本发明涉及一种冰下水体沉积物取样器，特别涉及一种延时启动型多电机同步振动式冰下水体沉积物取样器。
背景技术：
目前，南极大陆常年被冰雪所覆盖，经过数百万年的积累，南极冰架底部、冰下湖水体内部积累了大量的沉积物，对于研究古气候、古环境进而推断全球变暖趋势具有极为重要的科学意义。此外，由于南极冰架下、冰下湖水体常年处于微光或无光的状态，科学家们推断，其底部沉积物中一定蕴育着原始的生命形式或独立进化的微生物，进而对生命起源的研究带来新的契机。
近年来，随着热水钻技术的不断发展，世界南极科学考察前沿已由冰层钻探取样逐步转向冰下水体、沉积物取样，具有代表性的科研组织机构有：英国南极调查局BAS、美国ANDRILL及WISSARD南极热水钻钻探组织、德国AWI冰层热水钻探等。虽然这些组织都成功取得了冰架下、冰下湖内水体样品，但各国的获取的冰下水体沉积物样品长度均不超过3.2米，远小于同等水深的海底沉积物取样长度，主要原因归结于：(1)设备需要预先通过热水钻孔进入冰下水体后，方能开展取样工作，热水钻孔直径尺寸通常小于400mm，设备需设计成直径小于孔径的圆柱状结构，致使海洋沉积物取样设备中的外部导向支架无法使用；(2)南极冰下不具备光合生物富集的条件，其沉积物主要来源于冰层底部消融夹带及水体环流颗粒运输，基本上不包含松软生物沉积组分，故南极冰下水体沉积物的破坏强度远高于常规海洋、湖泊沉积物。
目前，我国南极热水钻项目正处于前期准备阶段，相关专用设备的研发也在不断开展。突破现有技术，研制出一种能够获取长尺寸冰下水体沉积物样品的取样设备，对于我国热水钻项目后续冰下观测、采样工作的顺利开展具有极为重要的工程意义。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有南极冰下沉积物取样设备取样长度短的问题而提供的一种延时启动型多电机同步振动式冰下水体沉积物取样器。
本发明提供的延时启动型多电机同步振动式冰下水体沉积物取样器包括有电气压力舱、振动压力舱、取样管部件和导向配重单元，其中电气压力舱设在顶端，振动压力舱、取样管部件和导向配重单元依次装配在电气压力舱的下部，电气压力舱的下端与振动压力舱的上端通过减振单元相连接，振动压力舱的下端与取样管部件的上端通过连接锁紧装置相连接，导向配重单元的上端吊挂在取样管部件的下端。
电气压力舱的顶盖上设置有吊环螺栓，电气压力舱的内腔中设有内筒，内筒外套设有支撑筒，支撑筒的两侧设有导柱，内筒的内腔中从上至下依次装配有驱动器组、延时单元和蓄电池组，驱动器组、延时单元和蓄电池组依次相连接，驱动器组设在电器支架上，蓄电池组设在电池支架上，延时单元用于控制蓄电池组与驱动器组之间的通断时间，延时单元具有延时启动、持续运行和停止供电三种功能，电气压力舱的顶盖上还装配有水密接头，水密接头上穿设有供电线缆和信号线缆，供电线缆和信号线缆的输入端连接在驱动器组上端的接线柱上，电气压力舱下部的振动压力舱的内腔中装配有数个振动电机，电气压力舱内蓄电池组的输出电流依次通过驱动器组、延时单元和供电线缆向振动压力舱内腔中的数个振动电机供电，振动电机上设置有霍尔信号检测单元，振动电机的转速信号通过信号线缆返回至电气压力舱中的驱动器组，驱动器组分析各振动电机转速的差值并通过调节输出电流或电压来保证数个振动电机时刻保持同步运行状态，振动压力舱的顶盖上也设置有水密接头用于供电线缆和信号线缆的穿设。
减振单元是由上连接轴、下连接轴和数个法兰筒组成，其中上连接轴和下连接轴上下对应设置，数个法兰筒围设在上连接轴和下连接轴的周圈，法兰筒的顶端与上连接轴之间相螺接，每个法兰筒的顶端均设置有防尘盖，每个法兰筒的内腔中均设有导向销，导向销上套设有压缩弹簧，导向销的下端穿设过法兰筒的底板后与减振单元下部的底座相螺接。
连接锁紧装置是由固定件和旋动件组成，其中旋动件螺接在固定件的下部。
取样管部件包括有衬管、外管、切削头和爪簧，其中外管套设在衬管上，切削头螺接在外管的下端，爪簧设在衬管的底部，衬管的顶端还设置有单向阀。
导向配重单元是由铜套体、导向筒体和先导体组成，其中铜套体通过螺栓固定在导向筒体的上端，先导体阵列通过螺钉固定在导向筒体侧壁的凹槽中。
本发明的工作原理：
在地表按完成整个取样器的组装后，根据下放时间、运行时间及上体时间完成预先计算电气压力舱内延时单元控制启动、停止的时间点，并完成设定；下放取样器至热水钻孔之前，延时单元开始供电，记录此时为起始时间点；取样器穿过冰孔到达沉积物层上方一定距离时，停止下放并悬停；当延时单元的启动时间点与取样器下放时间重合时，蓄电池组与驱动器组之间为通路状态，数个振动电机开始进入同步振动状态；保持振动状态并以一定速度缓慢下放取样器，导向配重单元首先切入沉积物层，作为取样管部件的导向部件；随后，由于沉积物存在的振动液化效应，取样管部件在自身重力和振动液化效应的共同作用下将不断切入沉积物层，爪簧开启，沉积物进入衬管；直至取样管外管顶端台阶下环面与导向配重单元上环面相接触，此时取样器将无法继续进尺；等待延时单元进入停止时间点时，蓄电池组与驱动器组之间为断路状态，数个振动电机停止振动；此时，上提取样器，爪簧在内部样品重力作用下将闭合；将取样器整体提升至冰层表面，拆卸带有沉积物样品的衬管并封装，以备后期运输及分析。
取样器下放及其切入沉积物层过程中，取样管部件内部水压大于外部水压，单向阀被开启；上提取样器过程中，由于重力作用和外部水流负压作用，单向阀将闭合，与爪簧共同保证所取样品在上提过程不流失。
本发明的有益效果：
(1)、采用高频振动作为取样器切入沉积物的动力源，沉积物的振动液化现象的存在，将大大降低取样管管壁与沉积物之间的阻力，有利于获取深层的沉积物样品。
(2)、本发明提供的取样器结构可以在不改变设备外部径向尺寸的前提下，通过在取样管外部增加导向配重，克服了海洋沉积物取样设备中的外部导向支架无法使用的问题。
(3)、取样器采用多振动电机纵向布置闭环同步的控制方式，能够实现取样器单一方向的振动模式。
(4)、取样器采用内部电池供电、延时控制的启动、运行、停止方式，工作人员仅需在地表完成相关延时启动、停止时间点的设定，同时根据时间点来控制下放、上提速度，即可完成整个取样过程，操作较为简便。
(5)、取样器中包含的各项技术均较为成熟，出现事故几率低；
(6)、整个取样器采用模块式设计，拆装、维护、替换较为方便，节约地表工作时间。
附图说明
图1为本发明所述释放装置整体结构示意图。
图2为本发明所述电气压力舱结构示意图。
图3为本发明所述减振单元结构示意图。
图4为本发明所述振动压力舱结构示意图。
图5为本发明所述螺纹锁紧装置结构示意图。
图6为本发明所述取样管部件结构示意图。
图7为本发明所述导向配重单元结构示意图。
1、电气压力舱2、振动压力舱3、取样管部件4、导向配重单元
5、减振单元6、连接锁紧装置7、吊环螺栓8、内筒9、支撑筒
10、导柱11、驱动器组12、延时单元13、蓄电池组14、水密接头
15、供电线缆16、信号线缆17、振动电机20、上连接轴
21、下连接轴22、法兰筒23、防尘盖24、导向销25、压缩弹簧
26、底座27、固定件28、旋动件29、衬管30、外管31、切削头
32、爪簧33、单向阀34、铜套体35、导向筒体36、先导体。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示：
本发明提供的延时启动型多电机同步振动式冰下水体沉积物取样器包括有电气压力舱1、振动压力舱2、取样管部件3和导向配重单元4，其中电气压力舱1设在顶端，振动压力舱2、取样管部件3和导向配重单元4依次装配在电气压力舱1的下部，电气压力舱1的下端与振动压力舱2的上端通过减振单元5相连接，振动压力舱1的下端与取样管部件3的上端通过连接锁紧装置6相连接，导向配重单元4的上端吊挂在取样管部件3的下端。
电气压力舱1的顶盖上设置有吊环螺栓7，电气压力舱1的内腔中设有内筒8，内筒8外套设有支撑筒9，支撑筒9的两侧设有导柱10，内筒8的内腔中从上至下依次装配有驱动器组11、延时单元12和蓄电池组13，驱动器组11、延时单元12和蓄电池组13依次相连接，驱动器组11设在电器支架上，蓄电池组13设在电池支架上，延时单元12用于控制蓄电池组与驱动器组之间的通断时间，延时单元12具有延时启动、持续运行和停止供电三种功能，电气压力舱1的顶盖上还装配有水密接头14，水密接头14上穿设有供电线缆15和信号线缆16，供电线缆15和信号线缆16的输入端连接在驱动器组11上端的接线柱上，电气压力舱1下部的振动压力舱2的内腔中装配有数个振动电机17，电气压力舱1内蓄电池组13的输出电流依次通过驱动器组11、延时单元12和供电线缆15向振动压力舱2内腔中的数个振动电机17供电，振动电机17上设置有霍尔信号检测单元，振动电机17的转速信号通过信号线缆16返回至电气压力舱1中的驱动器组11，驱动器组11分析各振动电机17转速的差值并通过调节输出电流或电压来保证数个振动电机17时刻保持同步运行状态，振动压力舱2的顶盖上也设置有水密接头14用于供电线缆15和信号线缆16的穿设。
减振单元5是由上连接轴20、下连接轴21和数个法兰筒22组成，其中上连接轴20和下连接轴21上下对应设置，数个法兰筒22围设在上连接轴20和下连接轴21的周圈，法兰筒22的顶端与上连接轴20之间相螺接，每个法兰筒22的顶端均设置有防尘盖23，每个法兰筒22的内腔中均设有导向销24，导向销24上套设有压缩弹簧25，导向销24的下端穿设过法兰筒22的底板后与减振单元5下部的底座26相螺接。
连接锁紧装置6是由固定件27和旋动件28组成，其中旋动件28螺接在固定件27的下部。
取样管部件3包括有衬管29、外管30、切削头31和爪簧32，其中外管30套设在衬管29上，切削头31螺接在外管30的下端，爪簧32设在衬管29的底部，衬管29的顶端还设置有单向阀33。
导向配重单元4是由铜套体34、导向筒体35和先导体36组成，其中铜套体34通过螺栓固定在导向筒体35的上端，先导体36阵列通过螺钉固定在导向筒体35侧壁的凹槽中。
本发明的工作原理：
在地表按完成整个取样器的组装后，根据下放时间、运行时间及上体时间完成预先计算电气压力舱1内延时单元12控制启动、停止的时间点，并完成设定；下放取样器至热水钻孔之前，延时单元12开始供电，记录此时为起始时间点；取样器穿过冰孔到达沉积物层上方一定距离时，停止下放并悬停；当延时单元12的启动时间点与取样器下放时间重合时，蓄电池组13与驱动器组11之间为通路状态，数个振动电机17开始进入同步振动状态；保持振动状态并以一定速度缓慢下放取样器，导向配重单元4首先切入沉积物层，作为取样管部件3的导向部件；随后，由于沉积物存在的振动液化效应，取样管部件3在自身重力和振动液化效应的共同作用下将不断切入沉积物层，爪簧32开启，沉积物进入衬管29；直至取样管外管30顶端台阶下环面与导向配重单元4上环面相接触，此时取样器将无法继续进尺；等待延时单元12进入停止时间点时，蓄电池组13与驱动器组11之间为断路状态，数个振动电机17停止振动；此时，上提取样器，爪簧32在内部样品重力作用下将闭合；将取样器整体提升至冰层表面，拆卸带有沉积物样品的衬管29并封装，以备后期运输及分析。
取样器下放及其切入沉积物层过程中，取样管部件3内部水压大于外部水压，单向阀33被开启；上提取样器过程中，由于重力作用和外部水流负压作用，单向阀33将闭合，与爪簧32共同保证所取样品在上提过程不流失。