利用钛合金薄膜密封保压的扇形深海取样装置的制作方法

本发明涉及一种深海保压取样装置，具体涉及一种利用钛合金薄膜密封保压的深海取样装置，该装置主要针对万米水深下的样品(如深海泥)取样，通过钛合金薄膜和活塞以及外部液压系统来实现对样品的密封保压，并可在取样前利用海水清洗取样样品腔部件，取样后利用底座弹射快速弹出样品，简化了操作步骤，达到了深海取样良好保压的要求。

背景技术：

海洋是生命是起源，生物的演变进化离不开海洋。人类对未知总是充满好奇，人类从认知海洋开始，人类就从未停止过探索海洋的步伐。为了进一步的了解海洋，了解深海，人们从打捞深海物品开始做起，人们通过打捞深海中的东西，研究其构造，不断的发现一个又一个深海的秘密，然而，深海样品在打捞上来后，其生存的环境发生了严重的变化，使得人类无法直观的进行了解，因此，我们迫切需要一种装置能够在打捞深海样品时，保留其在深海时的那种状态，为人类对深海的研究更进一步。

目前我国针对万米级海底取样的技术手段十分有限，可用装备极其少，与发达国家相比，海底勘探的手段相对单一、海底取样设备落后。主要表现在以下方面：(1)目前广泛采用的重力式取样器结构简单、操作方便,但重量、长度均过重过大，由于采用的是钢丝缆布放方式，万米级的作业仅钢丝缆就达到几吨的重量，成本居高不下；(2)成功率低，绞车系统由于长时间工作经常出现由于绞缆系统故障而进行截缆的情况，造成重大的损失，且由于过于笨重布放及回收困难，极易造成取样不成功；(3)即使能够采样成功，采集样品质量低，取样、回收过程易发生泄露、掺入杂质等缺点。因此，在上述背景下，结合大洋勘探实际经验，急需研究和开发一种功能化多样、操作方便、维护简单的一种用于深海的万米级深海自主式底质探取装置，为我国新一轮海底资源大调查、海底地质结构研究和海洋环境研究提供技术保障。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种利用钛合金薄膜密封保压的扇形深海取样装置，通过钛合金薄膜和活塞来实现对样品的密封保压，并可在取样前利用海水清洗取样样品腔部件，取样后利用底座弹射部件快速弹出样品，可实现大批量加工，制造简单，生产成本低、安装简便、效率高、安全可靠。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

利用钛合金薄膜密封保压的扇形深海取样装置包括扇形外壳、旋转部件、及密封保压部件；

扇形外壳包括上、下底盘；

旋转部件位于上、下底盘之间，包括转轴及旋臂，转轴两端分别与上、下底盘通过轴承连接，旋臂一端与转轴连接，另一端设有通孔状的样品腔，在下底盘的边沿设有限位块，上底盘对应边沿设有缺口，上底盘上还依次开有上保压通孔以及取样通孔，在下底盘对应上保压通孔位置处开有下保压通孔；

密封保压部件包括两块钛合金薄膜、两个活塞及液压系统，两块钛合金薄膜分别固定于上保压通孔底部和下保压通孔顶部，上保压通孔顶部和下保压通孔底部由端盖密封，两个活塞分别设置于两个保压通孔内，在活塞与钛合金薄膜之间、以及活塞与端盖之间均填充有液压油，并与液压系统相连；

转轴由电机驱动，带动旋臂转动，当旋臂转动至限位块位置，样品腔旋出上下底盘，为工作位置1；当旋臂转动至上底盘缺口处，样品腔下表面与下底盘完全接触，为工作位置2；当旋臂转动至上下保压通孔处，样品腔上下表面与钛合金薄膜完全接触，为工作位置3；当旋臂转动至取样通孔处，样品腔与取样通孔连通，在下底盘此时样品腔相应位置设有用于将样品弹出的弹射部件，为工作位置4。

本发明的装置采用独特的结构设计，并采用具有一定柔性可以变形，又具有耐高压不被破坏的钛合金薄膜，通过液压系统及活塞向薄膜施加压力使其内凹，从而实现密封，液压系统为上述的钛合金薄膜活塞装置进行压力补偿以达到密封保压的效果。相对于通常的保压措施，如采用加厚、加强采样器和氮气压力补偿，通过氮气补偿掉液体体积膨胀量，但是在高压85MPa环境下，气体补偿极易失效(依照PV＝nRT曲线)，本发明仅依靠薄膜内凹补偿变形量，降低了对各类阀和机械结构的密封性要求。

上述技术方案中，优选的，所述的上保压通孔及下保压通孔均采用阶梯通孔，活塞为变截面活塞，上保压通孔的阶梯通孔呈上大下小状，活塞呈倒“工”字型设于其阶梯通孔内，下保压通孔与上保压通孔对称。因为在深海环境压力往往可高达100MPa，在一个较小空间要实现高于100MPa的人工压力并不容易，因此通过变截面活塞设计，可以利用千斤顶的类似原理进行加压。

优选的，所述的钛合金薄膜的厚度为2mm。钛合金薄膜直径应当大于样品腔直径。

优选的，所述的弹射部件包括弹射开关及设于下底盘内的预压弹簧，按下弹射开关预压弹簧可从下底盘向上弹出。进一步的，所述的预压弹簧顶部固定有一圆板，所述的圆板直径小于样品腔直径。

优选的，所述的旋臂与转轴之间通过键连接。

取样装置通过转轴将取样样品腔转动至限位块后到达工作位置1，取样样品腔上下与海水贯通，通过移动装置或者静置一段时间使海水对取样样品腔部件内部进行清理，清除内部杂质，保证沉积物样品的纯度。

取样装置通过转轴将取样样品腔转动到工作位置2，取样样品腔下端被下底盘密封，避免沉积物的泄露，上端取样样品腔暴露于海水之中，机械手将沉积物装入其中，装满取样样品腔，取样结束。

取样装置通过转轴将取样样品腔转动到工作位置3，通过液压系统结合上下钛合金薄膜和活塞来密封保压，使样品在转移至岸上的过程中可以实现良好保压。

取样装置通过转轴将取样样品腔转动到工作位置4，当样品在岸上进行转移时，转至此处，通过下底盘弹射部件可推动取样腔内样品来将其转移至外部。

本发明的有益效果是：通过钛合金薄膜和活塞来实现对样品的密封保压，并可在取样前利用海水清洗取样样品腔部件，取样后利用底座弹射快速弹出样品，简化了操作步骤，可实现大批量加工，制造简单，生产成本低、安装简便、效率高、安全可靠，达到了深海取样良好保压的要求。相对于其他深海取样器，本发明利用钛合金薄膜实现对样品的保压，减少了样品中杂物，保证了样品质量，而且可以在岸上方便快捷地实现样品的转移，结构较为简单，深海条件下也容易操作，具有良好的经济效益和发展前景。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明结构A-A剖面示意图；

图3是本发明结构B-B剖面示意图；

图中：1工作位置4；2下底盘；3工作位置3；4钛合金薄膜；5工作位置2；6工作位置1；7限位块；8样品腔；9液压系统；10端盖；11变截面活塞；12键；13转轴；14轴承；15上底盘；16取样通孔；17旋臂；18弹射开关；19预压弹簧；20上保压通孔；21下保压通孔。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面具体实施例的限制。

实施例

如图1、图2所示，本实施例的利用钛合金薄膜密封保压的扇形深海取样装置包括扇形外壳、旋转部件、及密封保压部件；

扇形外壳包括上底盘15、下底盘2；旋转部件位于上、下底盘之间，包括转轴13及旋臂17，转轴两端分别与上、下底盘通过轴承14连接，旋臂一端与转轴通过键12连接，另一端设有通孔状的样品腔8，样品腔8为100mL，在下底盘的边沿设有限位块7，上底盘对应边沿设有缺口，上底盘上还依次开有上保压通孔20以及取样通孔16，在下底盘对应上保压通孔位置处开有下保压通孔21；

密封保压部件包括两块钛合金薄膜4、两个活塞11及液压系统9，两块钛合金薄膜分别固定于上保压通孔底部和下保压通孔顶部，钛合金薄膜的厚度为2mm，其直径大于样品腔直径。上保压通孔顶部和下保压通孔底部由端盖10密封，两个活塞分别设置于两个保压通孔内，在活塞与钛合金薄膜之间、以及活塞与端盖之间均填充有液压油，并与液压系统相连；上、下保压通孔均为阶梯通孔，活塞呈“工”字型设于阶梯通孔内，下保压通孔与上保压通孔对称。因为在深海环境压力往往可高达100MPa，在一个较小空间要实现高于100MPa的人工压力并不容易，因此通过这种变截面活塞设计，可以利用类似千斤顶的原理进行加压。

转轴由电机驱动，带动旋臂转动，当旋臂转动至限位块位置，样品腔旋出上下底盘，为工作位置1，此位置可利用海水清洗样品腔8，防止沾有不必要的杂物；当旋臂转动至上底盘缺口工作位置2处(如图2)，样品腔下表面与下底盘完全接触，机械手可以将所取样品放于样品腔8内；装样品完毕后，当旋臂转动至上下保压通孔处，样品腔上下表面与钛合金薄膜完全接触，即工作位置3，样品腔8到达钛合金薄膜4处，通过上下两层钛合金薄膜4和变截面活塞11实现密封保压，并有液压系统9在压力不足时可以提供压力补偿；当旋臂转动至取样通孔处，样品腔与取样通孔连通，在下底盘此时样品腔相应位置设有用于将样品弹出的弹射部件，为工作位置4，如图3，所述的弹射部件包括弹射开关18及设于下底盘内的预压弹簧19，按下弹射开关预压弹簧可从下底盘向上弹出，所述的预压弹簧顶部固定有一圆板，所述的圆板直径小于样品腔直径，可有效推出样品。

本发明的装置采用具有一定柔性可变形，又耐高压不被破坏的钛合金薄膜，通过液压系统及活塞向薄膜施加压力使其内凹，从而实现保压密封。相对于通常的保压措施，如采用加厚、加强采样器和氮气压力补偿，通过氮气补偿掉液体体积膨胀量，但是在高压85MPa环境下，气体补偿极易失效(依照PV＝nRT曲线)，本发明仅依靠薄膜内凹补偿变形量，降低了对各类阀和机械结构的密封性要求。本深海取样装置整体结构较为简单，深海条件下容易操作，具有良好的经济效益和发展前景。