CN101639415A - 机械手持式深海静水压力驱动取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手持式深海静水压力驱动取样器。现有机械手持式采样器只能采集非常软的沉积物样品。本发明包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件。机械手持部件的手柄可以沿手持杆上下滑动。冲击驱动部件包括同轴设置的冲击筒、高压筒、支撑筒和导向筒，以及上端盖、下端盖、配流阀、上活塞杆、下活塞杆、驱动活塞。上活塞杆穿过配流阀设置，下活塞杆穿过下端盖设置，下活塞杆的底部与取样筒部件中的保压筒的顶部固定连接。取样筒部件包括插筒、刀筒和衬筒。本发明利用了深海静水压力能，既能对深海的软沉积物进行采集，又可以对较硬的沉积物进行采集，是一套专门供ROV和载人深潜器在深海利用机械手进行沉积物采样的无源采样装置。

Description

机械手持式深海静水压力驱动取样器

技术领域

本发明属于机械设备技术领域，涉及一种利用深海原位静水压力能驱动采样的机械手持式深海取样器，适合于海底各类软岩层的钻探取芯。

技术背景

对于在海下一定深度作业的设备而言，海洋静水压力能是一个可供选择的能量来源。目前在使用中的深海取样器种类很多，其中机械手持式采样器在海底定点小范围采样具有自身的优点；但是，对于机械手持式采样器，一般都需要由载人深潜器或者ROV为其提供动力能源；对于深海作业的潜器来说，就需要为了上述目的而携带更多的能源装备，这无疑是一种负担，而且会影响到深潜器的工作效率。而且对于一般的机械手持式采样器，它只能采非常软的沉积物样品，对于硬度较大的深海沉积物就无能为力(如：CN02150917.4；CN02280131.6)。因此，有必要提供一种新的机械手持式海底沉积物采样器，对于软、硬沉积物均可被采集，能适应海底复杂工况和设备轻量化。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种机械手持式深海静水压力驱动取样器，该取样器适合海底各类软岩层的钻探取芯，可通过深海载人深潜器或者ROV利用水下的机械手操作，在海底小范围进行具有针对性的采样分析。

本发明包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件。

机械手持部件包括竖直固定设置在上端盖顶部的手持杆，手持杆外套有弹簧，手柄与手持杆配合连接，可以沿手持杆上下滑动。

冲击驱动部件包括上端盖、冲击筒、下端盖、高压筒、配流阀、导向筒、支撑筒、上活塞杆、下活塞杆、驱动活塞。上端盖和下端盖分别固定在冲击筒的两个端面上，导向筒设置在下端盖的下部，配流阀和支撑筒设置在高压筒内，高压筒的两端分别与上端盖和下端盖固定连接，支撑筒的底部与下端盖固定连接、顶部与配流阀的底部固定连接，冲击筒、高压筒、支撑筒和导向筒同轴设置。上端盖开有进水孔，高压筒的内腔通过进水孔与外界连通。支撑筒的下部和高压筒的下部对应位置开有通孔。驱动活塞设置在支撑筒内，上活塞杆的底部以及下活塞杆的顶部均与驱动活塞固定连接。所述的配流阀包括配流阀芯和套置于配流阀芯外的配流阀体，配流阀体的顶部与顶盖固定连接，顶盖与高压筒的侧壁固定连接。

上活塞杆依次穿过顶盖、配流阀芯和配流阀体的底部设置。沿上活塞杆的圆周由上至下依次开有上环形槽、中上环形槽、中下环形槽和下环形槽，沿上活塞杆的中心轴开有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端开口于上活塞杆的顶部、另一端与上环形槽底部开口连通，下中心孔的一端开口于上活塞杆的底部、另一端与中上环形槽底部开口连通，下环形槽底部开口与下中心孔相连通。下活塞杆穿过下端盖设置。

配流阀体为圆柱筒形，外径与高压筒的内径匹配，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。上通水管的一端与顶盖开设的通水口连通、另一端开口于上部环形沟槽的底部；下通水管的一端直接开口于配流阀体的底部、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高压筒侧壁的开孔位置对应，顶盖侧壁对应上通水孔位置开有通水孔。

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。

取样筒部件包括插筒、刀筒和衬筒。刀筒的顶盖的直径与导向筒内径匹配，刀筒与导向筒形成滑动配合，下活塞杆的底部与刀筒的顶盖固定连接，刀筒的顶盖开有排水通孔。插筒设置在刀筒内，插筒的底部为圆锥形，插筒的下部与刀筒的下部固定连接，插筒的上部与刀筒内壁具有间隙。衬筒设置在刀筒内，衬筒下部设置在插筒与刀筒之间的间隙中，并与刀筒形成滑动配合，衬筒的顶部设置有衬筒盖，衬筒盖上开有通孔，衬筒盖的下设置有挡圈，衬筒盖与挡圈之间设置有金属滤网。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：它利用了深海静水压力能，结合了“重力驱动”和“振动驱动”两种驱动形式，能够利用取样器本身的重力势能和深海静水压力能进行工作，而不需要由深潜器提供动力，能适应海底复杂工况和实现设备轻量化，既能对深海的软沉积物进行采集，又可以对较硬的沉积物进行采集，且在对较硬沉积物的采集方式上具有其独特的优势。本发明装置操作简单，是一套专门供ROV和载人深潜器在深海利用机械手进行沉积物采样的无源采样装置。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1中配流阀结构示意图；

图3是图1中取样筒结构示意图。

具体实施方式

如图1，机械手持式深海静水压力驱动保真取样器包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件。

机械手持部件包括竖直固定设置在上端盖4顶部的手持杆2，手持杆2外套有弹簧3，手柄1与手持杆2配合连接，可以沿手持杆2上下滑动。

冲击驱动部件包括上端盖4、冲击筒8、下端盖10、高压筒18、配流阀、导向筒11、支撑筒17、上活塞杆19、下活塞杆12、驱动活塞9。上端盖4和下端盖10分别固定在冲击筒8的两个端面上，导向筒11设置在下端盖10的下部，配流阀和支撑筒17设置在高压筒18内，高压筒18的两端分别与上端盖4和下端盖10固定连接，支撑筒17的底部与下端盖10固定连接、顶部与配流阀的底部固定连接，冲击筒8、高压筒18、支撑筒17和导向筒11同轴设置。上端盖4开有进水孔20，高压筒18的内腔通过进水孔20与外界连通。支撑筒17的下部和高压筒18的下部对应位置开有通孔。驱动活塞9设置在支撑筒17内，上活塞杆19的底部以及下活塞杆12的顶部均与驱动活塞9固定连接。配流阀包括配流阀芯7和套置于配流阀芯7外的配流阀体6，配流阀体6的顶部与顶盖5固定连接，顶盖5与高压筒18的侧壁固定连接。

如图2，上活塞杆19依次穿过顶盖5、配流阀芯7和配流阀体6的底部设置。沿上活塞杆19的圆周由上至下依次开有上环形槽33、中上环形槽29、中下环形槽28和下环形槽25。沿上活塞杆19的中心轴开有上中心孔36和下中心孔26，上中心孔36的一端开口于上活塞杆19的顶部，另一端与上环形槽33底部开口连通，下中心孔26的一端开口于上活塞杆19的底部、另一端与中上环形槽29底部开口连通，下环形槽25中部开口与下中心孔26相连通。下活塞杆12穿过下端盖10设置。

如图2，配流阀体6为圆柱筒形，外径与高压筒18的内径匹配，配流阀体6的内壁中部沿圆周开有两条平行的环形沟槽，配流阀体6的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管22和下通水管24。上通水管22的一端与顶盖5开设的通水口21连通、另一端开口于上部环形沟槽32的底部；下通水管24的一端直接开口于配流阀体6的底部、另一端开口于下部环形沟槽31的底部。配流阀体6侧壁的上部沿径向开有上通水孔34、下部沿径向开有下通水孔27、中部沿径向开有排水孔30，上通水孔34、下通水孔27和排水孔30分别与高压筒18侧壁的开孔位置对应，顶盖5侧壁对应上通水孔34位置开有通水孔35。

配流阀芯7包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体6的内径匹配，中间段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯7整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆环形通水槽23。

如图3，取样筒部件包括插筒16、刀筒13和衬筒15。刀筒13的顶盖5的直径与导向筒11内径匹配，刀筒13与导向筒11形成滑动配合，下活塞杆12的底部与刀筒13的顶盖5固定连接，刀筒13的顶盖开有排水通孔37。插筒16设置在刀筒13内，插筒16的底部为圆锥形，插筒16的下部与刀筒13的下部固定连接，插筒16的上部与刀筒13内壁具有间隙。衬筒15设置在刀筒13内，衬筒15下部设置在插筒16与刀筒13之间的间隙中，并与刀筒13形成滑动配合，衬筒15的顶部设置有衬筒盖14，衬筒盖14上开有通孔38，衬筒盖14的下设置有挡圈39，衬筒盖14与挡圈39之间设置有金属滤网40。

该深海静水压力驱动取样器的工作过程如下：

1.取样器由深潜器携带入深海想要采样的地点，此时的取样器状态(如图1所示)，高压筒18的顶部位置空间通过进水孔20进入了高压海水，并充满高压筒18的顶部空间；之后高压海水经过上活塞杆19的上中心孔36流入到上环形槽33所处的位置，使得配水阀芯7的上端处于高压；配水阀芯7的下端因为上活塞杆19的中下环形槽28和下通水孔27连通着冲击筒8内的低压空间而处于低压，上下两端面的压力差作用使得配流阀芯7处于下极限位置，由此封闭了上部环形沟槽32而关闭了通水管22，同时连通了下部环形沟槽31而打开了排水孔30和下通水管24。由于上述原因，下通水管24，圆环形通水槽23，排水孔30连通成一个通道使得驱动活塞9的上部空间处于低压，因为驱动活塞9的下端空间总是连通着低压腔的，所以驱动活塞9上下两端所受的压力平衡，于是整个取样器的各个部件在重力作用下将处于图1所示的状态。

2.准备开始工作时，机械手夹持手柄1，将取样器竖直插向海底沉积物一定深度直到不能再继续插为止。在此过程中，衬筒15内的海水通过金属滤网40，通孔38和排水通孔37排出，插筒16受到了海底沉积物的反作用力并将力传给了刀筒13，刀筒又将反作用力经过下活塞杆12并经过驱动活塞9传递给了上活塞杆19，使得刀筒13、衬筒15、下活塞杆12、驱动活塞9和上活塞杆19均向上移动一段距离，直到刀筒的顶部端面和下端盖10的下端面接触。这个时候，上活塞杆19也将处于其上极限位置，上活塞杆19的中上环形槽29连通高压筒18上部的高压海水并经过上活塞杆19的中心轴开有的下中心孔26连通下环形槽25的开孔接通配水阀芯7的下端面而使得配水阀芯7下端面处于高压，同时中下环形槽28通过上通水孔34及其对应位置的通水孔35，连通着低压腔而使得配水阀芯上端面处于低压，压力差让配水阀芯动作，向上移动到上极限位置，由此打开了上部环形沟槽32而连通了通水管22，同时也打开了下部环形沟槽31而连通了下通水管24，但是关闭了排水孔30。这样，海水将流经顶盖5开设的通水口21，上通水管22，圆环形通水槽23和下通水管24进入到驱动活塞9的上端空间，使得驱动活塞9的上端空间处于高压，因为高压筒18内的上部空间总是处于高压，这时候，整个取样器的冲击驱动单元将受到一个向上的静水压力作用，此作用力顶起冲击单元直到最高的极限位置，弹簧3也将被压缩。同时刀筒13、下活塞杆12、驱动活塞9和上活塞杆8的相对位置发生变化，取样器又回到图1所示的状态，上活塞杆19将处于其下极限位置。

当上活塞杆将处于其下极限位置的同时，高压海水经过上活塞杆的上中心孔36流入到上环形槽33所处的位置，使得配水阀芯7的上端处于高压；同时下环形槽25和下通水孔27连通着冲击筒8内的低压腔而使得配水阀芯7的下端处于低压，压力差作用使得配水阀芯7再次处于下极限位置：封闭了上部环形沟槽32而关闭了上通水管22，同时连通了下部环形沟槽31而打开了排水孔30。驱动活塞9的上部空间因为下通水管24，圆环形通水槽23，排水孔30相互连通处于低压，而驱动活塞9的下端空间总是连接低压腔，由此取样器的冲击单元将在重力作用下下降，下端盖10的下端面撞击刀筒13的顶部端面，弹簧3的弹性势能也将释放出来，重力势能和弹性势能经过刀筒传给插筒16，使得插筒16插入沉积物一定深度并停止。取样器完成一次单程“打桩”动作。取样器重复上述动作，衬筒15内将逐渐充满沉积物样品。直到取样器设计可利用的静水压力能耗尽。

3.当沉积物逐渐充满样品衬筒15时，沉积物会顶到衬筒盖14并带动衬筒15向上运动，当衬筒盖14碰到刀筒13的上端的内部的圆柱面表面时，表明沉积物已经充满了衬筒13，此时衬筒15下部的梅花瓣将脱离插筒16，合拢切断沉积物，并实现封口，完成了取样动作。之后，机械手夹持受柄1将取样器带回深潜器。

Claims (1)

1、机械手持式深海静水压力驱动取样器，包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件，其特征在于：

机械手持部件包括竖直固定设置在上端盖顶部的手持杆，手持杆外套有弹簧，手柄与手持杆配合连接，可以沿手持杆上下滑动；

冲击驱动部件包括上端盖、冲击筒、下端盖、高压筒、配流阀、导向筒、支撑筒、上活塞杆、下活塞杆、驱动活塞；上端盖和下端盖分别固定在冲击筒的两个端面上，导向筒设置在下端盖的下部，配流阀和支撑筒设置在高压筒内，高压筒的两端分别与上端盖和下端盖固定连接，支撑筒的底部与下端盖固定连接、顶部与配流阀的底部固定连接，冲击筒、高压筒、支撑筒和导向筒同轴设置；上端盖开有进水孔，高压筒的内腔通过进水孔与外界连通；支撑筒的下部和高压筒的下部对应位置开有通孔；驱动活塞设置在支撑筒内，上活塞杆的底部以及下活塞杆的顶部均与驱动活塞固定连接；所述的配流阀包括配流阀芯和套置于配流阀芯外的配流阀体，配流阀体的顶部与顶盖固定连接，顶盖与高压筒的侧壁固定连接；

上活塞杆依次穿过顶盖、配流阀芯和配流阀体的底部设置；沿上活塞杆的圆周由上至下依次开有上环形槽、中上环形槽、中下环形槽和下环形槽，沿上活塞杆的中心轴开有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端开口于上活塞杆的顶部、另一端与上环形槽底部开口连通，下中心孔的一端开口于上活塞杆的底部、另一端与中上环形槽底部开口连通，下环形槽底部开口与下中心孔相连通；下活塞杆穿过下端盖设置；

配流阀体为圆柱筒形，外径与高压筒的内径匹配，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；上通水管的一端与顶盖开设的通水口连通、另一端开口于上部环形沟槽的底部；下通水管的一端直接开口于配流阀体的底部、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高压筒侧壁的开孔位置对应，顶盖侧壁对应上通水孔位置开有通水孔；

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；

取样筒部件包括插筒、刀筒和衬筒；刀筒的顶盖的直径与导向筒内径匹配，刀筒与导向筒形成滑动配合，下活塞杆的底部与刀筒的顶盖固定连接，刀筒的顶盖开有排水通孔；插筒设置在刀筒内，插筒的底部为圆锥形，插筒的下部与刀筒的下部固定连接，插筒的上部与刀筒内壁具有间隙；衬筒设置在刀筒内，衬筒下部设置在插筒与刀筒之间的间隙中，并与刀筒形成滑动配合，衬筒的顶部设置有衬筒盖，衬筒盖上开有通孔，衬筒盖的下设置有挡圈，衬筒盖与挡圈之间设置有金属滤网。

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