专利名称：海底柱状样品液压驱动取样组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及海底取样设备，更具体的说，是涉及海底柱状样品液压驱动取样组件。
背景技术：
对于海底生物的研究，最常用的方法还是从海底取回样本到科学考察船上进行研究。机 械释放机构驱动取样管进行采样的方式，就是利用设备的机械结构设计让取样筒在重力作用 下直接插入沉积物进行采样，即属于被动取样。
目前我国的船载沉积物采样设备中，能获取较高质量沉积物样品的设备是多管采样器和 沉积物保真取样器。因为多管采样器不能保真，所以沉积物保真取样器可作借鉴。两者共同 点是采样时都采用机械释放机构，取样器一着底就开始采样，视像资料显示，在恶劣的海况 下作业很容易造成二次插拔，扰动了样品，这严重影响所采集样品的真实性和可信度，对样 品的后期处理和研究带来偏离和误导。
总之，采用机械释放结构虽然操作简单，易于控制；但是机械结构设计使得取样管取样 时快速插入沉积物，容易产生压力波效应，扰动表层沉积物；而且在采样完成后将沉积物样 品拉到保压舱体里保压的过程中，机械结构在拉动沉积物样品在进入保压舱体和密封时不可 避免地产生的强烈冲撞，结果振动了沉积物样品，甚至有时样品会脱落。
发明內容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种海底柱状样品液压驱动取样组件。 为了解决以上问题，本发明是通过如下技术方案实现-
提供一种海底柱状样品液压驱动取样组件，包括一个圆管状的采样管；采样管外部套设 一个保压筒体，保压筒体的一个末端法兰与球阀的阀体相连;在远离球阀方向的采样管末端， 连接有一个呈"凸"字形的衬筒活塞，其中部的平台表面与保压筒体末端法兰的内壁贴合实 现密封，其前端位于保压筒体末端法兰中心的开孔内，衬筒活塞另一侧与双作用伸縮式活塞 液压缸的活塞头部联接。
作为一种改进，所述双作用伸縮式活塞液压缸包括端盖、缸筒、法兰套、第一级活塞杆和第二级活塞杆；端盖和法兰套分置于缸筒两端，分别通过螺纹与其联接；第一级活塞杆安 装在缸筒中并穿过法兰套，第二级活塞杆套设于第一级活塞杆中；在第二级活塞杆上靠近端 盖处开有一个径向孔，活塞头部通过螺纹与第二级活塞杆端头联接；在第二级活塞杆内部还 有一个起导向作用的具有轴向通孔的轴，其外壁与第二级活塞杆靠近端盖一端的内壁为间隙 配合；
在法兰套处的缸筒末端设有低压油口，与缸筒和第一级活塞杆之间的空腔连通；在端盖 上设有低压油口，与第二级活塞杆内部轴的轴向通孔连通；在端盖上设有高压油口，与第一 级活塞杆和第二级活塞杆之间的空腔连通；所述低压油口和高压油口均通过管路连接至液压 油提供系统。
作为一种改进，所述液压油提供系统包括体积可变的油箱、低压释能仓、三位四通转换 阀和流量控制阀；所述体积可变的油箱、低压油口和高压油口均通过管路连接至三位四通转 换阔，低压释能仓通过管路依次连接流量控制阀和三位四通转换阀。
作为一种改进，所述衬筒活塞由衬筒活塞本体、单向阔座、单向阀阔块和单向阀弹簧组 成；所述衬筒活塞本体呈"凸"字形，其凸出的上部的圆周上环设内置密封圈的密封槽，其 顶端设带有螺纹的凹孔用于螺接液压缸的活塞头部；所述单向阓座安装在衬筒活塞本体下部 且两者轴线相重合；所述单向阀阀块安装在单向阀座内部，单向阔块与衬筒活塞本体之间安 装单向阀弹簧；衬筒活塞本体的下部侧边设贯通的孔，使得单向阀块所处空间与衬筒活塞本 体外部相通。
作为一种改进，所述球阈的阀体通过阀杆与阀杆驱动装置连接；阀杆驱动装置由双齿条 齿轮机构组成提供动力的液压缸与齿条相连接，齿轮与阀杆共轴，齿条与齿轮相互啮合。
作为一种改进，所述球阀阀体与阀杆驱动装置之间设置一个框架结构，框架结构分别与 阀体、阀杆驱动装置连接用于加强固定。
作为一种改进，所述球阀采用以下形式中的任意一种
(1) 球阀的阀体是两个或两个以上，阀体的相邻端面之间相互连接，每个球阀均具有 独立的阈杆驱动装置；
(2) 球阀的阀体是一个，阀体内设置两个或两个以上球阀阀芯，每个球阀阀芯均具有 独立的阀杆和阀杆驱动装置。
作为一种改进，所述球阔的阀杆按照其各自的轴线呈异面布置，阀杆驱动装置也根据对 应阀杆的轴线呈异面布置。
作为一种改进，所述保压筒体与一个蓄能器连通。 与现有技术相比，本发明的有益效果是-
5本发明提出了双作用伸縮式活塞液压缸直接与采样管相联接，可以避免采样前由于压力 波效应造成的表层沉积物被冲散或采样时采样管多次插拔以致取样品受到挤压，可以解决取 样后样品受震动脱落的情况。
图1是本发明阀门密封组件的结构示意图。
图2是衬筒活塞结构及装配示意图。
图3是双作用伸縮式活塞液压缸结构示意图。
图4是液压系统工作原理图。
具体实施例方式
结合附图，下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
本具体实施例中海底柱状样品液压驱动取样组件，包括一个圆管状的采样管101，采样 管101外部套设一个保压筒体1，保压筒体l与一个蓄能器连通。
保压筒体1的一个末端法兰通过螺栓与球阀的阀体2相连；阀体2内设置两个球阀阀芯3， 每个球阀阀芯3均具有独立的阀杆4和阀杆驱动装置5。球阀的阀体2通过阀杆4与阀杆驱动装 置5连接。球阀阀体2与阀杆驱动装置5之间设置一个框架结构6，框架结构6分别与阀体2、阀 杆驱动装置5连接用于加强固定。
阀杆驱动装置5由双齿条齿轮机构组成提供动力的液压缸与齿条相连接，齿轮与阀杆4 共轴，齿条与齿轮相互啮合。液压缸带动齿条做直线运动，通过齿条齿轮的啮合，转化成了 阀杆4的旋转运动，进而带动阀芯3的旋转；两套阀杆4、阀芯3、阀杆驱动装置5的连接与驱 动方式均相同。
为了平衡重力影响，两个球阀的阀杆4按照其各自的轴线呈异面布置，阀杆驱动装置5 也根据对应阀杆4的轴线呈异面布置。图1中的球阀的阀杆4呈90度角布置。
在远离球阀方向的采样管末端，连接有一个衬筒活塞；所述衬筒活塞呈"凸"字形，中 部的平台表面与保压筒体l末端法兰的内壁贴合实现密封，其前端位于保压筒体l末端法兰中 心的开孔内。
衬筒活塞由衬筒活塞本体7、单向阀座8、单向阀阀块9和单向阀弹簧10组成；所述衬筒 活塞本体7呈"凸"字形，其凸出的上部的圆周上环设内置密封圈的密封槽，其顶端设带有 螺纹的凹孔用于螺接液压缸的活塞头部ll;所述单向阀座8安装在衬筒活塞本体7下部且两者 轴线相重合；所述单向阀阀块9安装在单向阀座8内部，单向阔块8与衬筒活塞本体7之间安装单向阀弹簧10:衬筒活塞本体7的下部侧边设贯通的孔，使得单向阀块8所处空间与衬筒活塞 本体7外部相通。
衬筒活塞的设置基于以下考虑
采样管101向下伸出采样时，由于空气的存在，即便采样管101插入采样区域的淤泥内， 样品也无法进入管内。因此，需要设置能够排除气体但同时又可以在采样后继续保持样品采 集地压力的部件。
在采样时，螺接于衬筒活塞本体7的液压缸的活塞头部11向下推动衬筒活塞和采样管101 下行。此时单向阀阀块9受力向上推动单向阀弹簧10压縮，采样管101内空气及多余的海水自 单向阀阈块9与单向阀座8之间的缝隙、衬筒活塞本体7的下部侧边设贯通的孔、衬筒活塞与 保压筒体l之间的缝隙、液压缸底端法兰盖上贯设的通孔一路排出，直至采样管101停止下行。
当液压缸的活塞头部11向上带动衬筒活塞和采样管101上行时，单向阀阀块9受单向阀弹 簧10伸展的力向下封闭住单向阀座8的通孔，留存在排气通道中的海水自单向阀阀块9与单向 阀座8之间的缝隙、衬筒活塞本体7的下部侧边设贯通的孔、衬筒活塞与保压筒体l之间的缝 隙、液压缸底端法兰盖上贯设的通孔一路排出。液压缸向上的行程至终点时，衬筒活塞本体 7的凸台边缘贴合保压筒体1末端法兰，实现上端密封和保压。然后保压筒体l下端的球阀关 闭，实现下端的密封和保压。本实施例中，衬筒活塞另一侧与双作用伸缩式活塞液压缸的活 塞头部ll联接；
双作用伸縮式活塞液压缸包括端盖12、缸筒13、法兰套14、第一级活塞杆15和第二级活 塞杆16;端盖12和法兰套14分置于缸筒13两端，分别通过螺纹与其联接；第一级活塞杆15 安装在缸筒13中并穿过法兰套14，第二级活塞杆套16设于第一级活塞杆15中；在第二级活塞 杆16上靠近端盖12处开有一个径向孔17，活塞头部11通过螺纹与第二级活塞杆16的端头联 接；在第二级活塞杆16内部还有一个起导向作用的具有轴向通孔的轴18，其外壁与第二级活 塞杆16靠近端盖12—端的内壁为间隙配合；
在法兰套14处的缸筒13末端设有低压油口19，与缸筒13和第一级活塞杆15之间的空腔连 通；在端盖12上设有低压油口20，与第二级活塞杆16内部的轴18的轴向通孔连通；在端盖12 上设有高压油口21，与第一级活塞杆15和第二级活塞杆16之间的空腔连通；所述低压油口19、 20和高压油口21均通过管路连接至液压油提供系统。
本具体实例中双作用伸縮式活塞液压缸的控制过程包括以下步骤
(1)活塞外伸过程 双作用伸縮式活塞液压缸外伸过程分两个阶段-
第一阶段低压油口19、 20通低压油，高压油口21通高压油。由图2中结构可见，第二
7级活塞杆16上的径向孔17与低压油口20相通，所以第一级活塞杆15和第二级活塞杆16的左端 都是连通低压油的，而它们的右端则是与高压油口21相通，承受较高液压力。高压油口21 提供的液压力通过两个活塞的右端有效面积同时推动负载，第一级活塞杆15和第二级活塞杆 16同时向左伸出。
第二阶段当第一级活塞杆15向左运动到端点时，其左端环面与法兰套14的台阶面接触； 作用在第一级活塞杆15右端有效面积的液压力与法兰套14的台阶作用在其左端的力相平衡， 第一级活塞杆15停止运动。第二级活塞杆16在液压力作用下继续向外伸出，直到其左端环面 接触到活塞杆套22的右端面，此时第二级活塞杆16也停止运动。
在上述分析活塞外伸过程中，考虑到活塞的左端有效面积相对于右端面积比较小，而且 外伸时有杆腔的压力比较低，忽略了作用在活塞左端上的液压力，这与实际是符合的。 (2)活塞回縮过程
回縮阶段同样分两个阶段第二级活塞杆16回縮和第一级活塞杆15回縮。活塞回縮过程 按照从小到大的顺序能够保证系统稳定正常工作。液压缸按正常顺序回縮的几何条件如下
A、 第二级活塞回縮阶段
在这一阶段里,第一级活塞杆15相对于缸筒13不动,第二级活塞杆16回缩。
此表达式为在任何条件下，保证液压缸正常工作的几何条件。 其中，《为第一级活塞杆15右端有效面积(无杆腔) ^为第二级活塞杆16右端有效面积(无杆腔)； W为第二级活塞杆15左端有效面积； 《为第一级活塞杆16左端有效面积；
B、 第一级活塞杆15回縮阶段
这一阶段里。第二级活塞杆16相对于第一级活塞杆15不动，第一级活塞杆15缩回。
此表达式为在任何条件下，保证液压缸正常工作的几何条件。
液压油提供系统包括体积可变的油箱22、低压释能仓23、三位四通转换阀24和流量控制 阀25;所述体积可变的油箱22、低压油口19、 20和高压油口21均通过管路连接至三位四通转 换阀24，低压释能仓23通过管路依次连接流量控制阀25和三位四通转换阀24。
体积可变的油箱22与外部水压平衡，油箱内液压油的压力随着外部海水的压力变化而变
8化，从而保证了液压系统的压力不低于环境压力，使液压系统适应于深海环境。刚性的低压 释能仓23处于常压，可变体积的油箱22可积蓄静水压能。取样时三位四通转换阀24置于左位， 让可变体积的油箱22里面的液压油进入双作用伸縮式活塞液压缸的无杆腔，双作用伸縮式活 塞液压缸有杆腔里的液压油回至低压释能仓23，从而推动采样管101下行插入沉积物中。当 釆样管插入到指定深度后，通过给三位四通转换阀24信号，使三位四通转换阀24转换到右位 工作状态，让可变体积的油箱22里的液压油，进入双作用伸縮式活塞液压缸的有杆腔，双作 用伸缩式活塞液压缸无杆腔里的液压油回至低压释能仓23，从而拔起采样管101上行。
此外，由于可变体积的油箱22和低压释能仓23之间形成的压差是随水深的增加而增加， 为了保证采样管101在不同水深环境下都能缓慢均速取样，系统中设计了流量控制阀25来保 持流量恒定，以保证活塞杆的位移速度缓慢均速。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上 实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联 想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
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权利要求
1、一种海底柱状样品液压驱动取样组件，包括一个圆管状的采样管，其特征在于，采样管外部套设一个保压筒体，保压筒体的一个末端法兰与球阀的阀体相连；在远离球阀方向的采样管末端，连接有一个呈“凸”字形的衬筒活塞，其中部的平台表面与保压筒体末端法兰的内壁贴合实现密封，其前端位于保压筒体末端法兰中心的开孔内，衬筒活塞另一侧与双作用伸缩式活塞液压缸的活塞头部联接。
2、 根据权利要求l所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述双作用伸縮 式活塞液压缸包括端盖、缸筒、法兰套、第一级活塞杆和第二级活塞杆；端盖和法兰套分置于 缸筒两端，分别通过螺纹与其联接；第一级活塞杆安装在缸筒中并穿过法兰套，第二级活塞杆 套设于第一级活塞杆中；在第二级活塞杆上靠近端盖处开有一个径向孔，活塞头部通过螺纹与 第二级活塞杆端头联接；在第二级活塞杆内部还有一个起导向作用的具有轴向通孔的轴，其外 壁与第二级活塞杆靠近端盖一端的内壁为间隙配合；在法兰套处的缸筒末端设有低压油口，与缸筒和第一级活塞杆之间的空腔连通；在端盖上 设有低压油口，与第二级活塞杆内部轴的轴向通孔连通；在端盖上设有高压油口，与第一级活 塞杆和第二级活塞杆之间的空腔连通；所述低压油口和高压油口均通过管路连接至液压油提供 系统。
3、 根据权利要求l所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述液压油提供 系统包括体积可变的油箱、低压释能仓、三位四通转换阀和流量控制阀；所述体积可变的油箱、 低压油口和高压油口均通过管路连接至三位四通转换阈，低压释能仓通过管路依次连接流量控 制阀和三位四通转换阀。
4、 根据权利要求l所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述衬筒活塞由 衬筒活塞本体、单向阓座、单向阀阀块和单向阔弹簧组成；所述衬筒活塞本体呈"凸"字形， 其凸出的上部的圆周上环设内置密封圈的密封槽，其顶端设带有螺纹的凹孔用于螺接液压缸的 活塞头部；所述单向阀座安装在衬筒活塞本体下部且两者轴线相重合；所述单向阀阔块安装在 单向阀座内部，单向阀块与衬筒活塞本体之间安装单向阀弹簧衬筒活塞本体的下部侧边设贯 通的孔，使得单向阀块所处空间与衬筒活塞本体外部相通。
5、 根据权利要求l所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述球阀的阀体 通过阀杆与阀杆驱动装置连接；阀杆驱动装置由双齿条齿轮机构组成提供动力的液压缸与齿 条相连接，齿轮与阀杆共轴，齿条与齿轮相互啮合。
6、 根据权利要求5所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述球阀阀体与阀杆驱动装置之间设置一个框架结构，框架结构分别与阀体、阀杆驱动装置连接用于加强固定。
7、 根据权利要求5或6所述的任意一种海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所 述球阀采用以下形式中的任意一种-(1) 球阀的阀体是两个或两个以上，阀体的相邻端面之间相互连接，每个球阀均具有独 立的阀杆驱动装置；(2) 球阀的阀体是一个，阀体内设置两个或两个以上球阀阀芯，每个球阀阀芯均具有独 立的阀杆和阀杆驱动装置。
8、 根据权利要求7所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述球阀的阀杆 按照其各自的轴线呈异面布置，阀杆驱动装置也根据对应阀杆的轴线呈异面布置。
9、 根据权利要求7所述的海底柱状样品液压驱动取样组件，其特征在于，所述保压筒体与 一个蓄能器连通。
全文摘要
本发明涉及海底取样设备，旨在提供一种海底柱状样品液压驱动取样组件。该组件包括一个圆管状的采样管；采样管外部套设一个保压筒体，保压筒体的一个末端法兰与球阀的阀体相连；在远离球阀方向的采样管末端，连接有一个呈“凸”字形的衬筒活塞，其中部的平台表面与保压筒体末端法兰的内壁贴合实现密封，其前端位于保压筒体末端法兰中心的开孔内，衬筒活塞另一侧与双作用伸缩式活塞液压缸的活塞头部联接。本发明提出了双作用伸缩式活塞液压缸直接与采样管相联接，可以避免采样前由于压力波效应造成的表层沉积物被冲散或采样时采样管多次插拔以致取样品受到挤压，可以解决取样后样品受震动脱落的情况。
文档编号F15B15/00GK101514944SQ20091009687
公开日2009年8月26日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者博 周, 李世伦, 杨俊毅, 峰 王, 钱鑫炎, 陈家旺, 顾临怡 申请人:浙江大学