CN110686926A - 一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，包括取样器及固定于取样器的支撑框架和附加配重，取样器包括依次连接的驱动筒、采样筒、钻头，其中驱动筒上下均密封；驱动筒包括筒体、设于筒体的控制系统、蓄电池、链锤进钻系统，钻头内部自带封口装置以及触发封口装置动作的触发机构；驱动筒的控制系统包括液位传感器和可编程控制器，可编程控制器根据液位传感器感应的深度变化控制锤击进钻系统动作以带动取样器下钻。本装置无需下放深水电缆，在取样器内部装载蓄电池作为电源，减少电缆后加入液位传感器和可编程控制器共同控制电机的开启，取样器封口处采取偏转片式封口，对取样过程中进入采样筒的样品扰动较小，取样精度较高。

Description

一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统

技术领域

本发明涉及水库深水淤积物取样技术领域，具体是一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统。

背景技术

水库泥沙问题中，淤积物基本特性的研究尤为重要，淤积物的干容重是重要的物理参数，它影响到淤积物体积和重量的换算、细颗粒淤积物密实后体积的变化等因素；淤积物干容重与水库淤积量的计算直接相关，依附于泥沙的氮、磷等污染物质的变化与水库的水生态关系密切，均需要通过对淤积物进行分析。

研究干容重特性即是研究水生态和水库淤积形式的一种重要途径。目前国内外主要的深水淤积物取样器有抓斗式、自重进钻、振动取样器、以及由爆炸产生的冲击进钻、靠压力差挤压样品进入取样筒的取样器等。但是这些取样器大部分都不可控，而且封口方式对进入采样筒的样品扰动较大，难以满足保真度的需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有淤积物取样器不可控以及样品保真度不高的问题，提出一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，本装置无需下放深水电缆，减少操作难度，在取样器内部装载蓄电池作为电源，减少电缆后加入液位传感器和可编程控制器共同控制电机的开启，无需人为操作，取样器封口处采取偏转片式封口(触发式横向封口)，对取样过程中进入采样筒的样品扰动较小，取样精度较高。

本发明提出的一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，包括取样器及固定于取样器的支撑框架和附加配重，所述取样器包括依次连接的驱动筒、采样筒、钻头，其中驱动筒上下均密封，驱动筒的底部与采样筒上部连接，采样筒由外筒、内筒紧密配合组成，采样筒底部开敞且与钻头紧固配合；驱动筒包括筒体、设于筒体的控制系统、蓄电池、链锤进钻系统，钻头内部自带封口装置以及触发封口装置动作的触发机构；驱动筒的控制系统包括液位传感器和可编程控制器，可编程控制器根据液位传感器感应的深度变化控制锤击进钻系统动作以带动取样器下钻。

进一步的，所述锤击进钻系统包括传动装置、链锤系统，所述传动装置包括电机、2个锥齿轮、锥齿轮轴、直齿轮；电机固定在电机座上，电机座周向由螺栓固定在驱动筒上，其中一个锥齿轮用键连接在电机的转轴上，并将转动通过另一锥齿轮传递至横向的锥齿轮轴，锥齿轮轴通过一对直齿轮进行减速配合传动将转动传递至链锤系统。

进一步的，所述链锤系统包括上链轮、链轮轴、滚子链、重锤以及下链轮；传动装置中的直齿轮与链轮轴连接，链轮轴上焊接上链轮，滚子链绕设在上链轮和下链轮上，上链轮带动滚子链转动，滚子链中有加长轴销作为吊杆，转动时带动重锤向上提升。

进一步的，所述链锤系统还包括滑块、滑轨、悬挂座，重锤中开设由滑轨穿过的通孔，中间开设让滚子链穿过的方孔，重锤内部的左上端有可左右滑动的滑块，悬挂座下部设有滑块位置对应的楔形触头，当滚子链上的吊杆卡住右限位的滑块时，重锤在上链轮带动下沿着滑轨提升，当重锤提升至滑轨顶部时，由悬挂座下部的楔形触头推动滑块滑移至左限位，此时滚子链的吊杆松开滑块，重锤下砸在焊接在驱动筒内部凸台上的承台上，完成一次下钻工作。

进一步的，所述封口装置包括基座、设于基座内部的偏转片，所述触发机构包括扭力弹簧、触发卡环、推力弹簧、触发块，扭力弹簧与偏转片连接，扭力弹簧存放在基座的弹簧孔内，偏转片放置在扭力弹簧的下部并与扭力弹簧相连，由扭力弹簧给偏转片提供切断土体的偏转力矩，触发块设于取样器上部，触发块受压后可下移通过牵引绳触发推力弹簧，推力弹簧下移带动触发卡环下移，进而使得带动偏转片在扭力弹簧的推动下旋转以切断样品。

进一步的，还包括设于触发块下移路径上的触发片、开关，开关串联接入蓄电池电路，开关起始状态为开启，当触发块下移使得触发片触发开关后，供电系统断电，电机停止运转。

进一步的，所述支撑框架卡在取样器外壁，附加配重外挂在采样器外壁的法兰盘上，取样器顶端由钢缆与卷扬机连接，由卷扬机将取样器、支撑框架和附加配重一同下放至河床面。

进一步的，所述支撑框架采用四角倾斜支撑，框架支撑腿底部带有圆盘，用以防止支撑框架下陷。

进一步的，所述采样筒的外筒采用不锈钢；内筒采用PVC管，PVC管做对半切开处理。

进一步的，所述液位传感器感应的深度变化以电信号传递给可编程控制器，当可编程控制器在预设时间内接收到液位传感器的信号不发生变化时，可编程控制器控制电机启动，取样器开始下钻。

本发明的技术效果是：

本发明可以对水库、河道下游、湖泊等水域进行河床淤积物采样，用于分析淤积物的沉积特性，而且可以较高精度的对样品进行保真，同时具有以下特点：

1)以钢缆悬挂框架，取样器和附加配重，取样深度可控；

2)取样器取消了供电电缆，采用蓄电池供电，减轻下放取样器的操作难度和取样器的密封难度；

3)取样器采用链锤进钻系统，提高了进钻效率；

4)采样筒分内外筒，内筒对半切开放入外筒中，可减少样品进入取样器时产生的摩擦力，并且便于样品的取出；

5)封口形式采用偏转片横向封口，对进入采样筒的样品造成扰动较小。

附图说明

图1为本发明新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统的整体工作示意图；

图2为本发明新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统其中一个实施例的纵向剖面图；

图3为本发明中链锤进钻系统的剖视图；

图4为本发明中钻头的结构示意图；

图5为本发明中基座的三维剖视图。

图中：1—测量船，2—取样器，3—附加配重，4—支撑框架，5—淤积层，

2-1—液位传感器，2-2—触发块，2-3—触发片，2-4—开关，2-5—吊环，2-7—O型圈，2-8—上端盖，2-9—上螺扣板，2-10—上压板，2-11—尼龙垫块，2-12—可编程控制器(PLC)，2-13—蓄电池，2-14—电机，2-15—电机座，2-16—齿轮支架板，2-17—链锤系统，2-23—承台，2-24—下链轮，2-25—下压板2-26—O型圈，2-27—下螺扣板，2-28—下连接板，2-30—外筒，2-31—内筒，

2-14—电机，3-2—锥齿轮，3-3—锥齿轮轴，3-4—直齿轮，3-5—上链轮，3-6—链轮轴，3-7—关节轴承，3-8—悬挂座，3-9—限位螺母，3-10—滑块，3-11—滑轨，3-12—直线轴承，3-13—滚子链，3-14—重锤，

4-1—螺孔，4-2—基座，4-3—触发卡环，4-4—推力弹簧，4-5—牵引绳孔。

5-1—扭力弹簧，5-2—偏转片。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明的一种新型钢缆悬挂配重淤积物取样系统进行详细说明。

本发明提出的装置工作原理如图1所示，整个取样系统由测量船1上的卷扬机释放一根钢缆进行悬挂，支撑框架4和附加配重3卡紧在取样器2上，当框架4接触到淤积层5时与取样器2分离，附加配重3跟随取样器2进钻。

请一并参阅图2，本发明新型钢缆悬挂配重淤积物取样系统其中一个实施例包括取样器2、支撑框架4和附加配重3，所述取样器2包括驱动筒、采样筒、钻头。

所述驱动筒包括筒体、设于筒体的可编程控制器(PLC)2-12、控制系统、蓄电池2-13、以及锤击进钻系统。

所述控制系统包括设于驱动筒的筒体顶部的液位传感器2-1及与液位传感器2-1连接的可编程控制器(PLC)2-12，通过液位传感器2-1感应深度的变化与内部的可编程控制器(PLC)2-12配合开启锤击进钻系统中的电机2-14。驱动筒的筒体上、下两部分设有密封装置，实现多层防水。具体的，本实施例驱动筒的上密封装置包括上端盖2-8、上螺扣板2-9、O型圈2-7、上压板2-10、尼龙垫块2-11，下密封装置包括下压板2-25、下螺扣板2-27、O型圈2-26以及下连接板2-28，由于多层密封，防水效果良好。

所述驱动筒的筒体的上部焊接两个吊环2-5用来连接钢缆，取样器自带蓄电池2-13供电，取消了电缆供电的方式；由于取消电缆，因此无法进行电机的启闭控制，因此取样器选用液位传感器2-1和可编程控制器(PLC)2-12作为控制系统进行电机2-14开启的控制。

初始下放时，取样系统处于快速下放的过程，当接触河床时，取样系统几乎停止下移，因此对可编程控制器(PLC)2-12进行设计，液位传感器2-1感应的深度变化以电信号传递给可编程控制器2-12，当可编程控制器(PLC)2-12在10s内接收到液位传感器2-1的信号不发生变化时(例如当10s后液位变化小于液位计的精度后)，可编程控制器(PLC)2-12控制电机2-14启动，取样器2开始下钻。

所述锤击进钻系统包括传动装置、链锤系统，所述传动装置包括电机2-14、锥齿轮3-2(本实施例设置2个)、锥齿轮轴3-3、直齿轮3-4；电机2-14固定在电机座3-1上，电机座3-1周向由螺栓固定在驱动筒上，其中一个锥齿轮3-2用键连接在电机2-14的转轴上，并将转动通过另一锥齿轮传3-2递至横向的锥齿轮轴3-3，锥齿轮轴3-3通过一对直齿轮3-4进行减速配合传动将转动传递至链锤系统。

所述链锤系统包括上链轮3-5、链轮轴3-6、关节轴承3-7、悬挂座3-8、限位螺母3-9、滑块3-10、滑轨3-11、直线轴承3-12、滚子链3-13、重锤3-14以及下链轮2-24；传动装置中的直齿轮3-4与链轮轴3-6连接，链轮轴3-6上焊接上链轮3-5，滚子链3-13绕设在上链轮3-5和下链轮2-24上，上链轮3-5带动滚子链3-13转动，滚子链3-13中有加长轴销作为吊杆，转动时带动重锤3-14沿滑轨3-11向上提升。通过两个锥齿轮3-2配合传动，可以改变扭转方向，再由一对直齿轮3-4配合降低转速，可提高扭矩。在电机2-14作用下上链轮3-5和下链轮2-24带动滚子链3-13运动，重锤3-14随着滚子链3-13循环运动，实现不停的上下运动，带动取样器2不停下钻。

齿轮轴固定在两侧的齿轮支架上，重锤3-14中开3个通孔由滑轨3-11穿过，悬挂座3-8位于滑轨3-11顶端附近，中间开设让滚子链3-13穿过的方孔，重锤3-14内部的左上端有可左右滑动的滑块3-10，当滚子链3-13上的吊杆卡住右限位的滑块3-10时，重锤3-14在上链轮3-5带动下沿着滑轨3-11提升，当重锤3-14提升至滑轨3-11顶部时，由悬挂座3-8下部的楔形触头推动滑块3-10滑移至左限位，此时滚子链3-13的吊杆松开滑块3-10，重锤3-14下砸在承台2-23上，完成一次下钻工作。其中限位螺母3-9可以控制滑块3-10的左右滑移距离。滑轨3-11和重锤3-14之间由直线轴承3-12承担滑动摩擦。承台2-23开有滑轨孔，孔径要比滑轨3-11直径略大，同时配合关节轴承3-7，可以保证当取样器发生偏斜后，滑轨3-11也会偏斜一定角度，此时重锤3-14会砸在承台2-23偏高的一侧，完成一定范围的纠偏。承台2-23焊接在驱动筒内部的凸台上，与支撑框架4共同保持取样器的竖直能力。

所述采样筒上部和驱动筒底部使用法兰盘连接，底部开敞，与钻头接合；本实施例的采样筒由内筒2-31和外筒2-30组成，外筒2-30为不锈钢材质，承受摩擦力；内筒2-31为PVC管，可减小内筒与进入采样筒的样品间的摩擦，保证样品的真度，同时对PVC管做对半切开处理，目的使为了便于取出样品时减少对样品的扰动。

本实施例的钻头如图4所示，呈伞状，选用马氏体不锈钢，所述钻头通过螺孔4-1和采样筒的内筒2-31、外筒2-30配合连接。所述钻头内部自带封口装置以及触发封口装置动作的触发机构，所述封口装置包括基座4-2、设于基座4-2内部的偏转片5-2，所述触发机构包括扭力弹簧5-1、触发卡环4-3、推力弹簧4-4、触发块2-2，扭力弹簧5-1与偏转片5-2连接。扭力弹簧5-1存放在基座4-2的弹簧孔内，偏转片5-2放置在扭力弹簧5-1的下部并与扭力弹簧5-1相连，由扭力弹簧5-1给偏转片5-2提供切断土体的偏转力矩。触发块2-2设于取样器上部，触发块2-2受压后可下移通过牵引绳触发推力弹簧4-4，推力弹簧4-4下移带动触发卡环4-3下移，进而使得带动偏转片5-2在扭力弹簧5-1的推动下旋转以切断样品。

基座4-2放置在触发卡环4-3的上部，在取样过程中，由推力弹簧4-4推动触发卡环4-3上移卡紧偏转片5-2，偏转片5-2收纳在基座4-2内；取样结束后，从工作船1上沿钢缆释放一个锤块，砸落在取样器上部的触发块2-2上，触发块2-2下移，带动连接在其上的牵引绳，牵引绳通过取样器筒壁上的牵引绳孔4-5连接取样器上部的触发块2-2和钻头上的推力弹簧4-4，触发块2-2下移后带动牵引绳，牵引绳传动至推力弹簧4-4，使其下移，推力弹簧4-4下移的同时，触发卡环4-3也下移，此时收纳在基座4-2内的偏转片5-2在扭力弹簧5-1的推动下，旋转切断样品，实现封口。即所述钻头采用低扰动的偏转片式闭合方式，初始时偏转片5-2收纳在钻头上部的圆环形基座中，取样结束时由触发机构使偏转片5-2弹射出，旋转切断土体。取样器操作简便，仅需在取样结束时由操作人员在上部沿钢缆下发锤块即可。

本发明仅由单根钢缆下放取样系统，如图1所示，支撑框架4为四角支撑式，支撑腿与水平面间的夹角为60°，支撑腿底部带有一定半径的圆盘可以保证框架不下陷，在取样器外部增设支撑框架4使其竖直与淤积物接触，可最大程度保证样品的垂直分布特性；

附加配重3卡紧在取样器2外壁的法兰盘上，为取样器进钻克服摩擦阻力。取样器上下部分由上连接板2-28与下连接板2-29相连，本实施例的附加配重3可放置于连接板2-28上，对两个连接板(2-28、2-29)做加宽处理，既可以在上连接板2-28上添加附加配重3使取样器2更加高效的下钻，又可以保证取样器下钻至采样筒顶部后不再继续下钻。

本实施例的电机2-14关闭方式同样可由取样器顶部的触发块2-2下移来实现，触发块2-2在下移的同时，其上自带的触发片2-3压在开关2-4上，开关2-4串联接入蓄电池2-13电路，起始状态为开启，当触发片2-3触发开关2-4后，供电系统断电，电机停止运转。

本发明的取样装置具有高保真、易操作的特点，可适应水库，湖泊等深水环境。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：包括取样器及固定于取样器的支撑框架和附加配重，所述取样器包括依次连接的驱动筒、采样筒、钻头，其中驱动筒上下均密封，驱动筒的底部与采样筒上部连接，采样筒由外筒、内筒紧密配合组成，采样筒底部开敞且与钻头紧固配合；驱动筒包括筒体、设于筒体的控制系统、蓄电池、链锤进钻系统，钻头内部自带封口装置以及触发封口装置动作的触发机构；驱动筒的控制系统包括液位传感器和可编程控制器，可编程控制器根据液位传感器感应的深度变化控制锤击进钻系统动作以带动取样器下钻。

2.如权利要求1所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述锤击进钻系统包括传动装置、链锤系统，所述传动装置包括电机、2个锥齿轮、锥齿轮轴、直齿轮；电机固定在电机座上，电机座周向由螺栓固定在驱动筒上，其中一个锥齿轮用键连接在电机的转轴上，并将转动通过另一锥齿轮传递至横向的锥齿轮轴，锥齿轮轴通过一对直齿轮进行减速配合传动将转动传递至链锤系统。

3.如权利要求2所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述链锤系统包括上链轮、链轮轴、滚子链、重锤以及下链轮；传动装置中的直齿轮与链轮轴连接，链轮轴上焊接上链轮，滚子链绕设在上链轮和下链轮上，上链轮带动滚子链转动，滚子链中有加长轴销作为吊杆，转动时带动重锤向上提升。

4.如权利要求3所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述链锤系统还包括滑块、滑轨、悬挂座，重锤中开设由滑轨穿过的通孔，中间开设让滚子链穿过的方孔，重锤内部的左上端有可左右滑动的滑块，悬挂座下部设有滑块位置对应的楔形触头，当滚子链上的吊杆卡住右限位的滑块时，重锤在上链轮带动下沿着滑轨提升，当重锤提升至滑轨顶部时，由悬挂座下部的楔形触头推动滑块滑移至左限位，此时滚子链的吊杆松开滑块，重锤下砸在焊接在驱动筒内部凸台上的承台上，完成一次下钻工作。

5.如权利要求1所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述封口装置包括基座、设于基座内部的偏转片，所述触发机构包括扭力弹簧、触发卡环、推力弹簧、触发块，扭力弹簧与偏转片连接，扭力弹簧存放在基座的弹簧孔内，偏转片放置在扭力弹簧的下部并与扭力弹簧相连，由扭力弹簧给偏转片提供切断土体的偏转力矩，触发块设于取样器上部，触发块受压后可下移通过牵引绳触发推力弹簧，推力弹簧下移带动触发卡环下移，进而使得带动偏转片在扭力弹簧的推动下旋转以切断样品。

6.如权利要求5所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：还包括设于触发块下移路径上的触发片、开关，开关串联接入蓄电池电路，开关起始状态为开启，当触发块下移使得触发片触发开关后，供电系统断电，电机停止运转。

7.如权利要求1所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述支撑框架卡在取样器外壁，附加配重外挂在采样器外壁的法兰盘上，取样器顶端由钢缆与卷扬机连接，由卷扬机将取样器、支撑框架和附加配重一同下放至河床面。

8.如权利要求1所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述支撑框架采用四角倾斜支撑，框架支撑腿底部带有圆盘，用以防止支撑框架下陷。

9.如权利要求1所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述采样筒的外筒采用不锈钢；内筒采用PVC管，PVC管做对半切开处理。

10.如权利要求1所述的新型悬挂配重水库淤积物干容重取样系统，其特征在于：所述液位传感器感应的深度变化以电信号传递给可编程控制器，当可编程控制器在预设时间内接收到液位传感器的信号不发生变化时，可编程控制器控制电机启动，取样器开始下钻。

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