Пробоотборник донных отложений

Полезная модель относится к области пробоотборной техники, в частности к устройствам, применяемым для извлечения керна донных отложений в водных бассейнах природного и искусственного происхождения, таких как моря, озера, пруды, карьеры и т.п. Преимущественно предназначена для извлечения донных отложений с больших глубин через отверстия небольшого диаметра, пробуренных во льдах арктических и антарктических водных бассейнов, в том числе подледникового антарктического озера Восток.
Известен пробоотборник донных отложений, состоящий из трубы, низ которой снабжен грунтовым ножом, на вершине которой закреплена масса инерционного удара и пластины стабилизатора, а вокруг массы инерционного удара расположена крыльчатка, обеспечивающая вращение трубы вокруг собственной оси, труба подвешена на вертлюге, грунтовой нож выполнен в виде несимметричных зубьев, режущая поверхность которых обращена в сторону вращения трубы (RU №2 668 441 С2, МПК G01N 1/16, опубл. 01.10.2018 г).
Недостатками аналога является то, что труба-пробоотборник может использоваться только для очень мягких грунтов, таких как илистые отложения, поскольку внедрение в грунт обеспечивается кинетической энергией при опускании, а высокое расположение центра тяжести и относительно небольшой диаметр трубы-пробоотборника вызывают заваливание конструкции.
Известен пробоотборник ударного действия для извлечения донных отложений, содержащий колонковую трубу и ударный механизм с бойком, выполненный в виде подвешенного на тросе груза, при этом в верхней части колонковой трубы выполнена резьба, на которую надета съемная верхняя крышка, имеющая отверстия в верхней части и закрепленные на ней проушины с выполненными в них параллельными оси пробоотборника направляющими, и соединенная с бойком стержнями, установленными в направляющих проушин крышки, и один конец которых закреплен на верхнем торце бойка, а второй конец имеет подпружиненный фиксатор положения бойка относительно трубы (RU №158011 U1, МПК G01N 1/04, опубл. 20.12.2015 г).
Недостатком аналога является то, что с его помощью нельзя глубоко проникнуть в плотные донные отложения с целью извлечения керна по причине однократного воздействия ударного груза.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является пробоотборник донных отложений, включающий корпус с механизмом заглубления, связанный через элемент согласования с керноотборной трубой, выполненной в виде колонковой трубы с размещенным в ней керноприемным цилиндром и снабженной на конце лепестковым кернорвателем. При этом механизм заглубления выполнен в виде электрического вибропогружателя, а к корпусу прикреплены опоры в виде рамы или диска, закрепленных на тросовых подвесках. Элемент согласования выполнен унифицированным в виде втулки переменного диаметра с набором крепежных колец, обеспечивающих возможность использования требуемого в зависимости от характера донного грунта диаметра прикрепляемой колонковой трубы (RU №17795 U1, МПК Е21В 25/18, опубл. 27.04.2001 г).
Недостатками известного устройства является то, что устройство заглубления в виде электрического вибропогружателя не позволяет колонковой трубе проникнуть глубоко в плотные донные отложения, а используемая опора не позволяет осуществлять спуск/подъем пробоотборника через ледовую скважину малого диаметра, что ограничивает область применения устройства.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования пробоотборника донных отложений, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается глубокое внедрение в плотные донные отложения с извлечением ненарушенного керна с больших глубин, достигающих нескольких километров, при снижении поперечных габаритов устройства, что обеспечивает высокую эффективность работ с расширением области применения устройства.
Технический эффект заключается в возможности реализации этой задачи и достигается тем, что в пробоотборник донных отложений, содержащий корпус с опорами и электрический механизм заглубления, связанный с керноотборной трубой, снабженной на конце лепестковым кернорвателем, новым является то, что верхняя часть корпуса содержит коническую крышку, а в нижней части закреплен фланец, при этом опоры выполнены шарнирно-подвижными в виде изогнутых стержней, которые закреплены в пазах фланца и разводятся с помощью пружин, а механизм заглубления кинематически связан через чашку с кернооотборной трубой и содержит выполненный с возможностью продольного перемещения через шлицевое отверстие во фланце корпуса подвижный цилиндр с ограничителем хода, электродвигателем, связанным с кулисным механизмом, сообщающим реверсивное вращение чашке с прикрепленной к ней керноотборной трубой, снабженной режущей коронкой, причем механизм заглубления удерживается на фланце корпуса электромагнитом.
Предпочтительно выполнение механизма заглубления снабженным утяжелителем.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где на фиг. 1 схематически изображен пробоотборник донных отложений; на фиг. 2 - кулисный механизм; на фиг. 3 - разрез корпуса во фланце.
Пробоотборник донных отложений содержит корпус 1 с конической крышкой 2 в верхней части и фланцем 3 в нижней части. В конической крышке установлено крепление 4 для грузонесущего кабеля 5. При этом в конической крышке выполнены отверстия 6, а во фланце 3 - отверстия 7. В пазах 8 фланца 3 закреплены опоры 9, которые выполнены шарнирно-подвижными в виде изогнутых стержней и разводятся с помощью пружин 10. Устройство также содержит электрический механизм заглубления, состоящий из подвижного цилиндра и с ограничителем хода 12, имеющим концевой выключатель (на фиг. 1 не показан), утяжелителя 13, электродвигателя 14, связанного с кулисным механизмом. Электродвигатель 14 соединен с выключателем ограничителя хода 12 проводом 15, а с грузонесущим кабелем 5 спиральным проводом 16.
Выполненный с возможностью продольного перемещения через шлицевое отверстие 17 фланца 3 (фиг. 3) подвижный цилиндр 11 удерживается в шлицевом отверстии 17 электромагнитом 18 с помощью штока 19 в углублении 20. Электромагнит 18 соединен проводом 21 с грузонесущим кабелем 5.
Кулисный механизм расположен в подвижном цилиндре 11 и состоит из эксцентрика 22 (фиг. 2) на валу 23 двигателя 14, кулисы 24, оси кулисы 25. Кулиса 24 расположена в отверстии 26 чашки 27 и сообщает ей реверсивное вращение.
Чашка 27 удерживается на подвижном цилиндре 11 с помощью штифта 28 в поперечном пазу 29. Подвижный цилиндр 11 опирается на чашку 27 через антифрикционную прокладку 30. Керноотборная труба 31 прикреплена к чашке 27 с помощью винта 32. В верхней части керноотборной трубы 31 выполнено отверстие 33, а в нижней части установлены режущая коронка 34 и лепестковый кернорватель 35.
Диаметр керноотборной трубы 31 с режущей коронкой 34 и лепестковым кернорвателем 35 может выбираться в зависимости от плотности донных отложений и цели исследований.
Пробоотборник донных отложений работает следующим образом.
Отбор керна может производиться с борта судна или с поверхности льда через отверстие или скважину небольшого диаметра. К конической крышке 2 корпуса 1 с помощью крепления 4 присоединяется грузонесущий кабель 5. При опускании пробоотборника в воду воздух выходит через отверстия 6 в конической крышке 2 и отверстия 7 во фланце 3.
После прохождения ледовой скважины опоры 9, установленные в пазах 8, из сложенного положения (показанного на фиг. 1 штриховыми линиями) разводятся пружинами 10, за счет чего увеличивается площадь опоры пробоотборника на грунте, чем повышается его устойчивость на дне с неровной поверхностью. При достижении поверхности дна опоры 9 под весом конструкции частично погружаются в донные отложения.
Через провод 21 подается напряжение к электромагниту 18, который втягивает шток 19 из углубления 20 и освобождает подвижный цилиндр 11. Подвижный цилиндр 11 через отверстие во фланце 3 со шлицами 17 (фиг. 3) опускается вниз с закрепленной к нему через поперечный паз 29 штифтом 28 чашкой 27 с керноотборной трубой 31, и режущая коронка 34 керноотборной трубы 31 упирается в донные отложения. После этого к электродвигателю 14 подается напряжение через спиральный провод 16. Расположенный на конце вала 23 электродвигателя эксцентрик 22 приводит в движение кулису 24, установленную на оси 25 (фиг. 2). Возвратно-поступательное движение конца кулисы в отверстии 26 придает реверсивное вращение чашке 27 с закрепленной в ней с помощью винта 32 керноотборной трубе 31.
Шлицы 17 предотвращают поворот подвижного цилиндра 11 внутри отверстия во фланце 3 корпуса 1, который в свою очередь с помощью опор 9 зафиксирован на дне. Зацепление опор с грунтом и реверсивное движение керноотборной трубы с режущей коронкой устраняют закручивание устройства на грузонесущем кабеле во время бурения донных отложений в процессе отбора керна. Таким образом предотвращаются нежелательные смещения элементов пробоотборника, что способствует более глубокому внедрению даже в плотные донные отложения, обеспечивая повышение эффективности работы.
За счет передачи давления подвижного цилиндра 11 через антифрикционную прокладку 30 на чашку 27 с керноотборной трубой 31 и кинематической связи электродвигателя 14 с кернооборной трубой 31 обеспечивается преобразование вращения электродвигателя 14 в реверсивное вращение керноотборной трубы 31 с режущей коронкой 34, что обеспечивает ее погружение в донные отложения, при этом вода из нее выходит через отверстие 33. Утяжелитель 13 способствует более глубокому погружению в плотные донные отложения
При достижении ограничителя хода 12 фланца 3 подача напряжения к электродвигателю 14 отключается автоматически концевым выключателем. С помощью грузонесущего кабеля 5 пробоотборник поднимается, при этом лепестковый кернорватель 35 отрывает керн от донных отложений и удерживает его внутри кернооотборной трубы 31, из которой на поверхности извлекают керн. При извлечении пробоотборника на поверхность через ледовое отверстие опоры 9 автоматически сводятся, а коническая крышка обеспечивает его центрирование в отверстии.
Выполнение опор шарнирно-подвижными в виде изогнутых подпружиненных стержней позволяет снизить поперечные габариты устройства для его погружения и извлечения через ледовую скважину небольшого диаметра и при этом обеспечить устойчивое положение даже на неровной поверхности дна. Вместе с тем, выполнение опор в виде изогнутых стержней снижает трение со стенками скважины.
Таким образом, при использовании пробоотборника донных отложений обеспечивается отбор керна с длиной достигающей 0,5 м и более с ненарушенной стратиграфией плотных донных отложений с глубин, достигающих нескольких километров, при небольших поперечных габаритах устройства, для возможности погружения через ледовые скважины диаметром от 20 см, что обеспечивает высокую эффективность работы с расширением области применения устройства, в том числе для исследований подледникового антарктического озера Восток с толщиной ледникового покрытия 3758 метров и глубиной водного бассейна 680 метров. Устройство может использоваться также на открытой воде с борта плавучего средства.