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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 靜水壓力驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(lái)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(dòng)取樣的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了其缺點(diǎn)，同時(shí)，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(xì)介紹：
- 靜水壓力驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(lái)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(dòng)形式上看，靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：（1）與重力取樣器相比，同等重量情況下，靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器可額外利用靜水壓力能用于取樣，取樣深度深。反過(guò)來(lái)說(shuō)，在獲得同樣取樣深度的情況下，靜水壓力驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(shí)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(dòng)取樣器以類似于“振動(dòng)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(dòng)取樣的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了其缺點(diǎn)，在同等條件下，既優(yōu)于振動(dòng)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(jī)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的： 今年，國(guó)務(wù)院批復(fù)《浙江海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范區(qū)規(guī)劃》，將浙江海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范區(qū)建設(shè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，所以發(fā)展海底沉積物取樣設(shè)備對(duì)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(shì)存在。因此，有必要提出一種新的取樣驅(qū)動(dòng)機(jī)理以及適用于該機(jī)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(diǎn)，摒棄其缺點(diǎn)。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(dòng)取樣機(jī)理。 基本思路： （1）結(jié)合重力取樣和振動(dòng)取樣的優(yōu)點(diǎn)，提出一種適用于海底沉積物取樣的靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣機(jī)理，確定項(xiàng)目的具體研究方案；（2）進(jìn)行基于支撐反力控制的靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣機(jī)制觸發(fā)機(jī)理研究，和基于驅(qū)動(dòng)單元活塞位置控制的靜水壓力激勵(lì)沖擊振動(dòng)機(jī)理研究，提出觸發(fā)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，研制相應(yīng)的模型樣機(jī)；（3）通過(guò)仿真和試驗(yàn)研究進(jìn)一步修正觸發(fā)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元（包括排水閥）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論；（4）實(shí)驗(yàn)室模擬，并記錄參數(shù)，同時(shí)歸納和總結(jié)。 創(chuàng)新點(diǎn)： （1）研究“重力驅(qū)動(dòng)”和“靜水壓力驅(qū)動(dòng)”狀態(tài)的自動(dòng)切換問(wèn)題，提出基于支撐反力控制的靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣機(jī)制觸發(fā)機(jī)理；（2）研究驅(qū)動(dòng)單元中配流裝置和活塞的驅(qū)動(dòng)、制約關(guān)系，提出基于驅(qū)動(dòng)單元活塞位置控制的靜水壓力激勵(lì)沖擊振動(dòng)機(jī)理。 技術(shù)關(guān)鍵： （1）“重力驅(qū)動(dòng)”和“靜水壓力驅(qū)動(dòng)”狀態(tài)的自動(dòng)切換；（2）驅(qū)動(dòng)單元中的配流裝置與活塞之間的驅(qū)動(dòng)和制約；（3）沖擊單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。 主要技術(shù)指標(biāo)： 工作水深3000米。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 從驅(qū)動(dòng)形式上看，基于靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣的沉積物取樣器結(jié)合了重力取樣器的“重力驅(qū)動(dòng)”和振動(dòng)取樣器的“振動(dòng)驅(qū)動(dòng)”形式，從而具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)： （1）與重力取樣器相比，同等重量情況下，靜水壓力驅(qū)動(dòng)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(guò)來(lái)說(shuō)，在獲得同樣取樣深度的情況下，靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器可以輕量化，便于海上惡劣環(huán)境操作； （2）無(wú)需外接能源裝置，直接利用海水原位靜水壓力驅(qū)動(dòng)工作，能量利用方式簡(jiǎn)單且清潔； （3）隨著取樣深度的增加，沉積物土體的抗剪強(qiáng)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(shí)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(dòng)取樣器以類似于“振動(dòng)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(jiǎng)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(jī)械手持式深海靜水壓力驅(qū)動(dòng)保真取樣器 專利號(hào)：ZL 2009 1 0102064.1 申請(qǐng)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(jī)械手持式深海靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器.專利號(hào)：ZL 2009 1 0102062.2,專利申請(qǐng)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(shí)用新型專利：一種機(jī)械手持式深海靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器.專利號(hào)：ZL 2009 2 0192261.2,專利申請(qǐng)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(shí)用新型專利：一種機(jī)械手持式深海靜水壓力驅(qū)動(dòng)保真取樣器.專利號(hào)：ZL 2009 2 0192263.1,專利申請(qǐng)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(shí)用新型專利：一種基于海洋高壓的液動(dòng)沖擊器.專利號(hào)：ZL 2010 2 0110989.9,專利申請(qǐng)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(dòng)沖擊器 專利號(hào)：201010107990.0 申請(qǐng)日期 2010-2-9 。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器相對(duì)常見取樣器來(lái)說(shuō)有不少優(yōu)勢(shì)：（1）無(wú)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(dòng)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(shí)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(dòng)取樣的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了其缺點(diǎn) 使用說(shuō)明: 只要將靜水壓力驅(qū)動(dòng)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(dòng)取樣器可根據(jù)樣品需求調(diào)節(jié)取樣器振動(dòng)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(jì)水深是3000米。 推廣前景： 隨著海洋資源變得越來(lái)越被重視和我國(guó)發(fā)展海洋戰(zhàn)略的決心，以及浙江海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)的建設(shè)，海底沉積物取樣設(shè)備也必然會(huì)得到快速發(fā)展，以適應(yīng)科學(xué)研究的需要。而我國(guó)對(duì)靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器的研究還處于起步階段，因此該取樣器將會(huì)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(guó)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(dòng)取樣器和深海沉積物保真采樣器等。 國(guó)外最早對(duì)利用靜水壓力能進(jìn)行海底沉積物取樣做了相關(guān)報(bào)道的是Hough，Petterson和Kullenberg，在他們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)距離只有2m，使得取得的沉積物樣品長(zhǎng)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(shí)，一個(gè)閥門會(huì)打開讓周圍海水進(jìn)入一個(gè)充滿低壓氣體的空腔，壓力差驅(qū)動(dòng)取樣設(shè)備插入沉積物，且其最大取樣深度達(dá)到了33.5m，但是由于在硬質(zhì)沉積物區(qū)不實(shí)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(dòng)液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)，液壓馬達(dá)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(yàn)中，沖擊頭被抬高60次，成功獲得2m長(zhǎng)的硬質(zhì)灰泥樣品；Yngve Kristoffersen利用該原理研制了兩個(gè)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(dá)到18m，樣品長(zhǎng)度12.5m。Selcore Ⅰ的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是使用水深須超過(guò)300m，以2秒的頻率沖擊振動(dòng)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(guó)家石油公司（Statoil）進(jìn)行了鋪設(shè)海底管道線的海底調(diào)查。 可惜的是，國(guó)內(nèi)并未檢索到利用靜水壓力進(jìn)行海底沉積物取樣方面的報(bào)道，說(shuō)明在利用靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣方面，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究并未開展。而根據(jù)上文敘述，國(guó)外在此領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)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(guó)內(nèi)很有必要在此技術(shù)領(lǐng)域投入更多的關(guān)注，這對(duì)提高我國(guó)海底沉積物取樣技術(shù)，發(fā)展海洋科技，實(shí)現(xiàn)海洋戰(zhàn)略目標(biāo)都有著重要意義。
