CN103364220A - 具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器 - Google Patents

Abstract

本发明的具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器属于深海沉积物取样技术领域。本发明提供了一种具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器，由吊放测力装置（A），取样筒装置（C），振动冲击装置（B）和反扭装置（D）组成；所述吊放测力装置（A）和所述振动冲击装置（B）由铰链杆（9）连接，所述振动冲击装置（B）和所述取样筒装置（C）由螺钉连接，所述取样筒装置（C）和所述反扭装置（D）由滑动筒（30）连接。本发明的取样装置整体径向尺寸小，结构紧凑，可通过冰架及浮冰上的小径钻孔取得冰下海底沉积物，并且其取样效率高，并在冰孔冻结前回收设备。

Description

具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器

技术领域

本发明涉及深海沉积物取样技术领域，具体涉及一种具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器。

背景技术

冰架、浮冰下的海底沉积物以及冰下湖中的沉积物样品，对于研究深海的生命形态、深海底层同位素的存在情况及冰下海底的资源存在情况极为重要。目前常用海底沉积物取样器有抓斗式、重力式、活塞式、锤击式及振动式等，其中属振动式取样器取样效率最高。常规的振动式取样器主要由吊放测力装置、取样筒机构、振动器三个部分组成，这三个部分均属于现有技术，模块化较强。现存的各种海底沉积物取样器可以完成不同深度的海底取样，但这些取样器难以应用于冰架、浮冰以下的海底沉积物样品以及冰下湖中的沉积物样品，存在的问题主要有：（1）冰孔尺寸小，常规深海取样设备难以通过；（2）取样效率低，难以在冰孔冻结至极限尺寸前回收取样设备；（3）作业距离远，很难在地表实现精确控制，更难保证取样过程中取样器的垂直度。

因此，有必要设计一种新的深海沉积物取样器来解决以上技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服常规海底沉积物取样设备受设备尺寸限制不适用于穿过冰孔完成取样、筒形锤击式沉积物取样器受取样方式限制及采样水域水深较浅的缺欠。本发明提供一种能够穿过冰孔、采样水域较深的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器。

该取样器由吊放测力装置A和取样筒装置C组成，还包括振动冲击装置B和反扭装置D；所述吊放测力装置A和所述振动冲击装置B由铰链杆连接，所述振动冲击装置B和所述取样筒装置C由螺钉连接，所述取样筒装置C和所述反扭装置D由滑动筒30连接。

本发明采用的具体技术方案是：

一种具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器，由吊放测力装置A和取样筒装置C组成，其特征是，还包括振动冲击装置B和反扭装置D；所述吊放测力装置A和所述振动冲击装置B由铰链杆9连接，所述振动冲击装置B和所述取样筒装置C由螺钉连接，所述取样筒装置C和所述反扭装置D由滑动筒30连接；

所述的吊放测力装置A由铠装电缆1、承载端盖2、接线器3、弹簧4、滑轨5、滑块6、位移传感器7和连接端盖8组成；所述滑块6上设有通孔和阶梯孔，滑轨5穿过所述滑块6上的通孔并与所述承载端盖2及所述连接端盖8通过螺母连接，所述接线器3穿过所述滑块6上的阶梯孔与所述铠装电缆1连接；所述滑块6与所述承载端盖2之间装有所述弹簧4，所述滑块6与所述连接端盖8间装有位移传感器7；

所述振动冲击装置B由压力舱上端盖10、电机套11、电动机12、压力舱外筒13、角度传感器14、联轴器15、T型减速器16、第一齿形带轮17、齿形带18、第二齿形带轮20、输出轴21、可调偏心块19、轴承22、支撑架23和压力舱下端盖24组成；所述压力仓上端盖10通过螺钉与所述压力仓外筒13通过O型密封圈连接并密封，所述压力仓下端盖24通过螺钉与所述压力仓外筒13通过O型密封圈连接并密封，所述电机套11通过螺钉与所述压力仓上端盖10连接，所述电动机12嵌套在所述电机套11内，所述电动机12的输出轴通过所述联轴器15与所述T型减速器16的输入轴连接，所述T型减速器16通过嵌套及螺钉固定在所述支撑架23上，所述T型减速器16的输出轴通过平键与所述第一齿形带轮17连接，所述第一齿形带轮17通过所述齿形带18与所述第二齿形带轮20连接，所述第二齿形带轮20通过平键与所述输出轴21连接，所述输出轴21通过平键与所述可调偏心块19连接，所述输出轴21通过所述轴承22及其他轴承固定在所述支撑架23上，所述输出轴21可通过轴承在所述支撑架23上转动，并带动所述可调偏心块19旋转，所述支撑架23通过螺钉固定在所述压力仓下端盖24上，所述角度传感器14通过螺钉固定在所述电机套11上；

所述取样筒装置C由外管25、单向阀26、衬筒27、爪簧31和切削头33组成；所述衬筒27嵌套在所述外管25内，所述单向阀26固定在所述衬筒27的上端并与所述外管25上的孔连接，所述切削头33通过螺纹连接在所述外管25下端，所述爪簧31及所述衬筒27通过所述外管25与所述切削头33之间的槽固定；

所述反扭装置D由滚轮28、销钉29、滑动筒30、定位针35、铰链32和反扭部件38组成；所述滚轮28通过所述销钉29连接到所述滑动筒30上，使所述滑动筒30能在所述外管25上沿轴向无扭转自由滑动，所述反扭部件38通过所述铰链32与所述滑动筒30连接，所述反扭部件38能通过所述铰链32与所述滑动筒30产生环绕所述铰链32的相对扭转，所述滑动筒30上焊接所述定位针35，能保证所述反扭部件38与所述滑动筒30相对旋转过程中不会与所述定位针35干涉，以便同时完成所述滑动筒30与所述外管25间的无扭转滑动运动以及所述反扭部件38与所述滑动筒30间的旋转运动。

所述的反扭部件38优选为沉入式，切入式或综合式；沉入式反扭部件的末端，即连杆末端添加一个具有设计质量的重块，通过重块的质量以及连杆的长度所产生的静惯性矩来实现反扭功能；切入式反扭部件通过将反扭部件设置为片状，通过切入沉积物层产生阻力来实现反扭功能；综合式反扭部件是前两种的结合，即既具有重块，又将重块设置为片状，使其通过反扭部件产生的静惯性矩及切入沉积物层产生的阻力来实现反扭功能。工作原理是，沉入式以沉入沉积物层时的自身惯性矩作为反扭力，切入式以切入沉积物层时沉积物层提供的阻力作为反扭力，综合式为二者的结合，即同时以两种力提供反扭。

具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的工作过程如下：

（1）整套取样器通过冰孔下放，完全进入海水时，由于海水的浮力作用，与吊放测力装置A相连的地表测力仪表的读数发生第一次改变，标志着取样器由空气进入海水；

（2）当取样器的反扭部件38第一次触底时，继续下放时会由于沉积物承担了反扭部件38的重量，吊放测力机构A的地表测力仪表读数发生第二次改变，标志着取样器触底，此时取样器停止下放；

（3）继续缓慢下放取样器，由于反扭部件38接触海底后会偏斜向一边，当吊放测力机构A的地表读数突然减至极小时，标志着切削头33触底，停止下放，由于信号传输距离较远，会有少量的延迟，停止下放后整个取样器仍会有一些偏斜；

（4）缓慢上提取样器，通过观察与角度传感器14相连的地表仪表的度数，调整取样器逐渐接近垂直，吊放测力装置A地表读数同时会改变，当偏斜不超过5°时，停止上提取样器，开启振动冲击装置B，并以设定的速度均匀下降，开始进行取样；取样过程中，沉积物会撑开爪簧31进入衬筒27中，并将衬筒27内部的海水通过单向阀26排出，以保证衬筒27内外的压力平衡；

（5）取样完成后，与吊放测力装置A角度传感器14相连的地表测力仪表的读数会再次减至极小，此时停止为电动机12供电，上提取样器直至地表，取样完成。

本设备的几项关键技术：

（1）上提下放时，位移传感器7通过滑轨5上的滑块6精确测出弹簧4的压缩量，而铠装电缆1通过接线器3及滑块6来承担整个取样器的垂直受力，通过弹簧的弹力系数及滑块6即可计算出电缆瞬时所承受的拉力，并显示在地表测力仪表上。

（2）使用T型减速器16传递电动机12输出的动力，由T行减速器16带动第一齿形带轮17转动，使动力通过齿形带18传递给第二齿形带轮20，第二齿形带轮20将动力传递给输出轴21，最终由输出轴21带动可调偏心块19旋转产生高频离心力，离心力方向为轴向时与设备整体的重心重合，以高频激振力作为进尺动力能大大提高钻进效率。

（3）要使可调偏心快19高频旋转需要大功率的电动机12，相应的轴向尺寸也会增加，因此电动机12采用竖直放置，通过T型减速器16完成动力换向，使电动机的选型范围大大增加。

（4）竖直放置的电动机12运转时会产生周向扭矩，因此在外管25上加工出滑槽，滑动筒30与外管25使用滑槽连接只能产生轴向相对运动，滑动筒30与反扭部件38使用铰链32连接使之只能产生环绕铰链32的相对转动，在反扭刀片38旋转展开插入沉积物层并完成取样器的垂直矫正后，运行电动机12，由反扭刀片38提供反扭力，能保证取样过程中取样器不会与沉积物发生相对转动而破坏沉积物的层面结构。

（5）切削头33的外径大于外管25的外径，以便在进入沉积物后留下较大的空间，减少外管25与沉积物之间的摩擦力，方便进尺。

本发明的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器，其整体径向尺寸小，结构紧凑，能通过冰架及浮冰上的小径钻孔取得冰下海底沉积物，并且其取样效率高，能在冰孔冻结前回收设备。在取样过程中，本发明的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器不存在周向扭矩，不会破坏样品的层面结构，以保证其研究价值，克服了常规深海取样器体积大、回次时间长、操作困难、取样率低、样品质量难以保证等技术问题。

附图说明

图1实施例1的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的外部结构示意图。

图2实施例2的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的内部结构示意图。

图3实施例1的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的吊放测力装置A示意图。

图4实施例1的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的振动冲击装置B示意图。

图5实施例1的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的反扭装置D示意图。

图6实施例1的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的工作过程示意图。

图7实施例3的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的沉入式反扭部件示意图。

图8实施例3的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的切入式反扭部件示意图。

图9实施例3的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器的综合式反扭部件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1

结合附图说明本发明的结构。图1中，A，吊放测力装置，B，振动冲击装置，C，取样筒装置，D，反扭装置；图2中，1．铠装电缆，2．承载端盖，3．接线器，4．弹簧，5．滑轨，6．滑块，7．位移传感器，8．连接端盖，9．铰链杆，10．压力仓上端盖，11．电机套，12．电动机，13．压力舱外筒，14．角度传感器，15．联轴器，16．T型减速器，17．第一齿形带轮，18．齿形带，19．可调偏心块，20．第二齿形带轮，21．输出轴，22．轴承，23．支撑架，24．压力舱下端盖，25．外管，26．单向阀，27．衬筒，28.滚轮，29.销钉，30．滑动筒，31．爪簧，32．铰链，33．切削头，34．旋转件，35．定位针，36．反扭刀片，37．定位销，38．反扭部件。

参见图1和图2的具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器，由吊放测力装置A，振动冲击装置B，取样筒装置C及反扭装置D组成；吊放测力装置A和振动冲击装置B由铰链杆9连接，振动冲击装置B和取样筒装置C由螺钉连接，取样筒装置C和反扭装置D由滑动筒30连接。

参见图3，所述吊放测力装置A由铠装电缆1、承载端盖2、接线器3、弹簧4、滑轨5、滑块6、位移传感器7、和连接端盖8组成；滑块6上设有通孔和阶梯孔，滑轨5穿过滑块6上的通孔并与承载端盖2、连接端盖8通过螺母连接，接线器3穿过滑块6上的阶梯孔与铠装电缆1连接；滑块6与承载端盖2之间装有弹簧4,，滑块6与连接端盖8间装有位移传感器7。

参见图4，所述振动冲击装置B由压力舱上端盖10、电机套11、电动机12、压力舱外筒13、角度传感器14、联轴器15、T型减速器16、第一齿形带轮17，齿形带18、第二齿形带轮20、输出轴21、可调偏心块19、轴承22、支撑架23、压力舱下端盖24组成；压力仓上端盖10通过螺钉与压力仓外筒13通过O型密封圈连接并密封，压力仓下端盖24通过螺钉与压力仓外筒13通过O型密封圈连接并密封，电机套11通过螺钉与压力仓上端盖10连接，电动机12嵌套在电机套11内，电动机12的输出轴通过联轴器15与T型减速器16的输入轴连接，T型减速器16通过嵌套及螺钉固定在支撑架23上，T型减速器16的输出轴通过平键与第一齿形带轮17连接，第一齿形带轮17通过齿形带18与第二齿形带轮20连接，第二齿形带轮20通过平键与输出轴21连接，输出轴21通过平键与可调偏心块19连接，输出轴21通过轴承22及其他轴承固定在支撑架23上，输出轴21可通过轴承在支撑架23上转动，支撑架23通过螺钉固定在压力仓下端盖24上，角度传感器14通过螺钉固定在电机套11上。

上述的各部件都是有国家标准的常用零件；除了输出轴21，其余的如联轴器15、偏心块19、第一齿形带轮17、第二齿形带轮20等，都是形状对称零件。角度传感器14市场上可以购到就两种，一种是裸芯片的一个是有包装的。

所述取样筒装置C由外管25、单向阀26、衬筒27、爪簧31和切削头33组成；衬筒27嵌套在外管25内，单向阀26固定在衬筒27的上端并与外管25上的孔连接，切削头33通过螺纹连接在外管25下端，爪簧31及衬筒27通过外管25与切削头33之间的槽固定。

参见图5，所述反扭装置D由滚轮28、销钉29，滑动筒30、定位针35、铰链32，反扭部件38组成；滚轮28通过销钉29连接到滑动筒30上，使滑动筒30能在外管25上沿轴向无扭转自由滑动，反扭部件38通过铰链32与滑动筒30连接，反扭部件38能通过铰链32与滑动筒30产生相对扭转，滑动筒30上焊接定位针35，能保证反扭部件38与滑动筒30相对扭转过程中不会与定位针35干涉，以便同时完成滑动筒30与外管25间的无扭转滑动运动以及反扭部件38与滑动筒30间的旋转运动。

实施例3

一种具有反扭功能的振动冲击式小直径深海沉积物取样器，其中反扭部件38为沉入式，切入式或综合式，如图7，图8和图9所示；沉入式反扭部件的末端，即连杆末端添加一个具有设计质量的重块，通过重块的质量以及连杆的长度所产生的静惯性矩来实现反扭功能；切入式反扭部件通过将反扭部件设置为片状，通过切入沉积物层产生阻力来实现反扭功能；综合式反扭部件是前两种的结合，即既具有重块，又将重块设置为片状，使其通过反扭部件产生的静惯性矩及切入沉积物层产生的阻力来实现反扭功能。

Claims (4)

1.一种具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器，由包括吊放测力装置（A）和取样筒装置（C）组成，其特征是，组成还有振动冲击装置（B）和反扭装置（D）；所述吊放测力装置（A）和所述振动冲击装置（B）由铰链杆（9）连接，所述振动冲击装置（B）和所述取样筒装置（C）由螺钉连接，所述取样筒装置（C）和所述反扭装置（D）由滑动筒（30）连接；

所述振动冲击装置（B）由压力舱上端盖（10）、电机套（11）、电动机（12）、压力舱外筒（13）、角度传感器（14）、联轴器（15）、T型减速器（16）、第一齿形带轮（17）、齿形带（18）、第二齿形带轮（20）、输出轴（21）、可调偏心块（19）、轴承（22）、支撑架（23）和压力舱下端盖（24）组成；所述压力仓上端盖（10）通过螺钉与所述压力仓外筒（13）通过O型密封圈连接并密封，所述压力仓下端盖（24）通过螺钉与所述压力仓外筒（13）通过O型密封圈连接并密封，所述电机套（11）通过螺钉与所述压力仓上端盖（10）连接，所述电动机（12）嵌套在所述电机套（11）内，所述电动机（12）的输出轴通过所述联轴器（15）与所述T型减速器（16）的输入轴连接，所述T型减速器（16）通过嵌套及螺钉固定在所述支撑架（23）上，所述T型减速器（16）的输出轴通过平键与所述第一齿形带轮（17）连接，所述第一齿形带轮（17）通过所述齿形带（18）与所述第二齿形带轮（20）连接，所述第二齿形带轮（20）通过平键与所述输出轴（21）连接，所述输出轴（21）通过平键与所述可调偏心块（19）连接，所述输出轴（21）通过所述轴承（22）及其他轴承固定在所述支撑架（23）上，所述输出轴（21）可通过轴承在所述支撑架（23）上转动，并带动所述可调偏心块（19）旋转，所述支撑架（23）通过螺钉固定在所述压力仓下端盖（24）上，所述角度传感器（14）通过螺钉固定在所述电机套（11）上；

所述反扭装置（D）由滚轮（28）、销钉（29）、滑动筒（30）、定位针（35）、铰链（32）和反扭部件（38）组成；所述滚轮（28）通过所述销钉（29）连接到所述滑动筒（30）上，使所述滑动筒（30）能在所述外管（25）上沿轴向无扭转自由滑动，所述反扭部件（38）通过所述铰链（32）与所述滑动筒（30）连接，所述反扭部件（38）能通过所述铰链（32）与所述滑动筒（30）产生环绕所述铰链（32）的相对扭转，所述滑动筒（30）上焊接所述定位针（35），能保证所述反扭部件（38）与所述滑动筒（30）相对旋转过程中不会与所述定位针（35）干涉，以便同时完成所述滑动筒（30）与所述外管（25）间的无扭转滑动运动以及所述反扭部件（38）与所述滑动筒（30）间的旋转运动。

2.根据权利要求1所述的具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器，其特征是，所述的吊放测力装置（A）由铠装电缆（1）、承载端盖（2）、接线器（3）、弹簧（4）、滑轨（5）、滑块（6）、位移传感器（7）和连接端盖（8）组成；所述滑块（6）上设有通孔和阶梯孔，滑轨（5）穿过所述滑块（6）上的通孔并与所述承载端盖（2）及所述连接端盖（8）通过螺母连接，所述接线器（3）穿过所述滑块（6）上的阶梯孔与所述铠装电缆（1）连接；所述滑块（6）与所述承载端盖（2）之间装有所述弹簧（4），所述滑块（6）与所述连接端盖（8）间装有位移传感器（7）。

3.根据权利要求1所述的具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器，其特征是，所述取样筒装置（C）由外管（25）、单向阀（26）、衬筒（27）、爪簧（31）和切削头（33）组成；所述衬筒（27）嵌套在所述外管（25）内，所述单向阀（26）固定在所述衬筒（27）的上端并与所述外管（25）上的孔连接，所述切削头（33）通过螺纹连接在所述外管（25）下端，所述爪簧（31）及所述衬筒（27）通过所述外管（25）与所述切削头（33）之间的槽固定。

4.根据权利要求1～3所述的任一具有反扭功能的振动冲击式深海沉积物取样器，其特征是，所述反扭部件（38）为沉入式、切入式或综合式；沉入式反扭部件的末端，即连杆末端添加一个具有设计质量的重块，通过重块的质量以及连杆的长度所产生的静惯性矩来实现反扭功能；切入式反扭部件通过将反扭部件设置为片状，通过切入沉积物层产生阻力来实现反扭功能；综合式反扭部件是前两种的结合，即既具有重块，又将重块设置为片状，使其通过反扭部件产生的静惯性矩及切入沉积物层产生的阻力来实现反扭功能。

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