CN112683569A - 一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深渊沉积物取样装置领域，更具体涉及一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器。包括主体框架，主体框架内中部有横置的支撑板通过连接片固设于桁架上，升降驱动机构设于支撑板上，取样机构包括取样筒和取样活塞,取样活塞顶端与升降驱动机构连接；取样活塞底端与取样筒固定连接，取样筒内设有取样连杆，取样连杆顶端连接取样活塞，底端连接取样锥头，取样筒底端固定连接取样花瓣；取样花瓣的单片花瓣向内弯曲截面呈S形；保压机构包括保压筒和蓄能器，压力传感器一端通过管路连接到保压筒上，另一端通过水密接插件连接到控制舱中，水下电池和控制系统固设于控制舱内。本发明最大程度降低了取样过程中样品的扰动。

Description

一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器

技术领域

本发明涉及深渊沉积物取样装置领域，更具体涉及一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器。

背景技术

深海沉积物取样是深海环境与资源调查的基本手段之一。近年来，深海保压取样技术越来越受到全世界海洋学界的重视。保压采样器不仅可以为海洋资源环境研究提供最真实的样本，还可以通过深海生物研究发现大自然新的特性。研究海洋污染物对深海生态系统的影响、研究海洋极端微生物的多样性以及重要基因资源的基础和开发应用都需要保压的样品。通过开展深海保压取样技术的研究与设备研制，可以为相关课题的研究提供高质量的保压样品。同时通过保压转移装置的研制，可以提高样品的利用率以及生物样品培养和分离的效率。

目前国内外沉积物保压取样装置有很多，一般用于深海3000米左右的长柱状沉积物取样，大多数都是利用重力和液压力来实现取样的，取样时扰动很大，取样装置体积尺寸过大，很难在10000米海深的深渊地区进行保压取样，这种传统取样分析方法无法长时间保持样品的压力，采集到的沉积物样品由于压力、光照等条件的变化，造成气相溶解组分的散失、变价离子氧化态改变、有机组分分解以及嗜压型微生物的大量死亡，使得分析数据难以准确反映沉积物的原始成分与状态。本发明设计了一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器，可用于水下10000米深渊地区的沉积物的取样，为深海地质、矿物、化学、生物以及制药等方面的研究提供高精度样品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器。

为解决现有技术中存在的问题，本发明是通过如下技术方案实现:

提供一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器，包括主体框架、升降驱动机构、取样机构及保压机构；

主体框架内中部有横置的支撑板通过连接片固设于桁架上，升降驱动机构设于支撑板上，支撑板用于支撑并隔离主体框架内的其余部件；

取样机构包括取样筒和取样活塞,取样活塞顶端与升降驱动机构连接；取样活塞底端与取样筒固定连接，取样筒内设有取样连杆，取样连杆顶端连接取样活塞，底端连接取样锥头，取样筒底端固定连接取样花瓣；取样花瓣的单片花瓣向内弯曲截面呈S形；

保压机构包括保压筒和蓄能器；保压筒两端开口，保压筒设于取样筒外部，底部与主体框架的底板固定；保压筒顶部设有保压筒端盖；保压筒端盖开孔，开孔的直径与取样活塞的外径相同；蓄能器包括蓄能器筒体，蓄能器筒体内设有蓄能器活塞，蓄能器筒体顶端开孔连接高压针阀，下端开口与蓄能器端盖通过螺纹连接；蓄能器端盖开孔通过管路连接到保压筒上；压力传感器一端通过管路连接到保压筒上，另一端通过水密接插件连接到控制舱中，水下电池和控制系统固设于控制舱内。

作为一种改进，升降驱动机构包括水下电机和减速传动机构，减速传动机构包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，水下电机输出轴通过联轴器连接轴，轴与主动齿轮通过键连接，主动齿轮带动从动齿轮减速转动；从动齿轮中心加工有梯形内螺纹，与丝杠的梯形外螺纹啮合；丝杠底端与取样活塞相连。

作为一种改进，水下电机为充油电机。

作为一种改进，丝杠顶部设有限位板。

作为一种改进，取样机构取样活塞与丝杠通过螺纹连接；连杆与取样活塞通过螺纹连接，取样筒体和取样花瓣通过焊接固定。

作为一种改进，保压筒上端与取样活塞之间设有O型圈密封，保压筒下端设有防尘圈和O型圈。

作为一种改进，蓄能器端盖开孔通过外转接头和金属硬管与保压筒相连。

作为一种改进，压力传感器通过金属硬管与保压筒相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)适用于深海万米的海底沉积物保压取样，取样时不依赖母船动力源，自带水下电池和控制系统，用于驱动的水下电机为充油电机；

(2)取样器事先安装在着陆器上，海底取样时待着陆器触底后平稳降落，然后开始进行取样，可以适应不同的海底地形；

(3)利用水下充油电机、齿轮组配合丝杠减速传动，丝杠带有限位机构，可以准确控制取样筒下降的深度和时间；

(4)利用压缩花瓣取样，取样时取样筒下行，压缩的花瓣在脱离保压筒的束缚后张开并将沉积物压入到取样筒中，取样完成取样筒回收到保压筒的过程中，花瓣会再次被保压筒内壁压缩产生变形，取样锥头表面的沉积物在经过保压筒下端的防尘圈时会被刮掉，不影响后续O型圈的密封，保压筒上端通过活塞上的密封圈实现密封；

(5)蓄能器内预充一定压力氮气，沉积物取样完成至回收到船面的过程中，样品体积膨胀和微量的泄露会使保压筒内部压力减小，此时蓄能器可补偿内部损失的压力；

(6)利用取样筒内部的活塞和O型圈密封防止下放过程中海水的进入，最大程度降低了取样过程中样品的扰动。

附图说明

图1是本发明的整体效果图；

图2是本发明无外框架的内部结构效果图；

图3是本发明整体剖面图；

图4是本发明取样花瓣收缩示意图。

图5是本发明取样花瓣展开示意图。

图中：1—顶盖，2连接片，3—桁架，4—底板，5—水下电机，6—取样机构，7—压力传感器，8—安全阀，9—升降驱动机构，10—保压筒，11—蓄能器，12—控制舱，13—限位板，14—丝杠，15—电机外壳，16—支撑板，17—从动直齿轮，18—伺服电机，19、22—轴承，20—主动直齿轮，21—保压筒，23—保压筒端盖，24、33—O型圈，25—取样活塞，26—连杆，27—蓄能器筒体，28—取样筒，29—蓄能器活塞，30—取样花瓣，31—蓄能器端盖，32—外转接头，34—防尘圈，35—取样锥头。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1和图2所示，本发明整体为集成式机构，主要包括主体框架、升降驱动机构、取样机构及保压机构。

主体框架由顶盖1、底板4以及桁架3组成。主体框架内部设有升降驱动机构9、取样机构6及保压机构。主体框架内中部设有横置的支撑板16，升降驱动机构9固设于支撑板16上，用于支撑并隔离主体框架内的其余部件。

升降驱动机构9包括支撑板16、水下电机5、减速传动机构和丝杠14。支撑板16通过连接片2固设于主体框架上。水下电机5是由伺服电机18和电机外壳15组成，电机外壳15内充满油，让伺服电机5始终处于油液环境中从而在深海正常工作。减速传动机构由水平设于支撑板16上并相互啮合的主动直齿轮20和从动直齿轮17组成。水下电机5输出轴通过联轴器连接轴，轴与主动直齿轮20通过键连接，主动直齿轮20带动从动直齿轮17减速转动，从动直齿轮17中心加工有梯形内螺纹，与丝杠14的梯形外螺纹啮合，丝杠14顶部有限位板13，将齿轮组的旋转运动转化成丝杠14的上下往复运动。

取样机构6包括取样活塞25、取样筒28、取样连杆26、取样锥头35和取样花瓣30。取样活塞25与丝杠14通过螺纹连接。取样活塞25底端连接取样筒28，取样连杆26设于取样筒28内并且顶端与取样活塞25通过螺纹连接，取样连杆26底端连接取样锥头35，使得在保压筒10内部充满高压水体时，取样锥头35和取样活塞25也不会脱离，取样筒28底端与取样花瓣30通过焊接固定；取样花瓣的单片花瓣向内弯曲截面呈S形。

保压机构包括保压筒10和蓄能器11。保压筒10包括保压外筒21和保压筒端盖23，保压筒10两端开口，保压外筒21设于取样筒28外部，底部与主体框架的底板4间通过螺栓固定。保压筒10顶部设有保压筒端盖23。保压筒端盖23上设有开孔，开孔的直径与取样活塞25的外径相同。保压筒10开有四个接口，分别用于样品转移、连接蓄能器10、安全阀8及各种传感器。保压筒10上端与取样活塞25之间设有O型圈24密封。保压筒下端设有防尘圈34和O型圈33，取样时取样锥头35表面的沉积物在经过保压筒10下端的防尘圈34时会被刮掉，不影响后续O型圈33的密封。

蓄能器11包括蓄能器筒体27、蓄能器活塞29及蓄能器端盖31。蓄能器筒体27顶端开孔连接高压针阀，下端开口与蓄能器端盖31通过螺纹连接。蓄能器端盖31开孔通过外转接头32和金属硬管连接到保压筒10上，补偿内部损失的压力。

压力传感器7一端通过金属硬管连接到保压筒10上，另一端通过水密接插件连接到控制舱12中，记录存储压力变化数据。

水下电池和控制系统固设于控制舱12内。

下面结合附图介绍本实施方案的工作步骤：

(1)取样过程：取样装置搭载于深海着陆器上，取样装置触底时，控制舱12内的控制系统控制水下电机5启动，通过联轴器的作用将力矩传递给主动直齿轮20，主动直齿轮20带动从动直齿轮17旋转，与之相连的丝杠14带动取样机构6整体向下运动，当被压缩的取样花瓣30脱离保压筒10的束缚后会张开，取样花瓣的变形图如图4、5所示，张开的取样花瓣30会将沉积物压入到取样筒28中，直至取样完成；

(2)取样装置提升过程：取样完成后，水下电机5反转，通过主动直齿轮20和从动直齿轮17反向旋转带动丝杠14向上运动，丝杠14带动取样筒28回收到保压筒10中，回收的过程中，取样花瓣30会再次被保压筒10内壁压缩产生变形；

(3)密封过程：取样完成后取样筒28提升的过程中，取样锥头35表面的沉积物在经过保压筒10下端的防尘圈34时会被刮掉，不影响后续O型圈33的密封，保压筒10上端通过取样活塞上的O型密封圈24实现密封；

(3)保压过程：在沉积物取样完成至回收到船面的过程中，可能由于体积膨胀和微量的泄露使得保压筒10内部压力减小，此时蓄能器11会补偿内部损失的压力，蓄能器11在使用前应预先向内部充入一定压力的氮气。压力传感器7将整个过程中保压筒10内部的压力变化记录下来，并存储在控制舱12中，待回收后可以查看。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于花瓣压缩取样的新型深渊沉积物保压取样器，其特征在于，包括主体框架、升降驱动机构、取样机构及保压机构；

所述主体框架内中部设有横置的支撑板，升降驱动机构设于支撑板上，支撑板用于支撑并隔离主体框架内的其余部件；

所述取样机构包括取样筒和取样活塞,取样活塞顶端与升降驱动机构连接；取样活塞底端与取样筒固定连接，取样筒内设有取样连杆，取样连杆顶端连接取样活塞，底端连接取样锥头；取样筒底端固定连接取样花瓣，取样花瓣的单片花瓣向内弯曲截面呈S形；

所述保压机构包括保压筒和蓄能器；保压筒两端开口，保压筒设于取样筒外部，底部与主体框架的底板固定；保压筒顶部设有保压筒端盖；保压筒端盖开孔，开孔的直径与取样活塞的外径相同；蓄能器包括蓄能器筒体，蓄能器筒体内设有蓄能器活塞，蓄能器筒体顶端开孔连接高压针阀，下端开口与蓄能器端盖通过螺纹连接；蓄能器端盖开孔通过管路连接到保压筒上；压力传感器一端通过管路连接到保压筒上，另一端通过水密接插件连接到控制舱中，所述水下电池和控制系统固设于控制舱内。

2.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述升降驱动机构包括水下电机和减速传动机构，减速传动机构包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，水下电机输出轴通过联轴器连接轴，轴与主动齿轮通过键连接，主动齿轮带动从动齿轮减速转动；从动齿轮中心加工有梯形内螺纹，与丝杠的梯形外螺纹啮合；丝杠底端与所述取样活塞相连。

3.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述水下电机为充油电机。

4.根据权利要求2所述的取样器，其特征在于，所述丝杠顶部设有限位板。

5.根据权利要求2所述的取样器，其特征在于，所述取样活塞与丝杠通过螺纹连接；取样连杆与取样活塞通过螺纹连接，取样筒和取样花瓣通过焊接固定。

6.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述保压筒上端与取样活塞之间设有O型圈密封，保压筒下端设有防尘圈和O型圈。

7.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述蓄能器端盖开孔通过外转接头和金属硬管与保压筒相连。

8.根据权利要求1所述的取样器，其特征在于，所述压力传感器通过金属硬管与保压筒相连。

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