CN105064992B - 轴向敲击式钻取采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向敲击式钻取采样装置，包括用于插入土层进行采样的钻杆组件以及用于驱动钻杆组件沿轴向钻入土层的钻进机构；所述钻进机构包括与所述钻杆组件滑动配合的钻杆保持架以及以沿钻杆保持架纵向向下单向移动的方式与钻杆保持架配合的第一推动件和第二推动件，所述第一推动件一端固定连接于钻杆组件，第一推动件另一端通过一连杆组连接于第二推动件，第一推动件、第二推动件与连杆组构成增力机构有效提高钻杆的钻进力，同时可将电机等动力装置的旋转扭矩转换为钻头向下钻进的敲击力，实现小扭矩向大敲击力的转化，从而有效钻进星壤完成采样，降低了钻取采样功耗。

Description

轴向敲击式钻取采样装置

技术领域

本发明涉及钻探取样装置领域，具体是一种轴向敲击式钻取采样装置。

背景技术

前表层采样装置是深空星球着陆探测采样的重要装备。因为钻进式采样对不同星球土壤适应性强，采集较深层土壤样品需要的功耗比插入式和铲挖式采样低，所以目前国外已成功应用的星球土壤采样装置均采用钻进式设计。又由于深空星球特殊土壤性质，低重力环境，复杂地质环境等因素的限制，星球采样装置要区别于地球上用于地质勘探的普通采样装置，钻具在采集星球土壤过程中的力学特性对深层采样装置的钻进规程制定和钻具参数设计有着重要影响。

因此，需要一种以地外行星浅表层钻探采样过程为研究对象，设计一种轴向敲击式钻取采样装置设计方案，可实现低功耗、高可靠采样。轴向敲击式钻取采样装置将増力机构与棘轮棘条机构有效结合，通过对钻取采样过程的钻进阻力实时检测，实现钻取采样钻进速度及钻进力的控制；将进尺电机的输出扭矩通过増力机构传递至钻杆，实现増力效果，降低了钻取采样功耗，对未来地外行星采样装置方案设计具有借鉴意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供能够一种敲击式钻取采样装置将进尺电机等动力装置的输出扭矩通过增力机构传递至钻杆，实现増力效果，降低了钻取采样功耗实现低功耗、高可靠采样。

本发明的轴向敲击式钻取采样装置，包括用于插入土层进行采样的钻杆组件以及用于驱动钻杆组件沿轴向钻入土层的钻进机构；所述钻进机构包括与所述钻杆组件滑动配合的钻杆保持架以及以沿钻杆保持架纵向向下单向移动的方式与钻杆保持架配合的第一推动件和第二推动件，所述第一推动件一端固定连接于钻杆组件，第一推动件另一端通过一连杆组连接于第二推动件；

本发明的轴向敲击式钻取采样装置还包括用于驱动所述钻杆组件绕轴线自转的钻杆旋转机构；所述钻杆旋转机构包括与所述钻杆保持架传动连接的旋转齿轮副以及用于驱动旋转齿轮副转动的旋转电机；

进一步，所述钻杆保持架沿其纵向设有棘条，所述第一推动件与第二推动件均包括与所述棘条配合的棘齿以及用于安装棘齿的棘齿架；

进一步，所述连杆组为二连杆，所述钻进机构还包括滑动配合于钻杆保持架的进尺电机以及连接于进尺电机输出轴与二连杆之间用于驱动二连杆往复摆动的曲柄连杆机构；

进一步，所述曲柄连杆机构包括固定于进尺电机输出轴的曲柄以及铰接于曲柄与二连杆之间的摇杆，所述进尺电机铰接有摇块，所述摇杆与所述摇块单自由度滑动配合；

进一步，所述摇杆包括相互沿纵向滑动配合并相互弹性连接的阴连杆和阳连杆，所述阴连杆和阳连杆之间设有用于采集阴连杆和阳连杆之间相对位移量的位移传感器；

进一步，所述棘齿架垂直于棘条纵向设有棘齿安装孔，所述棘齿包括与所述棘齿安装孔配合的柱形连接部以及与棘条配合的齿体；

进一步，所述钻杆组件包括钻杆和固定于钻杆下端的钻头，所述钻头下端面沿周向分布有钻齿；

进一步，所述钻头沿轴向设有取样孔，钻头上端设有用于连接取样软袋的软袋接口。

本发明的有益效果是：本发明的轴向敲击式钻取采样装置，第一推动件和第二推动件通过现有的止逆机构，如棘轮机构，超越离合器等装置以沿钻杆保持架纵向向下单向移动的方式与钻杆保持架配合，其中第一推动件位于第二推动件下方并固定连接于钻杆组件，且第一推动件与第二推动件通过连杆组连接，利用电机等驱动装置驱动连杆组往复摆动使第一推动件与第二推动件往复靠近和远离，当连杆组拉动第一推动件与第二推动件相互靠近的过程中，第一推动件由于止逆作用将相对于钻杆保持架保持静止，而第二推动件向下移动，当连杆组拉动第一推动件与第二推动件相互远离的过程中，第二推动件由于止逆作用将相对于钻杆保持架保持静止，而第一推动件推动钻杆组件向下移动进行钻探，因此，第一推动件、第二推动件与连杆组构成增力机构有效提高钻杆的钻进力，同时可将电机等动力装置的旋转扭矩转换为钻头向下钻进的敲击力，实现小扭矩向大敲击力的转化，从而有效钻进星壤完成采样，降低了钻取采样功耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的摇杆的结构示意图；

图3为本发明的钻头的结构示意图；

图4为本发明的棘条与棘齿的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图。如图所示，本实施例的轴向敲击式钻取采样装置，包括用于插入土层进行采样的钻杆组件9以及用于驱动钻杆组件沿轴向钻入土层的钻进机构；所述钻进机构包括与所述钻杆组件9滑动配合的钻杆保持架13以及以沿钻杆保持架13纵向向下单向移动的方式与钻杆保持架13配合的第一推动件10和第二推动件3，所述第一推动件10一端固定连接于钻杆组件9，第一推动件10另一端通过一连杆组连接于第二推动件3，第一推动件10和第二推动件3通过现有的止逆机构，如棘轮机构，超越离合器等装置以沿钻杆保持架13纵向向下单向移动的方式与钻杆保持架13配合，其中第一推动件10位于第二推动件3下方并固定连接于钻杆组件9，且第一推动件10与第二推动件3通过连杆组连接，利用电机等驱动装置驱动连杆组往复摆动使第一推动件10与第二推动件3往复靠近和远离，当连杆组拉动第一推动件10与第二推动件3相互靠近的过程中，第一推动件10由于止逆作用将相对于钻杆保持架13保持静止，而第二推动件3向下移动，当连杆组拉动第一推动件10与第二推动件3相互远离的过程中，第二推动件3由于止逆作用将相对于钻杆保持架13保持静止，而第一推动件10推动钻杆组件9向下移动进行钻探，因此，第一推动件10、第二推动件3与连杆组构成增力机构有效提高钻杆的钻进力，同时可将电机等动力装置的旋转扭矩转换为钻头8向下钻进的敲击力，实现小扭矩向大敲击力的转化，从而有效钻进星壤完成采样，降低了钻取采样功耗。

本实施例的轴向敲击式钻取采样装置还包括用于驱动所述钻杆组件绕轴线自转的钻杆旋转机构；所述钻杆旋转机构包括与所述钻杆保持架13传动连接的旋转齿轮副2以及用于驱动旋转齿轮副2转动的旋转电机1，钻杆保持架13可通过固定筋14与齿轮副的从动齿轮固定连接，旋转电机固定于固定架板15上，钻杆保持架13与钻杆组件9沿圆周方向固定，因此，旋转电机1通过选装齿轮组件驱动钻杆保持架13自转，能够实现钻杆组件9的自转，从而实现钻进。

本实施例中，所述钻杆保持架13沿其纵向设有棘条22，所述第一推动件10与第二推动件3均包括与所述棘条22配合的棘齿以及用于安装棘齿的棘齿架24；利用棘轮棘条22机构的止逆特性，保证第一推动件10和第二推动件3均相对于钻杆保持架13纵向做单向给进运动，从而推动钻杆向下钻进。

本实施例中，所述连杆组为二连杆，所述钻进机构还包括滑动配合于钻杆保持架13的进尺电机6以及连接于进尺电机6输出轴与二连杆之间用于驱动二连杆往复摆动的曲柄连杆机构，二连杆包括相互铰接的第一连杆11和第二连杆12，进尺电机6固定于电机基座7并通过电机基座7与钻杆保持架13滑动配合，进尺电机6通过曲柄连杆机构驱动二连杆摆动进而使第一推动件10和第二推动件3往复靠近和远离从而推动钻杆向下钻进，从而实现进尺电机6输出的旋转运动转化为钻杆沿钻杆保持架13的直线运动，同时电机在二连杆的协同作用下将与钻杆同步向下平移。

本实施例中，所述曲柄连杆机构包括固定于进尺电机6输出轴的曲柄以及铰接于曲柄与二连杆之间的摇杆5，所述进尺电机6铰接有摇块4，所述摇杆5与所述摇块4单自由度滑动配合，当然，摇块4可铰接于电机基座7，摇块4用于保持摇杆5的运动方向，以最大效率的将进尺电机6的功率输出至第一推动件10和第二推动件3。

本实施例中，所述摇杆5包括相互沿纵向滑动配合并相互弹性连接的阴连杆16和阳连杆18，所述阴连杆16和阳连杆18之间设有用于采集阴连杆16和阳连杆18之间相对位移量的位移传感器，阴连杆16和阳连杆18之间通过保护弹簧17实现弹性连接，随着钻进深度的增加及地质层的变化，钻进机构所受阻力逐渐增加。当钻进阻力大于某一定值f1时，保护弹簧17被压缩，位移传感器采集的位移量超过设定值，从而激发旋转电机1启动，随着钻进阻力的进一步增加，旋转电机1输出转速与功率随着增大，从而实现钻头8在钻进过程中轴向运动与周向运动的合成，进一步提高钻头8的岩土破碎性能。同时，为防止钻采装置破坏，特别设置旋转电机1停机保护装置，当钻进阻力超过钻杆额定驱动力时，由安装于保护弹簧17内的位移传感器释放停机信号，中止采样。

本实施例中，所述棘齿架24垂直于棘条22纵向设有棘齿安装孔，所述棘齿包括与所述棘齿安装孔配合的柱形连接部23以及与棘条22配合的齿体25，为保证棘齿的刚性与强度，本实施例中取消了棘齿的铰链轴，利用安装孔与棘齿柱形连接部23的配合，实现棘齿可绕定点相对转动，安装孔与棘齿柱形连接部23之间设有扭簧26，同时，为增加棘齿与棘条22的接触面积，减小棘齿架24与棘条22间隙，将棘齿外齿形设计为与棘条22定点相互共轭的曲线。

本实施例中，所述钻杆组件9包括钻杆和固定于钻杆下端的钻头8，所述钻头8下端面沿周向分布有钻齿19；一般来说，在同等钻压下，钻头8唇面工作面积越小，单位面积唇面承受的钻压值就越大，钻头8越容易碎岩。因此采探钻头8设计时，将钻头8齿形设计成连续齿，并且能够保证钻头8唇面可承受相应的钻压，本实施例在钻头8坡面上设计了八个钻头8尖齿便于切碎岩土，钻头8尖端靠外排齿的外缘切削土壤。

本实施例中，所述钻头8沿轴向设有取样孔20，钻头8上端设有用于连接取样软袋的软袋接口21，钻头8钻入星壤后，星壤样本通过取样孔20进入到软袋接口21内，实现浅表层钻探取样。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种轴向敲击式钻取采样装置，其特征在于：包括用于插入土层进行采样的钻杆组件以及用于驱动钻杆组件沿轴向钻入土层的钻进机构；所述钻进机构包括与所述钻杆组件滑动配合的钻杆保持架以及以沿钻杆保持架纵向向下单向移动的方式与钻杆保持架配合的第一推动件和第二推动件，所述第一推动件一端固定连接于钻杆组件，第一推动件另一端通过一连杆组连接于第二推动件；所述连杆组为二连杆，所述钻进机构还包括滑动配合于钻杆保持架的进尺电机以及连接于进尺电机输出轴与二连杆之间用于驱动二连杆往复摆动的曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构包括固定于进尺电机输出轴的曲柄以及铰接于曲柄与二连杆之间的摇杆，所述进尺电机铰接有摇块，所述摇杆与所述摇块单自由度滑动配合，所述摇杆包括相互沿纵向滑动配合并相互弹性连接的阴连杆和阳连杆，所述阴连杆和阳连杆之间设有用于采集阴连杆和阳连杆之间相对位移量的位移传感器。

2.根据权利要求1所述的轴向敲击式钻取采样装置，其特征在于：还包括用于驱动所述钻杆组件绕轴线自转的钻杆旋转机构；所述钻杆旋转机构包括与所述钻杆保持架传动连接的旋转齿轮副以及用于驱动旋转齿轮副转动的旋转电机。

3.根据权利要求1所述的轴向敲击式钻取采样装置，其特征在于：所述钻杆保持架沿其纵向设有棘条，所述第一推动件与第二推动件均包括与所述棘条配合的棘齿以及用于安装棘齿的棘齿架。

4.根据权利要求3所述的轴向敲击式钻取采样装置，其特征在于：所述棘齿架垂直于棘条纵向设有棘齿安装孔，所述棘齿包括与所述棘齿安装孔配合的柱形连接部以及与棘条配合的齿体。

5.根据权利要求1所述的轴向敲击式钻取采样装置，其特征在于：所述钻杆组件包括钻杆和固定于钻杆下端的钻头，所述钻头下端面沿周向分布有钻齿。

6.根据权利要求5所述的轴向敲击式钻取采样装置，其特征在于：所述钻头沿轴向设有取样孔，钻头上端设有用于连接取样软袋的软袋接口。