CN103837372B - 一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，包括钻杆、取芯管和钻具对接接头组件；钻具对接接头组件包括传力接头、取芯管对接接头、钻杆对接接头、对接弹簧；取芯管为薄壁圆筒形结构，内壁为光滑的等直径圆筒，内壁的底部和顶部分别安装有防脱落罩，样品通过防脱落罩进入，并且，防脱落罩防止样品落出；钻杆内部为圆筒形空腔，钻杆顶端接头下端为圆柱形空腔，空腔轴向设有两个对称的凹槽，接头上段为锥形，锥顶为圆角，钻杆底端的圆筒形空腔内，设有两个对称的凸起，用于与其他钻杆顶端接头的对称凹槽进行配合；一个钻杆的底端与其他钻杆顶端通过钢球锁紧；本发明采用多根钻具对接的方式实现深层采样，而且每根钻具都可以重复使用。

Description

一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具

技术领域

本发明涉及一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，属于空间资源探测技术领域。

背景技术

自从上世纪60年代前苏联开始尝试深空探测以来，外星球探测能力已经成为一个国家实力和科技水平的重要体现。美国和前苏联早在上世纪六七十年代已经成功实现月球土壤采样并返回，现如今，美国的“旅行者”1号已经飞出四万个地月距离，到达了太阳系的边缘；同时，日本的“隼鸟”号探测器成功的在小行星上采样并返回地球。我国的深空探测“嫦娥工程”才刚刚起步，根据我国的探月计划，月球探测工程分为“绕”、“落”、“回”三个战略阶段，目前正向第二个发展阶段迈进，探月二期要实现月球软着陆和月球车实地勘察，探月三期将要实现对月球样品的自动采集与返回。

地球上的资源是有限的，外星球的资源如果能够加以开发，将会成为地球资源重要的储备和支撑，因此对外星球进行取样且分析其成分，对人类社会能源的可持续发展具有重大意义。钻取式采样器是深空探测采样中最常选用的采样器形式，钻取式的采样方式既可以采集松散的表层样品，也可以进行深层采样，经过特殊的设计还可以进行坚硬的岩石的采样，使得可以采集的样品种类较多。通过增大钻具的体积或数量也可以实现大量的采样。更重要的是，采用钻取形式的采样方式可以完整的取得一段样品，保持了样品的层理信息，样品具有更好的研究价值。

国内外已公开的钻取式采样器按照钻杆数量上分为单杆采样器和多杆采样器两类。现有的单杆采样器如若要实现深层采样，钻杆必须与取样深度一致，则在航天器内部占用尺寸空间较大。现有的多杆采样器钻具结构对对接时两根钻具的位置精度要求很高，已进入外星球土壤中的钻具在与接头分离后若出现钻孔塌陷、埋钻等情况，很有可能使钻具的位置改变，这种位置的改变对于采样器流程设计来说时不可预见，因此当接头带动新的钻具到下钻位置进行对接时，由于位置的偏差很有可能对接不上，甚至无法将已在土壤中的钻具取回。而且无论是单杆采样器还是多杆采样器，钻具取样量受钻杆限制，采样器获得的样品存放在钻具中，钻具全部充满即采样器的最大取样量；若想增大采样器的取样量，必须在原结构的基础上增加钻具数量或者改变钻具结构以增大钻具中心体积。由于钻具工作特点的要求，本身较为厚重，因此增加的采样器的取样量与采样器增加的重量相比比值较小，因此取样量增加的代价较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具。本发明设计的一种新的钻具，增加可与钻具安装对接的独立取芯管，采样返回可只回收取芯管，抛却笨重的钻杆，这样可以减少返回舱的重量；而且每根取芯管均独立，其数量可多于钻杆的数量，采样器根据采样量的需求确定取芯管的数量。

一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，包括钻杆、取芯管和钻具对接接头组件；

钻具对接接头组件包括传力接头、取芯管对接接头、钻杆对接接头、对接弹簧；

取芯管对接接头顶部从传力接头的底部穿入，两者能够相对周向旋转和轴向平移，无法径向运动；

取芯管对接接头与钻杆对接接头上设计有相互配合的对凸起和凹槽，均沿圆周均匀分布，通过凸起与凹槽改变取芯管对接接头与钻杆对接接头的相对位置；

取芯管对接接头上凸起的下方，设有中空圆柱体，圆柱体外围设有对接弹簧，中空圆柱体下端设有弹簧片，钻杆对接接头内设有圆柱形空腔，圆柱形空腔与圆柱体相互配合；

钻杆对接接头的圆柱形空腔的内壁上，设有两个对称的凸起，用于与钻杆顶端接头的对称凹槽进行配合；

取芯管为薄壁圆筒形结构，内壁为光滑的等直径圆筒，内壁的底部和顶部分别安装有防脱落罩，样品通过防脱落罩进入，并且，防脱落罩防止样品落出；

钻杆内部为圆筒形空腔，钻杆顶端接头下端为圆柱形空腔，空腔轴向设有两个对称的凹槽，接头上段为锥形，锥顶为圆角，钻杆底端的圆筒形空腔内，设有两个对称的凸起，用于与其他钻杆顶端接头的对称凹槽进行配合；一个钻杆的底端与其他钻杆顶端通过钢球锁紧；

取芯管位于钻杆内部，取芯管的外围设有弹簧片，取芯管外围的弹簧片与取芯管对接接头的中空腔体内部的弹簧片进行配合。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用多根钻具对接的方式实现深层采样，而且每根钻具都可以重复使用；

（2）本发明采用一种新的封闭型钢球锁紧机构进行钻具的对接，隔绝土壤粉尘的影响，对接安全可靠，钻具之间对接位置精度要求低，可以允许较大的位置偏差；

（3）本发明设计了新的钻具和取芯管的对接接头，可以在工作状态和非工作状态下实现钻具和取芯管的转移或者钻取采样；

（4）本发明具有独立的样品取芯管，取芯管为刚性薄壁管，采样时安装在钻具内部，采样完成后可以独立取出并存放在样品台，因此可以最大程度上的保持采集的土壤样品的层理信息，减少对原样的破坏。取芯管与钻具的分离设计也使得钻具可以多次使用，实现多地点、大量采样。取芯管数量多于钻具，根据采样流程对其进行取放，空间利用率高；

（5）本发明采样器的样品回收只回收取芯管，可以极大减轻返回重量。

附图说明

图1是本发明整体结构立体图；

图2是本发明所述钻具对接接头分解立体图；

图3是本发明所述取芯管立体图；

图4是本发明所述取芯管安装防脱落罩立体图；

图5是本发明所述钻杆顶端和底端细节立体图；

图6是本发明所述钻杆对接原理图；

图7是本发明所述钻具对接接头与钻具对接原理图；

图8是本发明所述取芯管接头弹簧片和取芯管弹簧片立体图；

图9是本发明所述取芯管对接接头与取芯管对接原理图；

图中：

1传力接头2扭矩传递销3取芯管对接接头

4钻具对接接头5钻杆5.1第一根钻杆

5.2第二根钻杆6取芯管7对接弹簧

8防脱落罩9取芯管弹簧片9.1取芯管第一块弹簧片

9.2取芯管第二块弹簧片10取芯管刚性挡板10.1取芯管第一块刚性挡板

10.2取芯管第二块刚性挡板11锁紧钢球12取芯管对接接头弹簧片

12.1取芯管对接接头第一块弹簧片12.2取芯管第二块弹簧片

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，如图1所示，包括钻杆组件、取芯管6和钻具对接接头组件三大部分。其中，取芯管和钻杆可以根据采样需求分别选用多根实现对接，取芯管的数量可多于钻杆的数量。

钻具对接接头组件如图1、图2所示，包括顺次连接的传力接头1、扭矩传递销2、取芯管对接接头3、钻杆对接接头4、对接弹簧7。

取芯管对接接头3顶部从传力接头1的底部穿入，穿入后两者可以相对周向旋转和轴向平移，但径向运动被配合的圆柱面限制。传力接头1上开有两个对称的长槽，长槽形成扭矩传递销安装孔，取芯管对接接头3上钻有扭矩传递销安装孔，取芯管对接接头3与传力接头1对接后，将扭矩传递销2穿过传力接头1上的扭矩传递销安装孔和取芯管对接接头3上的安装孔，此时传力接头1与取芯管对接接头3之间轴向被固定，由于传力接头上1的槽孔的设计，传力接头1和取芯管对接接头3之间还可以存在135°的周向旋转自由角度。即无论两者相对正转还是反转，最大相对旋转135°，最小0°，扭矩传递销2即可与槽孔侧面接触，两者之间即可通过扭矩传递销2接触传递扭矩。

取芯管对接接头3与钻杆对接接头4上设计有相互配合的3对凸起和凹槽，均沿圆周均匀分布。取芯管对接接头3上三个凸起的最上方一侧面均设有一个小凸起，钻杆对接接头4上三个凸起的最下方一侧面均设有一个小凹槽，小凸起与小凹槽相互配合。取芯管对接接头3上凸起的下方，设有圆柱体，圆柱体外围设有对接弹簧7，钻杆对接接头4内设有圆柱形空腔，圆柱形空腔与圆柱体相互配合。设取芯管对接接头3的凸起中，最上方为H面，小凸起侧面为D面，有小凸起一侧凹槽侧壁为C面，凹槽另外一个侧壁为B面，凹槽底面为N面。设钻杆对接接头4的凸起中，最上方为I面，小凹槽凹进的侧面为G面，有小凹槽一侧凹槽侧壁为F面，凹槽另外一个侧壁为E面，凹槽的底面为J面。

取芯管对接接头3底部穿入钻杆对接接头4中，通过一根对接弹簧7连接取芯管对接接头3的H面（底面平面）和钻杆对接接头4的J面，该对接弹簧7为双向弹簧，在拉伸和压缩时都能使用，通过该弹簧7的限制和相应的机械限位共同作用，使得在采样器的整个工作流程中，H面与J面最小距离为0，最大距离的情况下H面不高于钻杆对接接头4的I面（即凸起的高度）。因此，在驱动钻杆5正转时，两者最大相对旋转15°，最小旋转0°，取芯管对接接头3的B面即可与钻具对接接头4的E面接触从而传递扭矩。在驱动钻杆5反转时，两者最大的相对旋转角度也为15°，最小0°，即可传递反向的扭矩。根据取芯管对接接头3和钻杆对接接头4的相对高度位置的不同，传递反向扭矩的接触面有所不同。当H面与J面接触时，为取芯管对接接头3的C面和D面与钻杆对接接头4的F面和G面接触传递扭矩。当H面与J面分离时，为D面与F面接触传递反向扭矩。正转比反转时扭矩传递面要大一些，这也是考虑到在钻取采样过程中受力较大，而反转上升时受力较小，从而规划的正反转的动作流程。

取芯管6如图3所示，取芯管6为薄壁圆筒形结构，内壁为光滑的等直径圆筒，外壁下半部分扩大的直径部分作用为辅助进行钻具的对接。

为了防止进入取芯管6的样品脱落，取芯管6内壁安装有防脱落罩8，如图4所示，底部和顶部各有一个，防脱落罩8为半球形，沿圆周均匀分布多片弹性叶片，自然状态为闭合状态。当土壤样品从底部进入取芯管6时，将防脱落罩8叶片压开，土壤样品进入取芯管6。但是当土壤样品具有落出取芯管6的趋势时，力会作用在叶片上，将防脱落罩叶片关闭。取芯管6上下端安装的两个防脱落罩8保证取芯管内的土壤样品为单向运动，只进不出，不会遗失。取芯管6在与钻杆5对接安装后底部被钻杆5限位，顶部被其上的取芯管6或者取芯管对接接头3限位，保持取芯管6在轴向位置的稳定性。取芯管6外壁与钻杆5内壁配合，使取芯管6与钻杆5之间没有径向相对位移。取芯管6的周向并没有完全定位，因为钻取采样时时取芯6本身旋转与否并不会影响样品的获取，也不会影响所获得样品的层理信息，因此取芯管6周向的自由度并不会影响其工作性能。

本发明钻杆之间对接锁定与解锁原理：

如图5所示，钻杆5顶端的接头设计为锥形，锥顶为圆角。内孔和外壁均为锥形结构，使得对接初始时有较大的容错性，即使两根钻杆5之间径向相对位置有偏差也能实现可靠对接。接头底部为圆柱形，使两根钻杆5完全对接后保持稳定。根钻杆5底端对接起始位置也设计为同样的锥形孔起始、底部圆柱孔的形式。

在钻杆5需要对接时，一根钻杆5.1已经钻入月壤中，接头顶端暴露在外。待对接的钻杆5.2一边旋转一边下钻，由于锥形起始端和圆角的设计，即使在两根钻杆5对接接触时并不是完全配合后需要的周向位置，随着钻杆5的旋转和下钻，两根钻杆5之间可以一边相对滑动一边对接，不会再对接完成之前就轴向卡死，结合钻杆对接接头组件具有一定周向自由度的结构，使位于上部的钻杆5.2逐渐移动到完全对接配合的位置。这种对接方式的设计进一步提高了钻杆5对接的容错性，使得钻杆5对接时周向的误差不会影响钻杆5的对接。

钻杆5之间正反向扭矩的传递靠两根钻杆5对接后两根钻杆5在径向的面接触传递，如图5所示，对接完成后图示O1和P1、O2和P2都紧密配合，因此无论钻杆5正转还是反转都可以稳定传递扭矩。

钻杆5对接后向下的轴向力，即钻取采样过程中钻进力由两根钻杆5对接之后的横截面的接触，通过完整圆环面的配合可以稳定传递较大的钻压力。向上的轴向力，即钻取采样结束后的钻杆5的提升力通过设计的钢球锁紧机构的来传递，由于此时只需要克服钻杆5和样品的重力以及已经被钻松散的模拟土壤碎屑的摩擦力，受力较小。

钻杆5对接的钢球锁紧机构的锁定和解锁通过取芯管6的动作来实现。根据采样器工作流程的设计，在钻杆5对接之后再放入取芯管6，将两根钻杆5.1与5.2的钢球锁紧机构锁定，在将两根钻杆5.1与5.2分离之前，需要先将取芯管6取出，以解锁两根钻杆5之间的钢球锁紧。采样器的工作流程与钻杆5对接的解锁和锁定是相互配合，互不干涉的。

钻杆5对接所利用的钢球锁紧机构的工作原理如图6所示。在钻具5.1的顶部接头设计有圆孔，该圆孔内安装有钢球11，该钢球11可以沿该圆孔轴向自由移动，但在通孔的两端被锁死，使钢球11不会从圆孔中脱出，如图6（a）所示。在钻杆5.1接头的内圈加工有一个梯形槽，该梯形槽腰边刚好与钢球11相切，如图6（c）所示。设计钻杆5.2底端接头的内径与钻杆5.1顶端接头的外径相等，钻杆5.1顶端接头的内径与取芯管6底端的外径相等，因此对接后取芯管6、钻具5.1顶端接头和钻具5.2底端接头的三个圆弧面能相互接触配合。在钻杆5对接的初始阶段，相对位置如图6（a）、6（b）所示。钻杆5.2继续向下平移，直到钻杆5.2底部接头的内径面接触钢球11，将钢球11推向右侧，如图6（c）所示。钻杆5.2继续向下移动，直到钻杆5.1与钻杆5.2环形面接触被机械限位。此时钻杆5.2底端接头的梯形槽的中心线刚好位于钢球11和钻杆5.1顶端接头圆孔的中心线位置，如图6（d）所示。之后取芯管6在对应机构的驱动下开始向下移动，当取芯管6底端的外径面与钢球11接触后，开始将钢球11向左侧推动，直到使钢球11与钻杆5.2底端接头的内径面的梯形槽相切，如图6（e）所示。只要保持取芯管6轴向的位置，钢球11就会处于被锁死的状态，因此钻杆5.1顶部接头和钻杆5.2底部接头也处于被锁死的状态。根据采样器工作流程的设计，在钻取采样和反转上升过程中，取芯管6的轴向位置都被限制，即钻杆5.1和钻杆5.2一直处于锁死状态，可以传递提升力。

本发明钻杆对接接头4与钻杆对接原理：

钻杆对接接头4的内圈与钻杆5接头部位有对应的两对凸台和凹槽，如图7所示，钻杆对接接头4与钻杆5的对接与钻杆5.1与5.2之间对接的方式相同。完成对接后钻杆对接接头4的T面与钻杆5的U面重合，P面与S面重合，Q面与R面重合。在需要驱动钻杆5正转时，靠Q面与R面的接触传递扭矩，当需要钻杆5反转时，靠P面与S面的接触传递扭矩。

本发明取芯管对接接头与取芯管对接原理：

取芯管对接接头3与取芯管6之间的连接主要靠两对弹簧片（9和12）实现，如图8所示。取芯管接头弹簧片12的底边与取芯管对接接头3固定，自然状态下弹簧片12张开，与内径面成一定角度。在弹簧片12受由内而外的径向力情况下，可以发生弹性变形与取芯管对接接头3内壁完全贴合。取芯管弹簧片9顶边与取芯管6固定，自然状态下取芯管弹簧片9张开与取芯管6外径面成一定角度。在取芯管弹簧片9受由外向内的径向力的情况下，可以发生弹性变形与取芯管6外径面完全贴合。

取芯管对接接头3与取芯管6的对接方式原理为：初始状态时，取芯管对接接头3位于取芯管6的上方，准备对接，取芯管对接接头3开始向下运动。当取芯管对接接头弹簧片12与取芯管弹簧片6在横截面没有重叠时，取芯管对接接头弹簧片12和取芯管弹簧片9相互不接触，也不发生变形。当取芯管对接接头弹簧片12与取芯管6上的刚性挡板10在横截面有重叠时，随着取芯管对接接头3的下降，刚性挡板10与取芯管对接接头弹簧片12的内径面接触，取芯管对接接头弹簧片12随着取芯管接头3的下降而被取芯管刚性挡板10挤压变形，直到取芯管对接接头3下降到位，取芯管对接接头弹簧片12在取芯管刚性挡板10的支撑下被压在取芯管对接接头3的内径面。当取芯管对接接头弹簧片12与取芯管弹簧片9在横截面有重叠但与取芯管刚性挡板9横截面没有重叠时，随着取芯管对接接头3的下降，取芯管对接接头弹簧片12的内径面与取芯管弹簧片9的外径面接触，两者相互挤压，取芯管对接接头弹簧片12向内变形，取芯管弹簧片9向外变形，直到取芯管对接接头3带动弹簧片12运动到取芯管弹簧片9的下方之后，两对弹簧片脱离接触，均恢复原形，如图9（a）所示。

在取芯的过程中，取芯管对接接头3向上提升，取芯管对接接头弹簧片12与取芯管弹簧片9扣合卡死，取芯管6随着取芯管对接接头3的上升而被提升，如图9（b）所示。对称分布的两对弹簧片共同作用保证提升力的平衡和提升时取芯管的稳定。

当需要将取芯管6与取芯管对接接头3分离时，取芯管对接接头3先向下运动，直到取芯管接头弹簧片12完全位于取芯管弹簧片9的下方。随后取芯管对接接头3正向旋转≥45°，取芯管接头弹簧片12与取芯管弹簧片9在横截面上就不会再有重叠，取芯管接头3向上移动，接头3与取芯管6即可脱开。在取芯管接头3正向旋转时，如果旋转超过180°，取芯管对接接头弹簧片12会被刚性挡板10的另一侧挡住，取芯管6会随着取芯管对接接头3共同旋转，保证取芯管接头弹簧片12和取芯管弹簧片9在取芯管对接接头3正向旋转时不会重叠，使得取芯管接头3与取芯管6可以顺利脱开。

因此本发明具有对接可靠、采样量与采样深度灵活可选、取芯管回收重量轻、可以最大程度上的保持采集的土壤样品的层理信息和减少对原样的破坏的优点。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，包括钻杆、取芯管和钻具对接接头组件；

钻具对接接头组件包括传力接头、取芯管对接接头、钻杆对接接头、对接弹簧；

取芯管对接接头顶部从传力接头的底部穿入，两者能够相对周向旋转和轴向平移，无法径向运动；

取芯管对接接头与钻杆对接接头上设计有相互配合的对凸起和凹槽，均沿圆周均匀分布，通过凸起与凹槽改变取芯管对接接头与钻杆对接接头的相对位置；

取芯管对接接头上凸起的下方，设有中空圆柱体，圆柱体外围设有对接弹簧，中空圆柱体下端设有弹簧片，钻杆对接接头内设有圆柱形空腔，圆柱形空腔与圆柱体相互配合；

钻杆对接接头的圆柱形空腔的内壁上，设有两个对称的凸起，用于与钻杆顶端接头的对称凹槽进行配合；

取芯管为薄壁圆筒形结构，内壁为光滑的等直径圆筒，内壁的底部和顶部分别安装有防脱落罩，样品通过防脱落罩进入，并且，防脱落罩防止样品落出；

钻杆内部为圆筒形空腔，钻杆顶端接头下端为圆柱形空腔，空腔轴向设有两个对称的凹槽，接头上段为锥形，锥顶为圆角，钻杆底端的圆筒形空腔内，设有两个对称的凸起，用于与其他钻杆顶端接头的对称凹槽进行配合；一个钻杆的底端与其他钻杆顶端通过钢球锁紧；

取芯管位于钻杆内部，取芯管的外围设有弹簧片，取芯管外围的弹簧片与取芯管对接接头的中空腔体内部的弹簧片进行配合。

2.根据权利要求1所述的一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，所述的传力接头上开有两个对称的长槽，长槽形成扭矩传递销安装孔，取芯管对接接头上钻有扭矩传递销安装孔，取芯管对接接头与传力接头对接后，将扭矩传递销穿过传力接头上的扭矩传递销安装孔和取芯管对接接头上的安装孔。

3.根据权利要求1所述的一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，所述的取芯管外壁下半部分直径扩大。

4.根据权利要求1所述的一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，所述的防脱落罩为半球形，沿圆周均匀分布多片弹性叶片。

5.根据权利要求1所述的一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，所述的钻杆的底端与另一个钻杆顶端通过钢球锁紧，在钻杆的顶端设有圆孔，该圆孔内安装有钢球，钢球能够沿该圆孔轴向自由移动，两端被锁死；在另一个钻杆底端内圈设有梯形槽，梯形槽腰边与钢球相切，钻杆顶端接头外径与钻杆底端内径相等。

6.根据权利要求1所述的一种带取芯管的多杆深层采样器取样钻具，所述的取芯管对接接头中空腔体内部的弹簧片下端与取芯管对接接头连接，上端为自由端，取芯管外围的弹簧片上端与取芯管连接，下端为自由端。