專利名稱：機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動保真取樣器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用深海原位靜水壓力能驅(qū)動釆 樣的機械手持式可保壓的深海取樣器，適合于海底各類軟巖層的鉆探取芯。
背景技術(shù)：
對于在海下一定深度作業(yè)的設(shè)備而言，海洋靜水壓力能是一個可供選擇的 能量來源。其中機械手持式采樣器因為在海底操作方便而使用廣泛。但是，對 于機械手持式采樣器， 一般都需要由載人深潛器或者ROV為其提供動力能源；對 于深海作業(yè)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(fù)擔(dān)，而且會影響到深潛器的工作效率。而且對于一般的機械手持式采 樣器，它只能采集非常軟的沉積物樣品，對于硬度較大的深海沉積物就無能為
力(如CN02150917.4; CN02280131. 6)，有些采樣器雖然可以用于對較硬沉積 物進(jìn)行取樣，但是不能實現(xiàn)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采樣器，對于軟、硬沉積物均可被采集，還可以實現(xiàn)對樣 品的保真，能適應(yīng)海底復(fù)雜工況和設(shè)備輕量化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機械手持式深海靜水壓力 驅(qū)動保真取樣器，該取樣器適合海底各類軟巖層的鉆探取芯，可通過深海載人
深潛器利用水下的機械手操作，在海底小范圍的進(jìn)行具有針對性的采樣分析。 本發(fā)明包括機械手持部件、沖擊驅(qū)動部件、取樣筒部件。 機械手持部件包括豎直固定設(shè)置在上端蓋頂部的手持桿，手持桿外套有彈 簧，手柄與手持桿配合連接，可以沿手持桿上下滑動。
沖擊驅(qū)動部件包括上端蓋、沖擊筒、下端蓋、高壓筒、配流閥、導(dǎo)向筒、 支撐筒、上活塞桿、下活塞桿、驅(qū)動活塞。上端蓋和下端蓋分別固定在沖擊筒 的兩個端面上，導(dǎo)向筒設(shè)置在下端蓋的下部，配流閥和支撐筒設(shè)置在高壓筒內(nèi)， 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，沖擊筒、高壓筒、支撐筒和導(dǎo)向筒同軸設(shè) 置，沖擊筒內(nèi)設(shè)置有皮囊。上端蓋開有進(jìn)水孔，高壓筒的內(nèi)腔通過進(jìn)水孔與外界連通，下端蓋開有補壓孔，補壓孔上設(shè)置有單向閥。支撐筒的下部和高壓筒 的下部對應(yīng)位置開有通孔。驅(qū)動活塞設(shè)置在支撐筒內(nèi)，上活塞桿的底部以及下 活塞桿的頂部均與驅(qū)動活塞固定連接。所述的配流閥包括配流閥芯和套置于配 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(cè)壁 固定連接。
上活塞桿依次穿過頂蓋、配流閥芯和配流閥體的底部設(shè)置。沿上活塞桿的 圓周由上至下依次開有上環(huán)形槽、中上環(huán)形槽、中下環(huán)形槽和下環(huán)形槽，沿上 活塞桿的中心軸開有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端開口于上活塞桿的 頂部、另一端與上環(huán)形槽底部開口連通，下中心孔的一端開口于上活塞桿的底 部、另一端與中上環(huán)形槽底部開口連通，下環(huán)形槽底部開口與下中心孔相連通。
下活塞桿穿過下端蓋設(shè)置，下活塞桿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(nèi)徑匹配，配流閥體的內(nèi)壁 中部沿圓周開有兩條平行的環(huán)形溝槽，配流閥體的側(cè)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(shè)的通水口連通、另一端開口于
上部環(huán)形溝槽的底部；下通水管的一端直接開口于配流閥體的底部、另一端開
口于下部環(huán)形溝槽的底部。配流閥體側(cè)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(cè)壁的開孔位置對應(yīng)，頂蓋側(cè)壁對應(yīng)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(nèi)徑匹
配，中間段的直徑小于上、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(nèi)凹成圓環(huán)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(nèi)設(shè)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(yīng)。取樣管穿過中心孔設(shè)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(shè)置有封口活塞， 保壓筒內(nèi)對應(yīng)取樣管位置設(shè)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(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是它利用了深海靜水壓力能， 結(jié)合了 "重力驅(qū)動"和"振動驅(qū)動"兩種驅(qū)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(jìn)行工作，而不需要由深潛器提供動力，能適應(yīng)海底 復(fù)雜工況和實現(xiàn)設(shè)備輕量化，既能對深海的軟沉積物進(jìn)行采集，又可以對較硬 的沉積物進(jìn)行采集，且在對較硬沉積物的采集方式上具有其獨特的優(yōu)勢，并在 可實現(xiàn)對樣品的保真取樣。本發(fā)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(jìn)行沉積物采樣的無源采樣裝置。


圖l是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中配流閥結(jié)構(gòu)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(qū)動保真取樣器包括機械手持部件、沖擊 驅(qū)動部件、取樣筒部件。
機械手持部件包括豎直固定設(shè)置在上端蓋4頂部的手持桿2，手持桿2外套有 彈簧3，手柄1與手持桿2配合連接，可以沿手持桿2上下滑動。
沖擊驅(qū)動部件包括上端蓋4、沖擊筒5、下端蓋IO、高壓筒6、配流閥、導(dǎo)向 筒13、支撐筒7、上活塞桿8、下活塞桿12、驅(qū)動活塞9。上端蓋4和下端蓋10分 別固定在沖擊筒5的兩個端面上，導(dǎo)向筒13設(shè)置在下端蓋10的下部，配流閥和支 撐筒7設(shè)置在高壓筒6內(nèi)，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，沖擊筒5、 高壓筒6、支撐筒7和導(dǎo)向筒13同軸設(shè)置，沖擊筒5內(nèi)設(shè)置有皮囊28。上端蓋4開 有進(jìn)水孔29，高壓筒6的內(nèi)腔通過進(jìn)水孔29與外界連通，下端蓋10開有補壓孔24， 補壓孔24上設(shè)置有單向閥23。支撐筒7的下部和高壓筒6的下部對應(yīng)位置開有通 孔。驅(qū)動活塞9設(shè)置在支撐筒7內(nèi)，上活塞桿8的底部以及下活塞桿12的頂部均與 驅(qū)動活塞9固定連接。配流閥包括配流閥芯25和套置于配流閥芯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(cè)壁固定連接。
如圖2，上活塞桿8依次穿過頂蓋27、配流閥芯25和配流閥體26的底部設(shè)置。 沿上活塞桿8的圓周由上至下依次開有上環(huán)形槽42、中上環(huán)形槽38、中下環(huán)形槽 37和下環(huán)形槽34。沿上活塞桿8的中心軸開有上中心孔45和下中心孔35，上中心 孔45的一端開口于上活塞桿8的頂部、另一端與上環(huán)形槽42底部開口連通，下中心孔35的一端開口于上活塞桿8的底部、另一端與中上環(huán)形槽38底部開口連通， 下環(huán)形槽34底部開口與下中心孔35相連通。下活塞桿12穿過下端蓋10設(shè)置，下 活塞桿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(nèi)徑匹配，配流閥體26
的內(nèi)壁中部沿圓周開有兩條平行的環(huán)形溝槽，配流閥體的側(cè)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(shè)的通水口30連 通、另一端開口于上部環(huán)形溝槽41的底部；下通水管33的一端直接開口于配流 閥體26的底部、另一端開口于下部環(huán)形溝槽40的底部。配流閥體26側(cè)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(cè)壁的開孔位置對應(yīng)， 頂蓋27側(cè)壁對應(yīng)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(nèi)徑匹配， 中間段的直徑小于上、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(nèi)凹成圓環(huán)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(nèi)設(shè)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(yīng)。取樣管 19穿過中心孔設(shè)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(shè)置有封口活塞15，保壓筒14內(nèi)對應(yīng)取樣管19位置設(shè) 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(qū)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采樣的地點，此時的取樣器狀態(tài)(如圖 l所示)，高壓筒7的頂部位置空間通過進(jìn)水孔29進(jìn)入了高壓海水，并充滿高壓筒 的頂部空間；之后高壓海水經(jīng)過上活塞桿8的上中心孔45流入到上環(huán)形槽42所處 的位置，使得配水閥芯25的上端處于高壓；配水閥芯25的下端因為上活塞桿8 的中下環(huán)形槽37和下通水孔36連通著沖擊筒5內(nèi)的低壓空間而處于低壓，上下兩 端面的壓力差作用使得配流閥芯25處于下極限位置，由此封閉了上部環(huán)形溝槽41而關(guān)閉了通水管31，同時連通了下部環(huán)形溝槽40而打開了排水孔39和下通水 管33。由于上述原因，下通水管33，圓環(huán)形通水槽32，排水孔39連通成一個通 道使得驅(qū)動活塞9的上部空間處于低壓，因為驅(qū)動活塞9的下端空間總是連通著 低壓腔的，所以驅(qū)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，于是整個取樣器的各個部件在重力作用下將處于圖l所示的狀 態(tài)。
2.準(zhǔn)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(xù)插為止。在此過程中，取樣管受到了海底沉積物的反作 用力并將力傳給了彈簧鎖舌機構(gòu)16，彈簧鎖舌16將反作用力經(jīng)過保壓筒14傳遞 給下活塞桿12并經(jīng)過驅(qū)動活塞9傳遞給了上活塞桿8，使得取樣管19、保壓筒14、 下活塞桿12、驅(qū)動活塞9和上活塞桿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，上活塞桿8也將處于其上極限位置，上活塞桿 8的中上環(huán)形槽38連通高壓筒6上部的高壓海水并經(jīng)過上活塞桿8的中心軸開有 的下中心孔35連通下環(huán)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下端面處于高壓，同時中下環(huán)形槽37通過上通水孔43及其對應(yīng)位置的通水孔 44，連通著低壓腔而使得配水閥芯25上端面處于低壓，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(huán)形溝槽41而連通了通水管31， 同時也打開了下部環(huán)形溝槽40而連通了下通水管33，但是關(guān)閉了排水孔39。這 樣，海水將流經(jīng)頂蓋27開設(shè)的通水口30，上通水管31，圓環(huán)形通水槽32和下通 水管33進(jìn)入到驅(qū)動活塞9的上端空間，使得驅(qū)動活塞9的上端空間處于高壓，因 為高壓筒6內(nèi)的上部空間總是處于高壓，這時候，整個取樣器的沖擊驅(qū)動單元將 受到一個向上的靜水壓力作用，此作用力頂起沖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、下活塞桿12、驅(qū)動活塞9和上活 塞桿8的相對位置發(fā)生變化，取樣器又回到圖l所示的狀態(tài)，上活塞桿8將處于其 下極限位置。
當(dāng)上活塞桿8將處于其下極限位置的同時，高壓海水經(jīng)過上活塞桿8的上中 心孔45流入到上環(huán)形槽42所處的位置，使得配水閥芯25的上端處于高壓；同時 下環(huán)形槽37和下通水孔36連通著沖擊筒5內(nèi)的低壓腔而使得配水閥芯25的下端 處于低壓，壓力差作用使得配水閥芯25再次處于下極限位置封閉了上部環(huán)形 溝槽41而關(guān)閉了通水管31，同時連通了下部環(huán)形溝槽40而打開了排水孔39。驅(qū)
8動活塞9的上部空間因為下通水管33，圓環(huán)形通水槽32，排水孔39相互連通處于 低壓，而驅(qū)動活塞9的下端空間總是連接低壓腔，由此取樣器的沖擊單元將在重 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(jīng)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并停止。取樣器完成一次單程"打樁"動作， 取樣器重復(fù)上述動作，直到低壓腔內(nèi)海水壓力與外界海水壓力達(dá)到平衡，靜水 壓力能耗盡，采樣結(jié)束。
3.采樣結(jié)束后，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(dǎo)向筒13外側(cè)壁的手持桿，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并和鎖舌16的斜面相接觸，頂開鎖舌，繼續(xù)拉動 鋼絲繩11將取樣管19拉入保壓筒體14并穿過鎖舌16;在上述過程當(dāng)中，當(dāng)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(nèi)的樣品下降，取樣管19 下部的花瓣合攏切斷沉積物，并防止樣品掉下去；當(dāng)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(dāng)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。之后取樣管19完全進(jìn)入到保壓筒14內(nèi)，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(nèi)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桿8的中下環(huán)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(huán)形槽42而 處于低壓，于是配水閥芯25處于上極限位置，由此而關(guān)閉了排水孔39，并且 讓整個低壓腔內(nèi)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， 沖擊筒5內(nèi)低壓腔的高壓海水與皮囊28聯(lián)合作用，讓高壓海水通過補壓孔24 流過單向閥，再經(jīng)過補壓軟管22，流進(jìn)壓力補償孔21而流入保壓筒14內(nèi)，實 現(xiàn)樣品保壓。
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權(quán)利要求
1、機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動保真取樣器，包括機械手持部件、沖擊驅(qū)動部件、取樣筒部件，其特征在于機械手持部件包括豎直固定設(shè)置在上端蓋頂部的手持桿，手持桿外套有彈簧，手柄與手持桿配合連接，可以沿手持桿上下滑動；沖擊驅(qū)動部件包括上端蓋、沖擊筒、下端蓋、高壓筒、配流閥、導(dǎo)向筒、支撐筒、上活塞桿、下活塞桿、驅(qū)動活塞；上端蓋和下端蓋分別固定在沖擊筒的兩個端面上，導(dǎo)向筒設(shè)置在下端蓋的下部，配流閥和支撐筒設(shè)置在高壓筒內(nèi)，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，沖擊筒、高壓筒、支撐筒和導(dǎo)向筒同軸設(shè)置，沖擊筒內(nèi)設(shè)置有皮囊；上端蓋開有進(jìn)水孔，高壓筒的內(nèi)腔通過進(jìn)水孔與外界連通，下端蓋開有補壓孔，補壓孔上設(shè)置有單向閥；支撐筒的下部和高壓筒的下部對應(yīng)位置開有通孔；驅(qū)動活塞設(shè)置在支撐筒內(nèi)，上活塞桿的底部以及下活塞桿的頂部均與驅(qū)動活塞固定連接；所述的配流閥包括配流閥芯和套置于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(cè)壁固定連接；上活塞桿依次穿過頂蓋、配流閥芯和配流閥體的底部設(shè)置；沿上活塞桿的圓周由上至下依次開有上環(huán)形槽、中上環(huán)形槽、中下環(huán)形槽和下環(huán)形槽，沿上活塞桿的中心軸開有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端開口于上活塞桿的頂部、另一端與上環(huán)形槽底部開口連通，下中心孔的一端開口于上活塞桿的底部、另一端與中上環(huán)形槽底部開口連通，下環(huán)形槽底部開口與下中心孔相連通；下活塞桿穿過下端蓋設(shè)置，下活塞桿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(nèi)徑匹配，配流閥體的內(nèi)壁中部沿圓周開有兩條平行的環(huán)形溝槽，配流閥體的側(cè)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(shè)的通水口連通、另一端開口于上部環(huán)形溝槽的底部；下通水管的一端直接開口于配流閥體的底部、另一端開口于下部環(huán)形溝槽的底部；配流閥體側(cè)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(cè)壁的開孔位置對應(yīng)，頂蓋側(cè)壁對應(yīng)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(nèi)徑匹配，中間段的直徑小于上、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(nèi)凹成圓環(huán)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(nèi)設(shè)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(yīng)；取樣管穿過中心孔設(shè)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(shè)置有封口活塞，保壓筒內(nèi)對應(yīng)取樣管位置設(shè)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(fā)明涉及機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動保真取樣器。現(xiàn)有機械手持式采樣器只能采集非常軟的沉積物樣品。本發(fā)明包括機械手持部件、沖擊驅(qū)動部件、取樣筒部件。機械手持部件的手柄可以沿手持桿上下滑動。沖擊驅(qū)動部件包括同軸設(shè)置的沖擊筒、高壓筒、支撐筒和導(dǎo)向筒，以及上端蓋、下端蓋、配流閥、上活塞桿、下活塞桿、驅(qū)動活塞。上活塞桿穿過配流閥設(shè)置，下活塞桿穿過下端蓋設(shè)置，下活塞桿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(fā)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(jìn)行采集，又可以對較硬的沉積物進(jìn)行采集。
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(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)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(xué)