CN114081020B - 一种深海大生物保压捕获装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物捕捉装置，旨在提供一种深海大生物保压捕获装置。该装置包括保压舱体、活动端盖、端盖释放机构、端盖关闭机构和蓄能器系统；耐压筒体的开口端设有中央开孔的固定端盖，与其配合的活动端盖位于耐压筒体内部；活动端盖由端盖释放机构和端盖关闭机构控制，当完成深海大生物的捕获时将弹簧提供的直线运动转变成活动端盖的空间平动加转动运动，从而实现活动端盖与耐压筒体之间的密封。本发明采用多连杆机构能够实现活动端盖的空间平动和转动运动，提供大开口来实现对较大体积生物的捕获；在实现自紧密封的同时，实现活动端盖位置的精确控制。节省传统技术中的电机、油缸以及传动结构，能够简化整体结构、节省成本，保证稳定性。

Description

一种深海大生物保压捕获装置

技术领域

本发明涉及生物捕捉装置，特别涉及一种深海大生物保压捕获装置。

背景技术

目前为止，大多数深海大生物(相对于微生物而言)取样设备都是非保压的(如拖网、捕鱼笼等)，由于大气压与深海静水压压差巨大，因此很多深海生物会由于失压遭到严重的破坏，因此对其进行保压采样具有重要的意义。

传统的保压采样技术一种利用高压球阀密封，高压球阀的通常采用不锈钢制造，其重量随着通径的增大而不断增大，这会给深海设备的布放带来很大的不便。且球阀由其球心的通孔作为生物入口，深海生物能主动进入狭窄空间并且通过球阀通孔进入内部保压舱的概率极小，因此采样成功率不高。另一种方式是通过翻板阀密封，翻板阀安装在一个扭簧上，扭簧被限位，通过触发一定的机构，使得扭簧被释放，依靠扭簧的弹力，翻板阀与端面贴合，与安装在端面上的密封圈形成密封。而由于扭簧所需的安装空间较大，且需要安装在保压筒内侧。因此，这种结构需要更大的保压筒内径，使得设备的重量和体积增大。并且扭簧的运动难以控制，翻板阀对于端面的密封件和端面法兰会产生一个很大的冲击力，会引起密封圈和法兰面的损坏。

此外，目前的保压采样设备通常需要配备电池、电机或者液压源、液压马达等设备，需要连同其控制系统一同下放到海底。这类设备虽然不依赖于ROV作业，自主性较高，但是其系统过于复杂，导致捕获成本过高。

基于上述原因，提供结构更简单、使用成本更低的保压捕获设备，对于深海大生物研究而言具备现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种深海大生物保压捕获装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种深海大生物保压捕获装置，包括：保压舱体、活动端盖、端盖释放机构、端盖关闭机构和蓄能器系统；其中，所述保压舱体的主体为耐压筒体，呈一端封闭的筒状结构；其开口端设有中央开孔的固定端盖，开孔的尺寸能使生物活体样本自由通过；所述活动端盖位于耐压筒体内部，能够从内部封闭所述固定端盖的开孔；所述端盖释放机构包括插接部件、搭扣组件、扭簧和两根钢丝绳；搭扣组件中的一个组件固定在活动端盖上，另一个组件固定在耐压筒体内壁上；第一钢丝绳连接插接部件及扭簧一端，插接部件能固定呈收紧状态的第一钢丝绳；第二钢丝绳连接耐压筒体内壁上的搭扣组件及扭簧另一端，搭扣组件能在第二钢丝绳作用下脱扣，使活动端盖能从临时锁定切换至脱扣释放；所述端盖关闭机构包括活动端盖、多连杆机构和弹簧；其中，多连杆机构以固定在耐压筒体上的固定杆为旋转支撑；多连杆机构的一端接至活动端盖，另一端接至弹簧，在弹簧作用下能使活动端盖从内侧封闭固定端盖的中央开孔；所述蓄能器系统包括蓄能器和不锈钢管，蓄能器内部设活塞，两端设转换接头；不锈钢管的一端穿过耐压筒体，另一端接至蓄能器的转换接头，用于连通保压舱体和蓄能器以保持压力一致。

作为优选方案，所述耐压筒体的封闭端设置固定端盖，以螺钉固定在耐压筒体的端部，两者之间设O型密封圈；所述中央开孔的固定端盖以螺钉固定在耐压筒体的另一个端部，两者之间设O型密封圈；在所述固定端盖或活动端盖的相对表面上设有环形凹槽，凹槽内设置O型密封圈。

作为优选方案，所述插接部件是插销或活动锁扣，在耐压筒体的外侧设置相配合的插槽或锁孔，用于临时固定呈收紧状态的第一钢丝绳。

作为优选方案，所述插槽或锁孔设于耐压筒体开口端的固定端盖上。

作为优选方案，所述搭扣组件中的两个组件具有相对布置的弯钩部位；其中，固定在耐压筒体内壁上的组件具有弹性，能在第二钢丝绳的牵引下使相互搭接的弯钩部位脱扣。

作为优选方案，所述扭簧固定在耐压筒体的封闭端内壁上；所述不锈钢管的端部穿过耐压筒体的封闭端，并以焊接方式实现固定。

作为优选方案，所述多连杆机构包括平移部分和回旋部分；其中，所述平移部分包括平行布置在耐压筒体外侧的阻尼筒体，其内部设有阻尼活塞，一条沿轴向布置的连杆贯穿阻尼活塞；连杆的一端连接所述弹簧，弹簧的另一端为固定位置安装；所述回旋部分由多条彼此活动连接的连杆组合而成，并能以固定在耐压筒体上的固定杆作为支撑进行回旋动作；回旋部分的一端与所述贯穿阻尼筒体的连杆活动连接，另一端与所述活动端盖的外侧面活动连接。

作为优选方案，所述作为多连杆机构旋转支撑的固定杆，是固定在耐压筒体开口端的固定端盖上的。

作为优选方案，所述蓄能器的内腔被活塞分隔为两部分，其中与不锈钢管连通的一侧为液体腔室，另一侧为气体腔室。

作为优选方案，所述蓄能器固定在耐压筒体的侧壁上。

发明原理描述：

本发明的装置可以安装在水下ROV上，借助其机械手提供动作进行的深海大生物保压快速捕获。该装置一种原位封装、保压取样器，在维持海底原状环境的情况下利用ROV机械手将捕获装置的端盖关闭机构启动，从而使得活动端盖在弹簧多连杆机构下关闭并在内压的作用下与筒体形成封闭腔体。该机构能够最大限度地降低捕获大生物时产生的二次伤害，并且捕获装置腔体外接的气液活塞蓄能器能够补偿因为密封不足及封闭耐压腔体受压形变导致的压力降低。

其中，多连杆机构由弹簧、运动约束机构以及多连杆机构构成，当完成深海大生物的捕获时多连杆机构在弹簧拉力的作用下产生动作，并将弹簧提供的直线运动转变成活动端盖的空间平动加转动运动，从而实现活动端盖与耐压筒体之间的密封；其中运动约束机构能够保证弹簧以及与弹簧连接的连杆的位移在固定的方向上，并且能够提供一定阻尼来防止多连杆在弹簧拉力作用时的运动突变，从而保证活动端盖整体运动的连续稳定，避免因过大的冲击而损坏设备或者端面密封圈。

蓄能器系统中，不锈钢管一端连接保压舱体另一端连接蓄能器，蓄能器内由气体液体两个腔室构成，腔室之间用活塞隔开，能够在采样后回收过程中向取样器内补偿压力，能够补偿由于金属舱体形变以及密封不足导致内部腔室压力下降。

捕获装置本身没有抓手，可以保证在对深海大生物捕获的过程中不会产生外力的二次伤害。活动端盖的释放动作由外部的ROV机械手实现，从而进一步简化捕获装置自身的结构以及减小本体的重量和体积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)原有的大生物捕获装置通常通过机械抓手抓取且不能够实现保压获取。本发明采用连杆弹簧多连杆机构，通过ROV的机械手触发保压筒底面的端盖释放机构，实现保压取样。在样品从海底回收至海面的过程中，外部压力低于保压筒内部压力，可实现自紧密封。

(2)多连杆机构能够实现活动端盖的空间平动和转动运动，能够给保压舱体提供大开口的端面来实现对较大体积生物的捕获。通过对多连杆机构长度的特殊设计能够实现活动端盖位置的精确控制。

(3)多连杆机构由弹簧提供动力，节省了可能增加的电机、油缸以及传动结构的设计，简化了整体结构以及节省了成本。多连杆结构与弹簧之间增加了运动约束机构，能够保证多连杆机构运动的稳定性。

(4)采用一对弯钩机构来实现对活动端盖释放的控制，能够保证活动端盖的快速有效释放，简化了结构以及节省了成本。

(5)采用扭簧钢丝绳机构来实现弯钩的脱扣，扭簧钢丝绳在ROV机械手的操作下产生动作，扭簧转动拉紧钢丝绳，钢丝绳拉动弯钩机构实现脱扣。

附图说明

图1是本发明的整体机构的剖面示意图。

图中：1第一固定端盖；2不锈钢管；3扭簧；4第一转换接头；5蓄能器端盖；6活塞；7蓄能器；8第二转换接头；9耐压筒体；10第一钢丝绳；11第二固定端盖；12插销；13第一短连杆；14第二短连杆；15第三短连杆；16固定杆；17第一长连杆；18第二长连杆；19第三长连杆；20活动端盖；21第一弯钩；22第二弯钩；23阻尼活塞；24阻尼筒体；25第二钢丝绳；26弹簧；27螺钉；28插槽。

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。

本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，本发明的深海大生物保压捕获装置包括：保压舱体、活动端盖20、端盖释放机构、端盖关闭机构和蓄能器系统；其中，

保压舱体的主体为耐压筒体9，呈一端封闭的筒状结构；其封闭端设置第一固定端盖1，以螺钉27固定在耐压筒体9的端部，两者之间设O型密封圈；耐压筒体9的开口端设有中央开孔的第二固定端盖11并以螺钉固定，两者之间设O型密封圈；开孔的尺寸能使生物活体样本自由通过；

活动端盖20位于耐压筒体9的内部，能够从内部封闭第二固定端盖11的开孔。在第二固定端盖11或活动端盖20的相对表面上设有环形凹槽，凹槽内设置O型密封圈。

端盖释放机构包括插接部件、搭扣组件、扭簧3、第一钢丝绳10和第二钢丝绳25。搭扣组件中的一个组件固定在活动端盖20上，另一个组件固定在耐压筒体9的内壁上；第一钢丝绳10连接插接部件及扭簧3的一端，插接部件能将呈收紧状态的第一钢丝绳10固定住；第二钢丝绳25连接耐压筒体9内壁上的搭扣组件及扭簧3的另一端，搭扣组件能在第二钢丝绳25作用下脱扣，使活动端盖20能从临时锁定切换至脱扣释放。插接部件可选插销12或活动锁扣，在耐压筒体9的外侧设置相配合的插槽28或锁孔，用于临时固定呈收紧状态的第一钢丝绳10。插槽28或锁孔可设于耐压筒体9的开口端的固定端盖上。搭扣组件中的两个组件可选是第一弯钩21和第二弯钩22，其末端具有相对配合布置的弯钩部位；固定在耐压筒体内壁上的第二弯钩22具有弹性，能在第二钢丝绳25的牵引下使相互搭接的弯钩部位脱扣。可选地，扭簧3固定在第一固定端盖1内壁上。

端盖关闭机构包括活动端盖20、多连杆机构和弹簧26；其中，多连杆机构以固定在耐压筒体9上的固定杆16为旋转支撑；多连杆机构的一端接至活动端盖20，另一端接至弹簧26，在弹簧26作用下能使活动端盖20从内侧封闭第二固定端盖11的中央开孔。可选地，固定杆16固定在第二固定端盖1上。

多连杆机构包括平移部分和回旋部分；其中，平移部分包括平行布置在耐压筒体9外侧的阻尼筒体24，其内部设有阻尼活塞23，一条沿轴向布置的第三长连杆19贯穿阻尼活塞23；第三长连杆19的一端连接弹簧26，弹簧26的另一端为固定位置安装(例如固定在耐压筒体9上或其固定支架上)；回旋部分由多条彼此活动连接的连杆组合而成(例如图1中的第一短连杆13、第二短连杆14、第三短连杆15、固定杆16、第一长连杆17、第二长连杆18)，并能以固定杆16作为支撑进行回旋动作；回旋部分的一端与第三长连杆19的端部活动连接，另一端与活动端盖20的外侧面活动连接。

蓄能器系统包括蓄能器7和不锈钢管2，蓄能器7内部设活塞，两端设第一转换接头4和第二转换接头8。不锈钢管2的一端穿过耐压筒体9，另一端接至第一转换接头4，用于连通保压舱体和蓄能器7以保持压力一致。可选地，不锈钢管的端部穿过第一固定端盖1，并以焊接方式实现固定。蓄能器7的内腔被活塞6分隔为两部分，其中与不锈钢管2连通的一侧为液体腔室，另一侧为压缩气体腔室。蓄能器7可选地固定在耐压筒体9的侧壁上。

更为详细的描述如下所示：

保压舱体包括耐压筒体9、第一固定端盖1、第二固定端盖11、活动端盖20，第二固定端盖11中央开孔用于采样。第一固定端盖1与耐压筒体9之间通过O型密封圈实现轴向密封，且通过螺钉27实现两者之间的固定连接。第二固定端盖11与耐压筒体9之间通过O型密封圈实现轴向密封，且通过螺钉实现两者之间的固定连接；第二固定端盖11与活动端盖20之间通过O型密封圈实现轴向密封。活动端盖20能由多连杆机构实现关闭且在内压的作用力下与第二固定端盖11紧密密封；不锈钢管2的一端穿过第一固定端盖1并固定，另一端与蓄能器系统相连，用于导通保压舱体与蓄能器7之间的压力。

多连杆机构包括弹簧26、阻尼筒体24、阻尼活塞23、第三长连杆19、第二长连杆18、第一长连杆17、固定杆16、第三短连杆15、第二短连杆14、第一短连杆13。弹簧26一端固定在耐压筒体9(或其固定支架等固定部件)上，另一端与第三长连杆19连接；第三长连杆19贯穿阻尼活塞23，阻尼筒体24通过约束阻尼活塞23的运动来实现第三长连杆19的直线运动且提供一定的阻尼。第三长连杆19、第二长连杆18、第一长连杆17、固定杆16、第三短连杆15、第二短连杆14、第一短连杆13以及活动端盖20之间为铰接连接；其中阻尼筒体24平行固定在耐压筒体9上，固定连杆16一端固定在第二固定端盖11上，第一长连杆17与固定杆16之间铰接连接，第三短连杆15与固定杆16之间铰接连接；本发明通过对多连杆机构中各个连杆长度和连接点位置的设计，实现对活动端盖20位置以及运动的稳定控制。

端盖释放机构包括第一弯钩21、第二弯钩22、第二钢丝绳25、扭簧3、第一钢丝绳10、插销12和插槽28。第一弯钩21的一端固定在活动端盖20上；第二弯钩22与耐压筒体9铰接连接；扭簧3固定在耐压筒体9上，但不限制其扭转；第一钢丝绳10一端连接插销12，另一端连接扭簧3；第二钢丝绳25一端连接扭簧3，另一端连接第二弯钩22；插槽28固定在舱体耐压筒体9上。

蓄能器系统包括第一转换接头4、蓄能器端盖5、蓄能器7、活塞6、第二转换接头8。蓄能器端盖5与蓄能器7之间通过螺纹实现连接，并通过O型密封圈实现径向密封；第一转换接头1与蓄能器端盖5之间通过螺纹实现连接，并通过O型密封圈实现径向密封；第二转换接头8与蓄能器底端通过螺纹实现连接，并通过O型密封圈实现径向密封；活塞6设于蓄能器7内部，通过O型密封圈与蓄能器7之间实现径向密封。第一转换接头4与不锈钢管2的一端相连。

本发明中，多连杆结构由尼龙材料制作，不锈钢管2、钢丝绳、弹簧26、扭簧3以及O型密封圈均可采用市售产品。耐压筒体9、固定端盖、活动端盖20、蓄能器7等则按照实际需要进行加工即可。

本发明的工作过程示例如下：

在捕获装置下水前，手动推动活动端盖20来打开保压舱体，并将第一弯钩21与第二弯钩22合扣以限制活动端盖20的位移。此时第二钢丝绳25处于不受力状态，且弹簧26处于拉伸状态。手动将扭簧3顺时针转动数圈，并通过拉紧第一钢丝绳10限制扭簧3的逆时针转动，然后将插销12插入插槽28中实现锁定。插槽28的位置应设在舱体外部，以便后期能够拔出。此过程中第二钢丝绳25一直保持不受力的状态。从第二转换接头8连接高压氮气管路，向活塞6左侧气体腔室中预充一定压力的氮气，使活塞6被推到蓄能器腔室最右侧。

下水过程中，由于装置的深度不断增加，所承受的海水压力也不断增大。海水在压力的作用下通过不锈钢管2进入活塞6右侧的液体腔室，并逐渐推动活塞6移动以实现气液两腔室压力的平衡。

当装置到达指定水深后，通过同时下水的ROV上的摄像机来观察装置的状态以及是否有大生物进入舱体。当有大生物进入捕获舱体时，利用ROV上的机械手将插销12从插槽28中拔出后释放。此时第一钢丝绳10对扭簧3的约束消失，扭簧3在自身能量的作用下逆时针旋转，并拉紧第二钢丝绳25。第二钢丝绳25拉动第二弯钩22转动实现第一弯钩21与第二弯钩22的脱扣，此时活动端盖20以及弹簧26的约束消失。弹簧26在其自身的能量的作用下拉动第三长连杆19运动，第三长连杆19在阻尼筒体的约束下只能做直线运动。此外，阻尼活塞26与阻尼筒体24之间的摩擦力能够避免多连杆机构在弹簧的作用下产生无穷大的加速度而突然运动。第三长连杆19带动第二长连杆18做空间平动及转动，第二长连杆18带动第一长连杆17做旋转运动，长连杆17带动第二短连杆14做空间平动及转动运动，第二短连杆14带动活动端盖20做成空间平动及转动运动，并实现活动端盖20的固定且与第二固定端盖11之间密封连接。该过程中，第三短连杆15与第一短连杆13起到稳定多连杆机构运动的作用。通过对多连杆机构中各个连杆长度的设计，来实现对活动端盖20平动及转动的精确稳定控制。

在装置回收的过程中，由于舱体处于密封状态，且外部压力随着装置上升而不断减小。该过程中舱体内部压力大于外部压力，故活动端盖20会在压差的作用下与第二固定端盖11紧密密封连接。由于回收过程中耐压舱体的受压形变以及微弱的密封不足，会导致舱体内部压力的较小下降。故此时蓄能器活塞6在气体腔室压力的作用下逐渐向右运动，来补偿捕获装置舱体内部的压力下降。

本发明借助水下ROV机械手的深海大生物保压快速捕获装置，能够最大限度地降低捕获大生物时产生的二次伤害。并且，在捕获装置腔体上外接气液活塞蓄能器来补偿因为密封不足及封闭耐压腔体受压形变导致的压力降低。不仅可以完成大生物的无外力二次伤害的获取，还能够提供一个封闭的腔体来实现大生物的保压取样。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。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 (6)

1.一种深海大生物保压捕获装置，其特征在于，包括：保压舱体、活动端盖、端盖释放机构、端盖关闭机构和蓄能器系统；其中，

所述保压舱体的主体为耐压筒体，呈一端封闭的筒状结构；其开口端设有中央开孔的固定端盖，开孔的尺寸能使生物活体样本自由通过；

所述活动端盖位于耐压筒体内部，能够从内部封闭固定端盖的开孔；

所述端盖释放机构包括插接部件、搭扣组件、扭簧和两根钢丝绳；搭扣组件中的一个组件固定在活动端盖上，另一个组件固定在耐压筒体内壁上；第一钢丝绳连接插接部件及扭簧一端，插接部件能固定呈收紧状态的第一钢丝绳；第二钢丝绳连接耐压筒体内壁上的搭扣组件及扭簧另一端，搭扣组件能在第二钢丝绳作用下脱扣，使活动端盖能从临时锁定切换至脱扣释放；

所述端盖关闭机构包括活动端盖、多连杆机构和弹簧；其中，多连杆机构以固定在耐压筒体上的固定杆为旋转支撑；多连杆机构的一端接至活动端盖，另一端接至弹簧，在弹簧作用下能使活动端盖从内侧封闭固定端盖的中央开孔；

所述蓄能器系统包括蓄能器和不锈钢管，蓄能器内部设活塞，两端设转换接头；不锈钢管的一端穿过耐压筒体，另一端接至蓄能器的转换接头，用于连通保压舱体和蓄能器以保持压力一致；

所述插接部件是插销或活动锁扣，在耐压筒体的外侧设置相配合的插槽或锁孔，用于临时固定呈收紧状态的第一钢丝绳；

所述扭簧固定在耐压筒体的封闭端内壁上；不锈钢管的端部穿过耐压筒体的封闭端，并以焊接方式实现固定；

所述多连杆机构包括平移部分和回旋部分；其中，平移部分包括平行布置在耐压筒体外侧的阻尼筒体，其内部设有阻尼活塞，一条沿轴向布置的连杆贯穿阻尼活塞；连杆的一端连接弹簧，弹簧的另一端为固定位置安装；回旋部分由多条彼此活动连接的连杆组合而成，并能以固定杆作为支撑进行回旋动作，固定杆固定在耐压筒体开口端的固定端盖上；回旋部分的一端与贯穿阻尼筒体的连杆活动连接，另一端与活动端盖的外侧面活动连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耐压筒体的封闭端设置固定端盖，以螺钉固定在耐压筒体的端部，两者之间设O型密封圈；所述中央开孔的固定端盖以螺钉固定在耐压筒体的另一个端部，两者之间设O型密封圈；在所述固定端盖或活动端盖的相对表面上设有环形凹槽，凹槽内设置O型密封圈。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插槽或锁孔设于耐压筒体开口端的固定端盖上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搭扣组件中的两个组件具有相对布置的弯钩部位；其中，固定在耐压筒体内壁上的组件具有弹性，能在第二钢丝绳的牵引下使相互搭接的弯钩部位脱扣。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄能器的内腔被活塞分隔为两部分，其中与不锈钢管连通的一侧为液体腔室，另一侧为气体腔室。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄能器固定在耐压筒体的侧壁上。

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