深海沉积物重力柱状取样试验台及操作方法与流程

本发明涉及海底地质资源勘探领域，具体地说是涉及一种深海沉积物重力柱状取样试验台及操作方法。

背景技术：

陆地和海洋的浅层资源过度开发和输出，使得我国矿产资源面临枯竭的危险，找矿的方向逐步转向深海矿产资源。海洋面积广阔，蕴藏着丰富矿产资源，如稀土资源、金属硫化物等，要遏制资源枯竭的危险、扩展资源储量、提高竞争力，深海海底区域同样是最现实的突破口。

重力柱状取样是一种应用广泛的深海浅层沉积物取样技术。该技术相比钻探取样技术，具有：1.设备简单；2.成本低；3.控制简便；4.取样速度快等优点。但重力柱状取样的取样深度不及钻探取样，只适用于松软沉积物取样。重力柱状取样目前最深可达几十米，取样效率远高于箱式取样。但是我国的柱状取样器相比国外的同类取样器长度短太多，直接影响了调查成果及后续资源评价工作的开展。

目前柱状取样器的主要技术难题是：取样筒的长度(也可以用长度和直径之比来研究)越大，压桩效应越严重。压桩效应导致：1.取样器贯入深度大于获得的沉积物样品长度，即沉积物被压缩，致使样品层序紊乱；2.严重的压桩效应将直接导致后续样品无法进入取样筒，即制约取样器的贯入深度。所以，研究柱状取样器的动态贯入过程及压桩效应的形成机理对于合理设计取样器尺寸、增加取样深度、减少样品扰动具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决的现有技术存在的柱状取样器的主要技术难题，而提供一种可在实验室模拟深海沉积物重力柱状取样的试验台及操作方法，用于更好地研究柱状取样器的动态贯入过程及压桩效应的形成机理，揭示真实取样过程中外界因素对取样深度、样品层序和样品压缩的影响。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种深海沉积物重力柱状取样试验台，包括总机架、牵引机构总成、升降机构总成、连接装置、取样管总成、检测装置、缓冲装置、取样桶；

所述的总机架由上机架、下机架、角链接件及连接螺栓螺母组成，上、下机架在高度方向上设计为两级搭建的结构；

所述的牵引机构总成包括带刹车功能的绞车，驱动电机，上、下滑轮和上、下吊环，驱动电机的轴连接绞车的轴驱动绞车滚筒转动，绞车滚筒上缠绕有两段钢丝绳，两段钢丝绳均有一端固定在绞车滚筒上，两段钢丝绳中的上端绳头绕过上机架顶部的上滑轮与连接板上方的上吊环连接，两段钢丝绳中的下端绳头绕过上机架底部的下滑轮与连接板下方的下吊环连接，由两段钢丝绳形成环路，通过控制驱动电机的正、反转实现绞车的正、反转，通过钢丝绳牵引，达到滑块与连接板的上下移动；

所述的升降机构总成包括左右两个直线导轨、左右两个滑块和连接板，左右两个直线导轨通过螺栓分别固定于上机架左右两边，左右两滑块分别位于左右两个直线导轨中，两滑块与连接板之间通过螺钉连接为一个整体，连接板上方和下方通过螺栓分别设有上、下吊环，通过钢丝绳牵引，实现连接板与滑块在直线导轨中升降；

所述的连接装置设有两个电磁铁，电磁铁通过螺栓固定于连接板下方，通过控制电磁铁通电使电磁铁与下方的取样管总成吸合连接，或通过控制电磁铁断电释放开下方的取样管总成；

所述的取样管总成包括配重板、传感器安装板、套筒、电气保护盒、连接头、取样管、气体单向阀和刀头；配重板上方设有两个电磁铁连接槽，用于与连接装置的两个电磁铁连接，配重板与传感器安装板用螺栓连接，在传感器安装板与连接头之间通过四个两端带螺纹的套筒连接，在套筒中间安装有检测装置，在连接头中心安装有气体单向阀；

所述的检测装置设有倾角传感器和加速度传感器，通过所述的两种传感器自带的螺纹安装孔与连接头连接，并罩有电气保护盒，电气保护盒通过螺钉固定于连接头上，取样管通过上连接螺纹与连接头连接，取样管下端通过下连接螺纹与刀头连接，检测装置用于测量取样管在向下加速及贯入沉积物过程中的加速度的变化和与水平面的垂直度；

所述的缓冲装置包含安装板、缓冲套筒、压缩弹簧、导向支架和缓冲头，安装板一端设有螺栓孔，通过螺栓将安装板固定于下机架顶部上，安装板另一端安装缓冲套筒，缓冲套筒内装有压缩弹簧，压缩弹簧上方设有导向支架，导向支架顶部安装有缓冲头；在绞车的刹车失灵时，滑块与连接板落下，先触碰缓冲头并压缩弹簧，实现缓冲的效果；

所述的取样桶为盛放沉积物的桶，用于测量取样管贯入取样桶后沉积物的变形数据。

所述的上、下机架均采用铝型材搭建，上机架尺寸小跨度小，下机架尺寸大跨度大。

所述的牵引机构总成和升降机构总成通过钢丝绳与上、下滑轮连接成一个闭合环路，通过驱动电机正转带动滑块与取样管向下运动并达到大于重力加速度g的加速度，通过驱动电机反转带动滑块与取样管向上运动上升回到初始位置。

所述的连接装置采用两个电磁铁通电或断电的方式实现与取样管的连接或断开，通过试验台外设的上位机所设定的加速时间来远程控制电磁铁通、断电的精确时间点。

本发明还提供一种使用上述的深海沉积物重力柱状取样试验台进行贯入试验的操作方法，按如下步骤操作：

步骤一：先确定取样管贯入试验设定的取样管贯入沉积物中的初始速度，根据设定的取样管贯入的初始速度，计算出驱动电机驱动取样管向下加速时电磁铁及驱动电机的断电时间点，通过外设的上位机设置好电磁铁的断电时间以及驱动电机断电和绞车同步刹车的时间点；

步骤二：在初始状态下，根据上位机按所设定的加速时间来远程控制电磁铁通、断电的精确时间点控制电磁铁通电，吸合住取样管，及通过驱动电机驱动绞车转动，将连接板提升至最高点，使取样管悬挂在连接板下方；

步骤三：开启驱动电机驱动绞车滚筒高速旋转，直线导轨上的滑块和连接板带动取样管以超过重力加速度g的加速度向下，到达设定的断电时点，控制电磁铁与驱动电机同步断电，电磁铁磁力消失，绞车刹车功能启动，滑块及连接板减速，取样管在重力作用下自由下落，贯入取样桶的沉积物中；

步骤四：放下连接板，直到电磁铁贴合到配重板上的两个电磁铁连接槽中，然后给电磁铁上电，电磁铁吸住取样管，驱动电机驱动绞车，将连接板及取样管提升至初始位置，准备下一次贯入试验；

步骤五：分析检测装置中两传感器测得的测量数据，及测量取样桶中沉积物的变形数据，进行数据分析。

本发明的深海沉积物重力柱状取样试验台及操作方法具有如下优点：

(1)、本发明的取样试验台设计有牵引机构总成、升降机构总成，具有对取样管下行贯入进行加速的功能，使取样管能在短距离内加速到实际工程中需要取样管的贯入速度，同时通过精确控制电磁铁通断电的时间点，实现取样管有多种不同的贯入初速度，可适应进行不同环境参数的贯入实验。

(2)、本发明的取样试验台结构紧凑，稳定性高，具备远程控制功能，实验过程安全可靠，可在室内进行实验。本发明的取样试验台进行贯入试验的操作方法简单，能够实时测量和记录贯入参数，测量精度高，试验数据真实可靠。

(3)、本发明的取样试验台的使用，可进行取样管贯入试验，用于测量取样管向下贯入的加速度与倾角随时间变化的过程曲线，不仅能用于研究重力柱状取样的压桩效应原理，重力取样的动态过程，还能为实际工程中的重力取样、压桩效应以及样品层还原的研究提供有力的参考。

附图说明

图1为本发明的深海沉积物重力柱状取样试验台总体结构示意图。

图2为本发明的取样试验台总机架结构示意图。

图3为本发明取样试验台的牵引机构总成和升降机构总成结构示意图。

图4为本发明的取样试验台的牵引机构总成的总体布局示意图。

图5为本发明取样试验台的升降机构总成的原理示意图。

图6为本发明取样试验台的绞车滚筒上钢丝绳的缠绕示意图。

图7为本发明取样试验台的取样管总成结构示意图。

图8为图7的B-B向结构示意图。

图9为本发明取样试验台的缓冲装置的结构示意图。

上述图中：1-上滑轮、2-滑块、3-连接板、4-电磁铁、5-上机架、6-直线导轨、7-绞车、8-缓冲装置、9-下滑轮、10-下机架、11-取样桶、12-角链接件、13-下吊环、14-驱动电机、15-上吊环、16-螺钉、17-配重板、18-传感器安装板、19-气体单向阀、20-倾角传感器、21-连接头、22-取样管、23-电磁铁连接槽、24-套筒、25-电气保护盒、26-加速度传感器、27-上连接螺纹、28-下连接螺纹、29-刀头、30-螺纹孔、31-缓冲头、32-导向支架、33-缓冲套筒、34-压缩弹簧、35-安装板、36-螺栓孔、37-钢丝绳、38-上端绳头、39-下端绳头、40-固定点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种深海沉积物重力柱状取样试验台，其总体结构如图1所示，包括总机架、牵引机构总成、升降机构总成、连接装置、取样管总成、检测装置、缓冲装置8和取样桶11；

所述的总机架其结构如图2所示，由上机架5、下机架10、角链接件12及连接螺栓螺母组成，上、下机架在高度方向上设计为两级搭建的结构，上、下机架均采用铝型材搭建，上机架尺寸小跨度小，下机架尺寸大跨度大。

所述的牵引机构总成其结构如图3所示，包括带刹车功能的绞车7、驱动电机14、上滑轮1、下滑轮9、下吊环13和上吊环15，驱动电机14的输出轴连接绞车7的转轴，绞车7滚筒上缠绕有两段钢丝绳37，两段钢丝绳均有一端固定于滚筒上的固定点40，两段钢丝绳的另外两端绳头，分别是上端绳头38和下端绳头39，引出的上端绳头38绕过上机架5顶部的上滑轮1与连接板3上方的上吊环15连接，引出的下端绳头39绕过上机架5底部的下滑轮9与连接板下方的下吊环13连接，绕在滚筒上的两段钢丝37的长度都大于连接板3在直线导轨6上的行程。通过控制驱动电机14的正反转驱动绞车7的滚筒正反转，经过钢丝绳37的牵引，达到滑块2与连接板3的上下移动。

牵引机构总成的总体布局如图4所示，绞车7固定在下机架10的顶部，布置在上机架5的一侧。

所述的升降机构总成其结构也参见图3，包括左右两个直线导轨6、左右两个滑块2、连接板3。左右两个直线导轨6分别安装在上机架5的左右两边，左右两滑块2分别位于左右两个直线导轨6上，左右两滑块2之间用一块连接板3通过螺钉16连接为一个整体，从图3中的A-A向视图可见滑块2与连接板3通过螺钉16固连在一起。连接板3上方和下方各安装有上吊环15和下吊环13，上吊环15和下吊环13与牵引机构总成的上、下端绳头分别连接，实现连接板3与滑块2沿直线导轨6升降。

所述的牵引机构总成和升降机构总成通过钢丝绳37与上、下滑轮连接成一个闭合环路，通过驱动电机14正转带动滑块2与取样管22向下运动并达到大于重力加速度g的速度，通过驱动电机反转带动滑块与取样管向上运动上升到初始位置。

升降机构总成的原理参见图5，两段钢丝绳37缠绕在绞车滚筒上的结构参见图6。

所述的连接装置是由两个电磁铁4组成，参见图1，两个电磁铁4安装在连接板3下方，电磁铁4直接与下方的取样管总成连接，通过控制电磁铁4通电或断电，吸合连接或释放断开下方的取样管总成。

所述的取样管总成参见图7、8，取样管总成包括配重板17、传感器安装板18、套筒24、电气保护盒25、连接头21、取样管22、气体单向阀19和刀头29。配重板17上方设有两个电磁铁连接槽23，用于与连接装置的两个电磁铁4连接，配重板17与传感器安装板18用螺栓连接，在传感器安装板18与连接头21之间通过四个两端带螺纹的套筒24连接，在四个套筒之间安装有检测装置，在连接头中心安装有气体单向阀19，取样管22上端与连接头21的上连接螺纹27连接，取样管22下端与刀头29通过下连接螺纹28连接。

所述的检测装置也参见图7、8，检测装置包括倾角传感器20和加速度传感器26，倾角传感器和加速度传感器都安装在连接头21上，并且罩有电气保护盒25保护，电气保护盒通过螺纹孔30、螺钉固定于连接头21上。

所述的缓冲装置8参见图1、9，缓冲装置包括缓冲头31、缓冲套筒33、安装板35、压缩弹簧34和导向支架32，安装板35一端通过螺栓孔36、螺栓安装在下机架10顶部，另一端安装缓冲套筒33，缓冲套筒33内设有压缩弹簧34，导向支架32位于缓冲套筒33内的上半部，导向支架32上方安装有缓冲头31。缓冲装置8在绞车7的刹车失灵时，滑块2与连接板3落下，先触碰缓冲头31及压缩弹簧34，实现缓冲的效果。

所述的取样桶11是用于盛放沉积物的圆柱形桶，取样管加速向下后直接贯入取样桶中的沉积物中。

实施例2：使用本发明实施例1的深海沉积物重力柱状取样试验台进行贯入试验的操作方法，按如下步骤操作：

步骤一：先确定取样管22贯入深海沉积物中的试验所需要设定的贯入初始速度，根据设定的取样管贯入的初始速度，计算出驱动电机14驱动取样管向下加速时电磁铁4及驱动电机的断电时间点，通过外设的上位机设置好电磁铁的断电时间点以及驱动电机断电和绞车7同步刹车的时间点。

步骤二：在初始状态下，上位机按所设定的加速时间来远程控制电磁铁通断电的精确时间点，电磁铁4通电吸合住取样管22，驱动电机14驱动绞车7，将连接板3提升至最高点，使取样管22悬挂在连接板下方。

步骤三：上述准备工作做好后，开启驱动电机14驱动绞车7的滚筒高速旋转，直线导轨6上的滑块2和连接板3带动取样管22以超过重力加速度g的速度加速向下运动，到达断电时间点时，控制电磁铁4与驱动电机14同步断电，电磁铁4磁力消失，绞车7刹车功能启动，滑块2及连接板3减速，取样管22在重力作用下自由下落，贯入取样桶11中的沉积物中。

步骤四：连接板3下放，直到电磁铁4贴合到配重板17上的两个电磁铁连接槽23中，然后给电磁铁4上电，电磁铁4吸住取样管22，驱动电机14驱动绞车7，将连接板3及取样管22提升至初始位置，准备下一次贯入试验。

步骤五：分析检测装置中倾角传感器20和加速度传感器26测得的测量数据，及测量取样桶11中沉积物的变形数据，进行数据分析。

本试验台的使用有助于研究重力柱状取样的压桩效应原理，重力取样的动态过程，揭示真实取样过程中外界因素对取样深度、样品层序和样品压缩的影响。