CN113720704A - 用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深海取样装置,旨在提供一种用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置。该装置包括取样部分和测量部分,均各自包括一组驱动电机、丝杠、导向柱和滑动板,导向柱垂直安装在平行布置的支撑板和底板之间;驱动电机固定安装在支撑板上,电机输出端相连丝杠,丝杠端部活动安装在底板上;滑动板活动套装在导向柱上,丝杠穿过滑动板且两者之间为螺纹配合;取样部分的滑动板下侧固定设置取样筒和静力触探杆;测量部分的滑动板上固定安装电机,电机传动轴表面设有剪切应变片,传动轴通过轴杆连接十字板头。利用本发明可在海底采样同时,直接对表层沉积物进行力学特性原位测量,测量结果更准确,可测量表层不同深度的沉积物力学特性。
Description
技术领域
本发明涉及深海取样装置领域,更具体涉及一种用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置。
背景技术
海洋是巨大的资源宝库,随着社会经济和军事力量的发展,对海洋领域的研究越来越多。海底表层沉积物的研究也得到了很大的发展,在海底进行水雷埋设、观测网建设、军事设施施工及设备稳定作业时,都需要了解海底表层沉积物的力学特性,因此越来的国家加大了对此的研究。
现有技术中相关的测量装置有很多,通常是将取得的海底沉积物样品在船上或者实验室中开展测量。但在转移进行测量的过程中,沉积物的力学特性已经发生了变化,测得的结果也不是最真实的结果。因此,提供一种适用于深海表层沉积物的多深度测量和取样装置,对于沉积物研究十分重要。
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,提供一种用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置。
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:
提供一种用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置,包括用于采集深海表层沉积物的取样部分;该装置还包括用于测量深海表层沉积物剪切强度的测量部分;
所述取样部分和测量部分均各自包括一组驱动电机、丝杠、导向柱和滑动板,所述导向柱垂直安装在平行布置的支撑板和底板之间,以此构成稳固连接的安装结构;两个驱动电机均固定安装在支撑板上,电机输出端朝下且与丝杠一端相连,丝杠的另一端活动安装在底板上;滑动板活动套装在导向柱上且平行于支撑板和底板布置,丝杠穿过滑动板且两者之间为螺纹配合;
在取样部分的滑动板下侧,固定设置取样筒和静力触探杆;
在测量部分的滑动板上固定安装剪切旋转电机,电机传动轴与剪切旋转电机之间通过键连接,在电机传动轴表面设有剪切应变片;电机传动轴的下端连接竖向的轴杆,轴杆末端设有十字板头。
作为优选方案,每组导向柱各有三根。
作为优选方案,在测量部分的导向柱上设有环形凹槽作为定位标记,其数量至少有两个。
作为优选方案,所述应变片通过导线连接至设于电机外壳上的水密接插件。
作为优选方案,所述驱动电机和剪切旋转电机均为充油电机,在电机端盖处设有泛塞封,用于实现电机内部油液和水体的分离;驱动电机的输出端通过联轴器与丝杠相连。
作为优选方案,所述滑动板上设有贯通的梯形螺纹孔,丝杠以螺纹配合的方式穿过梯形螺纹孔。
作为优选方案,所述滑动板上开设圆孔,圆孔内固定安装尼龙材质的导向套,导向柱活动安装在导向套中且为间隙配合,可防止滑动板和导向柱两金属之间的相对摩擦。
作为优选方案,所述轴杆外部套设有套筒,套筒顶端固定在滑动板的下表面,套筒下端与轴杆的间隙处涂有润滑油;轴杆与十字板头通过螺纹连接。
作为优选方案,所述剪切旋转电机的电机传动轴与电机之间通过键连接;剪切旋转电机的电机传动轴与轴杆为一体式结构或分体式结构。
作为优选方案,所述取样筒筒体设置保压结构,在筒体的底部开口处设有花瓣结构,用于切断沉积物和防止沉积物滑落;所述静力触探杆下端设有触探头。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)利用本发明所述装置,可以在海底采样的同时,直接对表层沉积物进行原位测量;而不需要先将沉积物取出,再转移出进行力学特性研究。由于表层沉积物压力恒定,扰动较小,使得测量结果更加准确。
(2)在导向柱上有定位标记,通过控制剪切驱动电机的启停,可测量表层不同深度的沉积物力学特性,对海底表层沉积物的研究更加全面。
(3)采用电阻应变式测量方法,扭力传感器的应变片固定贴在电机传动轴表面,通过导线与电机外壳上的水密接插件连接在一起,再通过水密接插件连接到线缆上。应变片处于充油电机的油液环境中,不与水接触,高压水环境中可以使用;
(4)在轴杆的外面装有套筒,使轴杆在转动过程中不与沉积物接触,避免了两者之间的摩擦力,从而避免了打孔等步骤。
(5)本装置同时装有取样筒获取海底同深度表层沉积物,可用于不同测试手段之间的对比研究。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的剪切强度测量装置的结构示意图
图3是图2中A部分(剪切强度测量部位)的局部放大图;
图4是图2中B部分(导向柱与滑动板连接部位)的局部放大图;
图5是图2中C部分(丝杠与底板连接部位)的局部放大图;
图6是取样筒的剖视图。
图中:1取样驱动电机,2支撑板,31取样导向柱,32剪切导向柱,41取样滑动板,42剪切滑动板,51取样丝杠,52剪切丝杠,6取样筒,7静力触探杆,8底板,9剪切驱动电机,10剪切旋转电机,11套筒,12十字板头,13联轴器,14导向套,15角接触球轴承,16伺服电机,17剪切应变片,18电机传动轴,19泛塞封,20排水孔,21取样筒筒体,22花瓣结构。
具体实施方式
结合附图,下面通过具体的实施方案对本发明进行详细说明。
如图1-6所示,本发明中用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置,包括用于采集深海表层沉积物的取样部分,以及用于测量深海表层沉积物剪切强度的测量部分,这两部分安装在同一个安装结构上。
取样部分包括取样驱动电机1、取样丝杠51、取样导向柱31和取样滑动板41,测量部分包括剪切驱动电机9、剪切丝杠52、剪切导向柱32和剪切滑动板42。取样导向柱31和剪切导向柱32各有三根,均垂直安装在平行布置的支撑板2和底板8之间,以此构成稳固连接的安装结构。其中,在剪切导向柱32上设有环形凹槽作为定位标记,其数量至少有两个。取样滑动板41和剪切滑动板42分别活动套装在各自对应的导向柱上,且平行于支撑板2和底板8布置。在两个滑动板上分别设有贯通的梯形螺纹孔,丝杠以螺纹配合的方式穿过梯形螺纹孔。在两个滑动板上分别开设圆孔,圆孔内固定安装尼龙材质的导向套14,各导向柱活动安装在导向套14中,相互之间为间隙配合。当驱动电机驱动丝杠转动时,能够带动滑动板进行上下位移。导向柱同时起到支撑、限位、导向和定位的作用。
取样驱动电机1和剪切驱动电机9均固定安装在支撑板2的上表面,电机输出端朝下。取样驱动电机1和剪切驱动电机9分别通过联轴器13与取样丝杠51和剪切丝杠52的上端相连,两根丝杠的下端安装在底板8上的角接触球轴承中。
在取样部分的取样滑动板41下侧,固定设置取样筒6和静力触探杆7;取样筒6设置保压结构,在取样筒筒体21的底部开口处设有花瓣结构22;静力触探杆7下端设有触探头。取样筒6和筒体保压结构的具体实现方式采用现有技术(例如中国发明专利申请“一种浅表层球阀式保真深海沉积物取样器(CN105445053B)”中样品管及卡爪的取样结构),这部分内容不属于本发明的创新内容,故不展开描述。
在剪切滑动板42上固定安装剪切旋转电机9,剪切旋转电机10的电机传动轴18与电机之间通过键连接。在电机传动轴18表面设有剪切应变片17,剪切应变片17通过导线连接至设于电机外壳上的水密接插件,通过水密接插件将数据传出。剪切应变片17也始终处于油液环境中,可以在高压水环境中正常工作。
电机传动轴18的下端连接竖向的轴杆,轴杆末端通过螺纹连接十字板头12。电机传动轴18与轴杆为可以为一体式结构(如图3所示),或可以选择为分体式结构。轴杆外部套设有套筒11,套筒11的顶端固定在剪切滑动板42的下表面,套筒11的下端与轴杆的间隙处涂有润滑油;电机传动轴带动18轴杆转动时,套筒11保持不动。
取样驱动电机1、剪切驱动电机9和剪切旋转电机10均为充油电机,在电机端盖处设有泛塞封19(如图3所示)。普通的电机不能在深海的高压水下环境使用,但能在高压油液环境中使用。利用这一特性,本发明将伺服电机16安装在电机外壳内(用作三个电机),伺服电机16的输出端通过键连接穿过外壳的传动轴,将力矩传递出。外壳内充满油液,利用泛塞封19将油液与外界水分隔开,使得伺服电机16能够在油液环境中正常工作。
下面结合附图介绍本实施方案的工作步骤:
(1)先在母船上完成整个装置的装配工作,将充油电机内部充满油液,对静力触探探头和剪切应变片17进行标定,标定时所用的剪切应变片、导线和测量仪器的硬件配置与参数设定应与在海底测试时保持一致,防止出现误差。
(2)将多深度剪切强度测量和取样装置放置到海底后,启动剪切驱动电机9,电机轴带动联轴器13和剪切丝杠52同步转动,剪切滑动板42的中间加工有内螺纹并与剪切丝杠52相啮合,剪切滑动板42受到剪切导向柱32的限位作用,将剪切丝杠52的转动转换成剪切滑动板42的上下位移。此时,固定在剪切滑动板42上的剪切旋转电机10,以及轴杆、套筒11、十字板头12都将随之进行位移。剪切导向柱32和剪切滑动板42不直接接触,而采用尼龙材料的导向套14作为过渡,是防止金属与金属直接接触,影响剪切滑动板42的上下运动。剪切导向柱32上有两个定位标记,当剪切滑动板42运动到指定的定位标记的位置时,十字板头12插入沉积物中适当距离,停止剪切驱动电机9;
(3)到达定位标记的位置后,静止3分钟,使被扰动的表层沉积物恢复平静。然后启动剪切旋转电机10,电机传动轴18和轴杆是一个整体,电机的转动带动轴杆和十字板头12转动。轴杆18外装有套筒11,避免了轴杆18直接与沉积物摩擦接触,影响实验结果。剪切旋转电机10内部装有高减速比的减速器,使得电机转动速度控制在(1°~2°)/10s,每当十字板头12转动时,安装在电机传动轴18上的剪切应变片17就会发生变形,导致电阻发生变化,输出端的电流电压也会发生相应的变化,数据通过水密接插件和线缆传输到母船上,通过之前的标定值将电流电压数据值转化成扭矩值,记录每转动1°的扭矩值,将扭矩值换算成沉积物的剪切强度。
(4)待第一个标定位置测量完之后,启动剪切驱动电机9,使得剪切滑动板42位移到第二个标定位置,使十字板头12进一步在沉积物中移动;然后,重复上述步骤(3)的操作。最后再将剪切滑动板42运行到剪切导向柱32的底端,按同样操作测量第三个位置的沉积物剪切强度。待测量完成之后,反转剪切驱动电机9,回收测量部分的全部机件。
(5)待测量部分完成测量并回收后,启动取样驱动电机1,电机轴带动联轴器13和取样丝杠51同步转动,取样滑动板41中间加工有内螺纹,和取样丝杠51相啮合,取样滑动板41受到取样导向柱31的限位作用,将取样丝杠51的旋转运动转换成取样滑动板41的上下运动。在取样滑动板41向下运动时,带动静力触探头7插入到表层沉积物中,将测得的沉积物贯入阻力记录并储存下来。同时,在取样滑动板4向下运动的过程中,取样筒6也采集了一定体积的表层沉积物。这部分的样品可以在装置回收到母船后用于力学特性的进一步研究,并与海底所测数据做对比。待取样完成后,反转取样驱动电机1,回收取样部分的全部机件后,将整个装置回收到母船上。
本发明在基于充油电机的基础上,通过静力触探杆和扭矩传感器直接在海底测量表层沉积物的贯入阻力和剪切强度等力学特性,通过控制电机的启停,测量表层沉积物不同深度的力学特性,并将测量的结果通过线缆传输到母船上,测量结果准确。同时装有取样筒获取深海表层沉积物,用于后续力学特性的研究,可与深海中直接测量的力学特性作进一步的比较。
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 (10)
1.一种用于深海表层沉积物的多深度剪切强度测量和取样装置,包括用于采集深海表层沉积物的取样部分;其特征在于,该装置还包括用于测量深海表层沉积物剪切强度的测量部分;
所述取样部分和测量部分均各自包括一组驱动电机、丝杠、导向柱和滑动板,所述导向柱垂直安装在平行布置的支撑板和底板之间,以此构成稳固连接的安装结构;两个驱动电机均固定安装在支撑板上,电机输出端朝下且与丝杠一端相连,丝杠的另一端活动安装在底板上;滑动板活动套装在导向柱上且平行于支撑板和底板布置,丝杠穿过滑动板且两者之间为螺纹配合;
在取样部分的滑动板下侧,固定设置取样筒和静力触探杆;
在测量部分的滑动板上固定安装剪切旋转电机,在电机传动轴表面设有剪切应变片;电机传动轴的下端连接竖向的轴杆,轴杆末端设有十字板头。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,每组导向柱各有三根。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在测量部分的导向柱上设有环形凹槽作为定位标记,其数量至少有两个。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述应变片通过导线连接至设于电机外壳上的水密接插件。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述驱动电机和剪切旋转电机均为充油电机,在电机端盖处设有泛塞封;驱动电机的输出端通过联轴器与丝杠相连。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述滑动板上设有贯通的梯形螺纹孔,丝杠以螺纹配合的方式穿过梯形螺纹孔。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述滑动板上开设圆孔,圆孔内固定安装尼龙材质的导向套,导向柱活动安装在导向套中且为间隙配合。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述轴杆外部套设有套筒,套筒顶端固定在滑动板的下表面,套筒下端与轴杆的间隙处涂有润滑油;轴杆与十字板头通过螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述剪切旋转电机的电机传动轴与电机之间通过键连接;剪切旋转电机的电机传动轴与轴杆为一体式结构或分体式结构。
10.根据权利要求1至9任意一项中所述的装置,其特征在于,所述取样筒筒体设置保压结构,在筒体的底部开口处设有花瓣结构;所述静力触探杆下端设有触探头。
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Application publication date: 20211130 |
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