《Journal of Marine Science and Engineering》：Design and Tests of a Small-Diameter Vibrator for Sampling Subglacial Sediments
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为了获取厚度为3000~4000米的南极冰盖下方的沉积物样品，取心器的直径受到严格限制（≤200 mm），且冰下沉积物可能具有较高的强度。振动取心法在此场景下具有优势，然而现有的敞水式振动取心器在直径缩小后难以维持所需的穿透能力。本文设计了一种能够在尺寸约束下
为了获取厚度为3000~4000米的南极冰盖下方的沉积物样品，取心器的直径受到严格限制（≤200 mm），且冰下沉积物可能具有较高的强度。振动取心法在此场景下具有优势，然而现有的敞水式振动取心器在直径缩小后难以维持所需的穿透能力。本文设计了一种能够在尺寸约束下实现足够穿透能力的振动器。采用“立式电机+同步带传动+偏心块轴向布置”的方案，该振动器可在160 mm直径下叠加各偏心块的激振力，理论设计激振力在50 Hz时为10.08 kN。对三偏心块和四偏心块样机的实验室测试表明，该方案机械性能良好。装配耐压壳体的四偏心块组件也能正常振动，且在实验室测试中未观察到结构异常。根据测试结果可以推断，在当前样机基础上进一步改进后，取心器有望达到理论设计目标。六偏心块配置及实际穿透性能尚待未来工作验证。
研究背景与问题
南极冰盖在冰期-间冰期旋回中持续进退，搬运的颗粒物质在冰下沉积形成冰下沉积物。气候、冰盖、冰下水文系统和冰下沉积物密切相关，后者记录了前三者的协同演化历史。分析沉积物可为理解当前气候变化及预测南极冰盖和全球气候的未来趋势提供关键证据，同时也是研究极端环境微生物的重要基质。获取沉积物样品是开展这些研究的先决条件。
冰下沉积物取样是极地海洋工程中的典型挑战。需通过热钻在厚达3000-4000米的冰层中创建钻孔，钻孔直径通常为300-500毫米。冰钻孔形成后会因再冻结而闭合，因此取心装置的尺寸受到严格限制，以确保能够成功布放和回收。此外，浅层冰下沉积物并非总是软弱的，特别是在冰下湖环境中，低沉积速率使得浅层沉积物有足够时间固结，从而具有较高的抗剪强度。宽范围的粒径分布是冰下沉积物的另一关键特征。
基于驱动机制，冰下沉积物取样方法可分为三类：静力贯入取样、冲击取样和振动取样。振动取样利用高频振动的激振力与取心器自重将取心管贯入沉积物。高频振动改变土体结构，有效降低贯入阻力并增加样品长度。此外，升降取心器的缆绳在整个贯入过程中保持张力，取心器不易倾倒。振动取样适用于饱和砂、粉土和软黏土等地层，配备钢制取心管后也可在含砾石和硬黏土地层中实现有效取心。
振动取样可提高取样成功率，在南极条件下具有良好的应用前景。该方法面临的关键挑战是在尺寸限制下实现令人满意的穿透能力。大多数敞水式振动取心器的激振单元采用双轴激振器，其偏心块横向布置，在尺寸限制下偏心质量必须很小，难以满足穿透能力要求。Gong等人开发的SUBSEV（冰下沉积物振动取心器）采用了纵向布置的双振动电机方案，减小了直径（最大直径270毫米），但仍不适用于某些取样场景。
本研究设计并测试了一种用于冰下沉积物取样的小直径振动器。其设计工作深度为3600米，目标穿透能力为在相对均质的冰下沉积物（包括固结沉积物）中至少达到2米。
研究方法与技术路线
研究人员首先根据南极冰下沉积物的特性制备模拟试样并测量其土性参数（内聚力c、内摩擦角φ和管-土界面摩擦系数μcm）。然后，基于土力学理论和振动减阻模型计算静态贯入阻力，并以此为依据设计振动器。振动器的设计采用“立式电机+同步带传动+偏心块轴向布置”方案，并通过理论计算验证了激振力、加速度和振幅等关键参数是否满足三个贯入条件（激振力不小于动态侧壁摩阻力、取心器向下力超过动态端部阻力、振幅达到阈值振幅）。最后，对制造的样机进行了无耐压壳体和集成耐压壳体两种状态下的性能测试，包括启动测试、扫频测试和连续运行测试。
研究结果
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无耐压壳体振动器测试结果
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振动加速度特性：原始加速度波形包含叠加在正弦信号上的高频噪声。随着振动频率增加，加速度基频始终低于指令频率，误差不超过1%。基波振动幅值在频谱中占主导地位，50 Hz时谐波峰值几乎可忽略，总谐波失真（THD）为2.5%。使用巴特沃斯带通滤波器滤波后，加速度波形呈现规则的正弦形状。在不同测试频率下，实测加速度峰值始终低于理论值，两者变化趋势一致。增加一个偏心块对频率误差和噪声水平几乎没有影响，仅加速度幅值按预期变化。连续运行测试中，加速度有效值稳定波动，波形因数接近正弦波。
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功率特性：全负荷直接启动测试中，振动器启动不稳定，有时启动失败并伴随功率尖峰。通过将启动时间从0.5秒调整至5秒，实现了软启动，启动功率仅为运行功率的约115%，且未发生启动失败。在扫频测试中，输入有功功率与频率近似呈线性关系，未观察到功率激增。增加一个偏心块会提高运行功率，但不会改变功率与频率的线性关系。
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带耐压壳体振动器测试结果
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螺栓防松措施中，使用502胶水效果优于锁紧钢丝。
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集成耐压壳体后，振动质量增至81.5千克。与无壳体测试相比，噪声略有增加，源于结构间的意外碰撞。组装系统的振动频率仍与指令频率一致，但实测加速度幅值和振动幅值与理论值的偏差略有增大。运行功率在50 Hz时稳定在约580瓦，功率增量来自振动器在耐压壳体内运行时产生的额外机械损耗。
讨论与结论
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可行性分析：所提出的方案机械可行。振动器自身性能良好，产生低噪声，同步带传动使各偏心块按预设频率同步旋转，产生预期的加速度和激振力。实测加速度与理论值的偏差在合理范围内。规则的加速度波形和稳定的有效值证明设备可连续稳定运行。有功功率随转速线性增加，表明新结构可将机械损失控制在合理范围。集成壳体后，整体组件仍能按预期振动，虽然不规则振动强度略有增加，但基频振动仍占主导地位。振动器在壳体内固定良好。根据测试结果推断，配备六个偏心块和1.5千瓦电机的设备有望正常运行并满足理论设计要求。
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与现有取心器比较：与同级别商业振动取心器相比，本设计的径向尺寸（160毫米）远小于现有设备，同时通过轴向堆叠小偏心块实现了相对较高的激振力（10.08 kN），展现了在保持小直径的同时避免激振力大幅损失的潜力。
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研究局限与未来工作：测试条件与实际工作环境存在差异，如高压低温环境、阻尼力影响、低温下同步带性能退化等问题尚未验证。六偏心块配置的测试尚未进行。未来将更新振动器并进行贯入测试以最终验证。
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研究结论：
（1）为满足钻孔约束下的贯入需求，振动器采用“立式电机+同步带传动+偏心块轴向布置”方案。耐压壳体最大外径160毫米，设计振动质量约130千克，50 Hz时理论设计激振力为10.08 kN。
（2）三偏心块和四偏心块配置的振动器自身表现出良好的机械性能。同步带传动使各偏心块按预设频率同步旋转，噪声水平低。实测加速度与理论值的偏差在4.0%至7.2%之间，表明裸机振动符合预期。新结构可将机械损失控制在合理范围。调整启动时间可实现软启动，启动功率仅比运行功率高15%。
（3）采取螺栓防松措施后，带耐压壳体的四偏心块振动器在实验室条件下正常振动。未观察到耐压壳体结构损坏或螺栓松动，振动器在壳体内固定良好。
（4）根据测试结果推断，配备六个偏心块和1.5千瓦电机的设备有望正常运行并满足理论设计要求。然而，六偏心块取心器的实际振动和贯入性能尚待未来验证。
