深海沉积物取样器及其球阀关键技术的研究

摘要

深海微生物具有巨大的研究价值，近年来对海洋微生物的研究越来越热。深海是一个具有低温或高温、高压、高盐、寡营养、黑暗等极端环境特征的生态系统，深海微生物在生存进化过程中已经适应了这样极端特殊的环境。研究指出压力和温度是影响深海微生物代谢繁殖甚至生存的关键要素，室内模拟这种深海环境对于研究者进行相关研究具有重要意义。为了深海微生物地面实验室的培养研究，研究者需要一套可以实现深海微生物样品保真取样、转移与培养的一体化设备。
　　论文围绕深海微生物保真采样和保压转移的过程，旨在研制一套实现保真取样和保压转移用途的深海微生物取样器。对取样器整体设计进行了讨论与分析，对现有的密封方式进行了分析总结与改进设计，对压力维持方式进行了比较、总结与选择以及对其重要零部件结构尺寸与参数进行了理论分析。从取样器上、下球阀的密封原理出发，对取样器球阀的球体与阀座之间的密封比压、密封力和摩擦力矩进行了理论分析，得到了球阀密封比压、摩擦力矩与其工作压力之间的关系。从下球阀的机械动作式密封原理出发，对取样器采样密封用球阀的密封比压和摩擦力矩进行了仿真计算分析，得到了密封副的表面比压分布和更准确的摩擦转矩结果。对取样保压转移用球阀在不同压力条件下的摩擦力矩进行了实验探索与研究，验证了上球阀开启扭矩的理论分析。
　　论文具有一定的新颖性和意义，为上、下两种不同球阀的进一步研究与应用提供了一定的设计和优化依据。尤其是下球阀纯机械驱动启闭球阀的结构设计，巧妙地利用了环境阻力和自身重力来提供驱动力，提升了采样器球阀结构的紧凑性以及保真采样的可靠性。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 深海微生物的研究简史

1．1．2 深海微生物的研究价值

1．1．3 深海微生物的研究方法

1．2 海底沉积物取样技术的发展状况

1．2．1 HYCINTH系统

1．2．2 天然水合物保真取样器

1．3 课题研究的意义与内容

1．3．1 课题研究意义

1．3．2 课题研究内容

1．4 本章小结

第2章 保真取样器的整体方案研究

2．1 对接设备简介

2．1．1 保压转移装置

2．1．2 保真培养装置

2．2 保真取样器整体方案

2．2．1 工作原理

2．2．2 取样器的构成

2．2．3 压力维持系统

2．2．4 采样密封方式

2．3 重要零部件参数的计算分析

2．3．1 取样简体

2．3．2 球阀的重要零件

2．3．3 蓄能器压力补偿

2．4 本章小结

第3章 取样器球阀启闭性能的理论分析

3．1 球阀的密封性能

3．1．1 球阀的密封机理

3．1．2 密封比压的理论推导

3．1．3 球阀密封力的计算

3．2 球阀的开启扭矩

3．2．1 球体与阀座密封圈之间的摩擦转矩Mm

3．2．2 阀杆与填料函之间的摩擦转矩Mt

3．2．3 阀杆与止推垫之间的摩擦转矩Mu

3．2．4 阀杆与轴承之间的摩擦转矩Mc

3．3 取样器球阀关键参数的理论计算

3．3．1 上球阀的关键参数计算

3．3．2 下球阀的关键参数计算

3．4 本章小结

第4章 采样密封用球阀的数值模拟分析

4．1 有限元接触分析

4．1．1 罚函数

4．1．2 拉格朗日乘子法

4．1．3 增广拉格朗日法

4．2 密封比压的有限元分析

4．2．1 密封阀座与球体的实体建模

4．2．2 球阀密封副的网格划分

4．2．3 仿真边界条件设置

4．2．4 有限元求解

4．2．5 仿真结果的后处理

4．2．6 径向密封宽度优化后的仿真分析

4．3 球阀的旋转扭矩有限元分析

4．3．1 实体建模与有限元分析前处理

4．3．2 有限元求解与数据后处理

4．4 本章小结

第5章 保压转移用球阀的实验研究

5．1 实验目的与内容

5．2 实验设备与操作

5．3 结果分析与结论

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历