專利名稱：一種機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機械設備技術領域，涉及一種利用深海原位靜水壓力能驅動采樣
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。
技術背景對于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R0V為其提供動力能源；對于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 海底沉積物可保壓采樣器，對于軟、硬沉積物均可被采集，還可以實現對樣品的保真，能適 應海底復雜工況和設備輕量化。
發明內容本實用新型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，在海底小范圍進行具有針對性的采樣分析。 本實用新型包括機械手持部件、沖擊驅動部件、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。 沖擊驅動部件包括上端蓋、沖擊筒、下端蓋、高壓筒、配流閥、導向筒、支撐筒、上活 塞桿、下活塞桿、驅動活塞。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，沖擊筒、高壓 筒、支撐筒和導向筒同軸設置，沖擊筒內設置有皮囊。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，上活塞桿的底部以及下活塞桿的頂 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置。沿上活塞桿的圓周由 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。下活塞桿穿過下端蓋設置，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、另一端開口于上部環形溝槽的底部；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。 本實用新型與背景技術相比，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，能適應海底復雜工況和實現設備輕量化，既 能對深海的軟沉積物進行采集，又可以對較硬的沉積物進行采集，且在對較硬沉積物的采 集方式上具有其獨特的優勢，并在可實現對樣品的保真取樣。本實用新型裝置操作簡單，是 一套專門供R0V和載人深潛器在深海利用機械手進行沉積物采樣的無源采樣裝置。
圖1是本實用新型總體結構示意圖； 圖2是圖1中配流閥結構示意圖。
具體實施方式如圖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、沖擊驅動部 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。 沖擊驅動部件包括上端蓋4、沖擊筒5、下端蓋10、高壓筒6、配流閥、導向筒13、支 撐筒7、上活塞桿8、下活塞桿12、驅動活塞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，沖擊筒5、高壓筒6、支撐筒7和導向筒13同軸設置，沖擊筒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，上活塞桿8的底部以及下 活塞桿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的底部設置。沿 上活塞桿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。下活塞桿12穿過下端蓋10設置，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、另一端開口于上部環 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，其中中部內凹成圓 環形通水槽32。 如圖1，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采樣的地點，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，并充滿高壓筒的頂部空間； 之后高壓海水經過上活塞桿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的上端處于高壓；配水閥芯25的下端因為上活塞桿8的中下環形槽37和下通水孔36 連通著沖擊筒5內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。由于上述原因，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的上部空間處于低壓，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，于是整個取樣器的各個部件在重力作用下將處于圖1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并將力傳給了 彈簧鎖舌機構16，彈簧鎖舌16將反作用力經過保壓筒14傳遞給下活塞桿12并經過驅動活 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的中上環形槽38連通高壓筒6上部的高壓海水并經過 上活塞桿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下端面處于高壓，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的上端空間處于高壓，因為高壓筒6內的上部空間總是處于高壓，這時候， 整個取樣器的沖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、驅動活塞9 和上活塞桿8的相對位置發生變化，取樣器又回到圖1所示的狀態，上活塞桿8將處于其下 極限位置。 當上活塞桿8將處于其下極限位置的同時，高壓海水經過上活塞桿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的上端處于高壓；同時下環形槽37和 下通水孔36連通著沖擊筒5內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相互連通處于低壓，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，采 樣結束。 3.采樣結束后，取樣器回收。此時機械手的另一個手動作，拉動鋼絲繩11連接的 安放在導向筒13外側壁的手持桿，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，并防止樣品掉下 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。之后取樣管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 通過上活塞桿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而處于低壓，于是配水閥芯25處于上 極限位置，由此而關閉了排水孔39，并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，沖擊筒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。
權利要求一種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、沖擊驅動部件、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；沖擊驅動部件包括上端蓋、沖擊筒、下端蓋、高壓筒、配流閥、導向筒、支撐筒、上活塞桿、下活塞桿、驅動活塞；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，沖擊筒、高壓筒、支撐筒和導向筒同軸設置，沖擊筒內設置有皮囊；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，上活塞桿的底部以及下活塞桿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置；沿上活塞桿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；下活塞桿穿過下端蓋設置，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、另一端開口于上部環形溝槽的底部；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。
專利摘要本實用新型涉及一種機械手持式深海靜水壓力驅動保真取樣器。現有機械手持式采樣器只能采集非常軟的沉積物樣品。本實用新型包括機械手持部件、沖擊驅動部件、取樣筒部件。機械手持部件的手柄可以沿手持桿上下滑動。沖擊驅動部件包括同軸設置的沖擊筒、高壓筒、支撐筒和導向筒，以及上端蓋、下端蓋、配流閥、上活塞桿、下活塞桿、驅動活塞。上活塞桿穿過配流閥設置，下活塞桿穿過下端蓋設置，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。本實用新型利用了深海靜水壓力能，既能對深海的軟沉積物進行采集，又可以對較硬的沉積物進行采集。
文檔編號G01N1/08GK201476986SQ20092019226
公開日2010年5月19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, 葉葳, 王建軍, 秦華偉, 陳鷹, 魏雙豐 申請人:杭州電子科技大學