一种新型静水压力海底沉积物取芯器能量转换效率研究

　　0 前言

　　对海底沉积物进行取样与研究有着广泛的科学意义，目前有多种取芯器可以用来获取海底沉积物样品[1-2]，其中最常用的取芯器有两大类：重力取芯器与振动取芯器，两者各有优缺点。重力取芯器[3-4]结构简单，操作方便，但受其固有缺陷的影响，取样管容易发生堵塞且不能对硬质沉积物取样;振动取芯器[5-6]能采集各种硬度的沉积物，但是需要母船远程供能，当工作深度较大时，能量供应麻烦。

　　本文提出了一种新型的利用静水压力能驱动的沉积物取芯器，它兼有上述两种取芯器的优点并且不需要母船供应能量。它工作时先以重力取样的方式插入海底沉积物，然后进入冲击取样模式，此模式下取芯器利用外界海水与内部空腔的压力差将取芯器冲击头抬起一定高度，再释放使之下落，撞击取样管，取芯器重复以上冲击取样过程，直到内部空腔被海水完全充满。国外首个能用于硬质沉积物取芯的静水压力取芯器是由SELWYN与MCCOY设计[7]，他们设计了一个静水压力驱动的马达来驱动取芯器并在海试中成功获得了2 m 的硬化泥灰岩样品。

　　“Selcorer”取芯器是这一领域的最新进展，它内置了一个静水压力驱动的马达，它能将冲击头反复地举起然后砸向取样管。在海试中，“Selcorer Ⅱ”(质量为1750kg)采集到了12 m 粉质粘土覆盖下的表层花岗岩碎片[8]。国内较少见到该类型取芯器的相关报道。

　　液压驱动单元是取芯器的核心部件，它负责将海水的静水压力能转换成取芯器冲击头的动能，因此液压驱动单元的能量转换效率就是取芯器的能量转换效率。根据以上分析，利用AMESim 软件构造了取芯器内部液压驱动单元的模型[9-10]，并将仿真数据与试验数据进行对比，验证模型的合理性，并以此为基础，研究液压驱动单元在海洋环境下的能量转换效率。在海洋环境中，海水的压力是恒定的并且只跟水深有关，液压驱动单元工作时，其内部的压力等于海水压力，不会随着负载(即取芯器冲击头重力)变化而变化，因此模型中的水泵被替换成理想压力源以模拟海水压力。基于海洋环境的模型仿真结果揭示了液压驱动单元内部尺寸，取芯器冲击头质量，取样水深对取芯器能量转换效率的联合作用。

　　1 取芯器结构及工作原理

　　取芯器总体结构及液压驱动单元结构如图1 所示。静水压力取芯器主要由液压驱动单元，取芯器冲击头与取样管组成。液压驱动单元主要由上活塞杆，配流阀与液压缸组成。上活塞杆上有轴向和径向的配水小孔，这些小孔根据上活塞杆与配流阀的相对位置将外界高压海水分别引入配流阀芯的上端面或下端面使阀芯上下移动，从而控制配流阀的开启与关闭。