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基本信息

项目名称:
静水压力驱动取样器
小类:
机械与控制
简介:
静水压力驱动取样器是一种利用海洋静水压力能取样的海底沉积物取样器,它以外界高压海水和取样器内部低压腔之间的压力差作为驱动力,反复将取样器冲击头抬升一定高度再释放,使其撞击取样管来获取沉积物样品,直到外界高压海水与低压腔压力平衡。该取样器结合了重力取样和振动取样的优点,摒弃了其缺点,同时,取得的沉积物可应用于海洋气候及环境研究、海洋工程地质勘察和海洋地质学等多方面研究。
详细介绍:
静水压力驱动取样器是一种利用海洋静水压力能取样的海底沉积物取样器,它以外界高压海水和取样器内部低压腔之间的压力差作为驱动力,反复将取样器冲击头抬升一定高度再释放,使其撞击取样管来获取沉积物样品,直到外界高压海水与低压腔压力平衡。 从驱动形式上看,静水压力驱动取样器具有其独特优势:(1)与重力取样器相比,同等重量情况下,静水压力驱动取样器可额外利用静水压力能用于取样,取样深度深。反过来说,在获得同样取样深度的情况下,静水压力驱动取样器可以轻量化,便于海上恶劣环境操作;(2)随着取样深度的增加,沉积物土体的抗剪强度增大,重力取样器取样容易出现“桩效应”(即取样管管口被沉积物堵住,取样管象一根实心桩一样继续下插,不能继续采集沉积物样品)。而静水压力驱动取样器以类似于“振动打桩”的形式下插,“桩效应”程度减轻,从而可获得较高的样品采集率;(3)可适用于较硬沉积物的取样。该取样器结合了重力取样和振动取样的优点,摒弃了其缺点,在同等条件下,既优于振动取样设备,又优于重力取样设备。 现阶段,该取样器的原理机已经在实验室中试验成功,它所取得的沉积物可应用于海洋气候及环境研究、海洋工程地质勘察和海洋地质学等多方面研究。

作品图片

  • 静水压力驱动取样器
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

作品设计、发明的目的: 今年,国务院批复《浙江海洋经济发展示范区规划》,将浙江海洋经济发展示范区建设上升为国家战略,所以发展海底沉积物取样设备对于我省的海洋建设具有重大科学意义。而目前常见的取样器均有其劣势存在。因此,有必要提出一种新的取样驱动机理以及适用于该机理的取样设备,能够尽量结合上述两类取样器的优点,摒弃其缺点。在此,我们提出一种适用于海底沉积物取样的静水压力驱动取样机理。 基本思路: (1)结合重力取样和振动取样的优点,提出一种适用于海底沉积物取样的静水压力驱动取样机理,确定项目的具体研究方案;(2)进行基于支撑反力控制的静水压力驱动取样机制触发机理研究,和基于驱动单元活塞位置控制的静水压力激励冲击振动机理研究,提出触发机构和驱动单元的结构设计理论,研制相应的模型样机;(3)通过仿真和试验研究进一步修正触发机构和驱动单元(包括排水阀)的结构设计理论;(4)实验室模拟,并记录参数,同时归纳和总结。 创新点: (1)研究“重力驱动”和“静水压力驱动”状态的自动切换问题,提出基于支撑反力控制的静水压力驱动取样机制触发机理;(2)研究驱动单元中配流装置和活塞的驱动、制约关系,提出基于驱动单元活塞位置控制的静水压力激励冲击振动机理。 技术关键: (1)“重力驱动”和“静水压力驱动”状态的自动切换;(2)驱动单元中的配流装置与活塞之间的驱动和制约;(3)冲击单元结构设计的优化。 主要技术指标: 工作水深3000米。

科学性、先进性

从驱动形式上看,基于静水压力驱动取样的沉积物取样器结合了重力取样器的“重力驱动”和振动取样器的“振动驱动”形式,从而具有其独特优势: (1)与重力取样器相比,同等重量情况下,静水压力驱动取样器可额外利用可观静水压力能用于取样,取样深度深。反过来说,在获得同样取样深度的情况下,静水压力驱动取样器可以轻量化,便于海上恶劣环境操作; (2)无需外接能源装置,直接利用海水原位静水压力驱动工作,能量利用方式简单且清洁; (3)随着取样深度的增加,沉积物土体的抗剪强度增大,重力取样器取样容易出现“桩效应”(即取样管管口被沉积物堵住,取样管象一根实心桩一样继续下插,不能继续采集沉积物样品)。而静水压力驱动取样器以类似于“振动打桩”的形式下插,“桩效应”程度减轻,从而可获得较高的样品采集率。

获奖情况及鉴定结果

1、秦华伟,魏双丰,王建军,叶崴,陈鹰,刘敬彪 发明专利:机械手持式深海静水压力驱动保真取样器 专利号:ZL 2009 1 0102064.1 申请日期: 2009年08月25日,专利授予日:2011年01月12日。 2、秦华伟,魏双丰,王建军,叶崴,陈鹰,刘敬彪. 发明专利:机械手持式深海静水压力驱动取样器.专利号:ZL 2009 1 0102062.2,专利申请日:2009年08月25日,专利授予日:2011年01月19日。 3、秦华伟,魏双丰,王建军,陈鹰等.实用新型专利:一种机械手持式深海静水压力驱动取样器.专利号:ZL 2009 2 0192261.2,专利申请日:2009年08月25日,专利授予日:2010年05月26日。 4、秦华伟,魏双丰,王建军,陈鹰等.实用新型专利:一种机械手持式深海静水压力驱动保真取样器.专利号:ZL 2009 2 0192263.1,专利申请日:2009年08月25日,专利授予日:2010年05月19日。 5、秦华伟,魏双丰,王建军,陈鹰等.实用新型专利:一种基于海洋高压的液动冲击器.专利号:ZL 2010 2 0110989.9,专利申请日:2010年02月09日,专利授予日:2010年09月22日。 6、秦华伟,魏双丰,王建军,叶崴,陈鹰 发明专利:基于海洋高压的液动冲击器 专利号:201010107990.0 申请日期 2010-2-9 。

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

作品可展示的形式

实物、产品

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

技术特点和优势: 静水压力驱动取样器相对常见取样器来说有不少优势:(1)无需外接能源装置,(2)可根据样品需求调节取样器振动打桩次数及频率,从而获取不同种类沉积物(包括软、硬海底沉积物),取样范围广;(3)可以减轻采样时易于出现的“桩效应”。该取样器结合了重力取样和振动取样的优点,摒弃了其缺点 使用说明: 只要将静水压力驱动取样器连同其轻型支架放入海中即可,取样器沉入海底后当取样管触及海底平面,即可自行取样,最后回收取样器,并提取沉积物。 适应范围: 静水压力驱动取样器可根据样品需求调节取样器振动打桩次数及频率,所以软、硬沉积物均可被采集,能适应海底复杂工况,本作品的设计水深是3000米。 推广前景: 随着海洋资源变得越来越被重视和我国发展海洋战略的决心,以及浙江海洋经济开发的建设,海底沉积物取样设备也必然会得到快速发展,以适应科学研究的需要。而我国对静水压力驱动取样器的研究还处于起步阶段,因此该取样器将会有很大的发展空间。

同类课题研究水平概述

目前,世界上获取海底沉积物的技术手段及其设备有多种,国内常见取样器种类包括:蚌式抓斗采样器、箱式采样器、重力取样器、多管取样器、电视抓斗、振动取样器和深海沉积物保真采样器等。 国外最早对利用静水压力能进行海底沉积物取样做了相关报道的是Hough,Petterson和Kullenberg,在他们设计的取样器中,尽管有非常大的能量可以被利用,但是由于取样管中活塞最大的移动距离只有2m,使得取得的沉积物样品长度受到限制;Lisitzin在他的研究中提到使用名为“the Sysoev-Kudinov corer”的取样器,当取样设备的刀头尖端接触到沉积物时,一个阀门会打开让周围海水进入一个充满低压气体的空腔,压力差驱动取样设备插入沉积物,且其最大取样深度达到了33.5m,但是由于在硬质沉积物区不实用而没有继续发展;Brooke and Gilberr,Selwyn and McCoy提出了一种利用静水压力驱动液压马达的设计,液压马达不断的把冲击头抬高0.33m,然后冲击头以打桩的形式反复锤击取样管,在一次试验中,冲击头被抬高60次,成功获得2m长的硬质灰泥样品;Yngve Kristoffersen利用该原理研制了两个不同重量的取样器Selcore Ⅰ(空气中重800kg)和Selcore Ⅱ(空气中重1750kg),并在一次3500m水深的海底取样中,Selcore Ⅰ在均匀颗粒沉积物中取样深度达到18m,样品长度12.5m。Selcore Ⅰ的设计标准是使用水深须超过300m,以2秒的频率冲击振动取样管52次,以此获取样品。并且在1993年4月份,Selcore Ⅰ第一次以商业为目的在北海Troll区域和挪威西部海岸的Mongstad之间为挪威国家石油公司(Statoil)进行了铺设海底管道线的海底调查。 可惜的是,国内并未检索到利用静水压力进行海底沉积物取样方面的报道,说明在利用静水压力驱动取样方面,国内的相关研究并未开展。而根据上文叙述,国外在此领域已经进行了相当多的尝试,其技术已日趋完善,甚至已经开始商业化利用。因此,国内很有必要在此技术领域投入更多的关注,这对提高我国海底沉积物取样技术,发展海洋科技,实现海洋战略目标都有着重要意义。
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