CN104215470B - 一种自供能的深海矿物取样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供能的深海矿物取样器，该深海矿物取样器包括蓄能器(1)、触发装置(2)和支架(6)，支架(6)上装设有可沿竖直方向运动的取样头(10)，取样头(10)连接有一液压驱动装置，且该液压驱动装置的液压能主要由蓄能器(1)供给，蓄能器(1)向液压驱动装置供给液压能的动作是由触发装置(2)引发。本发明的深海矿物取样器结构简单、工作可靠、使用方便、能实现自主供能和自主控制。

Description

一种自供能的深海矿物取样器

技术领域

本发明涉及一种海底固体矿产资源取样器，具体涉及一种自供能的深海矿物(特别是多金属硫化物)取样器。

背景技术

深海多金属硫化物是一种新近发现的深海固体矿产资源，它富含铜、锌、银、金等贵金属，具有很高的经济开采价值。

深海多金属硫化物取样器是获取深海多金属硫化物样品的必需装备。传统的深海多金属硫化物取样器通常由深海潜水器的机械手操作，取样器在取样过程中所需消耗的能量由外部提供，潜水器需要参与整个取样过程。由于深海潜水器数量少，下潜工作费用高，传统的深海多金属硫化物取样器在实际使用中受到了诸多限制，不利于深海多金属硫化物取样工作的顺利开展。因此，研制可自主提供工作耗能、能自主独立控制取样过程的深海多金属硫化物取样器具有现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种结构简单、工作可靠、使用方便、能自主供能、自主控制的深海矿物取样器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种自供能的深海矿物取样器，所述深海矿物取样器包括蓄能器、触发装置和支架，所述支架上装设有可沿竖直方向运动的取样头，所述取样头连接有一液压驱动装置，且该液压驱动装置的液压能主要由所述蓄能器供给，所述蓄能器向液压驱动装置供给液压能的动作是由所述触发装置引发。

上述本发明的技术方案提供了一种自主供能、结构简单的深海矿物取样器。上述的自供能的深海矿物取样器中，优选的，所述蓄能器为一压力罐，该压力罐中通过一隔板被分隔成上部的气体容腔和下部的液体容腔，所述气体容腔中预充有根据深海矿物取样器取样深度设定的一定压强数值的气体。该蓄能器的结构也非常简单，而且使用方便，可回收利用。

作为进一步的改进，上述的自供能的深海矿物取样器中，所述触发装置为一换向阀，且换向阀的一端连接至所述蓄能器的液体容腔，另一端连接至所述液压驱动装置，所述换向阀的通断由一控制部件按以下方式控制，即：

当深海矿物取样器下沉时换向阀处于截断状态，当深海矿物取样器抵达深海底部矿床时则使换向阀处于导通状态。

上述的自供能的深海矿物取样器中，能实现上述控制方式的控制部件优选为一重锤平衡机构。

上述的自供能的深海矿物取样器中，更优选的，所述换向阀为一二位二通手动换向阀，所述换向阀的控制部件主要是指其手柄端上吊接的重力锤，且使重力锤的设置满足以下条件：

当所述深海矿物取样器在水中下沉时，在竖直方向上所述重力锤的水平高度比所述支架底部的水平高度要更低。

上述优选的方案中，以一种重力锤式的触发机构实现了触发装置自动产生触发信号，进而实现了深海矿物取样器取样的自主控制。该触发装置同样是一种结构简单、设计巧妙、成本低廉的结构部件，能与上述本发明的蓄能器形成很好地配合。

上述的自供能的深海矿物取样器中，优选的，所述液压驱动装置包括一固接于取样头顶部的第一液压马达。更优选的，所述液压驱动装置还包括与所述触发装置连通的第二液压马达，且第一液压马达的顶部通过一穿设于支架的丝杆与所述第二液压马达连接。通过选用液压马达便能够与上述优选的触发装置进行很好的配合，且成本较低，通过控制液压马达的运动可实现取样头的上下运动和旋转运动；而双液压马达的结构设计能够使其更好地适应海底复杂的地形条件，延长取样头的行程，保证取样工作的顺利进行。

上述的自供能的深海矿物取样器中，优选的，所述取样头装设在支架的支腿围成的空腔中，且取样头的底部高于支架的底部。所述支架的支腿可以为一连续环状圆筒或呈梳齿状。

作为进一步的改进，上述的自供能的深海矿物取样器中，所述取样头的一种结构形式为包括螺旋芯轴和设于螺旋芯轴外的螺旋式刀片，且取样头的外边缘靠近所述支腿的内侧。

作为进一步的改进，上述的自供能的深海矿物取样器中，所述取样头的另一种结构形式为一底部开口的类似圆筒状结构，且取样头的外表面呈一倒锥面，外表面上固接有螺旋切削刃，内表面上开设有内螺纹。该优选的取样头设计方案中，通过设计带有锥度的取样头，避免取样回收过程中取样头被“卡死”；再通过在取样头的内表面设计螺纹，以便于取样结束时可以折断样品，确保进入取样头的矿物样品在回收过程中不会自行下落。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的技术方案巧妙地利用蓄能器存储能量，为深海取样过程中的执行机构提供能量，以实现自供能取样，解决了取样器工作过程中供能难的问题；

(2)本发明优选的方案中通过对触发装置进行巧妙设计，还实现了深海矿物取样器的自主控制取样，该触发装置结构简单、工作可靠；

(3)本发明优选的方案中对液压驱动装置、取样头等零部件的选择和结构设计也作了进一步的优化，以保证本发明的深海矿物取样器能够更稳定、更可靠地完成深海海底的取样工作；

(4)本发明的深海矿物取样器结构简单，组装方便，主要的结构件均可适用于深海海底环境的工作条件，能降低深海矿物取样的设备投入和取样成本，操作方便，具有较好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的深海矿物取样器在下沉状态时的结构示意图。

图2为本发明实施例中的深海矿物取样器在海底取样状态时的结构示意图。

图3为本发明实施例中的深海矿物取样器另一种取样头的结构示意图。

图例说明

1、蓄能器；2、触发装置；3、第二软管；4、第二液压马达；5、丝杆；6、支架；7、第一液压马达；8、第一软管；9、吊绳；10、取样头；11、重力锤；12、气体容腔；13、液体容腔；14、隔板；15、螺旋切削刃；16、内螺纹；17、螺旋芯轴；18、螺旋式刀片。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、零部件和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：

一种如图1、图2所示本发明的自供能的深海矿物取样器，包括蓄能器1、触发装置2和支架6，蓄能器1作为能量储存装置能够存储取样过程中所需的能量；支架6上装设有可沿竖直方向运动的取样头10，取样头10上方连接有一液压驱动装置，且该液压驱动装置的液压能由蓄能器1供给，蓄能器1向液压驱动装置供给液压能的动作是由触发装置2引发。

如图1所示，本实施例的蓄能器1为一压力罐，该压力罐中通过一隔板14被分隔成上部的气体容腔12和下部的液体容腔13，气体容腔12中预充有根据深海矿物取样器取样深度设定的一定压强数值的气体。

如图1所示，本实施例的触发装置2为一换向阀，且该换向阀的一端(入口端)连接至蓄能器1的液体容腔13的出口，另一端(出口端)连接至液压驱动装置，换向阀的通断由一控制部件控制，即：当深海矿物取样器下沉时换向阀处于截断状态，当深海矿物取样器抵达深海底部矿床时则使换向阀处于导通状态。本实施例中的换向阀为一二位二通手动换向阀，该换向阀的控制部件主要是指其手柄端上吊接的重力锤11，重力锤11是通过一吊绳9吊接在换向阀的手柄端，重力锤11的设置(即吊绳9的长度)满足以下条件：当深海矿物取样器在水中下沉时，在竖直方向上重力锤11的水平高度比支架6底部的水平高度要更低(参见图1)。

本实施例中的液压驱动装置包括第一液压马达7和第二液压马达4，第一液压马达7固接于取样头10顶部，且第一液压马达7的顶部通过一穿设于支架6的丝杆5与第二液压马达4连接，丝杆5和支架6之间为螺纹连接。第一液压马达7和第二液压马达4分别通过第一软管8和第二软管3连通至换向阀的出口端。

本实施例中的取样头10装设在支架6的支腿围成的空腔中，且取样头10的底部高于支架6的底部；如图1、图2所示，取样头10为一底部开口的类似圆筒状结构，且取样头10的外表面呈一倒锥面(锥度为3°～5°)，外表面上固接有螺旋切削刃15，内表面上开设有内螺纹16。

本实施例的深海矿物取样器的工作原理如下：在将本实施例的深海矿物取样器下沉以前，先使蓄能器1存储能量，取样前，蓄能器1根据事先设定的取样深度预充一定压力的气体，以便为海底取样过程中执行机构的运动提供能量；蓄能器1蓄能后，开始将深海矿物取样器放入水中并下沉，此时换向阀处于截断状态，丝杆5则预先置于最高点的位置，深海矿物取样器在下沉过程中，吊绳9在重力锤11的重力作用下一直处于张紧状态，进而使换向阀的手柄端持续受力，而换向阀在下沉过程中也一直保持截断状态，蓄能器1中储存的能量不会被释放；由于在下沉过程中上重力锤11的水平高度比支架6底部的水平高度要更低，当深海矿物取样器接近取样的海底表面时，重力锤11会先于支架6着地，重力锤11着地后，吊绳9则处于放松状态(参见图2)，此时换向阀的手柄端失去受力并释放，这使得换向阀由截断变为导通状态，蓄能器1中的气压推动隔板14进而转化为一定的液压能并供给到液压驱动装置中；本实施例中液压驱动装置包括第一液压马达7和第二液压马达4，通过这两个液压马达的协同运动以实现取样过程，其中第二液压马达4获得液压能后用于驱动丝杆5旋转，以实现取样头10的上下运动，第一液压马达7则用于驱动取样头10的旋转，以实现取样头10切入多金属硫化物等矿体中；由于取样头10的外表面设计有螺旋切削刃15，且取样头10的外表面设计成倒圆锥面，以当取样头10旋转切削时，可更顺利地切入多金属硫化物等矿体，避免被“卡死”，以顺利实现采样；另外，取样头10的内表面还开设有内螺纹16，取样过程中，进入取样头10的多金属硫化物等样品和取样头10的内表面能形成螺纹接触，当深海矿物取样器回收时，取样头10在回收力的作用下，将样品从基岩上折断，进入取样头10的样品可被固定在取样头10的内筒中，不会自行下落，保留在取样头10中的样品能随深海矿物取样器一起返回。

本发明的取样头还可采用图3所示的结构，包括一螺旋芯轴17和设于螺旋芯轴17外的螺旋式刀片18，且取样头的外边缘靠近支架6的支腿内侧布置。

由上可见，本实施例的深海矿物取样器是采用重力锤11作为信号触发机构，以自主控制取样过程的开始；通过多个液压马达驱动取样头切削多金属硫化物矿体以实现取样；取样结束后在外界提升力的作用下，取样头自动折断样品；本实施例还可以通过调节蓄能器的预先充气压力、取样头的直径、取样头的长度等改变取样样品的长度和直径。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解，本发明的保护范围不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都可能落入本发明要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述深海矿物取样器包括蓄能器（1）、触发装置（2）和支架（6），所述支架（6）上装设有可沿竖直方向运动的取样头（10），所述取样头（10）连接有一液压驱动装置，且该液压驱动装置的液压能主要由所述蓄能器（1）供给，所述蓄能器（1）向液压驱动装置供给液压能的动作是由所述触发装置（2）引发；

所述液压驱动装置包括一固接于取样头（10）顶部的第一液压马达（7）；所述液压驱动装置还包括与所述触发装置（2）连通的第二液压马达（4），且第一液压马达（7）的顶部通过一穿设于支架（6）的丝杆（5）与所述第二液压马达（4）连接。

2.根据权利要求1所述的自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述蓄能器（1）为一压力罐，该压力罐中通过一隔板（14）被分隔成上部的气体容腔（12）和下部的液体容腔（13），所述气体容腔（12）中预充有根据深海矿物取样器取样深度设定的一定压强数值的气体。

3.根据权利要求2所述的自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述触发装置（2）为一换向阀，且换向阀的一端连接至所述蓄能器（1）的液体容腔（13），另一端连接至所述液压驱动装置，所述换向阀的通断由一控制部件按以下方式控制，即：

当深海矿物取样器下沉时换向阀处于截断状态，当深海矿物取样器抵达深海底部矿床时则使换向阀处于导通状态。

4.根据权利要求3所述的自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述换向阀为一二位二通手动换向阀，所述换向阀的控制部件主要是指其手柄端上吊接的重力锤（11），且使重力锤（11）的设置满足以下条件：

当所述深海矿物取样器在水中下沉时，在竖直方向上所述重力锤（11）的水平高度比所述支架（6）底部的水平高度要更低。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述取样头（10）装设在支架（6）的支腿围成的空腔中，且取样头（10）的底部高于支架（6）的底部。

6.根据权利要求5所述的自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述取样头（10）包括螺旋芯轴（17）和设于螺旋芯轴（17）外的螺旋式刀片（18），且取样头（10）的外边缘靠近所述支腿的内侧。

7.根据权利要求5所述的自供能的深海矿物取样器，其特征在于：所述取样头（10）为一底部开口的类似圆筒状结构，且取样头（10）的外表面呈一倒锥面，外表面上固接有螺旋切削刃（15），内表面上开设有内螺纹（16）。