CN107449629B - 一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋地质勘探设备技术领域，具体涉及一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，包括主支撑框架、导向取样机构、触底释放机构和抛载配重机构；主支撑框架包括底部的连接盘，连接盘上设置有浮块。本发明的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置采用模块设计，便于批量生产和维护，并且生产成本低、安装简便、效率高效、安全可靠，解决了现有技术中深度海底取样装置结构复杂、效率低下、造价昂贵、作业及维护困难等技术难点。

Description

一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置

技术领域

本发明涉及海洋地质勘探设备技术领域，具体涉及一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置。

背景技术

海洋占地球总面积的70.78％，在大洋深处广泛覆盖着一层神秘但十分具有研究价值的海底沉积物，海底沉积物对于认识地球环境变迁、揭示地球环境系统之间的内在联系和预测未来气候长期变迁等有着重要意义。对海底沉积物取样并进行深入研究可以使人类在海洋科学研究、海洋环境研究、海洋资源勘探、海洋工程勘探等领域获取到能获取十分重要得科学价值，对于人类认识地球、开发海洋具有重要的战略性意义。

但是目前海底取样尤其是深海取样的技术手段十分有限，与发达国家相比，我国海底勘探的手段单一、海底取样设备落后。目前广泛采用的重力式取样器结构简单、操作方便，但重量、长度均过重过大，无论是吊放还是回收均相当困难，尤其是应用于深海甚至是全海深的情况，对布放重力取样器的绞缆系统要求十分严格，海上复杂的海况也增加了布放的难度，经常出现由于绞缆系统故障而进行截缆的情况，造成重大的损失。另一种经常用于地质探测的振动沉积物取样器能够对硬质沉积物取样，但其整体框架大而笨重，而且当取样深度较大时，能量供应较麻烦，对布放船只的要求也比较高。静水压力沉积物取样器利用海水的静水压力能以冲击取样管的方式对沉积物进行取样的取样装置，其能对硬质沉积物进行有效取样，但该装置存在结构复杂，海上维护困难、海上作业周期长、造价昂贵、效率不高等缺点。因此，研究和开发功能强大、操作方便的海底取样器，是我国新一轮海底资源大调查、海底地质结构研究和海洋环境研究急需解决的课题。

发明内容

本发明针对现有技术中深度海底取样装置结构复杂、效率低下、造价昂贵、作业及维护困难等技术难点，提供一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，该装置采用模块设计，便于批量生产和维护，并且生产成本低、安装简便、效率高效、安全可靠。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，包括主支撑框架、导向取样机构、触底释放机构和抛载配重机构；

主支撑框架包括底部的连接盘，连接盘上设置有浮块；

导向取样机构至少设置两个，导向取样机构围绕连接盘的圆心均匀设置，导向取样机构与连接盘的底面垂直连接，导向取样机构包括导向筒和取样筒，导向筒垂直连接在连接盘的底面上，导向筒的自由端套在取样筒一端的外侧，取样筒能够沿导向筒的内壁滑动，取样筒的端部不能脱出导向筒；

触底释放机构包括套筒、连接柱和弹簧锁扣装置，套筒垂直连接在连接盘的底面上的圆心处，套筒的自由端套在连接柱一端的外侧，连接柱能够沿套筒的内壁滑动，连接柱的端部能够脱出沿套筒，连接柱的中部设置有环形凸起，套筒的外壁上套设有第一弹簧，第一弹簧位于环形凸起与连接盘的底面之间；弹簧锁扣装置包括挂钩、锁扣和第二弹簧，锁扣为环形结构，设置在环形凸起的下侧面上，挂钩至少设置两个，挂钩围绕套筒均匀设置，挂钩远离钩的一端与连接盘的底面铰接，第二弹簧的一端与连接盘的底面固定连接，设置在挂钩的外侧，另一端连接到挂钩的中部；

抛载配重机构的中心处与连接柱的自由端固定连接，抛载配重机构上对应导向取样机构的位置设置有通孔，导向取样机构穿过通孔设置；

下水前，将浮块和抛载配重机构组装到主支撑框架上，将浮块安装到连接盘上，将导向取样机构穿入抛载配重机构上的通孔内，将连接柱的一端插入到套筒的内部，压缩第一弹簧，将2个挂钩的钩端钩在锁扣上，此时第二弹簧处于拉伸状态；对触底释放机构进行检查，以保证其能正常工作；

布放过程，将取样装置吊入海中并释放，取样装置依靠自身重力进行下潜；

回收过程，取样装置触底后，取样筒上的单向瓣型爪簧张开取样，由于重力的冲量作用，连接柱向上压缩第一弹簧，锁扣上移，挂钩从锁扣上滑脱，第二弹簧复原，带动挂钩向外滑动，随后第一弹簧复原，将抛载配重机构弹出释放，主支撑框架由于浮块的浮力作用上升到海面，然后用细缆进行回收，取出样品进行处理、实验、研究。

进一步地，所述导向筒套在取样筒外侧的端部向内设置有环形凸起，该环形凸起的内径与取样筒的外径相适应，取样筒位于导向筒内侧的端部向外设置有环形凸起，该环形凸起的外径与导向筒内径相适应。

进一步地，所述导向筒的内部设置有第三弹簧，第三弹簧位于取样筒端部的环形凸起与连接盘的底面之间。

进一步地，所述取样筒的自由端设置有单向瓣型爪簧。

进一步地，所述主支撑框架还包括上部的框架，框架连接在连接盘的顶面上，框架与连接盘的顶面之间形成浮块的容纳腔。

进一步地，所述框架上还设置有吊钩。

进一步地，所述取样装置还包括细缆，采用高强度凯夫拉缆，细缆的一端与吊钩连接，另一端与船体连接。

进一步地，所述主支撑框架由不锈钢材料制成。

进一步地，所述连接盘上还设置有GPS定位器。

进一步地，抛载配重机构为水泥块。

本发明的装置具有以下有益效果：

1、本发明的取样装置采用小型化模块设计，解决了原有取样器大而重，布放困难的问题，整套装置总重在50kg以下，2-3人即可完成整套作业流程，减少不必要人力、设备浪费，既提高了工作效率，又减少了设备维护难度和作业风险；

2、本发明的取样装置采用了分体式模块化设计，能够便于工业化批量生产以及海上维护，每部分便于加工制造，维护时便于更换，装置下部抛载配重机构其配重采用水泥块配重，支撑框架采用普通不锈钢材料，从而大大节约了制造成本，便于大批量的使用；

3、本发明的取样装置无需外部动力源，可实现自主上浮，整个装置在触底后，自动释放抛载配重机构，依靠浮块的浮力上浮，设计巧妙，节省造价；

4、本发明的取样装置提出了全海深设计，可以在全海深海底进行取样作业，大大增加了作业范围，全海深的取样装置可广泛应用于深渊科学探测，如西北太平洋雅浦海沟、马里亚纳海沟的取样研究等，将极大推动深渊科学探测技术的发展。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为主支撑框架的结构示意图；

图3为本发明的装置取样过程示意图。

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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所述一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，包括主支撑框架1、导向取样机构2、触底释放机构3和抛载配重机构4。

主支撑框架1上设置有浮块，用于为系统提供回收时的浮力。主支撑框架1包括底部的连接盘11和上部的框架12，框架12连接在连接盘11的顶面上，框架12与连接盘11的顶面之间形成浮块的容纳腔。主支撑框架1整体由不锈钢材料制成，既能够保证有比较好的强度，又能够保不被海水锈蚀。连接盘11上还设置有GPS定位器14，用于对系统的定位，方便回收。浮块的大小可根据需要定制尺寸。

如图2所示，导向取样机构2设置有4个，4个导向取样机构2围绕连接盘11的圆心均匀设置，导向取样机构2与连接盘11的底面垂直连接，导向取样机构2包括导向筒21和取样筒22，导向筒21垂直连接在连接盘11的底面上，导向筒21的自由端套在取样筒22一端的外侧，取样筒22能够沿导向筒21的内壁滑动。导向筒21套在取样筒22外侧的端部向内设置有环形凸起，该环形凸起的内径与取样筒22的外径相适应，取样筒22位于导向筒21内侧的端部向外设置有环形凸起，该环形凸起的外径与导向筒21内径相适应。这样的设计保证了取样筒22的端部不能脱出导向筒21。导向筒21的内部设置有第三弹簧，第三弹簧位于取样筒22端部的环形凸起与连接盘11的底面之间。第三弹簧的设置，能够减缓系统触底时对导向取样机构的冲击。取样筒22的自由端设置有单向瓣型爪簧23，能够保证回收时取入的样品由爪簧堵住，防止泄露。导向取样机构2能够起到导向作用，防止触底时发生倾斜。

如图2所示，触底释放机构3包括套筒31、连接柱32和弹簧锁扣装置，套筒31垂直连接在连接盘11的底面上的圆心处，套筒31的自由端套在连接柱32一端的外侧，连接柱32能够沿套筒31的内壁滑动，连接柱32的端部能够脱出沿套筒31，连接柱32的中部设置有环形凸起，套筒31的外壁上套设有第一弹簧35，第一弹簧35位于环形凸起与连接盘11的底面之间；弹簧锁扣装置包括挂钩33、锁扣34和第二弹簧36，锁扣34为环形结构，设置在环形凸起的下侧面上，挂钩33设置2个，2个挂钩33围绕套筒31均匀设置，挂钩33远离钩的一端与连接盘11的底面铰接，第二弹簧36的一端与连接盘11的底面固定连接，设置在挂钩33的外侧，另一端连接到挂钩33的中部。抛载配重机构4的中心处与连接柱32的自由端固定连接，抛载配重机构4上对应导向取样机构2的位置设置有通孔，导向取样机构2穿过通孔设置。抛载配重机构4为水泥块，造价低，满足系统对抛载配重机构4的要求，能够方便的制作成需要的形状。

另外，取样装置还包括细缆，采用高强度凯夫拉缆，细缆的一端与吊钩13连接，另一端与船体连接，方便对系统的回收。

安装时，将连接柱32的一端插入到套筒31的内部，压缩第一弹簧35，弹然后将2个挂钩33的钩端钩在锁扣34上，此时第二弹簧36处于拉伸状态。

下水前，进行组装工作，将浮块和抛载配重机构4组装到主支撑框架1上，将浮块安装到框架12与连接盘11顶面形成的浮块容纳腔内，然后导向取样机构2穿入抛载配重机构4上的通孔内，将连接柱32的一端插入到套筒31的内部，压缩第一弹簧35，然后将2个挂钩33的钩端钩在锁扣34上，此时第二弹簧36处于拉伸状态。对触底释放机构3进行检查，以保证其能正常工作。

布放过程，将海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置吊入海中并释放，取样装置依靠自身重力进行下潜。布放时，如果条件允许可以用小型船载吊机进行布放，如果条件不允许，由2-3人将取样装置抬起，缓慢放入水中即可。

回收过程，取样装置触底后，取样筒22上的单向瓣型爪簧23张开取样，由于重力的冲量作用，连接柱32向上压缩第一弹簧35，锁扣34上移，挂钩33从锁扣34上滑脱，第二弹簧36复原，带动挂钩33向外滑动，随后第一弹簧35复原，将抛载配重机构4弹出释放，主支撑框架1由于浮块的浮力作用上升到海面，然后用细缆进行回收，取出样品进行处理、实验、研究。

细缆不参与装置布放过程，主要作用为当主支撑框架1上浮到水面时，通过该细缆将上浮的机构收回，必要时若取样装置触底未能自主上浮也可紧急将全海深自浮式取样器拉回。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于，包括主支撑框架(1)、导向取样机构(2)、触底释放机构(3)和抛载配重机构(4)；

主支撑框架(1)包括底部的连接盘(11)，连接盘(11)上设置有浮块；

导向取样机构(2)至少设置两个，导向取样机构(2)围绕连接盘(11)的圆心均匀设置，导向取样机构(2)与连接盘(11)的底面垂直连接，导向取样机构(2)包括导向筒(21)和取样筒(22)，导向筒(21)垂直连接在连接盘(11)的底面上，导向筒(21)的自由端套在取样筒(22)一端的外侧，取样筒(22)能够沿导向筒(21)的内壁滑动，取样筒(22)的端部不能脱出导向筒(21)；

触底释放机构(3)包括套筒(31)、连接柱(32)和弹簧锁扣装置，套筒(31)垂直连接在连接盘(11)的底面上的圆心处，套筒(31)的自由端套在连接柱(32)一端的外侧，连接柱(32)能够沿套筒(31)的内壁滑动，连接柱(32)的端部能够脱出沿套筒(31)，连接柱(32)的中部设置有环形凸起，套筒(31)的外壁上套设有第一弹簧(35)，第一弹簧(35)位于环形凸起与连接盘(11)的底面之间；弹簧锁扣装置包括挂钩(33)、锁扣(34)和第二弹簧(36)，锁扣(34)为环形结构，设置在环形凸起的下侧面上，挂钩(33)至少设置两个，挂钩(33)围绕套筒(31)均匀设置，挂钩(33)远离钩的一端与连接盘(11)的底面铰接，第二弹簧(36)的一端与连接盘(11)的底面固定连接，设置在挂钩(33)的外侧，另一端连接到挂钩(33)的中部；

抛载配重机构(4)的中心处与连接柱(32)的自由端固定连接，抛载配重机构(4)上对应导向取样机构(2)的位置设置有通孔，导向取样机构(2)穿过通孔设置；

下水前，将浮块和抛载配重机构(4)组装到主支撑框架(1)上，将浮块安装到连接盘(11)上，将导向取样机构(2)穿入抛载配重机构(4)上的通孔内，将连接柱(32)的一端插入到套筒(31)的内部，压缩第一弹簧(35)，将2个挂钩(33)的钩端钩在锁扣(34)上，此时第二弹簧(36)处于拉伸状态；对触底释放机构(3)进行检查，以保证其能正常工作；

布放过程，将取样装置吊入海中并释放，取样装置依靠自身重力进行下潜；

回收过程，取样装置触底后，取样筒(22)上的单向瓣型爪簧(23)张开取样，由于重力的冲量作用，连接柱(32)向上压缩第一弹簧(35)，锁扣(34)上移，挂钩(33)从锁扣(34)上滑脱，第二弹簧(36)复原，带动挂钩(33)向外滑动，随后第一弹簧(35)复原，将抛载配重机构(4)弹出释放，主支撑框架(1)由于浮块的浮力作用上升到海面，然后用细缆进行回收，取出样品进行处理、实验、研究。

2.根据权利要求1所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述导向筒(21)套在取样筒(22)外侧的端部向内设置有环形凸起，该环形凸起的内径与取样筒(22)的外径相适应，取样筒(22)位于导向筒(21)内侧的端部向外设置有环形凸起，该环形凸起的外径与导向筒(21)内径相适应。

3.根据权利要求2所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述导向筒(21)的内部设置有第三弹簧，第三弹簧位于取样筒(22)端部的环形凸起与连接盘(11)的底面之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述取样筒(22)的自由端设置有单向瓣型爪簧(23)。

5.根据权利要求1所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述主支撑框架(1)还包括上部的框架(12)，框架(12)连接在连接盘(11)的顶面上，框架(12)与连接盘(11)的顶面之间形成浮块的容纳腔。

6.根据权利要求5所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述框架(12)上还设置有吊钩(13)。

7.根据权利要求5所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述取样装置还包括细缆，采用高强度凯夫拉缆，细缆的一端与吊钩(13)连接，另一端与船体连接。

8.根据权利要求1或5或6或7所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述主支撑框架(1)由不锈钢材料制成。

9.根据权利要求8所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：所述连接盘(11)上还设置有GPS定位器(14)。

10.根据权利要求1所述的海底机械式万米级轻型冲击地质取样装置，其特征在于：抛载配重机构(4)为水泥块。

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