CN101551303B - 利用静水压力驱动的沉积物取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用静水压力驱动的沉积物取样器。现有装置插入深度有限，支撑框架大且笨重。本发明包括配流部件、驱动部件、冲击部件、取样管装置。冲击部件包括筒体、冲击活塞缸和滑动活塞；配流部件包括支撑筒、配流阀和压缩弹簧；驱动部件包括驱动活塞缸和驱动活塞；取样管装置包括取样管、单向阀和卡簧。本发明结合了“重力驱动”和“振动驱动”两种驱动形式，能利用取样器本身重力势能和相当可观的静水压力能，取样深度更深，并提高了样品采集率。

Description

利用静水压力驱动的沉积物取样器

技术领域

本发明属于机械设备技术领域，涉及一种适合于海底各类软岩层的钻探取芯，如沉积物、土壤、冻土、冰，尤其适合于沉积物钻探取芯的利用静水压驱动的取样器。

技术背景

海洋占地球总面积的70.78％，对大洋深处广泛覆盖的海底沉积物进行取样研究具有重要的科学意义。对于深海沉积物取样器，其理想状况是：软、硬沉积物均可被采集，能适应海底复杂工况和设备轻量化，而传统的重力取样器和振动取样器均有其劣势存在。重力取样器优点在于操作简便和取样管较长，但只能用于较松软的沉积物取样，在用于较硬沉积物取样时，插入深度有限，并且该类取样器头重脚轻和长度较长，在各种因素影响下很难垂直插入海底沉积物(如：CN02150917.4；CN02156223.7；CN200420044638.7)；对于振动取样器，其非常适合在较硬的沉积物区取样，但其劣势在于支撑框架大且笨重，需要从母船供能来驱动电机或液压马达动作，当工作深度较大时，能量供应比较麻烦。因此，有必要设计一种新的深海沉积物取样器能够结合上述两大取样器的优点，摒弃其缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于海底各类软岩层钻探取芯，如沉积物、土壤、冻土、冰，尤其适合于沉积物钻探取芯的静水压力驱动的取样器，它能适应海底复杂工况和实现设备轻量化。

本发明的利用静水压力驱动的沉积物取样器包括配流部件、驱动部件、冲击部件、取样管装置。

所述的冲击部件包括上端盖、筒体、下端盖、导向套、冲击活塞缸、滑动活塞、活塞挡圈。上端盖和下端盖分别固定在筒体的两个端面上，上端盖中心开有支撑筒安装孔，上端盖的顶面对应支撑筒安装孔位置固定设置有起吊块，起吊块上开有与支撑筒安装孔连通的进水孔，起吊块上固定设置有吊环；下端盖沿轴向开有活塞杆孔和筒体排水孔，其中活塞杆孔位于下端盖的中心；导向套的纵截面为T形，包括水平的安装板部分和竖直的活塞杆导向管部分，安装板部分固定连接在下端盖的底部，活塞杆导向管部分与下端盖的活塞杆孔紧密配合；冲击活塞缸为圆筒形，其顶部与导向套固定连接，底部同轴固定设置有活塞挡圈，冲击活塞缸的上部侧壁开有活塞缸排水孔；所述的活塞挡圈为圆环形，其内径小于冲击活塞缸的内径；滑动活塞的纵截面为T形，其上部为宽径圆柱部分、下部为窄径圆柱部分，宽径圆柱部分的外径与冲击活塞缸的内径匹配，窄径圆柱部分的外径与活塞挡圈的内径匹配，滑动活塞可以沿冲击活塞缸内腔滑动，同时通过活塞挡圈限位；沿滑动活塞的中心轴开有取样管滑动孔，取样管滑动孔一端封闭、另一端开口于滑动活塞的底部，滑动活塞的顶部开有漏水通孔；滑动活塞底部同轴固定设置有取样管挡圈，所述的取样管挡圈为圆环形，其内径小于取样管滑动孔的内径；

配流部件包括支撑筒、法兰、配流阀、挡板、压缩弹簧、支撑板、配流块、上活塞杆。

配流阀的顶部与法兰固定连接，底部与挡板固定连接，法兰和挡板均沿支撑筒内壁圆周与支撑筒固定连接；所述的法兰的纵截面为T形，包括上盖部分和套筒部分，其中上盖部分沿轴向开有法兰通水口，挡板上沿轴向对应法兰通水口位置开有挡板通水口；配流阀包括配流阀芯和套置于配流阀芯外的配流阀体；

配流阀体为圆柱筒形，外径与支撑筒内径匹配，配流阀体的内壁中部沿圆周开有两条平行的环形沟槽；配流阀体的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管和下通水管，上通水管的一端与法兰通水口连通、另一端开口于上部环形沟槽的底部；下通水管的一端与挡板通水口连通、另一端开口于下部环形沟槽的底部；配流阀体侧壁的上部沿径向开有上通水孔、下部沿径向开有下通水孔、中部沿径向开有排水孔，上通水孔、下通水孔和排水孔分别与支撑筒侧壁的开孔位置对应；法兰的套筒部分设置在配流阀体内，套筒部分的侧壁与上通水孔对应位置开有上通孔；支撑板和配流块设置在配流阀体内，配流块设置在支撑板和挡板之间，所述的配流块为圆柱筒形，配流块的侧壁与下通水孔对应位置开有下通孔；

配流阀芯包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体的内径匹配，中间段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆环形通水槽；配流阀芯的顶部通过压缩弹簧与法兰配合连接；

上活塞杆依次穿过法兰、配流阀芯、支撑板、配流块和挡板设置，沿上活塞杆的圆周开有上环形槽、中环形槽和下环形槽，上活塞杆17内沿中心轴开有中心孔，中心孔的一端开口于上活塞杆的底部，另一端与上环形槽底部开口连通，下环形槽底部开口与中心孔相连通。

驱动部件包括驱动活塞缸、驱动活塞、中隔圈、下活塞杆。驱动活塞缸的外径支撑筒内径匹配，并固定设置在支撑筒内；中隔圈固定在驱动活塞缸的下端面，驱动活塞缸的上端面与配流部件的挡板底部固定连接；驱动活塞活动设置在驱动活塞缸内，驱动活塞缸下部开有活塞缸排水口，活塞缸排水口与支撑筒侧壁的开孔位置对应。上活塞杆的底部伸入驱动活塞内，并与下活塞杆的顶部螺纹连接，下活塞杆的底部与冲击部件中的滑动活塞固定连接。

取样管装置包括取样管、取样管顶盖、单向阀和卡簧。取样管的上部设置在冲击活塞缸的取样管滑动孔内，取样管的外径小于取样管滑动孔的直径，取样管顶盖固定设置在取样管的上端面，取样管顶盖的直径与取样管滑动孔的直径匹配，取样管可以沿取样管滑动孔滑动，同时通过取样管挡圈限位，取样管顶盖的中心开有取样管排水孔；

单向阀包括单向阀阀体和单向阀阀芯；单向阀阀体为圆筒形，其上端面开放、下端面中心开有单向阀孔，单向阀阀芯设置在单向阀阀体内，位置与单向阀孔位置对应，弹簧一端固定在取样管顶盖的下端面，另一端与单向阀阀芯固定连接；取样管的底部为圆锥形，卡簧设置在取样管的底部。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：它结合了“重力驱动”和“振动驱动”两种驱动形式，能利用取样器本身重力势能和相当可观的静水压力能，因此取样深度更深；“振动驱动”形式使它采样时“桩效应”程度明显减轻，提高了样品采集率。本发明可对水深大于300米的海底沉积物、土壤、冻土、冰等软岩层正常取样；当水深小于300米时，可用高压水泵作为取样器的高压水源使用。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1中配流部件和驱动部件结构示意图；

图3是图1中取样管装置件结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，该沉积物取样器包括配流部件、驱动部件、冲击部件、取样管装置。

冲击部件包括上端盖3、筒体4、下端盖6、导向套21、冲击活塞缸9、滑动活塞10、活塞挡圈12。上端盖3和下端盖6分别固定在筒体4的两个端面上，上端盖3中心开有支撑筒安装孔，上端盖3的顶面对应支撑筒安装孔位置固定设置有起吊块2，起吊块2上开有与支撑筒安装孔连通的进水孔16，起吊块2上固定设置有吊环1；下端盖6沿轴向开有活塞杆孔和筒体排水孔7，其中活塞杆孔位于下端盖6的中心；导向套21的纵截面为T形，包括水平的安装板部分和竖直的活塞杆导向管部分，安装板部分固定连接在下端盖6的底部，活塞杆导向管部分与下端盖6的活塞杆孔紧密配合；冲击活塞缸9为圆筒形，其顶部与导向套21固定连接，底部同轴固定设置有活塞挡圈12，冲击活塞缸9的上部侧壁开有活塞缸排水孔8。活塞挡圈12为内径小于冲击活塞缸9内径的圆环形。滑动活塞10的纵截面为T形，其上部为宽径圆柱部分、下部为窄径圆柱部分，宽径圆柱部分的外径与冲击活塞缸9的内径匹配，窄径圆柱部分的外径与活塞挡圈12的内径匹配，滑动活塞10可以沿冲击活塞缸9内腔滑动，同时通过活塞挡圈12限位；沿滑动活塞10的中心轴开有取样管滑动孔11，取样管滑动孔11一端封闭、另一端开口于滑动活塞10的底部，滑动活塞10的顶部开有漏水通孔23；滑动活塞10底部同轴固定设置有取样管挡圈13，所述的取样管挡圈13为圆环形，其内径小于取样管滑动孔11的内径。

如图2，配流部件包括支撑筒5、法兰25、配流阀、挡板35、压缩弹簧39、支撑板45、配流块46、上活塞杆17。

配流阀的顶部与法兰25固定连接，底部与挡板35固定连接，法兰25和挡板35均沿支撑筒5内壁圆周与支撑筒5固定连接。法兰25的纵截面为T形，包括上盖部分和套筒部分，其中上盖部分沿轴向开有法兰通水口37，挡板35上沿轴向对应法兰通水口37位置开有挡板通水口47；配流阀包括配流阀芯40和套置于配流阀芯40外的配流阀体28；

配流阀体28为圆柱筒形，外径与支撑筒5内径匹配，配流阀体28的内壁中部沿圆周开有两条平行的环形沟槽；配流阀体28的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管38和下通水管44，上通水管38的一端与法兰通水口37连通、另一端开口于上部环形沟槽29的底部；下通水管44的一端与挡板通水口47连通、另一端开口于下部环形沟槽30的底部；配流阀体28侧壁的上部沿径向开有上通水孔27、下部沿径向开有下通水孔34、中部沿径向开有排水孔31，上通水孔27、下通水孔34和排水孔31分别与支撑筒5侧壁的开孔位置对应；法兰25的套筒部分设置在配流阀体28内，套筒部分的侧壁与上通水孔27对应位置开有上通孔26；支撑板45和配流块46设置在配流阀体28内，配流块46设置在支撑板45和挡板35之间，配流块46为圆柱筒形，配流块46的侧壁与下通水孔34对应位置开有下通孔33；

配流阀芯40包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体28的内径匹配，中间段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯40整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆环形通水槽41；配流阀芯40的顶部通过压缩弹簧39与法兰25配合连接；

上活塞杆17依次穿过法兰25、配流阀芯40、支撑板45、配流块46和挡板35设置，沿上活塞杆17的圆周开有上环形槽43、中环形槽32和下环形槽50，上活塞杆17内沿中心轴开有中心孔48，中心孔48的一端开口于上活塞杆17的底部，另一端与上环形槽底部开口42连通，下环形槽底部开口49与中心孔48相连通。

驱动部件包括驱动活塞缸36、驱动活塞18、中隔圈20、下活塞杆22。驱动活塞缸36的外径支撑筒5内径匹配，并固定设置在支撑筒5内；中隔圈20固定在驱动活塞缸36的下端面，驱动活塞缸36的上端面与配流部件的挡板35底部固定连接；驱动活塞18活动设置在驱动活塞缸36内，驱动活塞缸36下部开有活塞缸排水口19，活塞缸排水口19与支撑筒5侧壁的开孔位置对应。上活塞杆17的底部伸入驱动活塞18内，并与下活塞杆22的顶部螺纹连接，下活塞杆22的底部与冲击部件中的滑动活塞10固定连接。

如图3，取样管装置包括取样管14、取样管顶盖24、单向阀和卡簧15。取样管14的上部设置在冲击活塞缸10的取样管滑动孔11内，取样管14的外径小于取样管滑动孔11的直径，取样管顶盖24固定设置在取样管14的上端面，取样管顶盖24的直径与取样管滑动孔11的直径匹配，取样管14可以沿取样管滑动孔11滑动，同时通过取样管挡圈13限位，取样管顶盖24的中心开有取样管排水孔51。

单向阀包括单向阀阀体53和单向阀阀芯54；单向阀阀体53为圆筒形，其上端面开放、下端面中心开有单向阀孔55，单向阀阀芯54设置在单向阀阀体53内，位置与单向阀孔55位置对应，弹簧52一端固定在取样管顶盖24的下端面，另一端与单向阀阀芯54固定连接；取样管14的底部为圆锥形，卡簧15设置在取样管14的底部。

该沉积物取样器工作过程是：取样器由船上缆车吊放下水，取样器在离海底一定距离时自由落体。配流阀芯40的下端面通过上活塞杆17的中环形槽32，下通孔33和下通水孔34与低压腔连通；配流阀芯40的上端面则通过上通孔26，上通水孔27与低压腔连通，因此配流阀芯40在压缩弹簧39作用下处于下极限位置，封闭上部环形沟槽29，同时打开排水口31。驱动活塞缸36的上腔和下腔均和低压腔连通并且上活塞杆17和下活塞杆22截面积相等，上，下承受压力相互抵消。因此，驱动活塞18在自身重力作用下处于驱动活塞缸36的底部；滑动活塞10在自身重力作用下处于冲击活塞缸9的底部；取样管装置也由于自身重力由取样管挡圈13支承在取样管滑动孔11的底部。

取样器在自身重力作用下插入沉积物。单向阀阀芯54开启，取样管14上部的水经过单向阀孔55，取样管排水孔51被排出管外，使沉积物能顺利进入取样管14；取样器插入沉积物一定深度并停止后，法兰25上方的高压海水经过上环形槽底部开口42，中心孔48和下环形槽底部开口49通向配流阀芯40下端。配流阀芯40在下端面高压下处于上极限位置，开启上部环形沟槽29，关闭排水口31。外界高压海水经上部环形沟槽29，下部环形沟槽30，圆环形通水槽41和下通水管44进入驱动活塞缸36上腔，推动驱动活塞18运动，将冲击锤顶起。冲击锤上升到一定高度，活塞挡圈12与滑动活塞10相碰，冲击锤带着滑动活塞10一起向上运动；取样管滑动孔11顶部和取样管14脱离接触向上运动，直至停止。

当冲击锤上升到上极限位置时，配流阀芯40的下端面通过上活塞杆17的中环形槽32，下通孔33和下通水孔34与低压腔连通；配流阀芯40的上端面则通过上通孔26，上通水孔27与低压腔连通，因此配流阀芯40在压缩弹簧39作用下处于下极限位置，封闭上部环形沟槽29，同时打开排水口31；冲击锤在自身重力作用下下落；驱动活塞缸36上腔的海水通过下通水管44，下部环形沟槽30，圆环形通水槽41和排水孔31排入低压腔；低压腔的海水通过支撑筒5和驱动活塞缸36底部侧壁小孔进入驱动活塞缸36下腔；冲击锤下落打击取样管14，使取样管插入沉积物一定深度并停止。由此一个振动取样单程结束，取样器重复此单程，直到低压腔被海水充满。取样器上提时，单向阀关闭，吸空切断沉积物，保证进入取样管14内的沉积物不至漏出。

Claims (1)

1.利用静水压力驱动的沉积物取样器，包括配流部件、驱动部件、冲击部件和取样管装置，其特征在于：

所述的冲击部件包括上端盖(3)、筒体(4)、下端盖(6)、导向套(21)、冲击活塞缸(9)、滑动活塞(10)、活塞挡圈(12)；上端盖(3)和下端盖(6)分别固定在筒体(4)的两个端面上，上端盖(3)中心开有支撑筒安装孔，上端盖(3)的顶面对应支撑筒安装孔位置固定设置有起吊块(2)，起吊块(2)上开有与支撑筒安装孔连通的进水孔(16)，起吊块(2)上固定设置有吊环(1)；下端盖(6)沿轴向开有活塞杆孔和筒体排水孔(7)，其中活塞杆孔位于下端盖(6)的中心；导向套(21)的纵截面为T形，包括水平的安装板部分和竖直的活塞杆导向管部分，安装板部分固定连接在下端盖(6)的底部，活塞杆导向管部分与下端盖(6)的活塞杆孔紧密配合；冲击活塞缸(9)为圆筒形，其顶部与导向套(21)固定连接，底部同轴固定设置有活塞挡圈(12)，冲击活塞缸(9)的上部侧壁开有活塞缸排水孔(8)；所述的活塞挡圈(12)为圆环形，其内径小于冲击活塞缸(9)的内径；滑动活塞(10)的纵截面为T形，其上部为宽径圆柱部分、下部为窄径圆柱部分，宽径圆柱部分的外径与冲击活塞缸(9)的内径匹配，窄径圆柱部分的外径与活塞挡圈(12)的内径匹配，滑动活塞(10)可以沿冲击活塞缸(9)内腔滑动，同时通过活塞挡圈(12)限位；沿滑动活塞(10)的中心轴开有取样管滑动孔(11)，取样管滑动孔(11)一端封闭、另一端开口于滑动活塞(10)的底部，滑动活塞(10)的顶部开有漏水通孔(23)；滑动活塞(10)底部同轴固定设置有取样管挡圈(13)，所述的取样管挡圈(13)为圆环形，其内径小于取样管滑动孔(11)的内径；

所述的配流部件包括支撑筒(5)、法兰(25)、配流阀、挡板(35)、压缩弹簧(39)、支撑板(45)、配流块(46)、上活塞杆(17)；配流阀的顶部与法兰(25)固定连接，底部与挡板(35)固定连接，法兰(25)和挡板(35)均沿支撑筒(5)内壁圆周与支撑筒(5)固定连接；所述的法兰(25)的纵截面为T形，包括上盖部分和套筒部分，其中上盖部分沿轴向开有法兰通水口(37)，挡板(35)上沿轴向对应法兰通水口(37)位置开有挡板通水口(47)；配流阀包括配流阀芯(40)和套置于配流阀芯(40)外的配流阀体(28)；

所述的配流阀体(28)为圆柱筒形，外径与支撑筒(5)内径匹配，配流阀体(28)的内壁中部沿圆周开有两条平行的环形沟槽；配流阀体(28)的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管(38)和下通水管(44)，上通水管(38)的一端与法兰通水口(37)连通、另一端开口于上部环形沟槽(29)的底部，下通水管(44)的一端与 挡板通水口(47)连通、另一端开口于下部环形沟槽(30)的底部；配流阀体(28)侧壁的上部沿径向开有上通水孔(27)、下部沿径向开有下通水孔(34)、中部沿径向开有排水孔(31)，上通水孔(27)、下通水孔(34)和排水孔(31)分别与支撑筒(5)侧壁的开孔位置对应；法兰(25)的套筒部分设置在配流阀体(28)内，套筒部分的侧壁与上通水孔(27)对应位置开有上通孔(26)；支撑板(45)和配流块(46)设置在配流阀体(28)内，配流块(46)设置在支撑板(45)和挡板(35)之间，所述的配流块(46)为圆柱筒形，配流块(46)的侧壁与下通水孔(34)对应位置开有下通孔(33)；

所述的配流阀芯(40)包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体(28)的内径匹配，中间段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯(40)整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆环形通水槽(41)；配流阀芯(40)的顶部通过压缩弹簧(39)与法兰(25)配合连接；上活塞杆(17)依次穿过法兰(25)、配流阀芯(40)、支撑板(45)、配流块(46)和挡板(35)设置，沿上活塞杆(17)的圆周分别开有上环形槽(43)、中环形槽(32)和下环形槽(50)，上活塞杆(17)内沿中心轴开有中心孔(48)，中心孔(48)的一端开口于上活塞杆(17)的底部，另一端与上环形槽底部开口(42)连通，下环形槽底部开口(49)与中心孔(48)相连通；

所述的驱动部件包括驱动活塞缸(36)、驱动活塞(19)、中隔圈(20)、下活塞杆(22)；驱动活塞缸(36)的外径与支撑筒(5)的内径匹配，并固定设置在支撑筒(5)内；中隔圈(20)固定在驱动活塞缸(36)的下端面，驱动活塞缸(36)的上端面与配流部件的挡板(35)底部固定连接；驱动活塞(19)活动设置在驱动活塞缸(36)内，驱动活塞缸(36)下部开有活塞缸排水口(19)，活塞缸排水口(19)与支撑筒(5)侧壁的开孔位置对应；上活塞杆(17)的底部伸入驱动活塞(19)内，并与下活塞杆(22)的顶部螺纹连接，下活塞杆(22)的底部与冲击部件中的滑动活塞(10)固定连接；

所述的取样管装置包括取样管(14)、取样管顶盖(24)、单向阀和卡簧(15)；取样管(14)的上部设置在冲击活塞缸(10)的取样管滑动孔(11)内，取样管(14)的外径小于取样管滑动孔(11)的直径，取样管顶盖(24)固定设置在取样管(14)的上端面，取样管顶盖(24)的直径与取样管滑动孔(11)的直径匹配，取样管(14)可以沿取样管滑动孔(11)滑动，同时通过取样管挡圈(13)限位，取样管顶盖(24)的中心开有取样管排水孔(51)；

所述的单向阀包括单向阀阀体(53)和单向阀阀芯(54)；单向阀阀体(53)为圆筒形，其上端面开放、下端面中心开有单向阀孔(55)；单向阀阀芯(54)设置在单向阀阀体(53)内，位置与单向阀孔(55)位置对应，弹簧(52)一端固定在取样管顶盖(24)的下端面，另一端与单向阀阀芯(54)固定连接；取样管(14)的底部为圆锥形，卡簧(15)设置在取样管(14)的底部。 

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