专利名称：一种机械手持式深海静水压力驱动保真取样器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械设备技术领域，涉及一种利用深海原位静水压力能驱动采样
的机械手持式可保压的深海取样器，适合于海底各类软岩层的钻探取芯。
技术背景对于在海下一定深度作业的设备而言，海洋静水压力能是一个可供选择的能量来 源。其中机械手持式采样器因为在海底操作方便而使用广泛。但是，对于机械手持式采样 器，一般都需要由载人深潜器或者R0V为其提供动力能源；对于深海作业的潜器来说，就需 要为了上述目的而携带更多的能源装备，这无疑是一种负担，而且会影响到深潜器的工作 效率。而且对于一般的机械手持式采样器，它只能采集非常软的沉积物样品，对于硬度较大 的深海沉积物就无能为力(如CN02150917. 4 ;CN02280131. 6)，有些采样器虽然可以用于 对较硬沉积物进行取样，但是不能实现样品的保压。因此，有必要提供一种新的机械手持式 海底沉积物可保压采样器，对于软、硬沉积物均可被采集，还可以实现对样品的保真，能适 应海底复杂工况和设备轻量化。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种机械手持式深海静水压力驱
动保真取样器，该取样器适合海底各类软岩层的钻探取芯，可通过深海载人深潜器利用水
下的机械手操作，在海底小范围进行具有针对性的采样分析。 本实用新型包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件。 机械手持部件包括竖直固定设置在上端盖顶部的手持杆，手持杆外套有弹簧，手 柄与手持杆配合连接，可以沿手持杆上下滑动。 冲击驱动部件包括上端盖、冲击筒、下端盖、高压筒、配流阀、导向筒、支撑筒、上活 塞杆、下活塞杆、驱动活塞。上端盖和下端盖分别固定在冲击筒的两个端面上，导向筒设置 在下端盖的下部，配流阀和支撑筒设置在高压筒内，高压筒的两端分别与上端盖和下端盖 固定连接，支撑筒的底部与下端盖固定连接、顶部与配流阀的底部固定连接，冲击筒、高压 筒、支撑筒和导向筒同轴设置，冲击筒内设置有皮囊。上端盖开有进水孔，高压筒的内腔通 过进水孔与外界连通，下端盖开有补压孔，补压孔上设置有单向阀。支撑筒的下部和高压筒 的下部对应位置开有通孔。驱动活塞设置在支撑筒内，上活塞杆的底部以及下活塞杆的顶 部均与驱动活塞固定连接。所述的配流阀包括配流阀芯和套置于配流阀芯外的配流阀体， 配流阀体的顶部与顶盖固定连接，顶盖与高压筒的侧壁固定连接。 上活塞杆依次穿过顶盖、配流阀芯和配流阀体的底部设置。沿上活塞杆的圆周由 上至下依次开有上环形槽、中上环形槽、中下环形槽和下环形槽，沿上活塞杆的中心轴开有 上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端开口于上活塞杆的顶部、另一端与上环形槽底部开 口连通，下中心孔的一端开口于上活塞杆的底部、另一端与中上环形槽底部开口连通，下环 形槽底部开口与下中心孔相连通。下活塞杆穿过下端盖设置，下活塞杆的底部与取样筒部件中的保压筒的顶部固定连接。 所述的配流阀体为圆柱筒形，外径与高压筒的内径匹配，配流阀体的内壁中部沿 圆周开有两条平行的环形沟槽，配流阀体的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管和下通水 管。上通水管的一端与顶盖开设的通水口连通、另一端开口于上部环形沟槽的底部；下通 水管的一端直接开口于配流阀体的底部、另一端开口于下部环形沟槽的底部。配流阀体侧 壁的上部沿径向开有上通水孔、下部沿径向开有下通水孔、中部沿径向开有排水孔，上通水 孔、下通水孔和排水孔分别与高压筒侧壁的开孔位置对应，顶盖侧壁对应上通水孔位置开 有通水孔。 所述的配流阀芯包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体的内径匹配，中间 段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆环形 通水槽。 取样筒部件包括保压筒、取样管、活动翻盖、封口活塞、弹簧锁舌。所述的保压筒的
截面为凸字形，保压筒上开有压力补偿孔，保压筒内设置有活动翻盖和保压筒下端盖，保压 筒下端盖的中心开有中心孔，活动翻盖通过铰链与保压筒下端盖连接，位置与中心孔对应。 取样管穿过中心孔设置，取样管的底部为圆锥形，取样管的顶部与取样管座固定连接，取样 管座上设置有封口活塞，保压筒内对应取样管位置设置有弹簧锁舌。钢丝绳穿过保压筒顶 部，一端与封口活塞固定连接、另一端与机械手连接。补压软管的一端通过单向阀与补压孔 连通、另一端与压力补偿孔连通。 本实用新型与背景技术相比，具有的有益效果是它利用了深海静水压力能，结合 了 "重力驱动"和"振动驱动"两种驱动形式，能够利用取样器本身的重力势能和深海静水 压力能进行工作，而不需要由深潜器提供动力，能适应海底复杂工况和实现设备轻量化，既 能对深海的软沉积物进行采集，又可以对较硬的沉积物进行采集，且在对较硬沉积物的采 集方式上具有其独特的优势，并在可实现对样品的保真取样。本实用新型装置操作简单，是 一套专门供R0V和载人深潜器在深海利用机械手进行沉积物采样的无源采样装置。
图1是本实用新型总体结构示意图； 图2是图1中配流阀结构示意图。
具体实施方式如图1，机械手持式深海静水压力驱动保真取样器包括机械手持部件、冲击驱动部 件、取样筒部件。 机械手持部件包括竖直固定设置在上端盖4顶部的手持杆2，手持杆2外套有弹簧 3，手柄1与手持杆2配合连接，可以沿手持杆2上下滑动。 冲击驱动部件包括上端盖4、冲击筒5、下端盖10、高压筒6、配流阀、导向筒13、支 撑筒7、上活塞杆8、下活塞杆12、驱动活塞9。上端盖4和下端盖10分别固定在冲击筒5 的两个端面上，导向筒13设置在下端盖10的下部，配流阀和支撑筒7设置在高压筒6内， 高压筒6的两端分别与上端盖4和下端盖10固定连接，支撑筒7的底部与下端盖10固定 连接、顶部与配流阀的底部固定连接，冲击筒5、高压筒6、支撑筒7和导向筒13同轴设置，冲击筒5内设置有皮囊28。上端盖4开有进水孔29，高压筒6的内腔通过进水孔29与外 界连通，下端盖10开有补压孔24，补压孔24上设置有单向阀23。支撑筒7的下部和高压 筒6的下部对应位置开有通孔。驱动活塞9设置在支撑筒7内，上活塞杆8的底部以及下 活塞杆12的顶部均与驱动活塞9固定连接。配流阀包括配流阀芯25和套置于配流阀芯25 外的配流阀体26，配流阀体26的顶部与顶盖27固定连接，顶盖27与高压筒6的侧壁固定 连接。 如图2，上活塞杆8依次穿过顶盖27、配流阀芯25和配流阀体26的底部设置。沿 上活塞杆8的圆周由上至下依次开有上环形槽42、中上环形槽38、中下环形槽37和下环形 槽34。沿上活塞杆8的中心轴开有上中心孔45和下中心孔35，上中心孔45的一端开口于 上活塞杆8的顶部、另一端与上环形槽42底部开口连通，下中心孔35的一端开口于上活塞 杆8的底部、另一端与中上环形槽38底部开口连通，下环形槽34底部开口与下中心孔35 相连通。下活塞杆12穿过下端盖10设置，下活塞杆12的底部与取样筒部件中的保压筒14 的顶部固定连接。 如图2，配流阀体26为圆柱筒形，外径与高压筒6的内径匹配，配流阀体26的内 壁中部沿圆周开有两条平行的环形沟槽，配流阀体的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管31 和下通水管33。上通水管31的一端与顶盖27开设的通水口 30连通、另一端开口于上部环 形沟槽41的底部；下通水管33的一端直接开口于配流阀体26的底部、另一端开口于下部 环形沟槽40的底部。配流阀体26侧壁的上部沿径向开有上通水孔43、下部沿径向开有下 通水孔36、中部沿径向开有排水孔39，上通水孔43、下通水孔36和排水孔39分别与高压筒 6侧壁的开孔位置对应，顶盖27侧壁对应上通水孔43位置开有通水孔44。 配流阀芯25包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体26的内径匹配，中间 段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯25整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆 环形通水槽32。 如图1，取样筒部件包括保压筒14、取样管19、活动翻盖20、封口活塞15、弹簧锁舌 16。保压筒14的截面为凸字形，保压筒14上开有压力补偿孔21，保压筒14内设置有活动 翻盖20和保压筒下端盖18，保压筒下端盖18的中心开有中心孔，活动翻盖20通过铰链与 保压筒下端盖18连接，位置与中心孔对应。取样管19穿过中心孔设置，取样管19的底部 为圆锥形，取样管19的顶部与取样管座17固定连接，取样管座17上设置有封口活塞15，保 压筒14内对应取样管19位置设置有弹簧锁舌16。钢丝绳11穿过保压筒14顶部，一端与 封口活塞15固定连接、另一端与机械手连接。补压软管22的一端通过单向阀23与补压孔 24连通、另一端与压力补偿孔21连通。 该深海静水压力驱动保真取样器的工作过程如下 1.取样器由深潜器携带入深海想要采样的地点，此时的取样器状态(如图l所 示)，高压筒7的顶部位置空间通过进水孔29进入了高压海水，并充满高压筒的顶部空间； 之后高压海水经过上活塞杆8的上中心孔45流入到上环形槽42所处的位置，使得配水阀 芯25的上端处于高压；配水阀芯25的下端因为上活塞杆8的中下环形槽37和下通水孔36 连通着冲击筒5内的低压空间而处于低压，上下两端面的压力差作用使得配流阀芯25处于 下极限位置，由此封闭了上部环形沟槽41而关闭了通水管31，同时连通了下部环形沟槽40 而打开了排水孔39和下通水管33。由于上述原因，下通水管33，圆环形通水槽32，排水孔39连通成一个通道使得驱动活塞9的上部空间处于低压，因为驱动活塞9的下端空间总是 连通着低压腔的，所以驱动活塞9上下两端所受的压力平衡，而保压筒14上下端所受的压 力亦相互平衡，于是整个取样器的各个部件在重力作用下将处于图1所示的状态。 2.准备开始工作时，机械手夹持手柄l，将取样器竖直插向海底沉积物一定深度 直到不能再继续插为止。在此过程中，取样管受到了海底沉积物的反作用力并将力传给了 弹簧锁舌机构16，弹簧锁舌16将反作用力经过保压筒14传递给下活塞杆12并经过驱动活 塞9传递给了上活塞杆8，使得取样管19、保压筒14、下活塞杆12、驱动活塞9和上活塞杆 8均向上移动直到保压筒14的顶部端面和下端盖10的下端面接触。这个时候，上活塞杆8 也将处于其上极限位置，上活塞杆8的中上环形槽38连通高压筒6上部的高压海水并经过 上活塞杆8的中心轴开有的下中心孔35连通下环形槽34的开孔接通配水阀芯25的下端面 而使得配水阀芯25下端面处于高压，同时中下环形槽37通过上通水孔43及其对应位置的 通水孔44，连通着低压腔而使得配水阀芯25上端面处于低压，压力差让配水阀芯25动作， 向上移动到上极限位置，由此打开了上部环形沟槽41而连通了通水管31，同时也打开了下 部环形沟槽40而连通了下通水管33，但是关闭了排水孔39。这样，海水将流经顶盖27开设 的通水口 30，上通水管31，圆环形通水槽32和下通水管33进入到驱动活塞9的上端空间， 使得驱动活塞9的上端空间处于高压，因为高压筒6内的上部空间总是处于高压，这时候， 整个取样器的冲击驱动单元将受到一个向上的静水压力作用，此作用力顶起冲击单元直到 最高的极限位置，弹簧3也将被压縮。同时取样管19、保压筒14、下活塞杆12、驱动活塞9 和上活塞杆8的相对位置发生变化，取样器又回到图1所示的状态，上活塞杆8将处于其下 极限位置。 当上活塞杆8将处于其下极限位置的同时，高压海水经过上活塞杆8的上中心孔 45流入到上环形槽42所处的位置，使得配水阀芯25的上端处于高压；同时下环形槽37和 下通水孔36连通着冲击筒5内的低压腔而使得配水阀芯25的下端处于低压，压力差作用 使得配水阀芯25再次处于下极限位置封闭了上部环形沟槽41而关闭了通水管31，同时 连通了下部环形沟槽40而打开了排水孔39。驱动活塞9的上部空间因为下通水管33，圆 环形通水槽32，排水孔39相互连通处于低压，而驱动活塞9的下端空间总是连接低压腔，由 此取样器的冲击单元将在重力作用下下降，下端盖10的下端面撞击保压筒14的顶部端面， 弹簧3的弹性势能也将释放出来，重力势能和弹性势能经过保压筒14传给锁舌16再传给 取样管19，使得取样管插入沉积物一定深度并停止。取样器完成一次单程"打桩"动作，取 样器重复上述动作，直到低压腔内海水压力与外界海水压力达到平衡，静水压力能耗�。� 样结束。 3.采样结束后，取样器回收。此时机械手的另一个手动作，拉动钢丝绳11连接的 安放在导向筒13外侧壁的手持杆，接着钢丝绳11拉动封口活塞15，封口活塞15先向上移 动一小段距离并和锁舌16的斜面相接触，顶开锁舌，继续拉动钢丝绳11将取样管19拉入 保压筒体14并穿过锁舌16 ;在上述过程当中，当封口活塞15带动取样管座17从而带动取 样管时，取样管19内的样品下降，取样管19下部的花瓣合拢切断沉积物，并防止样品掉下 去；当取样管19穿过锁舌16，封口活塞15将与保压筒14上部的凹槽配合完成保压筒上端 密封动作，同时当取样管19越过翻盖20时，翻盖20将在扭簧的作用下下翻与保压筒下端 盖18完成保压筒下端密封动作。之后取样管19完全进入到保压筒14内，锁舌16挡住取样管使其不下落。机械手再次动作，拉动手柄l将取样器带回深潜器。 取样器回收时，低压腔内的海水压力比外面海水的压力高，配流阀芯25的下端面 通过上活塞杆8的中下环形槽37，下通水孔36与低压腔连通使得配水阀芯下端高压；配流 阀芯25的上端面通过上中心孔45，连通上环形槽42而处于低压，于是配水阀芯25处于上 极限位置，由此而关闭了排水孔39，并且让整个低压腔内的高压海水被密封起来，这样一旦 取样器回收外界压力降低，冲击筒5内低压腔的高压海水与皮囊28联合作用，让高压海水 通过补压孔24流过单向阀，再经过补压软管22，流进压力补偿孔21而流入保压筒14内，实 现样品保压。
权利要求一种机械手持式深海静水压力驱动保真取样器，包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件，其特征在于机械手持部件包括竖直固定设置在上端盖顶部的手持杆，手持杆外套有弹簧，手柄与手持杆配合连接，可以沿手持杆上下滑动；冲击驱动部件包括上端盖、冲击筒、下端盖、高压筒、配流阀、导向筒、支撑筒、上活塞杆、下活塞杆、驱动活塞；上端盖和下端盖分别固定在冲击筒的两个端面上，导向筒设置在下端盖的下部，配流阀和支撑筒设置在高压筒内，高压筒的两端分别与上端盖和下端盖固定连接，支撑筒的底部与下端盖固定连接、顶部与配流阀的底部固定连接，冲击筒、高压筒、支撑筒和导向筒同轴设置，冲击筒内设置有皮囊；上端盖开有进水孔，高压筒的内腔通过进水孔与外界连通，下端盖开有补压孔，补压孔上设置有单向阀；支撑筒的下部和高压筒的下部对应位置开有通孔；驱动活塞设置在支撑筒内，上活塞杆的底部以及下活塞杆的顶部均与驱动活塞固定连接；所述的配流阀包括配流阀芯和套置于配流阀芯外的配流阀体，配流阀体的顶部与顶盖固定连接，顶盖与高压筒的侧壁固定连接；上活塞杆依次穿过顶盖、配流阀芯和配流阀体的底部设置；沿上活塞杆的圆周由上至下依次开有上环形槽、中上环形槽、中下环形槽和下环形槽，沿上活塞杆的中心轴开有上中心孔和下中心孔，上中心孔的一端开口于上活塞杆的顶部、另一端与上环形槽底部开口连通，下中心孔的一端开口于上活塞杆的底部、另一端与中上环形槽底部开口连通，下环形槽底部开口与下中心孔相连通；下活塞杆穿过下端盖设置，下活塞杆的底部与取样筒部件中的保压筒的顶部固定连接；所述的配流阀体为圆柱筒形，外径与高压筒的内径匹配，配流阀体的内壁中部沿圆周开有两条平行的环形沟槽，配流阀体的侧壁沿同一轴线分别开有上通水管和下通水管；上通水管的一端与顶盖开设的通水口连通、另一端开口于上部环形沟槽的底部；下通水管的一端直接开口于配流阀体的底部、另一端开口于下部环形沟槽的底部；配流阀体侧壁的上部沿径向开有上通水孔、下部沿径向开有下通水孔、中部沿径向开有排水孔，上通水孔、下通水孔和排水孔分别与高压筒侧壁的开孔位置对应，顶盖侧壁对应上通水孔位置开有通水孔；所述的配流阀芯包括三段圆柱体，上、下两段的直径与配流阀体的内径匹配，中间段的直径小于上、下两段的直径，配流阀芯整体的纵截面为工字形，其中中部内凹成圆环形通水槽；取样筒部件包括保压筒、取样管、活动翻盖、封口活塞、弹簧锁舌；所述的保压筒的截面为凸字形，保压筒上开有压力补偿孔，保压筒内设置有活动翻盖和保压筒下端盖，保压筒下端盖的中心开有中心孔，活动翻盖通过铰链与保压筒下端盖连接，位置与中心孔对应；取样管穿过中心孔设置，取样管的底部为圆锥形，取样管的顶部与取样管座固定连接，取样管座上设置有封口活塞，保压筒内对应取样管位置设置有弹簧锁舌；钢丝绳穿过保压筒顶部，一端与封口活塞固定连接、另一端与机械手连接；补压软管的一端通过单向阀与补压孔连通、另一端与压力补偿孔连通。
专利摘要本实用新型涉及一种机械手持式深海静水压力驱动保真取样器。现有机械手持式采样器只能采集非常软的沉积物样品。本实用新型包括机械手持部件、冲击驱动部件、取样筒部件。机械手持部件的手柄可以沿手持杆上下滑动。冲击驱动部件包括同轴设置的冲击筒、高压筒、支撑筒和导向筒，以及上端盖、下端盖、配流阀、上活塞杆、下活塞杆、驱动活塞。上活塞杆穿过配流阀设置，下活塞杆穿过下端盖设置，下活塞杆的底部与取样筒部件中的保压筒的顶部固定连接。取样筒部件包括保压筒、取样管、活动翻盖、封口活塞、弹簧锁舌。本实用新型利用了深海静水压力能，既能对深海的软沉积物进行采集，又可以对较硬的沉积物进行采集。
文档编号G01N1/08GK201476986SQ20092019226
公开日2010年5月19日 申请日期2009年8月25日 优先权日2009年8月25日
发明者刘敬彪, 叶葳, 王建军, 秦华伟, 陈鹰, 魏双丰 申请人:杭州电子科技大学
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