本發明涉及一種水下葉輪，尤其涉及一種用于清除河道內淤積泥沙的水下仿生葉輪，屬于水利機械技術領域。

背景技術：

普通清淤水車由輪葉、輪轂、軸承、支架、挖泥裝置、驅動裝置和移動底盤組成，輪葉、輪轂、軸承安裝在支架上，支架固定在底盤上。普通清淤水車的軸承位于水面以上，由于河道水流具有上層流速大、下層流速小的垂向流速分布特征，上層快速水流對水車輪葉的作用力矩小，安裝于水車輪葉的葉稍位置處的挖泥裝置力臂長，所產生的挖泥阻力力矩大，導致普通清淤水車清淤效率低下。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種位于水下，可將水流對上部輪葉的沖力全部轉化為下部輪葉的挖泥力，挖泥力大的水下仿生葉輪；進一步地，本發明提供一種板型骨料可自動伸展和卷曲的水下仿生葉輪。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種水下仿生葉輪，包括位于水下的滾筒，所述滾筒的外壁周向均勻鉸接有若干仿生輪葉，所述仿生輪葉包括若干首尾相互鉸接的板型骨料，所述板型骨料的正面連有浮體，反面連有挖泥犁。

所述鉸接包括通過彈簧鉸鏈連接。

所述彈簧鉸鏈包括連接軸，所述連接軸兩側分別連有上連接板和下連接板，所述上連接板與一個所述板型骨料的尾端固定連接，所述下連接板與另一個所述板型骨料的首端固定連接，所述連接軸上套有彈簧，所述彈簧的兩端均設置有向所述連接軸徑向延伸的彈性支撐桿，兩所述彈性支撐桿方向相反。

所述上連接板和下連接板均連于所述板型骨料的正面。

所述仿生輪葉的長度為所述滾筒周長的1/4。

所述板型骨料的材質包括鋼。

所述仿生輪葉的個數為至少4個。

每個所述仿生輪葉均包括至少3個板型骨料。

本發明的有益效果在于：

(1)仿生學應用：本發明的仿生葉輪是仿制人類游泳時手指張開和收攏的過程，仿生輪葉位于滾筒上方迎水面時，伸展最大面積接受水流沖力，仿生輪葉位于滾筒下方背水面時，收攏于滾筒上，減小水流阻力。

(2)獲得最大動力矩：水車的滾筒潛入水下，上部仿生輪葉伸展，使河道水流的最大沖力與仿生輪葉的最長力臂相應，從而得到上部仿生輪葉的最大動量矩，提高了水流利用率，實現了四兩撥千斤之功。

(3)最小化阻力矩：水車的滾筒潛入水下，下部仿生輪葉在滾筒下部呈卷曲姿勢，力臂短，挖泥阻力力矩小；且下層小流速的沖力作用小，卷曲的下部仿生輪葉受力面積小，減小了水流阻力力矩。

(4)持續掏挖清淤：仿生輪葉在滾筒下部呈卷曲姿勢，其背面的挖泥犁始終與河底淤泥面接觸，持續將河底淤泥攪起，提高工作效率。

(5)板型骨料之間設置彈簧鏈接，無需施加外力即可實現板型骨料隨著滾筒轉動自動伸展和卷曲。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明中彈簧鉸鏈的結構示意圖；

圖3為本發明的受力分析圖；

圖4為現有水車的受力分析圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1～圖2所示，一種水下仿生葉輪，是一種將類似于手指關節的機構運用于水下的仿生葉輪，它包括滾筒1、板型骨料2、浮體3、彈簧鉸鏈4和挖泥犁5等。

滾筒1位于水下，所述滾筒1的外壁周向均勻鉸接有4個仿生輪葉，每個所述仿生輪葉均包括3個首尾相互鉸接的板型骨料2，所述板型骨料2的正面連有浮體3，反面連有挖泥犁5。

所述鉸接為通過彈簧鉸鏈4連接。

所述彈簧鉸鏈4包括連接軸7，所述連接軸7兩側分別連有上連接板8和下連接板9，所述上連接板8與一個所述板型骨料2的尾端固定連接，所述下連接板與另一個所述板型骨料2的首端固定連接，每個所述連接軸7上均套有2個彈簧6，每個所述彈簧6的兩端均設置有向所述連接軸7徑向延伸的彈性支撐桿10，兩所述彈性支撐桿10方向相反。

所述上連接板8和下連接板9均連于所述板型骨料2的正面，所述板型骨料2的正面為迎水面。

所述仿生輪葉的長度為所述滾筒1周長的1/4。

所述板型骨料2的材質優選為鋼。

本發明在使用時沉沒于水中，利用河道水流上層流速大、下層流速小的垂向流速分布特征，仿生葉輪上部的輪葉為展開姿勢，受力面積大，力臂長，受上層大流速的沖力作用大，產生的動量矩大，具有四兩撥千斤之功效。

仿生葉輪下部的輪葉為卷曲姿勢，下層小流速的沖力作用小，且卷曲的輪葉受力面積小，力臂短，水流阻力產生的阻力動量矩小。安裝于仿生輪葉上的浮體3、彈簧鉸鏈4在轉過滾筒1最低點后，受水體浮力和彈簧鉸鏈4彈簧力的作用，迅速伸展，迎著水流，獲得最大的沖擊動力。

本發明在受水流沖力作用下而轉動滾筒1，仿生輪葉位于下部時卷曲在滾筒1上，仿生輪葉背面的挖泥犁5，攪起河床泥沙懸浮混入于水中，之后隨流水輸送到河流下游，直至河口。

如圖4所示，現有水車的受力分析如下：現有水車半徑r，軸承半徑為r，水沖力f1，摩擦力f，挖泥力f3，水面在軸承下h位置。

則有：f1*(r+h)*0.5＝f*r+f3*r，

整理后得：

如h很小，即水面越接近軸承，并忽略摩擦力時，現有水車的挖泥力f3約為水沖力f1的一半。

而如果h很大(h總是小于r)，即水面遠離軸承時，此時需要建造大型水車才能實現，而建造大型水車的成本高，而且f3永遠小于f1。

如圖3所示，本發明的仿生葉輪受力分析如下：本發明的仿生葉輪全部在水下運行，滾筒1半徑r，滾筒1周長l，仿生輪葉的長度為滾筒1周長的四分之一，本發明所受動力有水流沖力動力f1，浮力動力f2，挖泥阻力f3，摩擦力f。

將滾筒1和仿生葉輪綜合比重設計為1時，其在水中的重量為0，摩擦力f可以忽略不計。在圖3所示位置，其受力分析為：

(f1+f2)×(0.25πr+r)＝(f2+f3+f2*0.707)*r，

整理后得：1.785f1+1.785f2＝1.707f2+f3，

再整理后得：f3＝1.785f1+0.08f2，

由上式可見，本發明的挖泥力f3約為水流沖力f1的1.78倍，水面流速大，水流對上部仿生輪葉的沖力全部轉化為下部仿生輪葉的挖泥力。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種水下仿生葉輪，包括位于水下的滾筒（1），所述滾筒（1）的外壁周向均勻鉸接有若干仿生輪葉，所述仿生輪葉包括若干首尾相互鉸接的板型骨料（2），所述板型骨料（2）的正面連有浮體（3），反面連有挖泥犁（5）。本發明提供的一種水下仿生葉輪，仿生葉輪是仿制人類游泳時手指張開和收攏的過程，仿生輪葉位于滾筒上方迎水面時，伸展最大面積接受水流沖力，仿生輪葉位于滾筒下方背水面時，收攏于滾筒上，減小水流阻力；仿生輪葉在滾筒下部呈卷曲姿勢，其背面的挖泥犁始終與河底淤泥面接觸，持續將河底淤泥攪起，提高工作效率。

技術研發人員：舒大興
受保護的技術使用者：河海大學
技術研發日：2017.03.07
技術公布日：2017.07.14