Пробоотборник донных отложений

01 1/02 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Комиссаров Феликс Давидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(57) Пробоотборник донных отложений, включающий корпус в виде цилиндрического стакана с ограничительным кольцом, наконечник, поршень с полым штоком и обратным клапаном внутри штока, опору в виде горизонтального кольца с выступами на нижней ее поверхности и с отверстием под цилиндрический стакан, подпружиненную пластину, установленную на поверхности опоры, стойки с перекладинами, серьги, фиксирующий механизм штока, гильзу и запорный механизм перекрытия входного отверстия цилиндрического 5404 1 стакана, отличающийся тем, что на нижней части запорного механизма, содержащей пластины прямоугольной формы, установлены створки квадратной формы, две противолежащие из которых неподвижные и две подвижные на осях, край створок в верхней части выступает за пределы периметра запорного механизма, а на нижней части внешней поверхности прямоугольных пластин и створок выполнена заостренная режущая кромка,дополнительно содержит затвор, включающий подпружиненные скобы сложной конфигурации с верхней выборкой к прямоугольным пластинам, установленные с возможностью перемещения в вертикальной плоскости вдоль прямоугольных пластин до выступающего верхнего края подвижных створок и упора в него с возможностью фиксации подвижных створок в открытом и перекрытом положениях входного отверстия цилиндрического стакана, к корпусу цилиндрического стакана жестко прикреплен ограничитель движения запорного механизма, обеспечивающий контакт подвижных створок запорного механизма,установленного с возможностью перемещения вдоль цилиндрического стакана на расстояние, обеспечивающее контакт подвижных створок с наружной поверхностью цилиндрического стакана при внедрении пробоотборника в донные отложения и выход из него при извлечении пробоотборника из скважины, причем запорный механизм расположен ниже опоры в пределах объема, ограниченного ее выступами, на наружной поверхности цилиндрического стакана выше запорного механизма выполнена кольцевая проточка, в которую входит с возможностью фиксации положения стакана подпружиненная пластина.(56)2017953 1, 1994.1644 2, 1997.3878904, 1975.2527770, 1983.2045753 1, 1995.2024003 1, 1994.1645875 1, 1991. Изобретение относится к устройствам для отбора проб донных отложений, в частности для отбора проб слабых водонасыщенных грунтов или ила в водоемах зазрязненных химическими или радиоактивными веществами. Известен пробоотборник донных отложений под названием Прибор для взятия проб грунта со дна водоема, состоящий из внутреннего и наружного пустотелых цилиндров,присоединенных через штангу к подъемному тросу, и разъемной гильзы, расположенной во внутреннем цилиндре, подпружиненной крышки, прикрепленной к наружному цилиндру, обеспечивающей сохранность отобранной пробы при подъеме прибора через толщу водоема, защелку, фиксируемую крышку от закрывания в положении внедрения прибора в грунт, а после его извлечения из грунта освобождающую крышку от фиксации 1. Прибор работает следующим образом. Прибор с открытым входным отверстием с зафиксированной при помощи защелки крышкой на тросу опускают в водоем, где внутренний цилиндр с гильзой под тяжестью прибора внедряется в грунт. При натяжении подъемного троса внутренний цилиндр входит в наружный, нажимает на защелку, защелка освобождает крышку, которая, под действием пружины, закрывает нижние отверстия цилиндров с находящимся в них образцом грунта, удерживая его от выпадения. К недостаткам конструкции прибора следует отнести 1) необеспечение возможности отрыва грунта от основы, так как прибор не имеет приспособления для отрыва керна 2) перекрывание входного отверстия только после того как внутренний цилиндр поднят из скважины, что может привести к потере части керна, особенно если грунт слабый и водонасыщенный 3) опускание прибора до внедрения в грунт с открытым входным отверсти 2 5404 1 ем не способствует отбору представительной пробы, особенно если имеет место отбор проб донных отложений из водоемов, загрязненных высокотоксичными или радиоактивными веществами, которые в больших количествах находятся в воде. Наиболее близким по своей технической сущности является пробоотборник, предназначенный для отбора проб донных отложений или ила, включающий корпус в виде цилиндрического стакана с ограничительным кольцом, наконечник с наружной кольцевой проточкой и с осевым каналом, помещенный в нижней части стакана, поршень с полым штоком и обратным клапаном внутри, опору в виде горизонтального кольца с выступами на нижней ее поверхности и с отверстием под цилиндрический стакан с подпружиненной пластиной, стойки с перекладинами, две серьги для троса подъема и опускания пробоотборника, серьгу с тросом для извлечения его из грунта и фиксирующий механизм штока 2. Устройство работает следующим образом. Корпусу и штоку пробоотборника придают исходное положение, устанавливая корпус до взаимодействия кольцевой проточки наконечника с пластиной подпружиненного элемента, погружение в воду осуществляют при помощи троса, прикрепленного к серьгам стоек, и далее под действием собственного веса до грунта. При контакте опорного кольца с плотным грунтом из-за резкого торможения подпружиненная пластина выходит из кольцевой проточки наконечника и корпус под действием инерции внедряется в грунт до упора ограничительного кольца в опорное кольцо. Поршень при этом неподвижен, корпус перемещается вниз относительно поршня,а воздух из надпоршневого пространства через канальные отверстия в полом штоке, полость штока и обратный клапан стравливается во внешнюю среду. При упоре ограничительного кольца корпуса в опорное кольцо, из-за торможения и за счет отдачи, корпус резко устремляется вверх и в этот момент происходит отрыв керна от основания. Подъем пробоотборника осуществляется тросом, прикрепленным к серьге штока, при этом раскрывается запорный механизм штока и шток перемещается вверх до упора поршня в дно стакана. При перемещении поршня вверх воздух из подпоршневого пространства корпуса через отверстия в полом штоке, полость штока и обратный клапан стравливается в воду. Под давлением внешней среды в камере создается разряжение, за счет чего проба удерживается в подпоршневом пространстве корпуса и перемещается вместе с корпусом вверх. При достижении поршнем дна стакана корпуса последний продолжает двигаться до упора в перекладину, при этом наконечник поднимается выше опорного кольца и пластина под действием пружины перекрывает отверстие наконечника, предотвращая выпадение пробы из корпуса. К недостаткам конструкции устройства следует отнести использование подпружиненной пластины, размещенной на опоре для перекрытия входного отверстия стакана и для фиксации пробоотборника в исходном положении. Так как перекрытие входного отверстия пробоотборника происходит только при подъеме наконечника выше опорного кольца. Что не обеспечивает полный отбор пробы в случае большой толщины водонасыщенного слоя грунта, когда наконечник не доходит до плотных слоев грунта и проба частично может выпасть из стакана, и только когда пробоотборник внедряется в плотный грунт, происходит заклинивание плотного грунта во входном отверстии стакана, и отобранная проба, полностью извлекается из скважины. А только тогда, когда наконечник пробоотборника выходит из скважины выше опорного кольца происходит перекрытие входного отверстия. Задачей настоящего изобретения является создание пробоотборника, позволяющего производить отбор проб донных отложений без нарушения их естественной структуры при разной плотности грунтов, включая рыхлые и водонасыщенные слои и взвеси. Поставленная задача решается тем, что пробоотборник донных отложений, включающий корпус в виде цилиндрического стакана с ограничительным кольцом, наконечник,поршень с полым штоком и обратным клапаном внутри штока, опору в виде горизонтального кольца с выступами на нижней ее поверхности с отверстием под цилиндрический 3 5404 1 стакан, подпружиненную пластину, установленную на поверхности опоры с возможностью фиксировать положение стакана, стойки с перекладинами, серьги, фиксирующий механизм штока, гильзу и запорный механизм перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана. Отличительной особенностью устройства является то, что на нижней части запорного механизма, содержащего пластины прямоугольной формы, выполненной с заостренной режущей кромкой, установлены створки квадратной формы, две противолежащие из которых неподвижные и две подвижные на осях, край которых в верхней части выступает за пределы периметра запорного механизма, содержит затвор, включающий подпружиненные скобы сложной конфигурации с верхней выборкой к пластинам, установленные с возможностью перемещения в вертикальной плоскости вдоль пластин до выступающего верхнего края подвижных створок и упора в него с возможностью его фиксации в открытом и перекрытом положении входного отверстия цилиндрического стакана, к корпусу цилиндрического стакана жестко прикреплен ограничитель движения запорного механизма, обеспечивающий контакт подвижных створок запорного механизма, установленного с возможностью перемещения вдоль цилиндрического стакана, с наружной поверхностью цилиндрического стакана при внедрении пробоотборника в донные отложения и выход из него, при извлечении пробоотборника из скважины, причем запорный механизм расположен ниже опоры в пределах объема, ограниченного ее выступами, и наружной поверхности цилиндрического стакана выше запорного механизма выполнена кольцевая проточка,имеющая возможность входить в контакт с подпружиненной пластиной. На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении продольный разрез. На фиг. 2 изображено то же устройство в позиции после отбора пробы, при перекрытом входном отверстии. На фиг. 3 изображено запорное устройство, вид сверху. На фиг. 4 изображен пробоотборник со стороны крепления фиксирующего устройства в виде подвижной скобы. Пробоотборник содержит корпус в виде цилиндрического стакана 1, ограничительное кольцо 2, наконечник 3, поршень 4 с полым штоком 5, обратный клапан 6, опору 7 с выступами 8 и отверстием 9 опоры, подпружиненную пластину 10, стойки 11 с перекладинами 12, серьги 13, фиксирующий механизм штока 14, гильзу 15, отверстие 16 стакана,пластины 17, режущую кромку 18, подвижные створки 19, неподвижные створки 20, оси 21,край 22 створок, затвор 23, скобы 24, скосы скоб 25, ограничитель движения запорного механизма 26, проточка 27. На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении продольный разрез. Устройство включает в себя корпус, выполненный в виде цилиндрического стакана 1 с ограничительным кольцом 2, которое предназначено для установки глубины погружения пробоотборника в грунт. Пробоотборник подготовлен к отбору пробы донных отложений. Поршень 4 опущен не до конца в нижнее положение, стакан 1 зафиксирован подпружиненной пластиной 10, наконечник 3 стакана 1 находится между подвижными створками 19 запорного механизма, полый шток 5 зафиксирован фиксирующим механизма 14 в положении, подготовленном к отбору пробы донных отложений вместе с водонасыщенными грунтами и взвесями. На фиг. 2 изображен тот же пробоотборник, что и фиг. 1 в позиции после отбора пробы,при перекрытом входном отверстии. Поршень 4 поднят в верхнее положение в гильзе 15,подвижные створки 19 под действием сопротивления грунта на край 22 при извлечении пробы повернулись на своих осях 21 вовнутрь запорного механизма, скобы 24 под действием пружин опустились и зафиксировали створки 19 в положении перекрытия входного отверстия 16 стакана 1. На фиг. 3 изображено запорное устройство, вид сверху. Видно, что цилиндрический стакан 1 размещен внутри запорного механизма, состоящего из прямоугольных пластин 17. 4 5404 1 Край 22 подвижных створок 19 выступает за габариты запорного механизма, а подпружиненные скобы 24 находятся сверху над подвижными створками. Видны ограничители 26 движения запорного механизма, которые расположены в прорезях пластин 17. На фиг. 4 изображен пробоотборник со стороны крепления фиксирующего устройства в виде подвижной скобы. Видно взаимное расположение элементов пробоотборника цилиндрического стакана 1, штока 5, серьги 13, подпружиненные скобы 24, установленные на пластине 17 над краем 22 створки 19, и режущая кромка пластины 17 и створки 19. Пробоотборник работает следующим образом. Стакану 1 пробоотборника и штоку 5 придают исходное положение, при котором стакан 1 устанавливается в отверстии 9 опоры 7 и фиксируется при помощи подпружиненной пластины 10, при этом наконечник 3 пробоотборника устанавливается между подвижными створками 19, а на штоке 5 укрепляют хомут фиксирующего механизма штока 14 на нужной высоте, определяемой задачей отбора пробы донных отложений - вместе с их жидкой составляющей или без нее, что производится установкой поршня 4 выше нижнего края наконечника 3, когда водонасыщенная часть донных отложений вместе со взвесями входит в полость наконечника 3 при погружении его в грунт, или на уровне нижнего края наконечника 3, когда производят отбор только той части пробы, которая заключена в полости опоры 1 между ее выступами 8. Глубина погружения стакана 1 в грунт устанавливается при помощи ограничительного кольца 2. Погружение пробоотборника в воду осуществляется посредством троса, прикрепленного к серьгам 13 стоек и далее под действием собственного веса. При контакте опоры 7 с грунтом, из-за резкого торможения, подпружиненная пластина 10 выходит из кольцевой проточки 25 в стакане 1 пробоотборника и он, под действием кинетической энергии падения, врезается в грунт. При этом поршень 4 неподвижен. При достижении корпусом 1 заданной глубины отбора пробы происходит резкое его торможение из-за контакта ограничительного кольца 2 с опорой 7, и, за счет отдачи, стакан 1 резко устремляется вверх и,в этот момент, происходит обрыв керна от основания, а выступающий верхний край 22 подвижных створок 19, за счет сопротивления грунта, тормозит движение корпуса 1, и подвижные створки 19 поворачиваются на своих осях 21 и перекрывают входное отверстие 16 стакана 1 корпуса, а подпружиненные скобы 24 фиксируют их в этом положении. Подъем пробоотборника осуществляется тросом, прикрепленным к серьге 13 штока 5 поршня 4, при этом рычажки фиксирующего механизма 14 штока 5 выходят из зацепления с фиксаторами, и шток 15 поршня 4 поднимает поршень 4. При движении поршня 4 вверх воздух, находящийся над поршнем 4, через клапан 6 выдавливается из корпуса, а под поршнем образуется разряженное пространство и, за счет разряжения, проба удерживается в стакане 1 и поднимается вместе с корпусом 1, не оказывая давления на подвижные створки 19. При достижении поршнем 4 дна стакана корпуса 1 он продолжает двигаться до вхождения подпружиненной пластины 10 в кольцевую проточку 25, и движение корпуса 1 на этом прекращается. Извлечение отобранной пробы осуществляется следующим образом. Ложат корпус 1 пробоотборника в горизонтальное положение, отводят подпружиненную пластину 10 и вытаскивают корпус 1 из опоры 7 и открывают подвижные створки 19, предварительно подняв подвижные скобы 24 и фиксируя положение створок 19 вдоль стакана 1. Отвинчивают кольцевой наконечник 3 и вынимают из стакана гильзу 15 вместе с отобранной пробой, и направляют ее на исследование. По сравнению с прототипом конструкция предложенного пробоотборника имеет следующие преимущества выполнение запорного механизма перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана в виде короба из прямоугольных пластин, где две противоположные из них имеют квадратной формы створки на их нижней части с заостренными нижними режущими кромками и имеющими в своей верхней части выступающий за пределы периметра затворного механизма верхний край створок, и крепление каждой из под 5 5404 1 вижных створок на горизонтальной оси позволяет, при внедрении пробоотборника в донные отложения со слабыми водонасыщенными грунтами или илом при их большой толщине, производить отбор этих отложений непосредственно на глубине скважины и там же перекрывать входное отверстие стакана непосредственно в скважине подпружиненной скобой, что и обеспечивает отбор представительной пробы при любой водонасыщенности грунта. Выполнение запорного механизма перекрытия входного отверстия 16 цилиндрического стакана 1 из прямоугольных пластин 17 с квадратной формы створками 19 на нижней его части с заостренными нижними режущими кромками 18 и крепление каждой из подвижных створок 19 на горизонтальной оси 21, установленной ниже верхнего выступающего края 22 створок 19 с внутренней стороны запорного механизма, обеспечивает возможность свободного поворота подвижных створок 19 на оси 21 внутрь пространства,образованного створками 19, что обеспечивает перекрытие входного отверстия 16 стакана 1. Выполнение фиксирующего механизма штока 14 в виде двух рычажков с осью вращения и закрепление их с помощью хомута на штоке 5, а фиксаторов их положения на пластинах стабилизатора, обеспечивает жесткую фиксацию штока 5 и неподвижность поршня 4 при вхождении цилиндрического стакана 1 в грунт, и образование разряжения под поршнем 4, когда устройство поднимают из скважины, за счет чего происходит отрыв керна,отобранной пробы, от основания грунта, и освобождение рычажков от фиксации при подъеме пробоотборника из грунта тросом, прикрепленным к серьге 13 штока 5, за счет чего поршень 4 свободно поднимается вверх до упора в дно стакана 1, и далее сам стакан 1 поднимается до положения, когда происходит его фиксация в проточке 27 подпружиненной пластиной 10 опоры 7. Закрепление подвижных створок 19 на горизонтальной оси 21 таким образом, чтобы их верхний выступающий край 22 выступал за пределы поверхности запирающего механизма, а сама ось 21 укреплена на боковых неподвижных пластинах 17, дает возможность производить перекрытие входного отверстия 16 стакана 1 за счет использования сил сопротивления грунта, которые возникают при подъеме устройства из скважины и действуют на край 22 подвижных створок 19, и заставляют подвижные створки 19 поворачиваться на горизонтальной оси 21 до их упора друг в друга. А подвижные скобы 24 фиксируют их в положении близком к горизонтальному относительно стакана 1 пробоотборника, которые в свою очередь, смещаются со своего устойчивого положения под действием сил сопротивления грунта, действующих на скосы скоб 25, при вертикальном извлечении пробоотборника из грунта. Размещение внизу цилиндрического стакана 1 на его боковой поверхности запорного механизма, который выполнен в виде четырехугольной коробки из четырех противоположных неподвижных пластин 17, две из которых имеют длину вместе со створками 19,равную длине прилегающих к ним неподвижным пластинам 17, и выполнение на двух неподвижных противоположных пластинах сквозных прорезей, с размещением в них ограничителей 24 движения запорного механизма и пружин, размещенных вертикально снизу и сверху ограничителей 24, которые жестко прикреплены внизу на поверхности цилиндрического стакана 1, обеспечивает постоянное положение запорного механизма на нижнем конце цилиндрического стакана 1 с некоторым люфтом, который необходим для устойчивого расположения осей 21 подвижных створок 19 против нижнего края наконечника 3 при подъеме пробоотборника из грунта, что является необходимым условием свободного поворота створок 19 на осях 21 для надежного перекрытия входного отверстия 16 цилиндрического стакана 1 пробоотборника, при его извлечении из грунта. А при внедрении пробоотборника в грунт, при движении стакана 1 вниз, наконечник 3 опускается между створками 19 и препятствует им произвести перекрытие входного отверстия 16 стакана 1 до заданной глубины отбора пробы. 5404 1 Выполнение на нижней внешней поверхности неподвижных 17 и подвижных пластин 19 режущей кромки 18 обеспечивает легкое погружение пробоотборника в донные отложения без нарушения структуры слоев отложений в отбираемой пробе. Выполнение фиксирующего элемента в виде подпружиненной подвижной скобы 22,установленной на наружной стенке пластин 17 выше подвижной створки 19 с возможностью взаимодействия с верхним выступающим краем 22 подвижной створки 19, обеспечивает фиксацию подвижной створки 19 в двух положениях, вертикальном при погружении пробоотборника в грунт и горизонтальном, или наклонном, при извлечении пробоотборника из скважины. Выполнение на наружной поверхности стакана 1 выше наконечника 3 кольцевой проточки 27, входящей в контакт с подпружиненной пластиной 10, расположенной на поверхности опоры 7, обеспечивает фиксацию пробоотборника в исходном положении перед отбором пробы. Введение в устройство ограничительного кольца 2 обеспечивает возможность отбора пробы донных отложений из заданной глубины грунта. Выполнение корпуса пробоотборника в виде цилиндрического стакана 1 с гильзой 15,в дне которого имеется отверстие с уплотнителем-сальником для прохода полого штока 5,на нижний конец которого насажен поршень 4, обеспечивает отбор представительной пробы с сохранением целостности и ненарушенной структуры отложений за счет образования разряженного пространства под поршнем 4 и, при отрыве керна от основания, обеспечивает удержание пробы в гильзе 15. Использование в пробоотборнике гильзы 15 для размещения в ней отобранной пробы обеспечивает сохранность пробы при ее перемещении на место испытаний, а выполнение гильзы 15 из пластических материалов обеспечивает возможность производить гаммаспектрометрический анализ распределения радионуклидов по профилю почвы в пробе непосредственно в гильзе, без нарушения структуры слоев пробы. Выполнение опоры 7 с кольцевыми ограничительными выступами 8 обеспечивает отбор пробы донных отложений со взвесями и текучими и слабыми водонасыщенными грунтами и не позволяет текучим грунтам выходить из под опорной плиты при ее контакте с грунтом, и обеспечивает представительный отбор пробы со взвесями и текучими и слабыми водонасыщенными грунтами при вхождении стакана 1 пробоотборника в грунт и при условии нахождения поршня 4 в положении выше края наконечника 3. Выполнение штока 5 поршня 4 полым, имеющим в нижней части отверстие для обеспечения выхода воздуха при погружении пробоотборника в грунт и при движении поршня вверх, а в верхней части имеющим обратный клапан 6 в виде подпружиненного шарикового клапана 6, не дает возможность воде проникнуть в надпоршневое пространство. Источники информации 1.123901, 1959. 2.2017953, 1994. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.