CN108020438A - 机械手持式海底沉积物气密取样装置及其取样和保压方法 - Google Patents

机械手持式海底沉积物气密取样装置及其取样和保压方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械手持式海底沉积物气密取样装置及其取样和保压方法，机械手持式海底沉积物气密取样装置，包括取样管总成及保压总成，所述的取样管总成包括取样管、手柄和端盖，取样管固定在端盖下端面上，手柄固定在端盖上端面上，取样管的顶部侧壁上设有多个排水孔；所述取样管总成的取样管插入保压总成内，取样管总成的端盖与保压总成密封连接。本发明的机械手持式海底沉积物气密取样装置结构简单、紧凑，外形尺寸小，重量轻，便于操控，易于加工制造，可靠性高，特别适合于如载人潜水器、无人潜水器、ROV等水下作业装备的机械手操控。

Description

机械手持式海底沉积物气密取样装置及其取样和保压方法
技术领域
本发明涉及一种海底取样装置，尤其是涉及一种机械手持式海底沉积物气密取样装置及其取样和保压方法。
技术背景
海洋是人类巨大的共同资源宝库，蕴藏着丰富的矿产、生物、油气以及其他多种资源。海底沉积物中蕴藏着大量的微生物等生命群落，这些微生物群落是人类认识和研究深渊生命演化及海底环境变化的重要途径。由于海底特殊的高压环境条件，在海底沉积物采集过程中必须尽可能减小微生物的外部环境压力的波动，避免外部压力的变化对嗜压微生物生命特征的影响。然而，目前如“蛟龙号”载人潜水器、“海马号”ROV等使用的机械手持式海底沉积物取样器均为非气密保压取样器，这将对嗜压微生物生命特征的研究产生较大影响，因此，必须研制机械手持式海底沉积物气密取样装置，从而为海底微生物群落生命演化等科学研究提供高质量海底保压样品。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、紧凑，操作方便、可靠的机械手持式海底沉积物气密取样装置及其取样和保压方法。
本发明采用的技术方案是：一种机械手持式海底沉积物气密取样装置，包括取样管总成及保压总成，所述的取样管总成包括取样管、手柄和端盖，取样管固定在端盖下端面上，手柄固定在端盖上端面上，取样管的顶部侧壁上设有多个排水孔；所述取样管总成的取样管插入保压总成内，取样管总成的端盖与保压总成密封连接。
上述的机械手持式海底沉积物气密取样装置中，所述保压总成包括保压筒、方形挡栓、浮动密封环及卸样阀，保压筒顶部侧壁上设有多个方形挡栓孔，方形挡栓孔沿径向设置，每个方形挡栓孔内分别设有方形挡栓，保压筒外壁上对应于方形挡栓固定安装有挡栓盒，方形挡栓与挡栓盒相对的端面之间通过压缩弹簧连接；
所述保压筒的内孔为台阶孔，台阶面上设有多个弹簧孔，弹簧孔为盲孔，轴线与保压筒轴线平行；弹簧孔内设有浮动支撑弹簧，所述浮动密封环支撑在浮动支撑弹簧上，浮动密封环与保压筒内壁之间设有径向密封圈；所述保压筒内腔底部通过耐压管与卸样阀连接。
上述的机械手持式海底沉积物气密取样装置中，方形挡栓侧面上靠近后端处固定有限位销；浮动密封环上端面上安装有轴向密封圈。
上述的机械手持式海底沉积物气密取样装置中，还包括压力补偿器，所述压力补偿器包括耐压缸体、活塞、补偿器端盖及充气阀；耐压缸体一端开口，另一端设有与保压筒连通的连接孔；补偿器端盖固定在耐压缸体开口处，补偿器端盖上设有与充气阀连通的连接孔；活塞置于耐压缸体内。
一种利用上述的机械手持式海底沉积物气密取样装置的海底沉积物取样和保压方法，具体操作步骤如下：
（1）利用机械手抓取取样管总成的手柄，将取样管总成移动到垂直于海底沉积物表面的位置；
（2）利用机械手将取样管总成压入海底沉积物中，直到取样管全部插入海底沉积物为止，在取样管插入海底沉积物过程中，取样管内的海水将通过取样管顶部径向上开设的多个通孔向外排出；
（3）利用机械手将取样管总成的取样管从海底沉积物中拔出插入保压总成中。
上述的海底沉积物取样和保压方法中，步骤3）中将取样管总成插入保压总成的具体操作如下：
利用机械手将取样管总成的取样管对准保压总成的保压筒，然后使得取样管缓慢插入保压筒,当取样管完全插入保压筒后, 利用机械手继续压迫取样管总成，使得取样管总成的端盖滑过方形挡栓，端盖的下端面与浮动密封环之间将通过轴向密封圈形成密封，保压总成的方形挡栓在压缩弹簧的作用下弹出并卡住端盖的上端，机械手停止动作。
上述的海底沉积物取样和保压方法中，在机械手持式海底沉积物气密取样装置下水之前，通过充气阀向压力补偿器的活塞与补偿器端盖之间的腔隙充入惰性气体，使得活塞位于耐压缸体内腔的顶部位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的机械手持式海底沉积物气密取样装置结构简单、紧凑，外形尺寸小，重量轻，便于操控，易于加工制造，可靠性高，特别适合于如载人潜水器、无人潜水器、ROV等水下作业装备的机械手操控。
附图说明
图1是本发明的机械手持式海底沉积物气密取样装置的结构示意图。
图2是本发明的机械手持式海底沉积物气密取样装置的取样管总成的结构示意图。
图3是本发明的机械手持式海底沉积物气密取样装置的保压总成的结构示意图。
图4是本发明的机械手持式海底沉积物气密取样装置的压力补偿器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括取样管总成1、保压总成2、压力补偿器3和高压管4。如图2所示，所述取样管总成1包括取样管105、手柄101和端盖102，所述取样管105顶部通过螺钉104固定在端盖102的下端面，所述手柄101固定在端盖102的上端面，手柄101用于机械手夹持。取样管105顶部侧壁上设有多个排水孔103，排水孔103用于取样时排出取样管105内的海水。
如图3所示，所述保压总成2包括保压筒208、方形挡栓201、浮动密封环204、卸样阀216，所述保压筒208顶部侧壁上设有多个方形挡栓孔202，方形挡栓孔202沿径向设置，每个方形挡栓孔202内分别套装有方形挡栓201，方形挡栓201侧面上靠近后端处固定有限位销203；保压筒208外壁上对应于方形挡栓201通过螺栓209固定安装有挡栓盒210，方形挡栓201与挡栓盒210相对的端面之间通过压缩弹簧211连接，方形挡栓201在压缩弹簧211的作用下可在方形挡栓孔202内移动。
所述保压筒208上部开设有高压管连接孔207，所述保压筒208的内孔为台阶孔，台阶面上设有多个弹簧孔206，弹簧孔206为盲孔，轴线与保压筒208轴线平行；浮动支撑弹簧205分别固定在弹簧孔206内，所述浮动密封环204支撑在浮动支撑弹簧205上，浮动密封环204在径向和轴向上分别安装有径向密封圈213和轴向密封圈212，浮动密封环204与保压筒208内壁之间通过径向密封圈213密封。所述保压筒208内腔底部通过耐压管215与卸样阀214连接。
如图4所示，所述压力补偿器3包括耐压缸体301、活塞302、补偿器端盖303及充气阀304；耐压缸体301一端开口，另一端设有与保压筒208连通的连接孔306；连接孔306通过高压管4与保压筒208上的高压管连接孔207连接。所述补偿器端盖303固定在耐压缸体301开口处，补偿器端盖303上设有与充气阀304连通的连接孔。所述活塞302置于耐压缸体301内，活塞302将耐压缸体301分成A腔（活塞302与补偿器端盖303之间的腔隙）和B腔（活塞302与耐压缸体301顶部之间的腔隙），A腔通过耐压管305与充气阀304连通，B腔通过高压管4与保压筒208连通。
当所述取样管总成1的取样管105插入保压总成2的保压筒208内，取样管总成1的端盖102的下端面与保压总成2的浮动密封环204之间通过轴向密封圈214实现密封。同时，保压筒208的方形挡栓201卡紧取样管总成1的端盖102的上端面，限制样管总成1的端盖102的运动，使得取样管总成1、保压总成2、压力补偿器3与高压管4四者形成气密式结构。
利用上述的机械手持式海底沉积物气密取样装置进行海底沉积物样品的取样和保压方法，具体操作步骤如下：
（1）在机械手持式海底沉积物气密取样装置下水之前，通过充气阀304向压力补偿器3的A腔预充一定压力的惰性气体，此时活塞302将向B腔移动，并到达B腔顶部位置；在机械手持式海底沉积物气密取样装置下放至海底过程中，在海水压力的作用下，活塞302将向A腔移动，直到A腔和B腔内的压力达到平衡；
（2）利用机械手抓取取样管总成1的手柄101，将取样管总成1移动到垂直于海底沉积物表面的位置；
（3）利用机械手将取样管总成1压入海底沉积物中，直到取样管105全部插入海底沉积物为止，在取样管105插入海底沉积物过程中，取样管105内的海水将通过取样管顶部径向上开设的多个排水孔103向外排出；
（4）利用机械手将取样管总成1从海底沉积物中拔出；
（5）利用机械手将取样管总成1的取样管105对准保压筒208缓慢插入保压筒208中，当取样管总成1的端盖102的下端面接触到浮动密封环204后，压迫浮动密封环204向下移动，使得端盖102的下端面与浮动密封环204之间将通过轴向密封圈214形成密封，当端盖102继续向下移动滑过方形挡栓201后，方形挡栓201在压缩弹簧211的作用下弹出并卡住端盖102的上端，此时机械手停止下插动作；当将机械手持式海底沉积物气密取样装置从海底回收至海面过程中，由于外界海水压力的减小，保压筒208将膨胀变形，此时压力补偿器3的A腔内的惰性气体将推动活塞302向B腔移动，迫使B腔内的海水经高压管4向保压筒208流动，从而补偿由于保压筒208膨胀变形而导致保压筒208内部的压力损失。

Claims (7)

1.一种机械手持式海底沉积物气密取样装置，其特征在于：包括取样管总成及保压总成，所述的取样管总成包括取样管、手柄和端盖，取样管固定在端盖下端面上，手柄固定在端盖上端面上，取样管的顶部侧壁上设有多个排水孔；所述取样管总成的取样管插入保压总成内，取样管总成的端盖与保压总成密封连接。
2.根据权利要求1所述的机械手持式海底沉积物气密取样装置，其特征是：所述保压总成包括保压筒、方形挡栓、浮动密封环及卸样阀，保压筒顶部侧壁上设有多个方形挡栓孔，方形挡栓孔沿径向设置，每个方形挡栓孔内分别设有方形挡栓，保压筒外壁上对应于方形挡栓固定安装有挡栓盒，方形挡栓与挡栓盒相对的端面之间通过压缩弹簧连接；
所述保压筒的内孔为台阶孔，台阶面上设有多个弹簧孔，弹簧孔为盲孔，轴线与保压筒轴线平行；弹簧孔内设有浮动支撑弹簧，所述浮动密封环支撑在浮动支撑弹簧上，浮动密封环与保压筒内壁之间设有径向密封圈；所述保压筒内腔底部通过耐压管与卸样阀连接。
3.根据权利要求2所述的机械手持式海底沉积物气密取样装置，其特征是：方形挡栓侧面上靠近后端处固定有限位销；浮动密封环上端面上安装有轴向密封圈。
4.根据权利要求2或3所述的机械手持式海底沉积物气密取样装置，其特征是：还包括压力补偿器，所述压力补偿器包括耐压缸体、活塞、补偿器端盖及充气阀；耐压缸体一端开口，另一端设有与保压筒连通的连接孔；补偿器端盖固定在耐压缸体开口处，补偿器端盖上设有与充气阀连通的连接孔；活塞置于耐压缸体内。
5.一种利用权利要求1-4中任一权利要求所述的机械手持式海底沉积物气密取样装置的海底沉积物取样和保压方法，具体操作步骤如下：
（1）利用机械手抓取取样管总成的手柄，将取样管总成移动到垂直于海底沉积物表面的位置；
（2）利用机械手将取样管总成压入海底沉积物中，直到取样管全部插入海底沉积物为止，在取样管插入海底沉积物过程中，取样管内的海水将通过取样管顶部径向上开设的多个通孔向外排出；
（3）利用机械手将取样管总成的取样管从海底沉积物中拔出插入保压总成中。
6.根据权利要求5所述的海底沉积物取样和保压方法，步骤3）中将取样管总成插入保压总成的具体操作如下：
利用机械手将取样管总成的取样管对准保压总成的保压筒，然后使得取样管缓慢插入保压筒,当取样管完全插入保压筒后, 利用机械手继续压迫取样管总成，使得取样管总成的端盖滑过方形挡栓，端盖的下端面与浮动密封环之间将通过轴向密封圈形成密封，保压总成的方形挡栓在压缩弹簧的作用下弹出并卡住端盖的上端，机械手停止动作。
7.根据权利要求6所述的海底沉积物取样和保压方法，在机械手持式海底沉积物气密取样装置下水之前，通过充气阀向压力补偿器的活塞与补偿器端盖之间的腔隙充入惰性气体，使得活塞位于耐压缸体内腔的顶部位置。
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