一种双旋浆自平衡耕水机及实施方法与流程

本发明属于水体健康处理领域，尤其涉及一种双旋浆自平衡耕水机及实施方法。

背景技术：

耕水机是充分利用大自然的能量—风能、太阳能及被激活的水底生物能，用物理的方法使被污染的水体净化、水生态重建的机械装置。在耕水机旋转划水浆的作用下，水体流速的加快将耕水机回转中心部分的流体压力降低，表层水以“耕水机”为中心缓缓向四周流动和扩散，底层水源不断地提升进行补充，自然而然的形成涌升流，在涌升流的作用下，表层水和底层水形成置换和更新，周而复始，整个水域呈现流动、稳定、平衡的态势，使“流水不腐”的概念得以体现。耕水机的自身增氧能力不强，其主要作用是搅拌与曝气，搅拌时产生水体环流效应，使上下水层水体进行交换，从而达到水体溶解氧的均匀合理分布，打破水体溶氧分层的现象。水体的上下交换，使中下层水体的含氧量明显增加，从而激活底泥的生态功能，加速池塘塘底沉积的残饵、排泄物、腐败藻类的分解和转化，遏制了水体的腐败；同时，也为藻类和浮游生物提供了营养和食物，这有助于构建池塘底部良好的微生物结构，使水体恢复正常机能。检测数据证明，耕水机在养殖肥水中搅动，有利于浮游植物光合作用放氧，使养殖水中溶解氧过饱和，水温和水质均匀一致，可降低亚硝酸盐等有害物质的含量，分解水底残饵、养殖动物排泄物和残体等，减少养殖废水的排放量，降低了机械增氧的能耗，实现节能减排。

在使用过程中，由于耕水机叶片旋转产生扭矩，使耕水机位置发生偏移，需要借助底部构件、高架构件或绳索进行固定，而宽阔的水体或较深的水体不易进行固定，这一问题为耕水机的使用带来不便。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种简化操作，使叶片旋转时形成自平衡，工作过程中本发明不发生位置移动的双旋浆自平衡耕水机及实施方法。

本发明提供了一种双旋浆自平衡耕水机，包括曝气装置，所述曝气装置下部设有电机装置；耕水装置，所述耕水装置固定连接在曝气装置下部，所述耕水装置包括传动装置和耕水旋浆，所述传动装置连接上述电机装置，所述传动装置固定连接所述曝气装置下部；

所述耕水旋浆包括相反方向转动的第一耕水旋浆和第二耕水旋浆，所述第一耕水旋浆和第二耕水旋浆分别通过传动装置连接电机装置。

在上述技术方案中，优选的，所述传动装置包括

所述曝气装置内部沿重力方向平行设置的电机输出轴、从动轴、中心轴和圆套筒，所述圆套筒套设在中心轴中部，所述圆套筒和中心轴穿过曝气装置底部并伸至曝气装置下方，其中

所述圆套筒下方所述中心轴外圆周固定连接所述第二耕水旋浆，所述曝气装置下方所述圆套筒外圆周固定连接第一耕水旋浆，所述电机输出轴上固定连接第一双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一主动齿轮和第二主动齿轮，所述从动轴上固定连接第二双联齿轮，所述第二双联齿轮包括第一从动齿轮和第二从动齿轮，所述圆套筒上端固定连接第一耕水旋浆驱动齿轮，所述中心轴上端固定连接第二耕水旋浆驱动齿轮，所述电机输出轴通过第一主动齿轮啮合第一从动齿轮、第二从动齿轮啮合第二耕水旋浆驱动齿轮带动第二耕水旋浆与电机输出轴转动方向相同的转动，所述电机输出轴通过第二主动齿轮啮合第一耕水旋浆驱动齿轮带动第一耕水旋浆与电机输出轴转动方向相反的转动。

在上述技术方案中，优选的，所述耕水装置的圆套筒和中心轴外圆周沿轴向设有紧固件安装孔，所述第一耕水旋浆通过紧固件固定连接在圆套筒上，所述第二耕水旋浆通过紧固件固定连接中心轴上。

在上述技术方案中，优选的，所述第一耕水旋浆包括与圆套筒外圆周对应的第一耕水旋浆安装部，所述第一耕水旋浆安装部沿外圆周方向均布数个弧形安装孔；第一叶片，所述第一叶片通过紧固件紧固在所述弧形安装孔中与所述第一耕水旋浆安装部相连，所述第一叶片可通过调整其在所述弧形安装孔的安装位置调整第一叶片的导角α，所述第一叶片的导角α为第一叶片的宽度与其在重力方向投影的夹角，所述第一叶片可调整的导角α范围为0～30°；

所述第二耕水旋浆包括与所述中心轴外圆周对应的第二耕水旋浆安装部，所述第二耕水旋浆安装部沿外圆周方向均布数个所述弧形安装孔；第二叶片，所述第二叶片通过紧固件紧固在所述弧形安装孔中与所述第二耕水旋浆安装部相连，所述第二叶片可通过调整其在所述弧形安装孔的安装位置调整第二叶片的导角α，所述第二叶片的导角α为第二叶片的宽度与其在重力方向投影的夹角，所述第二叶片可调整的导角α范围为0～30°。

在上述技术方案中，优选的，所述曝气装置采用曝气机。

本发明还提供了所述双旋浆自平衡耕水机的实施方法，包括以下步骤：

a、根据水深确定曝气装置类型，根据选定的曝气装置类型确定曝气装置的固定高度h，所述固定高度h为水面到中心轴上端距离；

b、根据已确定的固定高度h，计算确定安装参数，所述安装参数包括中心轴上端到第一耕水旋浆距离h1、上下两旋桨装置间的距离为h2、第一叶片或第二叶片的导角α，所述第一叶片的导角α与第二叶片的导角α相等；

c、根据安装参数调整所述耕水装置；

d、将所述耕水装置固定连接在所述曝气装置的下方，即可使用。在上述技术方案中，优选的，所述安装参数的计算包括：

式中：l1为叶片在重力方向上投影的宽度，l为叶片的宽度；

第一叶片上边缘受静水压力为：

第一叶片下边缘受静水压力为：

作用于第一叶片的静水压力：

式中：b为叶片的长度，γ为水的容重，γ＝gh，γ＝ρg

m＝flf＝fpsinα

故叶片受静水压力的力矩：m水阻＝b×fpsinα

电机装置产生的旋转动力矩：

式中：p为电机装置功率，n为电机装置转速；

第一叶片的合力矩：m上＝t－nfpsinα×b

式中：n为第一旋桨装置或第二旋桨装置叶片的数量；

作用于第一叶片的静水压力：

作用于第二叶片的静水压力：

第二叶片的合力矩：－m下＝t－nfp2sinα×b

若令|m上|＝|m下|，可调距离h2和α角；

若n＝3，重力方向受力为：

g1＝m1g，式中：m1为曝气装置重量；

g2＝m2g，式中：m2为单个叶片重量；

g3＝m3g，式中：m3为电机装置重量；

g4＝m4g，式中：m4为轴承重量；

则，f浮+fp1cosα+γh+fp2cosα+3γ(h+h1)+3γ(h+h1+h2)＝g1+g2+g3+g4

式中：f浮为曝气装置产生浮力。

综上所述，本发明双旋浆自平衡耕水机，同轴线布置上层的第一耕水旋浆和下层的第二耕水旋浆，电机装置通过传动装置驱动双层耕水旋浆呈互为相反方向转动，既能实现耕水作用，同时形成动态自主平衡，工作时不再需要借助底部构件、高架构件或绳索进行固定，便于操作。第一耕水旋浆或第二耕水旋浆通过紧固件固定连接圆套筒或中心轴，实现第一耕水旋浆和第二耕水旋浆安装高度的调整；第一叶片或第二叶片可调整在弧形安装孔中的安装位置，进而调整第一叶片或第二叶片的导角，保证第一耕水旋浆和第二耕水旋浆的力矩平衡。耕水装置上部设有曝气装置，既能搅动循环上下层水体，又能实现曝气。通过设计结构、水动力学计算、静水压力计算和稳定分析计算和cfd水动力性能分析计算，在不同水深条件下，通过确定h后，再结合相关的数据分析，确定调整h1、h2、上下层叶片导角α，使本发明通过双层耕水旋浆双向旋转的方式在水中达到动态自主平衡。

附图说明

图1是本发明实施例提供的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的立体图；

图3是本发明实施例提供的第一耕水旋浆安装部或第二耕水旋浆安装部的主视图；

图4是本发明实施例提供的第一叶片或第二叶片的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的传动装置的原理示意图；

图6是本发明实施例提供的第一叶片的受力分析图；

图7是本发明实施例提供的第一叶片或第二叶片导角的示意图；

图8是本发明实施例提供的叶片受静水压力的力矩示意图；

图9是本发明实施例提供的第二叶片的受力分析图。

图中：1、曝气装置；2、电机装置；3、耕水装置；3-1、耕水旋浆；4、第一耕水旋浆；4-1、第一耕水旋浆安装部；4-2、第一叶片；5、第二耕水旋浆；5-1、第二耕水旋浆安装部；5-2、第二叶片；6、传动装置；6-1、电机输出轴；6-2、从动轴；6-3、中心轴；6-4、圆套筒；6-5、第一主动齿轮；6-6、第二主动齿轮；6-7、第一从动齿轮；6-8、第二从动齿轮；6-9、第一耕水旋浆驱动齿轮；6-10、第二耕水旋浆驱动齿轮；9、紧固件安装孔；10、弧形安装孔；12、紧固件连接孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种双旋浆自平衡耕水机及实施方法简化操作，使叶片旋转时形成自平衡，工作过程中本发明不发生位置移动，为了进一步说明本发明，结合附图进行详细阐述如下：

一种双旋浆自平衡耕水机，包括曝气装置1，所述曝气装置1下部设有电机装置2；耕水装置3，所述耕水装置3固定连接在曝气装置1下部，所述耕水装置3包括传动装置6和耕水旋浆3-1，所述传动装置6连接上述电机装置2，所述传动装置6固定连接所述曝气装置1下部；所述耕水旋浆3-1包括相反方向转动的第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5，所述第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5分别通过传动装置6连接电机装置2。

如图1、图2所示，耕水装置3上部设有曝气装置1，可对水体进行曝气，高效提升水中的溶解氧，其中，耕水装置3和曝气装置1可分别独立工作，也可同时工作，既能搅动循环上下层水体，又能实现曝气。耕水装置3包括沿重力方向的双层耕水旋浆，传动装置6可采用齿轮副机构，实现第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5的双向转动。其中，电机装置可设置为两个电机，即包括曝气装置的第一电机和耕水装置的第二电机，电机装置也可设置为双输出电机，为曝气装置和耕水装置同时提供电能。这样，电机装置2通过传动装置6驱动双层耕水旋浆呈互为相反方向转动，既能实现耕水作用，拨动水体形成立体循环弱水流，改善水动力条件，促进水体循环，实现第一耕水旋浆和第二耕水旋浆的力矩平衡进而形成动态自主平衡，工作时不再需要借助底部构件、高架构件或绳索进行固定，便于操作。

在上述技术方案中，优选的，所述传动装置6包括所述曝气装置1内部沿重力方向平行设置的电机输出轴6-1、从动轴6-2、中心轴6-3和圆套筒6-4，所述圆套筒6-4套设在中心轴6-3中部，所述圆套筒6-4和中心轴6-3穿过曝气装置1底部并伸至曝气装置1下方，其中：所述圆套筒6-4下方所述中心轴6-3外圆周固定连接所述第二耕水旋浆5，所述曝气装置1下方所述圆套筒6-4外圆周固定连接第一耕水旋浆4，所述电机输出轴6-1上固定连接第一双联齿轮，所述第一双联齿轮包括第一主动齿轮6-5和第二主动齿轮6-6，所述从动轴6-2上固定连接第二双联齿轮，所述第二双联齿轮包括第一从动齿轮6-7和第二从动齿轮6-8，所述圆套筒6-4上端固定连接第一耕水旋浆驱动齿轮6-9，所述中心轴6-3上端固定连接第二耕水旋浆驱动齿轮6-10，所述电机输出轴6-1通过第一主动齿轮6-5啮合第一从动齿轮6-7、第二从动齿轮6-8啮合第二耕水旋浆驱动齿轮6-10带动第二耕水旋浆5与电机输出轴6-1转动方向相同的转动，所述电机输出轴6-1通过第二主动齿轮6-6啮合第一耕水旋浆驱动齿轮6-9带动第一耕水旋浆4与电机输出轴6-1转动方向相反的转动。

如图5所示，电机输出轴6-1通过第一主动齿轮6-5啮合第一从动齿轮6-7传递扭矩，带动中心轴6-3转动，使第二耕水旋浆5呈与电机输出轴6-1转动方向同向的转动；电机输出轴6-1通过第二主动齿轮6-6直接啮合第一耕水旋浆驱动齿轮6-9带动圆套筒6-4转动，使第一耕水旋浆4呈与电机输出轴6-1转动方向相反的转动。

在上述技术方案中，优选的，所述耕水装置3的圆套筒6-4和中心轴6-3外圆周沿轴向设有紧固件安装孔9，所述第一耕水旋浆4通过紧固件固定连接在圆套筒6-4上，所述第二耕水旋浆5通过紧固件固定连接中心轴6-3上。

如图1所示，第一耕水旋浆4固定连接在曝气装置1下方圆套筒6-4外圆周上的紧固件安装孔9中，第二耕水旋浆5固定连接在圆套筒6-4下方中心轴6-3外圆周上的紧固件安装孔9中，通过调整在紧固件安装孔9中的安装位置可以调整第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5的安装高度，从而适应不同水深，提高耕水效率，改善水动力条件。进一步，紧固件安装孔9可设为宽度为0.1m，长度为0.1m至2m；固定方式可采用螺装或者卡扣等可拆卸的固定方式。

在上述技术方案中，所述第一耕水旋浆4包括与圆套筒6-4外圆周对应的第一耕水旋浆安装部4-1，所述第一耕水旋浆安装部4-1沿外圆周方向均布数个弧形安装孔10；第一叶片4-2，所述第一叶片4-2通过紧固件紧固在所述弧形安装孔10中与所述第一耕水旋浆安装部4-1相连，所述第一叶片4-2可通过调整其在所述弧形安装孔10的安装位置调整第一叶片4-2的导角α，所述第一叶片4-2的导角α为第一叶片4-2的宽度与其在重力方向投影的夹角，所述第一叶片4-2可调整的导角α范围为0～30°；

所述第二耕水旋浆5包括与所述中心轴6-3外圆周对应的第二耕水旋浆安装部5-1，所述第二耕水旋浆安装部5-1沿外圆周方向均布数个所述弧形安装孔10；第二叶片5-2，所述第二叶片5-2通过紧固件紧固在所述弧形安装孔10中与所述第二耕水旋浆安装部5-1相连，所述第二叶片5-2可通过调整其在所述弧形安装孔10的安装位置调整第二叶片5-2的导角α，所述第二叶片5-2的导角α为第二叶片5-2的宽度与其在重力方向投影的夹角，所述第二叶片5-2可调整的导角α范围为0～30°。

如图1、图3、图4所示，通过第一叶片4-2或第二叶片5-2的导角α，可适应不同水深，保证第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5的力矩平衡。优选的，所述弧形安装孔10可采用半环形安装孔。

优选的，第一耕水旋浆4和第一耕水旋浆4上分别均布3个弧形安装孔10，第一叶片4-2和第二叶片5-2也对应分别设有3片，两叶片间夹角均为120°，3个第一叶片4-2或第二叶片5-2先调整好角度，再通过紧固件固定紧固件连接孔12和弧形安装孔10实现叶片的固定；3个第二叶片5-2先调整好角度，再通过紧固件固定紧固件连接孔12和弧形安装孔10实现第二叶片的固定。进一步，所述弧形安装孔10上设有旋转刻度，便于第一叶片4-2或第二叶片5-2在弧形安装孔10内角度的确定。

在上述技术方案中，优选的，所述曝气装置1采用曝气机。

该技术方案中，所述曝气机可采用从市面采购的曝气机。

本发明还提供了上述技术方案所述双旋浆自平衡耕水机的实施方法，包括以下步骤：

a、根据水深确定曝气装置1类型，根据选定的曝气装置1类型确定曝气装置1的固定高度h，所述固定高度h为水面到中心轴6-3上端距离；

b、根据已确定的固定高度h，计算确定安装参数，所述安装参数包括中心轴6-3上端到第一耕水旋浆4距离h1、上下两旋桨装置间的距离为h2、第一叶片4-2或第二叶片5-2的导角α，所述第一叶片4-2的导角α与第二叶片5-2的导角α相等；

c、根据安装参数调整所述耕水装置3；

d、将所述耕水装置3固定连接在所述曝气装置1的下方，即可使用。如图1所示，先根据曝气装置1类型确定h，然后可通过计算确定调整其他参数，实现水下双层耕水旋浆双向旋转达到动态平衡。本技术方案包括上述技术方案中的双旋浆自平衡耕水机，因此具有上述有益效果，此处不再赘述。

在上述技术方案中，优选的，如图6至图9所示，所述安装参数的计算包括：

式中：如图7所示，l1为叶片在重力方向上投影的宽度，l为叶片的宽度；

第一叶片4-2上边缘受静水压力为：

第一叶片4-2下边缘受静水压力为：

作用于第一叶片4-2的静水压力：

式中：b为叶片的长度，γ为水的容重，γ＝gh，γ＝ρg，

m＝flf＝fpsinα

故如图6、图8所示，阴影部分矩形的面积为叶片受静水压力的力矩：m水阻＝b×fpsinα

电机装置2产生的旋转动力矩：

式中：p为电机装置2功率，n为电机装置2转速；

第一叶片4-2的合力矩：m上＝t－nfpsinα×b

式中：n为第一旋桨装置4或第二旋桨装置5叶片的数量；

作用于第一叶片4-2的静水压力：

作用于第二叶片5-2的静水压力：

如图8、图9所示，第二叶片5-2的合力矩：－m下＝t－nfp2sinα×b

若令|m上|＝|m下|，可调距离h2和α角；

若n＝3，重力方向受力为：

g1＝m1g，式中：m1为曝气装置重量；

g2＝m2g，式中：m2为单个叶片重量；

g3＝m3g，式中：m3为电机装置重量；

g4＝m4g，式中：m4为轴承重量；

则，f浮+fp1cosα+γh+fp2cosα+3γ(h+h1)+3γ(h+h1+h2)＝g1+g2+g3+g4

式中：f浮为曝气装置产生浮力。

该技术方案中，通过受力分析可调整h1和h2，通过力矩平衡可调整α角，从而实现水下双层耕水旋浆双向旋转达到动态平衡。

工作原理：本发明双旋浆自平衡耕水机中同轴线布置双层耕水旋浆，电机装置2通过传动装置6驱动双层耕水旋浆呈互为相反方向转动，既能实现耕水作用，同时形成动态自主平衡，工作时不再需要借助底部构件、高架构件或绳索进行固定，便于操作。第一耕水旋浆4或第二耕水旋浆5通过紧固件固定连接圆套筒6-4或中心轴6-3，实现第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5安装高度的调整；第一叶片4-2或第二叶片5-2可调整在弧形安装孔10中的安装位置，进而调整第一叶片4-2或第二叶片5-2的导角，保证第一耕水旋浆4和第二耕水旋浆5的力矩平衡。耕水装置3上部设有曝气装置1，既能搅动循环上下层水体，又能实现曝气。通过设计结构、水动力学计算、静水压力计算和稳定分析计算和cfd水动力性能分析计算，在不同水深条件下，通过确定h后，再结合相关的数据分析，确定调整h1、h2、上下层叶片导角α，使本发明通过双层耕水旋浆双向旋转的方式在水中达到动态自主平衡。该设计优化了结构设计，完成了模型的研制，进行了试运行，状态稳定，效果良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。