一种新型形状记忆合金海底火山喷发热液采样器设计

　　1　引言

　　为了分析海深火山口处周围环境中生化物质特性,世界上已经开发了多种多样的海底火山喷发热液采取器,如“majorsampler”(VonDammeral,1985);modifiedmulti-sampler(eg·Ishibashieral,1995)。这些采样器都利用实时在线温度测量方法来保证准确取样,该方法最突出的问题是海底作业时能源(电能驱动)消耗量大,能源供给困难。有鉴于此,本项目研究开发一种新型环保的海底火山口热液采取器。本装置主要是针对提取海深3500 m处火山样液而设计。火山口的温度为300℃左右,周围海水的温度为3℃左右。本装置应用形状记忆合金的形状记忆特性,通过海底火山口的热能驱动,在海底热液的自然压力作用下,热液进入采样器,完成采样动作。本方案很好地解决了能源供给困难这一难题。

　　2　采样器结构设计

　　采样器的整体结构如图1a所示,采样器工作原理的工作原理是:采样器随着水下机器人进入海底火山喷发的热区,热区温度超过SMA弹簧的触发温度80℃,吸样阀SMA弹簧15吸收热能触发伸长,打开吸样阀,同时吸样缸SMA弹簧14受热触发,克服吸样活塞与吸样缸的摩擦,驱动吸样活塞,热液从吸样口进入吸样阀,经过出样阀,U型连管,进入吸样缸储存在此,完成吸样动作,同时预先充入吸样缸的纯净水经吸样缸的右端排水结构(见图1b)排出吸样缸;采样器随着水下机器人离开海底火山口,到达周围海水温度大约为3℃的区域,低于SMA记忆合金弹簧的触发温度,SMA弹簧的刚度降低,在复位不锈钢弹簧16的复位作用下,吸样阀芯复位,吸样阀关闭,完成采样。

　　根据采样器的应用环境要求,所选用的材料应强度高、比重小、耐海水腐蚀、耐高温,且不影响样液中的微生物生存环境。因此,我们最终选择能很好满足以上要求的钛合金,其中阀体与阀芯均为高强度的α+β相钛合金TC4。TC4的力学性能见表1。

　　设v为活塞缸的体积,l为活塞缸的长度,d为活塞缸的直径。考虑活塞的加工性能,其长径比应满足l/d≤10,取d=35 mm,l=200 mm,则活塞缸的体积为192 mL,活塞的长度为42 mm,活塞杆直径为16 mm。所以采样器的计算容积为活塞缸容积减活塞及活塞杆的体积,其值为120·2 mL。

　　由于采样器应用于水下环境,系统结构承受外压。受外压的圆柱形壳体可以分为长圆筒、短圆筒。本设计吸样缸按照短圆筒壳体计算。设L为圆筒长度,D为圆筒直径,t为壁厚,则圆筒结构承受临界压力可通过下面公式计算,即米塞斯(Mises)公式:

　　式中pcr为破坏临界压力,E为壳体材料杨氏弹性模量,t为壳体厚度,R为圆柱壳半径,v为壳体材料泊松比,n为失稳时出现在壳体上的波数。必须考虑两端边界对稳定性的影响,失稳时的波数为n>2的正整数,临界压力pcr与t/D、l/D有关。考虑适应海域水深为3500 m,则吸样缸受外压35 MPa,取保险系数s=1·5,则pcr=p×s=52·5 MPa,计算得最小壁厚3·94mm,吸样缸壁厚取8 mm。