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基本信息
- 項目名稱：
- 靜水壓力驅(qū)動取樣器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 靜水壓力驅(qū)動取樣器是一種利用海洋靜水壓力能取樣的海底沉積物取樣器，它以外界高壓海水和取樣器內(nèi)部低壓腔之間的壓力差作為驅(qū)動力，反復(fù)將取樣器沖擊頭抬升一定高度再釋放，使其撞擊取樣管來獲取沉積物樣品，直到外界高壓海水與低壓腔壓力平衡。該取樣器結(jié)合了重力取樣和振動取樣的優(yōu)點，摒棄了其缺點，同時，取得的沉積物可應(yīng)用于海洋氣候及環(huán)境研究、海洋工程地質(zhì)勘察和海洋地質(zhì)學(xué)等多方面研究。
- 詳細介紹：
- 靜水壓力驅(qū)動取樣器是一種利用海洋靜水壓力能取樣的海底沉積物取樣器，它以外界高壓海水和取樣器內(nèi)部低壓腔之間的壓力差作為驅(qū)動力，反復(fù)將取樣器沖擊頭抬升一定高度再釋放，使其撞擊取樣管來獲取沉積物樣品，直到外界高壓海水與低壓腔壓力平衡。 從驅(qū)動形式上看，靜水壓力驅(qū)動取樣器具有其獨特優(yōu)勢：（1）與重力取樣器相比，同等重量情況下，靜水壓力驅(qū)動取樣器可額外利用靜水壓力能用于取樣，取樣深度深。反過來說，在獲得同樣取樣深度的情況下，靜水壓力驅(qū)動取樣器可以輕量化，便于海上惡劣環(huán)境操作；（2）隨著取樣深度的增加，沉積物土體的抗剪強度增大，重力取樣器取樣容易出現(xiàn)“樁效應(yīng)”（即取樣管管口被沉積物堵住，取樣管象一根實心樁一樣繼續(xù)下插，不能繼續(xù)采集沉積物樣品）。而靜水壓力驅(qū)動取樣器以類似于“振動打樁”的形式下插，“樁效應(yīng)”程度減輕，從而可獲得較高的樣品采集率；（3）可適用于較硬沉積物的取樣。該取樣器結(jié)合了重力取樣和振動取樣的優(yōu)點，摒棄了其缺點，在同等條件下，既優(yōu)于振動取樣設(shè)備，又優(yōu)于重力取樣設(shè)備。 現(xiàn)階段，該取樣器的原理機已經(jīng)在實驗室中試驗成功，它所取得的沉積物可應(yīng)用于海洋氣候及環(huán)境研究、海洋工程地質(zhì)勘察和海洋地質(zhì)學(xué)等多方面研究。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的： 今年，國務(wù)院批復(fù)《浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)規(guī)劃》，將浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略，所以發(fā)展海底沉積物取樣設(shè)備對于我省的海洋建設(shè)具有重大科學(xué)意義。而目前常見的取樣器均有其劣勢存在。因此，有必要提出一種新的取樣驅(qū)動機理以及適用于該機理的取樣設(shè)備，能夠盡量結(jié)合上述兩類取樣器的優(yōu)點，摒棄其缺點。在此，我們提出一種適用于海底沉積物取樣的靜水壓力驅(qū)動取樣機理。 基本思路： （1）結(jié)合重力取樣和振動取樣的優(yōu)點，提出一種適用于海底沉積物取樣的靜水壓力驅(qū)動取樣機理，確定項目的具體研究方案；（2）進行基于支撐反力控制的靜水壓力驅(qū)動取樣機制觸發(fā)機理研究，和基于驅(qū)動單元活塞位置控制的靜水壓力激勵沖擊振動機理研究，提出觸發(fā)機構(gòu)和驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，研制相應(yīng)的模型樣機；（3）通過仿真和試驗研究進一步修正觸發(fā)機構(gòu)和驅(qū)動單元（包括排水閥）的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論；（4）實驗室模擬，并記錄參數(shù)，同時歸納和總結(jié)。 創(chuàng)新點： （1）研究“重力驅(qū)動”和“靜水壓力驅(qū)動”狀態(tài)的自動切換問題，提出基于支撐反力控制的靜水壓力驅(qū)動取樣機制觸發(fā)機理；（2）研究驅(qū)動單元中配流裝置和活塞的驅(qū)動、制約關(guān)系，提出基于驅(qū)動單元活塞位置控制的靜水壓力激勵沖擊振動機理。 技術(shù)關(guān)鍵： （1）“重力驅(qū)動”和“靜水壓力驅(qū)動”狀態(tài)的自動切換；（2）驅(qū)動單元中的配流裝置與活塞之間的驅(qū)動和制約；（3）沖擊單元結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。 主要技術(shù)指標(biāo)： 工作水深3000米。
科學(xué)性、先進性
- 從驅(qū)動形式上看，基于靜水壓力驅(qū)動取樣的沉積物取樣器結(jié)合了重力取樣器的“重力驅(qū)動”和振動取樣器的“振動驅(qū)動”形式，從而具有其獨特優(yōu)勢： （1）與重力取樣器相比，同等重量情況下，靜水壓力驅(qū)動取樣器可額外利用可觀靜水壓力能用于取樣，取樣深度深。反過來說，在獲得同樣取樣深度的情況下，靜水壓力驅(qū)動取樣器可以輕量化，便于海上惡劣環(huán)境操作； （2）無需外接能源裝置，直接利用海水原位靜水壓力驅(qū)動工作，能量利用方式簡單且清潔； （3）隨著取樣深度的增加，沉積物土體的抗剪強度增大，重力取樣器取樣容易出現(xiàn)“樁效應(yīng)”（即取樣管管口被沉積物堵住，取樣管象一根實心樁一樣繼續(xù)下插，不能繼續(xù)采集沉積物樣品）。而靜水壓力驅(qū)動取樣器以類似于“振動打樁”的形式下插，“樁效應(yīng)”程度減輕，從而可獲得較高的樣品采集率。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1、秦華偉，魏雙豐，王建軍，葉崴，陳鷹，劉敬彪 發(fā)明專利：機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動保真取樣器 專利號：ZL 2009 1 0102064.1 申請日期： 2009年08月25日，專利授予日：2011年01月12日。 2、秦華偉，魏雙豐，王建軍，葉崴，陳鷹，劉敬彪. 發(fā)明專利：機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動取樣器.專利號：ZL 2009 1 0102062.2,專利申請日：2009年08月25日，專利授予日：2011年01月19日。 3、秦華偉，魏雙豐，王建軍，陳鷹等.實用新型專利：一種機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動取樣器.專利號：ZL 2009 2 0192261.2,專利申請日：2009年08月25日，專利授予日：2010年05月26日。 4、秦華偉，魏雙豐，王建軍，陳鷹等.實用新型專利：一種機械手持式深海靜水壓力驅(qū)動保真取樣器.專利號：ZL 2009 2 0192263.1,專利申請日：2009年08月25日，專利授予日：2010年05月19日。 5、秦華偉，魏雙豐，王建軍，陳鷹等.實用新型專利：一種基于海洋高壓的液動沖擊器.專利號：ZL 2010 2 0110989.9,專利申請日：2010年02月09日，專利授予日：2010年09月22日。 6、秦華偉，魏雙豐，王建軍，葉崴，陳鷹 發(fā)明專利：基于海洋高壓的液動沖擊器 專利號：201010107990.0 申請日期 2010-2-9 。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 靜水壓力驅(qū)動取樣器相對常見取樣器來說有不少優(yōu)勢：（1）無需外接能源裝置，（2）可根據(jù)樣品需求調(diào)節(jié)取樣器振動打樁次數(shù)及頻率，從而獲取不同種類沉積物（包括軟、硬海底沉積物），取樣范圍廣；（3）可以減輕采樣時易于出現(xiàn)的“樁效應(yīng)”。該取樣器結(jié)合了重力取樣和振動取樣的優(yōu)點，摒棄了其缺點 使用說明: 只要將靜水壓力驅(qū)動取樣器連同其輕型支架放入海中即可，取樣器沉入海底后當(dāng)取樣管觸及海底平面，即可自行取樣，最后回收取樣器，并提取沉積物。 適應(yīng)范圍： 靜水壓力驅(qū)動取樣器可根據(jù)樣品需求調(diào)節(jié)取樣器振動打樁次數(shù)及頻率，所以軟、硬沉積物均可被采集，能適應(yīng)海底復(fù)雜工況，本作品的設(shè)計水深是3000米。 推廣前景： 隨著海洋資源變得越來越被重視和我國發(fā)展海洋戰(zhàn)略的決心，以及浙江海洋經(jīng)濟開發(fā)的建設(shè)，海底沉積物取樣設(shè)備也必然會得到快速發(fā)展，以適應(yīng)科學(xué)研究的需要。而我國對靜水壓力驅(qū)動取樣器的研究還處于起步階段，因此該取樣器將會有很大的發(fā)展空間。
同類課題研究水平概述
- 目前，世界上獲取海底沉積物的技術(shù)手段及其設(shè)備有多種，國內(nèi)常見取樣器種類包括：蚌式抓斗采樣器、箱式采樣器、重力取樣器、多管取樣器、電視抓斗、振動取樣器和深海沉積物保真采樣器等。 國外最早對利用靜水壓力能進行海底沉積物取樣做了相關(guān)報道的是Hough，Petterson和Kullenberg，在他們設(shè)計的取樣器中，盡管有非常大的能量可以被利用，但是由于取樣管中活塞最大的移動距離只有2m，使得取得的沉積物樣品長度受到限制；Lisitzin在他的研究中提到使用名為“the Sysoev-Kudinov corer”的取樣器，當(dāng)取樣設(shè)備的刀頭尖端接觸到沉積物時，一個閥門會打開讓周圍海水進入一個充滿低壓氣體的空腔，壓力差驅(qū)動取樣設(shè)備插入沉積物，且其最大取樣深度達到了33.5m，但是由于在硬質(zhì)沉積物區(qū)不實用而沒有繼續(xù)發(fā)展；Brooke and Gilberr，Selwyn and McCoy提出了一種利用靜水壓力驅(qū)動液壓馬達的設(shè)計，液壓馬達不斷的把沖擊頭抬高0.33m，然后沖擊頭以打樁的形式反復(fù)錘擊取樣管，在一次試驗中，沖擊頭被抬高60次，成功獲得2m長的硬質(zhì)灰泥樣品；Yngve Kristoffersen利用該原理研制了兩個不同重量的取樣器Selcore Ⅰ（空氣中重800kg）和Selcore Ⅱ（空氣中重1750kg），并在一次3500m水深的海底取樣中，Selcore Ⅰ在均勻顆粒沉積物中取樣深度達到18m，樣品長度12.5m。Selcore Ⅰ的設(shè)計標(biāo)準是使用水深須超過300m，以2秒的頻率沖擊振動取樣管52次，以此獲取樣品。并且在1993年4月份，Selcore Ⅰ第一次以商業(yè)為目的在北海Troll區(qū)域和挪威西部海岸的Mongstad之間為挪威國家石油公司（Statoil）進行了鋪設(shè)海底管道線的海底調(diào)查。 可惜的是，國內(nèi)并未檢索到利用靜水壓力進行海底沉積物取樣方面的報道，說明在利用靜水壓力驅(qū)動取樣方面，國內(nèi)的相關(guān)研究并未開展。而根據(jù)上文敘述，國外在此領(lǐng)域已經(jīng)進行了相當(dāng)多的嘗試，其技術(shù)已日趨完善，甚至已經(jīng)開始商業(yè)化利用。因此，國內(nèi)很有必要在此技術(shù)領(lǐng)域投入更多的關(guān)注，這對提高我國海底沉積物取樣技術(shù)，發(fā)展海洋科技，實現(xiàn)海洋戰(zhàn)略目標(biāo)都有著重要意義。
