CN111624024B - 一种不限深度自动推进式河床质采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不限深度自动推进式河床质采样装置，该采样装置包括工作船、复合钢缆、支撑架、采样器；采样器包括信息仓、动力仓、样品仓及排沙锥和防漏部件。在工作船上将采样器和支撑架一起用复合钢缆下沉，水深不受限制；采样器在近床面时能垂直悬挂并自动向下整体推进，采样深度不受限制。采用链条拉动重锤以3点简约支撑的模式沿筒壁滚动且在空气中升降，保证阻力小；薄壁管口和采样器总长较短使下推驱动的能量较小；短管型样品仓内沙样的挤压变形很小，加上仓盖独立开合实现采样高保真；防漏部件保证沙样不会滑漏；采样器内利用水压计检测采样点离床面的深度。该装置采样不受深度限制、能安全可靠、高保真、高精度采集河床质样本。

Description

一种不限深度自动推进式河床质采样装置

技术领域

本发明属于水利量测技术领域，特别涉及一种不限深度自动推进式河床质采样装置。

背景技术

河床质采样是研究河流、湖泊、水库、近海岸等水下沉积物的物理、化学、力学、矿物结构、生物赋存及污染状况等的常规方法。在不同水深、不同工况下采集沉积物真实完整的保真样品，至今仍然是研究这些问题的关键技术之一。

根据应用需求，水深范围大致可分成30m以内的浅水，如一般河流湖泊；30～300m的中等水深，如大型水库及沿海水域等；及大于300m的大水深，如大陆架海域等。河床质采样从床面往下的最大深度超过80m。采样区域的水流流速也是影响因素之一。水深和超过1m/s的流速均会影响采样器接触床面时的稳定状态。

现有深层采样装置几乎都是使用采样管，从床面往下推进(或钻进)，沙样从管口往上挤压进入采样管。在流体力学的研究中，将管道内的阻力分成沿程阻力和局部阻力，一般光滑管道的沿程阻力系数为F_λ＝0.025×L/D，L为采样管的长度，D为采样管的直径；锥型管道进口的局部阻力系数为F_ξ＝0.5；当局部阻力系数F_ξ大于沿程阻力系数F_λ的2倍时，可忽略沿程阻力的影响，此管道即为短管。如F_λ>F_ξ，沿程阻力已不可忽略，则属于长管。在长管中的摩擦阻力会抵抗泥沙进入采样管而挤压沙样并使其变形。L/D越大，挤压力越大，沙样变形也越大。

往床面以下推进采样器需要的功率与采样筒壁厚的截面积产生的阻力、采样器的外表面摩擦阻力、采样筒内壁摩擦阻力，以及排沙锥的阻力之和成正比，其中采样筒筒壁截面积产生的阻力影响最大，摩擦阻力则与采样器的长度成正比。

国内现有的采样装置主要如下：

直接挖取表层床沙的挖斗式装置；探杆下压的环刀式装置(专利ZL201410602203.8)，该装置在大水深、高流速的采样条件下，因探杆的细长比太小而难以操作。

悬吊砸入式装置(专利ZL 201210583913.1)，该装置利用自身较大的自重以势能为主砸入河床，当水深很大时，在水体反作用力的作用下势能逐渐被阻力平衡，最终会以自由沉降的模式到达床面，其带封口装置的前端面积比沙样收容孔的面积大几倍，砸入床面的深度很有限。

临底砸入式装置(专利ZL 200910216316.3)，该装置定位在河床上以后，以爆炸的形式将采样体推入河床采样，这会涉及诸多生态环保的问题；此外，防漏倒刺构件会破坏沙样的整体结构，沙样不能保真。

床面固定钻进式装置(专利ZL 201410251343.5)，该装置的主要特点是通过水下电机驱动云台，保持采样装置的垂直，其云台需要两台大功率水下电机，结构复杂。

重锤驱动式装置(专利ZL201911060051.2)，该装置将支撑框架与取样器整体沉放到床面，以重锤下砸的模式钻入河床采样。其支撑框架的高度需要大于取样器的长度，设最大采样深度6m(再浅则其用途受限)，则采样筒应有6m长，取样器长度将大于6m，所以支撑框架至少大于7m，如此大型的构件位于河床上，会承受极大的水流冲击力而倾覆，无法满足正常的工作状态；河床一般不平整，支撑框架沉放到床面后一般亦会倾斜，取样器与支撑框架刚性连接，取样器会随之倾斜。采样筒与其上部的驱动构件以法兰盘连接，并放置配重，采样深度即为采样筒的长度，采样深度有限。采样筒分内外两层，壁厚显著加大，筒壁截面积产生的阻力很大；取样器的摩擦阻力与其长度(大于6m)成正比；总阻力很大使取样器很难下砸。驱动系统采用链条拉动重锤的模式，链条穿过重锤中心，从下部绕过下链轮再从重锤外侧绕回上链轮，这样将使采样筒的直径较大(按现有的工艺很难小于120mm)，下推的阻力很大。重锤内置3个通孔，在通孔的上下端各安装2个直线轴承，共计6个直线轴承沿3根滑轨升降。6个直线轴承的超约束很容易产生受力不平衡而相互抵消驱动力。重锤触发采用挤压滑块的模式，由于受力方向不一致，滑块容易被卡住而使采样系统失效。沙样在采样筒内相对于筒壁往上移动，挤压变形明显，沙样难以保真。进口段内径小于内筒内径，沙样进入内筒后会松散变形，不能保真。封口装置采用专利ZL201210583913.1的模式，从工作船上沿钢缆释放一个锤块，砸落在取样器上部的触发块上，但取样器在下推过程中将脱离支撑框架上部，锤块沿钢缆下滑，会被支撑框架的上口阻挡，不能砸到触发块上，所以该模式达不到触发封口装置的效果。

另一方面，国外产品在国内推广的主要有：美国SDI公司的高频震动采样器，超声震动部件位于采样器顶部，采样管直径50～100mm、最大长度9m，钢缆悬吊至床面后起动振动器向下推进，最大推进深度9m(沙样在管道内会被严重挤压而变形)，开始启动时几乎无法保持采样管的垂直，其震动频率与浇筑混凝土的振捣器相近，沙样会完全液化而不能保真。美国SDI公司的活塞深水钻，通过先下套管维持钻杆竖直，工作船上拉动重锤往复下砸驱动采样管推进，最大适用水深140m，采样管直径36～86mm，最大采样深度20m(沙样更会在采样管内严重挤压变形)。实际上首先悬吊至床面的套管也难以保持垂直，其重锤在水体中运动的阻力很大，下砸作用力有限。

在各类采样装置中，均只有采样管能插入河床，采样深度受到限制，如美国SDI公司的活塞深水钻，L/D大于230，F_λ＝0.025×L/D>5，沙样会受到很大的挤压而变形。即这种模式的采样深度与样品挤压变形是完全对立而不能调和的矛盾。

目前的水库、河道、湖泊及入海河口床面上淤积物的采样方式还不能完全保证高保真，如三峡水库坝区的最大淤积深度近100m，亟需深层采样以分析各层淤积物的物理特性和生物化学性能。因此，有必要提出一种不干扰河床质特性、准确定位、水深和从床面下推深度都不受限制的高保真采样装置。

发明内容

本发明的目的是针对水库、河道、湖泊、海口及近海床面上河床质采样的实际应用需求，提出了一种不限深度自动推进式河床质采样装置，该采样装置可以安全可靠、高保真、高精度地进行河床质采样。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，该采样装置包括工作船、复合钢缆、支撑架和采样器；在所述工作船上将采样器和支撑架一起用复合钢缆下沉，在所述支撑架的限制下，所述采样器在近床面时能垂直悬挂并被整体向下推进，采集设定深度的泥沙样品；

所述支撑架，包括3个均布的支撑腿、1个连接板和1个卡盘；各支撑腿外张且固定安装在所述连接板下方；所述连接板设有用于穿过所述采样器的第一中心孔；所述卡盘设有用于穿过所述复合钢缆但无法穿过所述采样器的第二中心孔，所述卡盘套设于所述复合钢缆后固定在所述连接板上；所述支撑架在床面上站稳后，穿过所述卡盘上第二中心孔的复合钢缆继续向下，所述采样器从卡盘的第二中心孔脱离后垂直往下悬吊并竖直插入床面；

所述采样器，包括沿该采样器轴线方向依次设置的信息仓、动力仓、排沙锥、样品仓和防漏部件。

进一步地，所述采样器内的信息仓包括位于第一防水密封外壳的安装座和连接座，所述安装座和连接座密封连接后形成容纳空间，在该容纳空间内设有调压模块和水压计；所述复合钢缆中外部的多股钢丝绳与所述安装座上部固定连接；所述复合钢缆中的内部电缆线穿过在安装座内通孔安装的格兰头与所述调压模块连接后分为多路，分别为动力仓、水压计供电并采集水压计的信号；所述水压计的感应头位于安装座的上平面与外部水流连通，并在感应头上设置防止淤堵的透水防沙罩。

进一步地，所述采样器内的动力仓包括安装于第二防水密封外壳内的电机部件、驱动部件和重锤部件，第二防水密封外壳底部固定有堵头；其中，

所述电机部件包括同心连接的直流电机和减速机，所述减速机的输出轴穿过接头后设置有与该输出轴相匹配的驱动伞齿轮，通过所述接头连接电机部件与驱动部件；所述直流电机由所述调压模块分出的电缆线供电；

所述驱动部件包括两块支撑板，在两块支撑板形成的空间内设有齿轮系、链轮系以及与该链轮系相配合的链条、固定于所述链条上且均设有滚动轴承的2个链条卡轴，由所述链条驱动的吊杆，固定于所述链条顶部的吊杆触发块，固定于两块支撑板下端的定位滑块，以及位于该定位滑块中心的直线轴承；所述齿轮系与所述驱动伞齿轮啮合以传递旋转动力，该齿轮系依次驱动所述链轮系和链条，链条上的第一链条卡轴卡住吊杆的上部弯头，当吊杆上部弯头的倾斜面与吊杆触发块的楔形面接触且链条继续旋转时，吊杆脱离第一链条卡轴并与重锤部件一同向下运动，完成一次采样器的向下推进；随后，当第二链条卡轴卡住吊杆的下部弯头时，带动吊杆及重锤部件一同向上运动，等待下一次采样器的向下推进；

所述重锤部件包括与吊杆下端连接的重锤连杆，设置在重锤连杆下端的重锤，该重锤包括不锈钢外壳及内部熔铸的铅芯；所述重锤连杆穿过驱动部件内的直线轴承与吊杆下端连接；在重锤的铅芯下部按圆周均布6个铣槽以安装对应的一个轴和与各轴匹配的滚珠轴承，当重锤在不锈钢外壳内偏斜运动时，通过其中两个滚珠轴承与直线轴承的配合，使重锤升降运动与不锈钢外壳内壁的接触部分均为滚动，从而减小产生的摩擦阻力。

进一步地，所述样品仓包括由样品筒和仓盖通过卡环拼接形成的样品仓主体，在该样品仓主体的上端与动力仓下端之间均布多根肋条，并在多根肋条围合形成的空间内设置所述排沙锥，通过多根肋条将重锤下砸时产生的推力传递给样品仓；所述样品筒的两端开敞，在样品筒和仓盖相拼接的上下端各车出一道定位槽，各定位槽分别与一个卡环相配合使得在样品筒和仓盖之间形成样品室。

进一步地，所述防漏部件包括两端开敞的外壳，所述样品仓的下端插入外壳上端后与该外壳的外侧壁焊接；在外壳内侧壁的中下部设有均匀分布的用于分别安装相应封口片的多个安装台，各封口片均为上小下大的弧形片，各封口片底部可绕安装台转动；在各封口片与外壳内侧壁的空间内分别设有弹簧片；在初始状态，各弹簧片呈上小下大的圆锥形排布，当泥沙进入防漏部件后将各封口片推直贴住外壳的内侧壁，相应的，各封口片将其背面的弹簧片推直；泥沙样品顺直往上移动，当采样结束上提采样器时，防漏部件下部的少量泥沙滑落，各封口片一侧的沙压力消失，在弹簧片的推力作用下封口片向外壳8-1中心伸展，挡住下滑的泥沙，实现封口。

本发明的特点及效果为：

1.在工作船上将采样器和支撑架一起用复合钢缆悬吊下沉，工作水深不受限制；在支撑架的控制下，采样器在近床面时能垂直悬挂并向下推进。

2.采样器的信息仓和动力仓用不锈钢外壳密封，可采用普通电机；重锤由3点简约支撑在防水密封外壳内的空气中升降运动，所需驱动力较小，重锤触发构件简单灵活无卡顿。采样器被整体推入河床，采样深度不受限制。

3、因链轮链条驱动系统与重锤部件在垂向上分开布置，能有效减小采样器的横截面而显著降低推进阻力。

4.样品仓的长度限制在短管范围，在排沙锥的引导下，样品仓内沙样的挤压变形很小，不受采样深度的影响，实现高保真。

5.防漏部件的封口片可以自由转动，采样时在泥沙的推力下紧贴壁面，上提采样器时进口处的泥沙滑落，泥沙压力消失，在弹簧片的作用下推出封口片，保证沙样不会滑漏。

6.水压计测量采样器感受的总静水压力(当采样器深入床面以后，其尾部的泥沙松散，能传递静水压力)，已知水深即可得出采样点离床面的深度。

综上所述，本发明提出的一种不限深度自动推进式河床质采样装置，该采样装置可以安全可靠、高保真、高精度地进行河床质采样。

附图说明

图1为本发明实施例的一种不限深度自动推进式河床质采样装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例中复合钢缆的横截面示意图。

图3为本发明实施例中采样器的总体结构示意图。

图4为本发明实施例的采样器中信息仓的结构示意图。

图5为本发明实施例的采样器中电机部件的结构示意图。

图6为本发明实施例的采样器中驱动部件的结构示意图。

图7A为本发明实施例中重锤部件的结构示意图。

图7B为图7A中的G-G剖面图。

图8本发明实施例中样品仓的结构示意图。

图9A为本发明实施例中防漏部件的俯视图。

图9B为本发明实施例中防漏部件的立面剖视图和局部放大图F。

图10A为本发明实施例中防漏部件的封口片的立面图。

图10B为本发明实施例中防漏部件的封口片的立剖面图。

图10C为本发明实施例中防漏部件的封口片的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种不限深度自动推进式河床质采样装置的应用实例。

参见图1，本发明实施例的一种不限深度自动推进式河床质采样装置，包括工作船01、复合钢缆02、支撑架03和采样器04。在图1中，左侧示意工作区域的水流流速V的垂向分布，一般为上大下小、底部为零。在工作船01上用复合钢缆02沉放采样器04和支撑架03时，随水深或流速的增加，采样器04将向下游漂移一定距离。一般情况下，当采样器04的头部接触床面05时，在平面上已不会移动，但其上部和复合钢缆02仍在承受水流的冲击力，拉动采样器04向下游偏斜，不可能竖直向下推进，所以需要配置支撑架03以保证采样器04在初始状态时垂直下推。本实施例采样器04的长度1700mm、外直径80mm，支撑架03高度2000mm。复合钢缆02与采样器04上端连接，采样器04与支撑架03配合安装后，在工作船01上通过复合钢缆02沉放至床面05，支撑架03在床面05站立稳定后继续下放复合钢缆02，采样器04与支撑架03分离，处于垂直状态接触床面并在采样器04内驱动系统的作用下开始向下推进。采样器04仅由复合钢缆02牵引被整体推入床面，故推入床面的深度不受限制。

本发明实施例中各部件的具体实施方式及功能分别描述如下：

工作船01具有自航、定位、供电、实时监测水深的能力，为本装置提供所需的全部工作条件。

复合钢缆02的横截面如图2所示，复合钢缆02包括内部电缆线02-D和外部承重钢缆02-6；内部电缆线02-D包括3根导线(分别为直流电源线正极02-1、直流电源线负极02-2和水压计信号线02-3)，外部承重钢缆02-6由多股钢丝绳编成。各导线分别由屏蔽层02-4包裹，3根导线和各自的屏蔽层02-4共同被防水保护层02-5包裹，屏蔽层02-4与防水保护层02-5之间的空隙填充麻丝等以保护3根导线不变形。

支撑架03的布置详见图1，图1中部为支撑架03的放大示意图，支撑架03的高度大于采样器04的长度。支撑架03由3个均布的支撑腿03-1、1个连接板03-2和1个卡盘03-3组成，3个支撑腿03-1外张、用螺杆固定安装在连接板03-2下方，便于拆卸运输。连接板03-2正中心设有中心孔，该中心孔的直径大于采样器04的外径。卡盘03-3由两个半圆盘组成，卡盘03-3的中心孔直径稍大于复合钢缆02的外径但小于采样器04的外径。在工作船01上组装好支撑架03，将采样器04穿过支撑架03的连接板03-2的中心孔，将卡盘03-3套上复合钢缆02后用螺栓固定在连接板03-2上，收紧复合钢缆02，采样器04的顶端顶住卡盘03-3以承担支撑架03的重量，使支撑架03压在采样器04上，在采样操作时将采样器04与支撑架03用复合钢缆02整体沉放和提升。当支撑架03坐实在床面05上后将稳定站立。床面05一般不平整，但局部倾斜度不会很大，只要支撑架03的支撑腿03-1的张角适当(沉放支撑架前，先测试水流速度，根据该水流速度的大小事先在工作船01上调整支撑腿03-1的张角)，即可站立在床面05上而不会倾倒，支撑腿03-1采用钢条制成，由于其迎水面积很小，也不会被流速很小的底部水流冲翻。支撑架在床面05上站稳后，穿过支撑架03顶部卡盘03-3中心孔的复合钢缆02继续向下，采样器04脱离支撑架03后由复合钢缆02悬挂下降，复合钢缆04在卡盘03-3的中心孔下游侧向下滑动，复合钢缆04承受的水流方向的冲击力可通过卡盘03-3传递给支撑腿03-1；由于底部流速很低，对采样器04的冲击力很小；所以卡盘03-3下方的采样器04在接触床面05前基本为垂直悬挂，在接触床面05时亦能保持竖直，启动采样器04的驱动系统后，采样器04将被垂直推入河床。当采样器04深入床面05一个采样器长度后，松弛复合钢缆02，保证采样器04的继续推进。

采样器04为本装置的核心，整体结构如图3所示，包括沿采样器04轴线方向依次设置的信息仓1、动力仓2、排沙锥7、样品仓3和防漏部件8，其中：

信息仓1的结构参见图4，包括防水密封外壳(该外壳为不锈钢圆筒，在图中未示意出)，以及位于该外壳内由安装座1-1和连接座1-2形成的容纳空间，安装座1-1和连接座1-2之间设有防水橡胶圈1-3，在上述容纳空间内设有调压模块1-5和水压计1-6。复合钢缆02外围的多股钢丝绳分成3股后与安装座1-1的上部固定连接。在安装座1-1上打孔安装防水格兰头1-4，从复合钢缆02分离出的内部电缆线02-D穿过防水格兰头1-4再与调压模块1-5连接后分为多路；其中，将直流电源线正极02-1分为两路，直流电源线正极的第一路02-1A与动力仓2连接，用于为动力仓2中的直流电机4-1供电；直流电源线正极的第二路02-1B与水压计1-6连接，用于为水压计1-6供电。直流电源线负极02-2分为两路，直流电源线负极的第一路02-2A与与动力仓2连接，用于为动力仓2中的直流电机4-1供电，直流电源线负极的第二路02-2B与水压计1-6连接，用于为水压计1-6供电。水压计信号线02-3与水压计1-6连接。水压计1-6是通过在安装座1-1上打孔密封安装于安装座1-1，水压计1-6的感应头位于安装座1-1的上平面，以与外部的水流连通，并在感应头上设置防止淤堵的透水防沙罩1-7，可通过测量总水深计算采样器04下推的深度。具体地，当采样器04推进到床面05以下后，采样器04尾部为回淤的松散泥沙，可以传递自由水的静压力，水压计1-6可真实测量感应头所在位置的总水深，水压计1-6采用普通防水压力探头。在工作船01上安装超声传感器检测水深，水压计1-6检测的总水深减去该检测水深即为采样点距床面05的深度。

动力仓2的上部与信息仓1下部连接，动力仓2包括外壳(该外壳为防水密封的不锈钢圆筒，在图中未示意出)以及安装在外壳内的电机部件4、驱动部件5和重锤部件6。动力仓2底部为与外壳密封焊接的堵头，并作为重锤6-2下砸时的承台。具体地：

电机部件4位于动力仓2的上部，参见图5，包括依次同心连接的直流电机4-1和减速机4-2，减速机4-2的输出轴穿过接头4-3后设置有与该输出轴相匹配的驱动伞齿轮4-4，本实施例通过减速机4-2使驱动伞齿轮4-4的转速减小到1～2Hz。为便于拆卸和检修，通过接头4-3将动力仓2的电机部件4与驱动部件5之间以螺扣方式连接，并用O型橡胶圈(该橡胶圈在图中未示意出)止水。直流电机4-1由直流电源线正极的第一路02-1A和直流电源线负极的第一路02-2A供电。通过工作船01上的操作平台控制直流电机4-1的转、停。直流电机4-1和减速机4-2均为在防水外壳的保护下采用无须防水的普通型号，可市场购买。

驱动部件5的结构参见图6，包括两块支撑板5-12(图6中只示意画出1块)，在两块支撑板5-12形成的空间内设有套设在驱动轴5-2上的从动伞齿轮5-1和驱动直齿轮5-3，套设在从动轴5-5上的从动直齿轮5-4和驱动链轮5-6，从动链轮轴和套设其上的从动链轮5-9，连接驱动链轮5-6与从动链轮5-9的链条5-7，在链条5-7上对称布置的2个链条卡轴5-8a和5-8b，由链条5-7驱动的吊杆5-10，位于从动轴5-5顶部的吊杆触发块5-11，固定于两块支撑板5-12下端的定位滑块5-13，以及位于定位滑块5-13中心的直线轴承5-14。所述驱动轴5-2、从动伞齿轮5-1、驱动直齿轮5-3，从动轴5-5和从动直齿轮5-4共同形成齿轮系；所述驱动链轮5-6、从动链轮轴和从动链轮5-9共同形成链轮系。其中，驱动轴5-2、从动轴5-5和从动链轮轴分别通过轴承安装在两块连接板5-12的内侧壁上。从动伞齿轮5-1与减速机4-2末端的驱动伞齿轮4-4啮合以传递旋转动力，由驱动轴5-2将该旋转动力传递给同轴的驱动直齿轮5-3。在从动轴5-5上的从动直齿轮5-4与驱动直齿轮5-3啮合，最终将旋转动力通过从动轴5-5传递给固定安装在从动轴5-5上的驱动链轮5-6。链条5-7绕过驱动链轮5-6和从动链轮5-9逆时针转动，链条卡轴5-8a和5-8b的两端安装滚动轴承，使吊杆5-10与链条卡轴的相对移动为滚动摩擦，其中链条卡轴5-8a卡住吊杆5-10的上部弯头，带动穿过直线轴承5-14的重锤部件6上升。当吊杆5-10上升至驱动链轮5-6的中心高度时，吊杆5-10左上方的微小斜面与固定安装的吊杆触发块5-11的同向倾斜面相接触；驱动链轮5-6继续旋转，链条卡轴5-8a向左上方移动，吊杆5-10上端在吊杆触发块5-11的顶托下不会随链条卡轴5-8a向左偏离而保持竖直，吊杆5-10上端的弯头在链条卡轴5-8a的轴承上滚动，搭接长度逐渐减小，最终脱离链条卡轴5-8a，在重锤部件6的作用下快速掉下，砸在动力仓2的底部承台上，实现一次采样器04的向下推进。驱动链轮5-6连续旋转，左侧的链轮卡轴5-8b绕过从动链轮5-9转到右侧下端，卡住处于低位的吊杆5-10的弯头，拉动重锤部件6再次上升，进行下一次操作。链条5-7旋转一周实现2次重锤部件6的操作(即下落和上升)。重锤触发布置简单灵活，不会因卡住而停顿。此外，链条5-7、驱动链轮5-6和从动链轮与部件6中的重锤6-2在垂向上下安装，可有效减小采样器的横截面积。

重锤部件6的结构参见图7A，包括与吊杆5-10下端连接的重锤连杆6-1，设置在重锤连杆6-1下端的重锤6-2。重锤6-2由不锈钢外壳6-2b及内部熔铸的铅芯6-2c构成。重锤连杆6-1穿过定位滑块5-13中心的直线轴承5-14与吊杆5-10下端螺扣连接。在重锤6-2下部按圆周60⁰分布6个铣槽6-2d安装对应的一个轴6-2f和与各轴匹配的滚珠轴承6-2e(图中只画出其中一组轴6-2f和滚珠轴承6-2e)。

图7B为图7A的G-G剖视图，滚珠轴承6-2e的外缘稍凸出于重锤6-2的圆周面。

在采样器04自主深钻过程中，如完全垂直下钻，则6个滚珠轴承6-2e空悬；但有可能因沙层结构、组成等影响而使采样器04稍有偏斜，则一般有2个滚珠轴承6-2e将接触外壳内壁滚动，与直线轴承5-14配合，形成3点约束的简洁空间支撑，使重锤升降运动的接触部分均为滚动，尽可能减少摩擦阻力。

样品仓3的布置如图8所示，包括由样品筒3-1和仓盖3-4通过卡环3-5拼接形成的样品仓主体，在该样品仓主体的上端均布焊接4根肋条3-6，以与动力仓2下端通过螺杆连接。样品筒3-1的上、下端开敞，在样品筒3-1和仓盖3-4相拼接的上下端各车出一道定位槽3-2，各定位槽3-2分别与一个卡环3-5相配合实现样品筒3-1和仓盖3-4的拼接并在样品筒3-1和仓盖3-4之间形成样品室3-3。具体地，定位槽3-2与卡环3-5的形状和尺寸相同，且保证样品仓主体的内、外直径相同；卡环3-5具有窄边和宽边，采样前将卡环3-5的窄边正对样品室3-3的开口，将仓盖3-4放回原位，将卡环3-5旋转180度，卡环3-5的宽边卡住仓盖3-4，使样品筒3-1和仓盖3-4组装完成。采样结束时逆向操作，取下仓盖3-4，提取样品室3-3内的沙样。本实施例的样品筒3-1的直径D＝80mm、长度L＝400mm，L/D＝5、沿程阻力系数F_λ＝0.125，属于短管，可忽略样品仓3内壁的摩擦阻力。沙样从样品仓3的底部进入样品仓3，滑动推进至上端，经排沙锥7排向四周。样品筒3-1内的沙样挤压变形小，始终只保有采样器04推进深度处的沙样，可获得真实的保真样品。样品室3-3的形状与样品筒3-1的上下部分保持相同，既不破坏样品的结构，又不增加沙样向上滑动的阻力。

排沙锥7为封闭的倒锥型结构，固定在动力仓2的下端与样品仓3的上端之间(位置见图3)。从样品筒3-1排出的泥沙完全释放了其内部的挤压力，从4根肋条3-6之间的空隙在排沙锥7的引导下向四周排出，使样品筒3-1中的沙样始终只承受样品仓主体长度的挤压力(短管的挤压力可忽略，沙样不受挤压而变形)，此外，还通过肋条3-6实现重锤6-2下砸时向样品仓3传递的推力。此设计解决了样品采集深度与挤压变形之间的矛盾，保证沙样的采集深度不受限制并完全保真。

防漏部件8的俯视图见图9A，立面剖视图如图9B，防漏部件8包括两端开敞的外壳8-1，样品仓3的下端插入外壳8-1上端后与外壳8-1的外侧壁焊接，外壳8-1的下端外侧呈倒锥形，便于插入床面05并向下推进。在外壳8-1内侧壁的中下部设有均匀分布的用于分别安装相应封口片8-2的多个安装台8-4(本实施例中共设有12个封口片，对应12个安装台)，封口片的结构参见图10A、图10B和图10C，各封口片8-2均为上小下大的弧形片，各封口片8-2底部设有插入相应安装台8-4的安装轴8-5，待安装轴8-5插入安装台8-4后封口片8-2可绕安装轴8-5转动；在各封口片8-2与外壳8-1内侧壁的空间内分别设有弹簧片8-3。在初始状态，各弹簧片8-3将对应的封口片8-2稍向外壳8-1中心推，在重力作用下向外壳8-1中心倾斜，形成一个上小下大的圆锥形。当采样器04插入床面05后，泥沙进入防漏部件8，将封口片8-2推直贴住外壳8-1的内壁，同时封口片8-2也将其背面的弹簧片8-3推直，此时12个封口片8-2形成的圆形柱状的内直径与样品筒3-1的内直径相同，泥沙样品顺直往上移动。当采样结束上提采样器04时，防漏部件8下部的少量泥沙滑落，封口片8-2一侧的沙压力消失，在弹簧片8-3的推力作用下封口片8-2向外壳8-1中心伸展，挡住下滑的泥沙，实现封口的功能。

防漏部件8的外直径稍大于采样仓3和动力仓2的外直径，信息仓1的外直径稍小于动力仓2的外直径，有利于减少采样器04外侧的摩擦阻力。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，该采样装置包括工作船(01)、复合钢缆(02)、支撑架(03)和采样器(04)；在所述工作船(01)上将采样器(04)和支撑架(03)一起用复合钢缆(02)下沉，在所述支撑架(03)的限制下，所述采样器(04)在近床面时能垂直悬挂并被整体向下推进，采集设定深度的泥沙样品；

所述支撑架(03)，包括3个均布的支撑腿(03-1)、1个连接板(03-2)和1个卡盘(03-3)；各支撑腿(03-1)外张且固定安装在所述连接板(03-2)下方；所述连接板(03-2)设有用于穿过所述采样器(04)的第一中心孔；所述卡盘(03-3)设有用于穿过所述复合钢缆(02)但无法穿过所述采样器(04)的第二中心孔，所述卡盘(03-3)套设于所述复合钢缆(02)后固定在所述连接板(03-2)上；所述支撑架(03)在床面(05)上站稳后，穿过所述卡盘(03-3)上第二中心孔的复合钢缆(02)继续向下，所述采样器(04)从卡盘(03-3)的第二中心孔脱离后垂直往下悬吊并竖直插入床面(05)；

所述采样器(04)，包括沿该采样器(04)轴线方向依次设置的信息仓(1)、动力仓(2)、排沙锥(7)、样品仓(3)和防漏部件(8)，所述动力仓(2)内安装有重锤(6-2)，所述样品仓(3)包括由样品筒(3-1)和仓盖(3-4)通过卡环(3-5)拼接形成的样品仓主体，在该样品仓主体的上端与动力仓(2)下端之间均布多根肋条(3-6)，并在多根肋条(3-6)围合形成的空间内设置所述排沙锥(7)，通过多根肋条(3-6)将重锤(6-2)下砸时产生的推力传递给样品仓(3)；所述样品筒(3-1)的两端开敞，在样品筒(3-1)和仓盖(3-4)相拼接的上下端各车出一道定位槽(3-2)，各定位槽(3-2)分别与一个卡环(3-5)相配合使得在样品筒(3-1)和仓盖(3-4)之间形成样品室(3-3)。

2.根据权利要求1所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述采样器(04)内的信息仓(1)包括位于第一防水密封外壳的安装座(1-1)和连接座(1-2)，所述安装座(1-1)和连接座(1-2)密封连接后形成容纳空间，在该容纳空间内设有调压模块(1-5)和水压计(1-6)；所述复合钢缆(02)中外部的多股钢丝绳与所述安装座(1-1)上部固定连接；所述复合钢缆(02)中的内部电缆线(02-D)穿过在安装座(1-1)内通孔安装的格兰头(1-4)与所述调压模块(1-5)连接后分为多路，分别为动力仓(2)、水压计(1-6)供电并采集水压计(1-6)的信号；所述水压计(1-6)的感应头位于安装座(1-1)的上平面与外部水流连通，并在感应头上设置防止淤堵的透水防沙罩(1-7)。

3.根据权利要求2所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述采样器(04)内的动力仓(2)包括安装于第二防水密封外壳内的电机部件(4)、驱动部件(5)和重锤部件(6)，第二防水密封外壳底部固定有堵头；其中，

所述电机部件(4)包括同心连接的直流电机(4-1)和减速机(4-2)，所述减速机(4-2)的输出轴穿过接头(4-3)后设置有与该输出轴相匹配的驱动伞齿轮(4-4)，通过所述接头(4-3)连接电机部件(4)与驱动部件(5)；所述直流电机(4-1)由所述调压模块(1-5)分出的电缆线(02-1A和02-2A)供电；

所述驱动部件(5)包括两块支撑板(5-12)，在两块支撑板(5-12)形成的空间内设有齿轮系、链轮系以及与该链轮系相配合的链条(5-7)、固定于所述链条(5-7)上且均设有滚动轴承的2个链条卡轴(5-8a和5-8b)，由所述链条(5-7)驱动的吊杆(5-10)，固定于所述链条(5-7)顶部的吊杆触发块(5-11)，固定于两块支撑板(5-12)下端的定位滑块(5-13)，以及位于该定位滑块(5-13)中心的直线轴承(5-14)；所述齿轮系与所述驱动伞齿轮(4-4)啮合以传递旋转动力，该齿轮系依次驱动所述链轮系和链条(5-7)，链条(5-7)上的第一链条卡轴(5-8a)卡住吊杆(5-10)的上部弯头，当吊杆(5-10)上部弯头的倾斜面与吊杆触发块(5-11)的楔形面接触且链条(5-7)继续旋转时，吊杆(5-10)脱离第一链条卡轴(5-8a)并与重锤部件(6)一同向下运动，完成一次采样器(04)的向下推进；随后，当第二链条卡轴(5-8b)卡住吊杆(5-10)的下部弯头时，带动吊杆(5-10)及重锤部件(6)一同向上运动，等待下一次采样器(04)的向下推进；

所述重锤部件(6)包括与吊杆(5-10)下端连接的重锤连杆(6-1)，设置在重锤连杆(6-1)下端的重锤(6-2)，该重锤(6-2)包括不锈钢外壳(6-2b)及内部熔铸的铅芯(6-2c)；所述重锤连杆(6-1)穿过驱动部件(5)内的直线轴承(5-14)与吊杆(5-10)下端连接；在重锤(6-2)的铅芯(6-2c)下部按圆周均布6个铣槽(6-2d)以安装对应的一个轴(6-2f)和与各轴匹配的滚珠轴承(6-2e)，当重锤(6-2)在不锈钢外壳(6-2b)内偏斜运动时，通过其中两个滚珠轴承(6-3e)与直线轴承(5-14)的配合，使重锤(6-2)升降运动与不锈钢外壳(6-2b)内壁的接触部分均为滚动，从而减小产生的摩擦阻力。

4.根据权利要求3所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述齿轮系包括套设在驱动轴(5-2)上的从动伞齿轮(5-1)和驱动直齿轮(5-3)，以及套设在从动轴(5-5)上的从动直齿轮(5-4)，所述从动伞齿轮(5-1)和从动直齿轮(5-4)分别与所述驱动伞齿轮(4-4)和驱动直齿轮(5-3)啮合；所述链轮系包括套设在所述从动轴(5-5)上的驱动链轮(5-6)和套设在从动链轮轴上的从动链轮(5-9)，所述驱动链轮(5-6)与从动链轮(5-9)由所述链条(5-7)连接；所述驱动轴(5-2)、从动轴(5-5)和从动链轮轴分别通过轴承安装在两块连接板(5-12)的内侧壁上。

5.根据权利要求1所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述样品仓主体采用短管。

6.根据权利要求1所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述定位槽(3-2)与卡环(3-5)的形状和尺寸相同，且保证样品仓主体的内、外直径相同；卡环(3-5)具有窄边和宽边，采样前将卡环(3-5)的窄边正对样品室(3-3)的开口，将仓盖(3-4)放回原位，将卡环(3-5)旋转180度，卡环(3-5)的宽边卡住仓盖(3-4)；采样结束时逆向操作，取下仓盖(3-4)，提取样品室(3-3)内的沙样，实现沙样的高保真。

7.根据权利要求1所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述防漏部件(8)包括两端开敞的外壳(8-1)，所述样品仓(3)的下端插入外壳(8-1)上端后与该外壳(8-1)的外侧壁焊接；在外壳(8-1)内侧壁的中下部设有均匀分布的用于分别安装相应封口片(8-2)的多个安装台(8-4)，各封口片(8-2)均为上小下大的弧形片，各封口片(8-2)底部可绕安装台(8-4)转动；在各封口片(8-2)与外壳(8-1)内侧壁的空间内分别设有弹簧片(8-3)；在初始状态，各弹簧片(8-3)呈上小下大的圆锥形排布，当泥沙进入防漏部件(8)后将各封口片(8-2)推直贴住外壳(8-1)的内侧壁，相应的，各封口片(8-2)将其背面的弹簧片(8-3)推直；泥沙样品顺直往上移动，当采样结束上提采样器(04)时，防漏部件(8)下部的少量泥沙滑落，各封口片(8-2)一侧的沙压力消失，在弹簧片(8-3)的推力作用下封口片(8-2)向外壳(8-1)中心伸展，挡住下滑的泥沙，实现封口。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的不限深度自动推进式河床质采样装置，其特征在于，所述防漏部件(8)的外直径稍大于样品仓(3)和动力仓(2)的外直径，所述信息仓(1)的外直径稍小于动力仓(2)的外直径。

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