機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器的製作方法
2023-08-09 11:16:06 1
專利名稱：機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械設備技術領域，涉及一種利用深海原位靜水壓力能驅動釆 樣的機械手持式可保壓的深海取樣器，適合於海底各類軟巖層的鑽探取芯。
背景技術：
對於在海下一定深度作業的設備而言，海洋靜水壓力能是一個可供選擇的 能量來源。其中機械手持式採樣器因為在海底操作方便而使用廣泛。但是，對 於機械手持式採樣器， 一般都需要由載人深潛器或者ROV為其提供動力能源；對 於深海作業的潛器來說，就需要為了上述目的而攜帶更多的能源裝備，這無疑 是一種負擔，而且會影響到深潛器的工作效率。而且對於一般的機械手持式採 樣器，它只能採集非常軟的沉積物樣品，對於硬度較大的深海沉積物就無能為
力(如CN02150917.4; CN02280131. 6)，有些採樣器雖然可以用於對較硬沉積 物進行取樣，但是不能實現樣品的保壓。因此，有必要提供一種新的機械手持 式海底沉積物可保壓採樣器，對於軟、硬沉積物均可被採集，還可以實現對樣 品的保真，能適應海底複雜工況和設備輕量化。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種機械手持式深海靜水壓力 驅動保真取樣器，該取樣器適合海底各類軟巖層的鑽探取芯，可通過深海載人
深潛器利用水下的機械手操作，在海底小範圍的進行具有針對性的採樣分析。 本發明包括機械手持部件、衝擊驅動部件、取樣筒部件。 機械手持部件包括豎直固定設置在上端蓋頂部的手持杆，手持杆外套有彈 簧，手柄與手持杆配合連接，可以沿手持杆上下滑動。
衝擊驅動部件包括上端蓋、衝擊筒、下端蓋、高壓筒、配流閥、導向筒、 支撐筒、上活塞杆、下活塞杆、驅動活塞。上端蓋和下端蓋分別固定在衝擊筒 的兩個端面上，導向筒設置在下端蓋的下部，配流閥和支撐筒設置在高壓筒內， 高壓筒的兩端分別與上端蓋和下端蓋固定連接，支撐筒的底部與下端蓋固定連 接、頂部與配流閥的底部固定連接，衝擊筒、高壓筒、支撐筒和導向筒同軸設 置，衝擊筒內設置有皮囊。上端蓋開有進水孔，高壓筒的內腔通過進水孔與外界連通，下端蓋開有補壓孔，補壓孔上設置有單向閥。支撐筒的下部和高壓筒 的下部對應位置開有通孔。驅動活塞設置在支撐筒內，上活塞杆的底部以及下 活塞杆的頂部均與驅動活塞固定連接。所述的配流閥包括配流閥芯和套置於配 流閥芯外的配流閥體，配流閥體的頂部與頂蓋固定連接，頂蓋與高壓筒的側壁 固定連接。
上活塞杆依次穿過頂蓋、配流閥芯和配流閥體的底部設置。沿上活塞杆的 圓周由上至下依次開有上環形槽、中上環形槽、中下環形槽和下環形槽，沿上 活塞杆的中心軸開有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端開口於上活塞杆的 頂部、另一端與上環形槽底部開口連通，下中心孔的一端開口於上活塞杆的底 部、另一端與中上環形槽底部開口連通，下環形槽底部開口與下中心孔相連通。
下活塞杆穿過下端蓋設置，下活塞杆的底部與取樣筒部件中的保壓筒的頂部固 定連接。
所述的配流閥體為圓柱筒形，外徑與高壓筒的內徑匹配，配流閥體的內壁 中部沿圓周開有兩條平行的環形溝槽，配流閥體的側壁沿同一軸線分別開有上 通水管和下通水管。上通水管的一端與頂蓋開設的通水口連通、另一端開口於
上部環形溝槽的底部；下通水管的一端直接開口於配流閥體的底部、另一端開
口於下部環形溝槽的底部。配流閥體側壁的上部沿徑向開有上通水孔、下部沿 徑向開有下通水孔、中部沿徑向開有排水孔，上通水孔、下通水孔和排水孔分 別與高壓筒側壁的開孔位置對應，頂蓋側壁對應上通水孔位置開有通水孔。
所述的配流閥芯包括三段圓柱體，上、下兩段的直徑與配流閥體的內徑匹
配，中間段的直徑小於上、下兩段的直徑，配流閥芯整體的縱截面為工字形，
其中中部內凹成圓環形通水槽。
取樣筒部件包括保壓筒、取樣管、活動翻蓋、封口活塞、彈簧鎖舌。所述
的保壓筒的截面為凸字形，保壓筒上開有壓力補償孔，保壓筒內設置有活動翻 蓋和保壓筒下端蓋，保壓筒下端蓋的中心開有中心孔，活動翻蓋通過鉸鏈與保 壓筒下端蓋連接，位置與中心孔對應。取樣管穿過中心孔設置，取樣管的底部 為圓錐形，取樣管的頂部與取樣管座固定連接，取樣管座上設置有封口活塞， 保壓筒內對應取樣管位置設置有彈簧鎖舌。鋼絲繩穿過保壓筒頂部， 一端與封 口活塞固定連接、另一端與機械手連接。補壓軟管的一端通過單向閥與補壓孔 連通、另一端與壓力補償孔連通。本發明與背景技術相比，具有的有益效果是它利用了深海靜水壓力能， 結合了 "重力驅動"和"振動驅動"兩種驅動形式，能夠利用取樣器本身的重 力勢能和深海靜水壓力能進行工作，而不需要由深潛器提供動力，能適應海底 複雜工況和實現設備輕量化，既能對深海的軟沉積物進行採集，又可以對較硬 的沉積物進行採集，且在對較硬沉積物的採集方式上具有其獨特的優勢，並在 可實現對樣品的保真取樣。本發明裝置操作簡單，是一套專門供ROV和載人深潛 器在深海利用機械手進行沉積物採樣的無源採樣裝置。
圖l是本發明總體結構示意圖2是圖1中配流閥結構示意圖。
具體實施例方式
如圖l，機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器包括機械手持部件、衝擊 驅動部件、取樣筒部件。
機械手持部件包括豎直固定設置在上端蓋4頂部的手持杆2，手持杆2外套有 彈簧3，手柄1與手持杆2配合連接，可以沿手持杆2上下滑動。
衝擊驅動部件包括上端蓋4、衝擊筒5、下端蓋IO、高壓筒6、配流閥、導向 筒13、支撐筒7、上活塞杆8、下活塞杆12、驅動活塞9。上端蓋4和下端蓋10分 別固定在衝擊筒5的兩個端面上，導向筒13設置在下端蓋10的下部，配流閥和支 撐筒7設置在高壓筒6內，高壓筒6的兩端分別與上端蓋4和下端蓋10固定連接， 支撐筒7的底部與下端蓋10固定連接、頂部與配流閥的底部固定連接，衝擊筒5、 高壓筒6、支撐筒7和導向筒13同軸設置，衝擊筒5內設置有皮囊28。上端蓋4開 有進水孔29，高壓筒6的內腔通過進水孔29與外界連通，下端蓋10開有補壓孔24， 補壓孔24上設置有單向閥23。支撐筒7的下部和高壓筒6的下部對應位置開有通 孔。驅動活塞9設置在支撐筒7內，上活塞杆8的底部以及下活塞杆12的頂部均與 驅動活塞9固定連接。配流閥包括配流閥芯25和套置於配流閥芯25外的配流閥體 26，配流閥體26的頂部與頂蓋27固定連接，頂蓋27與高壓筒6的側壁固定連接。
如圖2，上活塞杆8依次穿過頂蓋27、配流閥芯25和配流閥體26的底部設置。 沿上活塞杆8的圓周由上至下依次開有上環形槽42、中上環形槽38、中下環形槽 37和下環形槽34。沿上活塞杆8的中心軸開有上中心孔45和下中心孔35，上中心 孔45的一端開口於上活塞杆8的頂部、另一端與上環形槽42底部開口連通，下中心孔35的一端開口於上活塞杆8的底部、另一端與中上環形槽38底部開口連通， 下環形槽34底部開口與下中心孔35相連通。下活塞杆12穿過下端蓋10設置，下 活塞杆12的底部與取樣筒部件中的保壓筒14的頂部固定連接。
如圖2，配流閥體26為圓柱筒形，外徑與高壓筒6的內徑匹配，配流閥體26
的內壁中部沿圓周開有兩條平行的環形溝槽，配流閥體的側壁沿同一軸線分別 開有上通水管31和下通水管33。上通水管31的一端與頂蓋27開設的通水口30連 通、另一端開口於上部環形溝槽41的底部；下通水管33的一端直接開口於配流 閥體26的底部、另一端開口於下部環形溝槽40的底部。配流閥體26側壁的上部 沿徑向開有上通水孔43、下部沿徑向開有下通水孔36、中部沿徑向開有排水孔 39，上通水孔43、下通水孔36和排水孔39分別與高壓筒6側壁的開孔位置對應， 頂蓋27側壁對應上通水孔43位置開有通水孔44。
配流閥芯25包括三段圓柱體，上、下兩段的直徑與配流閥體26的內徑匹配， 中間段的直徑小於上、下兩段的直徑，配流閥芯25整體的縱截面為工字形，其 中中部內凹成圓環形通水槽32。
如圖l，取樣筒部件包括保壓筒14、取樣管19、活動翻蓋20、封口活塞15、 彈簧鎖舌16。保壓筒14的截面為凸字形，保壓筒14上開有壓力補償孔21，保壓 筒14內設置有活動翻蓋20和保壓筒下端蓋18，保壓筒下端蓋18的中心開有中心 孔，活動翻蓋20通過鉸鏈與保壓筒下端蓋18連接，位置與中心孔對應。取樣管 19穿過中心孔設置，取樣管19的底部為圓錐形，取樣管19的頂部與取樣管座17 固定連接，取樣管座17上設置有封口活塞15，保壓筒14內對應取樣管19位置設 置有彈簧鎖舌16。鋼絲繩11穿過保壓筒14頂部， 一端與封口活塞15固定連接、 另一端與機械手連接。補壓軟管22的一端通過單向閥23與補壓孔24連通、另一 端與壓力補償孔21連通。
該深海靜水壓力驅動保真取樣器的工作過程如下
1.取樣器由深潛器攜帶入深海想要採樣的地點，此時的取樣器狀態(如圖 l所示)，高壓筒7的頂部位置空間通過進水孔29進入了高壓海水，並充滿高壓筒 的頂部空間；之後高壓海水經過上活塞杆8的上中心孔45流入到上環形槽42所處 的位置，使得配水閥芯25的上端處於高壓；配水閥芯25的下端因為上活塞杆8 的中下環形槽37和下通水孔36連通著衝擊筒5內的低壓空間而處於低壓，上下兩 端面的壓力差作用使得配流閥芯25處於下極限位置，由此封閉了上部環形溝槽41而關閉了通水管31，同時連通了下部環形溝槽40而打開了排水孔39和下通水 管33。由於上述原因，下通水管33，圓環形通水槽32，排水孔39連通成一個通 道使得驅動活塞9的上部空間處於低壓，因為驅動活塞9的下端空間總是連通著 低壓腔的，所以驅動活塞9上下兩端所受的壓力平衡，而保壓筒14上下端所受的 壓力亦相互平衡，於是整個取樣器的各個部件在重力作用下將處於圖l所示的狀 態。
2.準備開始工作時，機械手夾持手柄l，將取樣器豎直插向海底沉積物一 定深度直到不能再繼續插為止。在此過程中，取樣管受到了海底沉積物的反作 用力並將力傳給了彈簧鎖舌機構16，彈簧鎖舌16將反作用力經過保壓筒14傳遞 給下活塞杆12並經過驅動活塞9傳遞給了上活塞杆8，使得取樣管19、保壓筒14、 下活塞杆12、驅動活塞9和上活塞杆8均向上移動直到保壓筒14的頂部端面和下 端蓋10的下端面接觸。這個時候，上活塞杆8也將處於其上極限位置，上活塞杆 8的中上環形槽38連通高壓筒6上部的高壓海水並經過上活塞杆8的中心軸開有 的下中心孔35連通下環形槽34的開孔接通配水閥芯25的下端面而使得配水閥芯 25下端面處於高壓，同時中下環形槽37通過上通水孔43及其對應位置的通水孔 44，連通著低壓腔而使得配水閥芯25上端面處於低壓，壓力差讓配水閥芯25動 作，向上移動到上極限位置，由此打開了上部環形溝槽41而連通了通水管31， 同時也打開了下部環形溝槽40而連通了下通水管33，但是關閉了排水孔39。這 樣，海水將流經頂蓋27開設的通水口30，上通水管31，圓環形通水槽32和下通 水管33進入到驅動活塞9的上端空間，使得驅動活塞9的上端空間處於高壓，因 為高壓筒6內的上部空間總是處於高壓，這時候，整個取樣器的衝擊驅動單元將 受到一個向上的靜水壓力作用，此作用力頂起衝擊單元直到最高的極限位置， 彈簧3也將被壓縮。同時取樣管19、保壓筒14、下活塞杆12、驅動活塞9和上活 塞杆8的相對位置發生變化，取樣器又回到圖l所示的狀態，上活塞杆8將處於其 下極限位置。
當上活塞杆8將處於其下極限位置的同時，高壓海水經過上活塞杆8的上中 心孔45流入到上環形槽42所處的位置，使得配水閥芯25的上端處於高壓；同時 下環形槽37和下通水孔36連通著衝擊筒5內的低壓腔而使得配水閥芯25的下端 處於低壓，壓力差作用使得配水閥芯25再次處於下極限位置封閉了上部環形 溝槽41而關閉了通水管31，同時連通了下部環形溝槽40而打開了排水孔39。驅
8動活塞9的上部空間因為下通水管33，圓環形通水槽32，排水孔39相互連通處於 低壓，而驅動活塞9的下端空間總是連接低壓腔，由此取樣器的衝擊單元將在重 力作用下下降，下端蓋10的下端面撞擊保壓筒14的頂部端面，彈簧3的彈性勢能 也將釋放出來，重力勢能和彈性勢能經過保壓筒14傳給鎖舌16再傳給取樣管19， 使得取樣管插入沉積物一定深度並停止。取樣器完成一次單程"打樁"動作， 取樣器重複上述動作，直到低壓腔內海水壓力與外界海水壓力達到平衡，靜水 壓力能耗盡，採樣結束。
3.採樣結束後，取樣器回收。此時機械手的另一個手動作，拉動鋼絲繩ll 連接的安放在導向筒13外側壁的手持杆，接著鋼絲繩11拉動封口活塞15，封口 活塞15先向上移動一小段距離並和鎖舌16的斜面相接觸，頂開鎖舌，繼續拉動 鋼絲繩11將取樣管19拉入保壓筒體14並穿過鎖舌16;在上述過程當中，當封口 活塞15帶動取樣管座17從而帶動取樣管時，取樣管19內的樣品下降，取樣管19 下部的花瓣合攏切斷沉積物，並防止樣品掉下去；當取樣管19穿過鎖舌16，封 口活塞15將與保壓筒14上部的凹槽配合完成保壓筒上端密封動作，同時當取樣 管19越過翻蓋20時，翻蓋20將在扭簧的作用下下翻與保壓筒下端蓋18完成保壓 筒下端密封動作。之後取樣管19完全進入到保壓筒14內，鎖舌16擋住取樣管使 其不下落。機械手再次動作，拉動手柄l將取樣器帶回深潛器。
取樣器回收時，低壓腔內的海水壓力比外面海水的壓力高，配流閥芯25 的下端面通過上活塞杆8的中下環形槽37，下通水孔36與低壓腔連通使得配 水閥芯下端高壓；配流閥芯25的上端面通過上中心孔45，連通上環形槽42而 處於低壓，於是配水閥芯25處於上極限位置，由此而關閉了排水孔39，並且 讓整個低壓腔內的高壓海水被密封起來，這樣一旦取樣器回收外界壓力降低， 衝擊筒5內低壓腔的高壓海水與皮囊28聯合作用，讓高壓海水通過補壓孔24 流過單向閥，再經過補壓軟管22，流進壓力補償孔21而流入保壓筒14內，實 現樣品保壓。
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權利要求
1、機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器，包括機械手持部件、衝擊驅動部件、取樣筒部件，其特徵在於機械手持部件包括豎直固定設置在上端蓋頂部的手持杆，手持杆外套有彈簧，手柄與手持杆配合連接，可以沿手持杆上下滑動；衝擊驅動部件包括上端蓋、衝擊筒、下端蓋、高壓筒、配流閥、導向筒、支撐筒、上活塞杆、下活塞杆、驅動活塞；上端蓋和下端蓋分別固定在衝擊筒的兩個端面上，導向筒設置在下端蓋的下部，配流閥和支撐筒設置在高壓筒內，高壓筒的兩端分別與上端蓋和下端蓋固定連接，支撐筒的底部與下端蓋固定連接、頂部與配流閥的底部固定連接，衝擊筒、高壓筒、支撐筒和導向筒同軸設置，衝擊筒內設置有皮囊；上端蓋開有進水孔，高壓筒的內腔通過進水孔與外界連通，下端蓋開有補壓孔，補壓孔上設置有單向閥；支撐筒的下部和高壓筒的下部對應位置開有通孔；驅動活塞設置在支撐筒內，上活塞杆的底部以及下活塞杆的頂部均與驅動活塞固定連接；所述的配流閥包括配流閥芯和套置於配流閥芯外的配流閥體，配流閥體的頂部與頂蓋固定連接，頂蓋與高壓筒的側壁固定連接；上活塞杆依次穿過頂蓋、配流閥芯和配流閥體的底部設置；沿上活塞杆的圓周由上至下依次開有上環形槽、中上環形槽、中下環形槽和下環形槽，沿上活塞杆的中心軸開有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端開口於上活塞杆的頂部、另一端與上環形槽底部開口連通，下中心孔的一端開口於上活塞杆的底部、另一端與中上環形槽底部開口連通，下環形槽底部開口與下中心孔相連通；下活塞杆穿過下端蓋設置，下活塞杆的底部與取樣筒部件中的保壓筒的頂部固定連接；所述的配流閥體為圓柱筒形，外徑與高壓筒的內徑匹配，配流閥體的內壁中部沿圓周開有兩條平行的環形溝槽，配流閥體的側壁沿同一軸線分別開有上通水管和下通水管；上通水管的一端與頂蓋開設的通水口連通、另一端開口於上部環形溝槽的底部；下通水管的一端直接開口於配流閥體的底部、另一端開口於下部環形溝槽的底部；配流閥體側壁的上部沿徑向開有上通水孔、下部沿徑向開有下通水孔、中部沿徑向開有排水孔，上通水孔、下通水孔和排水孔分別與高壓筒側壁的開孔位置對應，頂蓋側壁對應上通水孔位置開有通水孔；所述的配流閥芯包括三段圓柱體，上、下兩段的直徑與配流閥體的內徑匹配，中間段的直徑小於上、下兩段的直徑，配流閥芯整體的縱截面為工字形，其中中部內凹成圓環形通水槽；取樣筒部件包括保壓筒、取樣管、活動翻蓋、封口活塞、彈簧鎖舌；所述的保壓筒的截面為凸字形，保壓筒上開有壓力補償孔，保壓筒內設置有活動翻蓋和保壓筒下端蓋，保壓筒下端蓋的中心開有中心孔，活動翻蓋通過鉸鏈與保壓筒下端蓋連接，位置與中心孔對應；取樣管穿過中心孔設置，取樣管的底部為圓錐形，取樣管的頂部與取樣管座固定連接，取樣管座上設置有封口活塞，保壓筒內對應取樣管位置設置有彈簧鎖舌；鋼絲繩穿過保壓筒頂部，一端與封口活塞固定連接、另一端與機械手連接；補壓軟管的一端通過單向閥與補壓孔連通、另一端與壓力補償孔連通。
全文摘要
本發明涉及機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器。現有機械手持式採樣器只能採集非常軟的沉積物樣品。本發明包括機械手持部件、衝擊驅動部件、取樣筒部件。機械手持部件的手柄可以沿手持杆上下滑動。衝擊驅動部件包括同軸設置的衝擊筒、高壓筒、支撐筒和導向筒，以及上端蓋、下端蓋、配流閥、上活塞杆、下活塞杆、驅動活塞。上活塞杆穿過配流閥設置，下活塞杆穿過下端蓋設置，下活塞杆的底部與取樣筒部件中的保壓筒的頂部固定連接。取樣筒部件包括保壓筒、取樣管、活動翻蓋、封口活塞、彈簧鎖舌。本發明的取樣器利用了深海靜水壓力能，既能對深海的軟沉積物進行採集，又可以對較硬的沉積物進行採集。
文檔編號G01N1/04GK101650270SQ20091010206
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月25日 優先權日2009年8月25日
發明者劉敬彪, 葳 葉, 王建軍, 秦華偉, 鷹 陳, 魏雙豐 申請人:杭州電子科技大學