靜水壓力取樣器沖擊頭沖擊速度的理論與試驗(yàn)研究

秦華偉，朱敬如，王建軍，陳建橋，陳 鷹

(1.杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系，浙江 杭州 310027)

作為地球上資源最為豐富的地區(qū)，海洋蘊(yùn)藏著數(shù)量遠(yuǎn)超陸地的礦產(chǎn)、油氣和生物等一系列資源［1］。隨著陸地資源的不斷消耗，人類逐步加大了對海洋資源的探索力度。由于歷史原因，我國對海洋資源的勘探及開發(fā)程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

目前，無論對海底資源，還是對海底地質(zhì)的勘探等都離不開海底取樣技術(shù)。海底取樣技術(shù)與海洋油氣鉆探不同，它主要利用取樣管完成一次性取樣，實(shí)現(xiàn)對指定海域的淺孔鉆取，其采樣周期短，采樣過程簡便易行［2］。其中，非可控式海底取樣器由于對母船的要求較低而得到廣泛應(yīng)用。

本文所設(shè)計(jì)的新型靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器就是一種非可控式海底取樣器，該取樣器利用海水靜水壓力提供能量完成沖擊打樁動(dòng)作，此外，該取樣器還可在一定程度上緩減及推遲“樁效應(yīng)”的出現(xiàn)，從而提高沉積物樣品的取樣效率［3］。

國外對靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器的研究較早，技術(shù)也較為成熟。Brooke and Gilberr［4］，Selwyn and McCoy［5］提出了利用靜水壓力驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)，在一次試驗(yàn)中，液壓馬達(dá)把沖擊頭抬升了60 次，抬升高度為0.33 m，最終獲得了2 m 長的硬質(zhì)灰泥樣品;Yngve Kristoffersen，et al［6］提到，在一次3 500 m 水深的海底取樣中，“the Selcorer”以2 s 的頻率沖擊振動(dòng)取樣管50 次，取樣器下插深度達(dá)到18 m，樣品長度12.5 m。國內(nèi)對靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器的研究尚處起步階段。

在取樣器外形參數(shù)及重量確定的前提下，取樣器貫入海底沉積物的效果取決于取樣器沖擊頭的沖擊速度［2，7］。因此，本文將從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的角度出發(fā)，探討影響取樣器沖擊頭沖擊速度的主要因素，并對提高該沖擊速度提出建議。

1 靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器

1.1 取樣器的總體結(jié)構(gòu)

靜水壓力取樣器(如圖1(a)所示)主要包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)機(jī)構(gòu)、取樣器沖擊頭、取樣管三個(gè)部分。其中沖擊頭和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)為本文的主要研究對象。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(如圖1(b)所示)主要包括配流閥體、閥芯、主活塞、主活塞桿、主活塞缸等部分。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)活塞桿上開有若干小孔，便于高壓海水進(jìn)出配流閥，驅(qū)動(dòng)閥芯上下運(yùn)動(dòng)，控制開口使海水進(jìn)入活塞缸或者流出活塞缸進(jìn)入空腔。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

圖1 取樣器及驅(qū)動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the corer and drive motor

1.2 取樣器的工作原理

表1 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The main design parameters of the drive motor

靜水壓力驅(qū)動(dòng)取樣器工作時(shí)，先在重力及慣性作用下以“重力取樣”方式插入海底，然后自動(dòng)切換為“靜水壓力沖擊取樣”方式進(jìn)行沉積物取樣。在“靜水壓力沖擊取樣”狀態(tài)下，取樣器利用外界海水與其空腔之間的壓差，先將沖擊頭抬升一定高度，然后釋放沖擊頭，沖擊頭沖擊取樣管，下插取樣，并重復(fù)上述動(dòng)作，直至取樣器空腔壓強(qiáng)與外界海水壓強(qiáng)相當(dāng)。

圖2 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作過程Fig.2 The working process of the drive motor

圖2 所示為靜水壓力取樣工作過程中驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的兩個(gè)主要狀態(tài)。1)當(dāng)取樣器由“重力取樣”切換為“靜水壓力沖擊取樣”狀態(tài)時(shí)(如圖2(a)所示)，高壓海水通過下通水孔進(jìn)入配流閥體下腔，閥芯下端為高壓狀態(tài);閥芯上端經(jīng)上通水孔與空腔相連通，形成低壓狀態(tài);在上下壓差作用下，閥芯向上運(yùn)動(dòng)至配流閥體上端。此時(shí)，入水孔打開，排水孔關(guān)閉，高壓海水沿流道進(jìn)入活塞缸;在高壓海水作用下，沖擊頭上升至上極限位置后停止。2)第一階段結(jié)束后，如圖2(b)所示，配流閥體下腔通過下通水孔與空腔相連，閥芯下端為低壓狀態(tài);同時(shí)，配流閥體上腔通過上配水孔與高壓海水相連通，高壓海水進(jìn)入配流閥體上腔，閥芯上端為高壓狀態(tài);在上下壓差作用下，閥芯向下運(yùn)動(dòng)至配流閥體下端;此時(shí)，進(jìn)水口關(guān)閉，排水孔打開，活塞缸內(nèi)高壓海水通過入水孔、環(huán)形槽、排水孔排入空腔;隨著活塞缸內(nèi)高壓海水的排出，沖擊頭迅速下落，沖擊副活塞機(jī)構(gòu)，最終使取樣管進(jìn)一步插入海底沉積物。3)循環(huán)往復(fù)上述過程，取樣器沖擊頭多次沖擊取樣管取樣，直至空腔內(nèi)海水壓強(qiáng)與周圍高壓海水壓強(qiáng)相當(dāng)，靜水壓力取樣過程結(jié)束。

2 沖擊頭沖擊速度的理論計(jì)算

2.1 流體流動(dòng)控制方程

2.1.1 連續(xù)性方程

根據(jù)流體力學(xué)中質(zhì)量守恒規(guī)律，選擇取樣器活塞缸及配流閥體作為被研究的控制體積，將該控制體積流進(jìn)和流出的水流體積變化作為研究對象，可用如下連續(xù)性方程［8］表示:

式(1)中:Qin為入水孔水流量，Qout為排水孔水流量，Qmid為中間段環(huán)形槽內(nèi)水流量，Q 為活塞缸內(nèi)水流量。該連續(xù)性方程進(jìn)一步推導(dǎo)，可得:

式(2)中:vin，vout，vmid，v 分別表示入水孔、排水孔、環(huán)形槽和活塞缸的水流速度，Ain，Aout，Amid，A 分別表示入水孔、排水孔、環(huán)形槽和活塞缸內(nèi)水流的過水?dāng)嗝婷娣e。由于活塞行程就是沖擊頭的下落行程，因此活塞缸的水流速度也即沖擊頭的下落速度。

2.1.2 動(dòng)量方程

根據(jù)動(dòng)量定理可得控制體積下落過程中的動(dòng)量方程公式［8］:

式(3)中:d(mv)/dt 為控制體積的動(dòng)量變化，d(mrvr)/dt 為控制體積內(nèi)流體的動(dòng)量變化，∫AurρdQ 為流出控制體積表面的動(dòng)量凈變化率，將取樣器沖擊頭及其配流閥體內(nèi)各部分流體作為研究對象，可得其相應(yīng)的動(dòng)量方程:

式(4)中:m 為取樣器沖擊頭質(zhì)量，mr為取樣器閥體內(nèi)水質(zhì)量，vr為取樣器閥體內(nèi)水流平均速度，R 為閥芯與活塞桿、閥芯與配流閥體及活塞與活塞缸的總摩擦力，P1為取樣深度處海水的靜水壓強(qiáng)。實(shí)際計(jì)算過程取垂直方向?yàn)閰⒖挤较?，并以向下為正方向?/p>

2.1.3 能量方程

考慮到水在控制體積內(nèi)的流動(dòng)過程是非恒定的，因此加入慣性項(xiàng)，并參考重力場中實(shí)際不可壓縮性流體恒定流動(dòng)的伯努利方程，得到非恒定流動(dòng)情況下的伯努利方程［8］:

式(5)中:ρ 為取樣水域海水密度，H 為排水孔與入水孔的高度差，hε為水流在管道中受干擾造成的總損失，S為水流流線長度。取入口處為參考點(diǎn)。假設(shè)在整個(gè)流線ds 上是相等的，且可用流線上最大值表示。

局部損失hε包括斷面收縮、斷面擴(kuò)張和彎管三個(gè)方面損失即hε=hm1+hm2+hm3。

其中，ξ 表示突然收縮時(shí)局部阻力系數(shù)，根據(jù)Weisbach 經(jīng)驗(yàn)公式對k 取值，θ 表示流速方向改變的角度。本文在計(jì)算局部損失時(shí)忽略了水流在直管道的流動(dòng)損失。

2.2 沖擊速度的理論計(jì)算

計(jì)算時(shí)取空腔初始壓強(qiáng)為P2為0 MPa，且假設(shè)取樣器空腔短時(shí)內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定，根據(jù)式(2)、(4)、(5)，消去各式中P1量，將式中各速度均用沖擊頭速度表示，并忽略微小量可得取樣器沖擊頭下落速度的通式:

式(6)中:a 為取樣器沖擊頭質(zhì)量，即a=m;b 為與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)中入水孔、排水孔和活塞缸內(nèi)壁過水截面面積、局部損失等參數(shù)相關(guān)的量，即為與取樣器質(zhì)量、排水孔與入水孔的高度差、活塞缸內(nèi)壁過水截面面積及取樣器相關(guān)結(jié)構(gòu)與密封圈之間的摩擦等參數(shù)相關(guān)的量，即c=ρgHA－mg+R。

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的取樣器結(jié)構(gòu)，將表1 所列驅(qū)動(dòng)馬達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)代入公式(6)，可得:

通過計(jì)算可得:沖擊頭從上極限位置下落至下極限位置所需時(shí)間為t=0.577 6 s;沖擊頭下落至下極限位置時(shí)的最大速度為v理論=0.221 5 m/s。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 取樣器沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 The diagram of the corer's impact test system

圖4 取樣器沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.4 The photos of the corer's impact test system

圖5 沖擊頭沖擊速度曲線Fig.5 The impact velocity curve of the impact head

為驗(yàn)證上述理論推導(dǎo)的正確性，搭建了靜水壓力取樣器沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖3、圖4 所示)。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括壓力水泵車、壓力表、溢流閥、高壓水管、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集PC、位移傳感器、取樣器和取樣器框架等部分。其中，壓力水泵車提供高壓水，用于模擬高壓海水環(huán)境;位移傳感器固定于沖擊頭上，用于獲取取樣器沖擊頭作抬升和沖擊運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移數(shù)據(jù);PC 中相關(guān)軟件對位移量進(jìn)行求導(dǎo)，即可得到?jīng)_擊頭的沖擊速度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，沖擊頭從上極限位置下落至下極限位置所需時(shí)間為t =0.5 s，沖擊頭下落至下極限位置時(shí)的最大沖擊速度為v理論=0.194 m/s。

取樣器沖擊頭從上極限位置下落至下極限位置所需時(shí)間及其最大沖擊速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果較接近，驗(yàn)證本文關(guān)于沖擊頭沖擊速度理論模型的正確性和合理性。

4 結(jié)果討論

對于本文設(shè)計(jì)的靜水壓力取樣器，沖擊頭的沖擊速度越大，沖擊力也就越大;另外，沖擊速度越大，取樣周期越短，取樣效率越高。因此，提高取樣器沖擊頭的沖擊速度非常重要。

圖6 不同沖擊頭質(zhì)量下的速度曲線Fig.6 The velocity curves when the quality of the impact head is different

如公式(6)所示，影響沖擊頭沖擊速度的關(guān)鍵因素主要包括:取樣器沖擊頭質(zhì)量、取樣器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)和總摩擦力等。本文接下來將對沖擊頭沖擊速度與這幾個(gè)影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行討論。

1)沖擊頭質(zhì)量取值不同，得到?jīng)_擊頭沖擊速度曲線如圖6 所示。由該圖可知:隨著取樣器沖擊頭質(zhì)量增大，沖擊頭沖擊速度也在增大;沖擊頭速度增大倍數(shù)與其質(zhì)量增大倍數(shù)基本成正比關(guān)系。因此，在運(yùn)輸、加工和使用條件允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量增加沖擊頭的質(zhì)量。

2)取樣器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)中可變參數(shù)較多，對沖擊頭沖擊速度影響較大的是各過水截面面積。過水截面面積越大，流量越大，取樣器沖擊頭的沖擊速度越大。但由于受到取樣器自身體積的限制，單純增大過水結(jié)構(gòu)截面面積較為困難，因此，本文主要討論在入水孔和排水孔截面面積不變的前提下，入水孔和排水孔數(shù)量改變對沖擊頭沖擊速度的影響。

入水孔和排水孔數(shù)量不同，得到?jīng)_擊頭的沖擊速度曲線如圖7 所示。由該圖可知:隨著入水孔和排水孔數(shù)量的增加，沖擊速度增加較快，尤其是數(shù)目由1 個(gè)增至2 個(gè)時(shí)，沖擊速度增加尤為明顯。因此，在強(qiáng)度和加工條件允許的范圍內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)增加入水孔和排水孔的數(shù)量。

3)摩擦阻力不同，得到?jīng)_擊頭的沖擊速度曲線如圖8 所示。由該圖可知:隨著總摩擦力減少，取樣器的沖擊速度增大，但受取樣器工作機(jī)理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)中的密封圈很難進(jìn)一步減少。因此，實(shí)際使用中，在密封條件得到保證的前提下，使用斯特封或格萊圈等密封元件代替O 形圈進(jìn)行密封，可適當(dāng)減小摩擦力，增大沖擊頭的沖擊速度。

4)此外，水流在流道中的損失越小，沖擊頭所獲得的動(dòng)能就越大，沖擊速度也越大。因此，應(yīng)從機(jī)械設(shè)計(jì)和加工的角度，保證各個(gè)流道的拐角盡量光滑，從而減小流道損失，增大沖擊速度。

圖7 入水孔和排水孔數(shù)目不同時(shí)的速度曲線Fig.7 The velocity curves when the numbers of inlet and outlet are different

圖8 不同摩擦阻力時(shí)的速度曲線Fig.8 The velocity curves when the frictional resistance is different

5 結(jié) 語

根據(jù)對靜水壓力取樣器沖擊頭沖擊速度的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論:

1)經(jīng)過理論分析，沖擊頭從上極限位置下落至下極限位置所需時(shí)間為t =0.577 6 s;沖擊頭下落至下極限位置時(shí)的最大速度為v理論=0.221 5 m/s。

2)在取樣器沖擊實(shí)驗(yàn)中，沖擊頭從上極限位置下落至下極限位置所需時(shí)間為t=0.5 s，下落過程中最大沖擊速度為v理論=0.194 m/s。

3)隨著取樣器沖擊頭質(zhì)量的增大，沖擊頭的沖擊速度將增大;且沖擊頭速度增大倍數(shù)與其質(zhì)量增大倍數(shù)大概成正比關(guān)系。

4)隨著入水孔和排水孔數(shù)量的增加，沖擊頭速度增加較快，尤其是入水孔和排水孔數(shù)目由1 個(gè)增至2 個(gè)時(shí)，沖擊速度增加尤為明顯。

5)隨著總摩擦力的減少，取樣器沖擊頭的沖擊速度將增大。

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