力作用下均发生与波峰激励下的情况相同的旋转运 动;同时,上壳体2上面两个有弹性的左侧上封板10及右侧上封板 6被水冲开,水流流出,而下壳体5下面的左侧底部封板11及右侧 底部封板14则被水动力紧压在下壳体5上;与左侧卷轮28及右侧卷 轮15轮轴相连接的大齿轮轴26也会发生相同的转动,通过大齿轮 25与小齿轮17的啮合,带动小齿轮轴16上的左侧螺旋桨9及右侧 螺旋桨7,进而获得螺旋桨的推力,最终通过系缆拉动水面浮体向前 运动。

在转化机构上升或下降时,两个型腔只有同一侧被打开,所以在 运动中,本实施例的左侧卷轮28一直是顺时针旋转,右侧卷轮15一 直是逆时针旋转。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于:左侧上封板10及右侧上封板 6分别位于左右型腔的内侧,左侧底部封板11及右侧底部封板14分 别位于左右型腔的外侧;即,左侧上封板10位于左侧型腔中靠右的 内侧上面、将该侧型口密封,右侧上封板6位于右侧型腔中靠左的内 侧上面、将该侧型口密封,左侧底部封板11位于左侧型腔中靠左的 外侧下面、将该侧型口密封,右侧底部封板14位于右侧型腔中靠右 的外侧下面、将该侧型口密封。左、右侧上封板10、6的内侧安装在 上壳体2上,另一侧(外侧)为在水流通过时可开启的自由侧;左、 右侧底部封板11、14的外侧安装在下壳体5上,另一侧(内侧)为 在水流通过时可开启的自由侧。此外,左侧卷轮28在水动力的作用 下沿逆时针方向旋转,右侧卷轮15在水动力的作用下沿顺时针方向 旋转;左侧螺旋桨9与左侧卷轮28的旋转方向相同,为右旋螺旋桨, 右侧螺旋桨7与右侧卷轮15的旋转方向相同,为左旋螺旋桨。

这样,无论波峰还是波谷的激励作用,本实用新型都会产生向前 的驱动力,而搭载有各种海洋传感器的水面浮体也会在它的拉力下向 前运动,完成海洋观测的需要;而且波浪能取之不尽,用之不竭,这 就使得本实用新型具有超强的续航能力,非常适合大面积海洋的科学 研究。另外,无论是本实用新型上,还是在水面浮体上,都可以根据 不同应用需要来搭配传感器,所以其在海洋中的应用也是开放的,这 样极大地扩大了其适用范围。因此,本实用新型的转化机构具有操作 简单,故障率低,安全可靠,成本低等优点。

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