CN105510078B - 一种内置式软质月壤样品取样机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式软质月壤样品取样机构，芯管上接头、提芯拉绳、取芯管、固定环、钻杆接头、限位环、软质取芯袋、钻杆、取芯带、导向环、芯管下接头、提拉头组件、封口器和钻头，钻杆接头、钻杆与钻头固定连接后组成空心钻具，芯管上接头、取芯管与芯管下接头组成硬质取芯管，芯管下接头具有内部环腔结构，软质取芯袋连接在封口器上，封口器被预置在芯管下接头的环腔中，限位环安装在软质取芯袋上，取芯带穿过导向环并固定连接在提拉头组件上，本发明机构简单、工作可靠，能够保持深层月壤样品的层序信息，包裹月壤样品的软质取芯袋能够实现将月面以下2m的深层月壤样品原位包裹缠绕回收，节省回收空间。

Description

一种内置式软质月壤样品取样机构

技术领域

本发明涉及一种内置式软质月壤样品取样机构，属于钻取式取芯采样技术领域。

背景技术

月球采样返回是我国探月三期的主要任务，深层月壤的钻进取样返回任务面临众多的难题和技术攻关。月面以下2m的月壤样品的采集、封闭和回收是至关重要的关键技术。

在钻取采样装置方案阶段，取心机构采用了单层软质外翻式取样机构，在钻杆内，将单层的软质取芯袋外翻于硬质取心管外壁，在软质取芯袋末端连接高弹性外翻扭转式丝制封口器，该取样机构能够实现在钻进均质及小颗粒月壤时的原位取芯和封口密闭。但是在钻进大颗粒月壤或者故障工况月壤时，在振动冲击及大颗粒的干扰下，单层软质取芯袋易发生扭转导致取心量不足，甚至失败，并且高弹性外翻扭转式封口器在整个钻进取样过程中相对硬质取芯管运动，停钻提芯时发生翻转动作后密闭，因此封口器及取样机构需进行改进。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种内置式软质月壤样品取样机构，该机构组成简单，工作可靠，能够保持深层月壤样品的层序信息，包裹月壤样品的软质取芯袋能够实现将月面以下2m的深层月壤样品原位包裹，缠绕回收，节省回收空间。

本发明的技术解决方案是：

一种内置式软质月壤样品取样机构，包括芯管上接头、提芯拉绳、取芯管、固定环、钻杆接头、限位环、软质取芯袋、钻杆、取芯带、导向环、芯管下接头、提拉头组件、封口器和钻头，钻杆接头与钻杆、钻杆与钻头均固定连接，组成空心钻具，芯管上接头与取芯管、取芯管与芯管下接头均固定连接，组成硬质取芯管，

芯管上接头设有上、下螺纹，下螺纹与取芯管螺接，上螺纹与驱动取样机构的钻机主轴连接，钻杆接头下端与钻杆连接，上端与钻机回转轴连接，实现了空心钻具随钻机旋转切削向下移动，而软质取芯袋、取芯带和封口器不旋转，即与切削下的月壤样品无相对运动；

芯管下接头为两部分螺接，设有内部环腔，软质取芯袋末端缝合封口器，封口器被弹性张开后预置在芯管下接头的环腔中，限位环缝合在软质取芯袋上端，限位环位于取芯管内腔、软质取芯袋上方，限位环的材料采用铝，三条取芯带穿过导向环并固定连接在提拉头组件上；

提拉头组件由空心螺栓、端部接头、压扣、锥面螺母和斜面环组成，空心螺栓设有空心孔和锥面，提芯拉绳穿过空心孔并用压扣固定，端部接头连接在取芯管上，端部接头设有安装取芯带的环槽，锥面螺母与空心螺栓配合并压紧取芯带，斜面环套装在空心螺栓上并压紧取芯带，空心螺栓、锥面螺母和斜面环形成双斜面；

提拉头组件通过双斜面摩擦压紧取芯带，防止取芯带在钻进取芯过程中被拉脱，提芯拉绳一端与提拉头组件连接，另一端穿过取芯管内腔、限位环内孔后与提芯整形机构连接，钻杆为铝基碳化硅空心钻杆，设有双头外螺旋翼，螺旋升角14.6°，螺距11mm，其螺旋翼高度2.3mm、宽度1.5mm，钻头为硬质合金的切削刃与40Cr钢质基体焊接结构，切削刃采用8组直径6mm的立式硬质合金尖牙，在径向上分为两排布置，切削的尖牙焊接在40Cr钢质基体上，外包络直径为32.6mm，钻进过程中内层月壤被切割进入取芯机构，外层月壤通过切削刃与螺旋翼排粉排出，封口器的材料采用高弹性记忆合金，结构采用螺旋塔簧式，封口器上设有若干连接孔，通过连接孔将封口器用高强度纤维缝合在软质取芯袋上，封口器是专门针对宽温域、大变形的要求设计而成，能够在-40～+250℃的区间保持非常高的弹性。

在上述的一种内置式软质月壤样品取样机构中，提芯拉绳、软质取芯袋和取芯带采用凯芙拉纤维编织而成。

在上述的一种内置式软质月壤样品取样机构中，取芯带的数量不少于3条。

在上述的一种内置式软质月壤样品取样机构中，导向环的数量不少于1个。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明采用软质取芯袋的取样方式保持了月壤样品的层序信息，获得样品原始科学价值，同时软质取芯袋取样后可以缠绕回收，有效节省了回收空间。

2、本发明高弹性的封口器预置在取样机构内腔里，封口时动作简单、可靠，其弹性密闭力持续稳定，使得月壤取芯全过程密闭力保持恒定，状态可靠可控，能够保证返回阶段的密闭效果。

3、本发明双层取样的软质取样机构能够在样品脱离取芯管后防止样品的径向扩张，抑制样品滑移。

4、本发明提拉头组件采用双斜面摩擦压紧原理将取芯带固定，有效防止钻进取芯过程中取芯带被拉脱。

5、本发明提拉头组件的端部接头底部采用半圆形设计，有效保证取芯带的内翻效果。

6、本发明导向环上设置的三个槽限制取芯带的运动方向，能够有效避免取芯带之间相互缠绕，提高了取芯带的工作可靠性。

7、本发明钻头的切削刃的结构和形状具有足够的切削力和抵抗冲击力的能力，在钻进的同时排粉以降低月壤对钻头的磨损。

附图说明

图1为本发明结构图

图2为本发明取芯带结构图

图3为本发明芯管上接头结构图

图4为本发明取芯管结构图

图5为本发明固定环剖视图

图6为本发明固定环结构图

图7为本发明钻杆接头结构图

图8a和8b为本发明限位环结构图

图9为本发明软质取芯袋结构图

图10为本发明芯管下接头结构图

图11为本发明芯管下接头剖视图

图12为本发明封口器结构图

图13a、13b和13c为本发明钻头结构图

图14为本发明提拉头组件结构图

图15为本发明空心螺栓结构图

图16a、16b和16c为本发明端部接头结构图

图17为本发明锥面螺母结构图

图18为本发明斜面环结构图

图19为本发明工作程序图

其中：1芯管上接头；2提心拉绳；3取芯管；4固定环；5钻杆接头；6限位环；7软质取芯袋；8钻杆；9取芯带；10导向环；11芯管下接头；12提拉头组件；13封口器；14钻头；15空心螺栓；16端部接头；17压扣；18锥面螺母；19斜面环

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种内置式软质月壤样品取样机构，包括芯管上接头1、提心拉绳2、取芯管3、固定环4、钻杆接头5、限位环6、软质取芯袋7、钻杆8、取芯带9、导向环10、芯管下接头11、提拉头组件12、封口器13和钻头14，钻杆接头5与钻杆8、钻杆8与钻头14均固定连接，组成空心钻具，芯管上接头1与取芯管3、取芯管3与芯管下接头11均固定连接，组成硬质取芯管。

如图2所示，取芯带9采用凯芙拉纤维编织而成。

如图3所示，芯管上接头1是上下螺纹结构，下螺纹与取芯管3螺接，上螺纹与驱动取样机构的钻机主轴连接，同时钻杆接头5下端与钻杆8连接，上端与钻机回转轴连接，实现了空心钻具随钻机旋转切削向下移动，而软质取芯袋7、取芯带9和封口器13不旋转，即与切削下的月壤样品无相对运动。

如图4所示，取芯管3上设有缝合取芯带9的孔，用于保持取芯带9在取芯管3上平整贴合。

如图5a、5b和6所示，固定环4上边缘设有四个凸台，每个凸台上设有两个孔，用于缝合取芯带9，对取芯带9进行初步固定锁止，凸台下方设有凹槽。

如图7所示，钻杆接头5下端设有凸台，用于连接钻杆8。

如图8a和8b所示，限位环6位于取芯管3内，缝合在软质取芯袋7上端，限位环6的材料采用铝，限位环6上设有高度不同的小孔，便于安装取芯带9，三条取芯带9穿过导向环10并固定连接在提拉头组件12上。

如图9所示，软质取芯带7采用凯芙拉纤维编织而成。

如图10和11所示，芯管下接头11为两部分螺接，具有内部环腔结构，软质取芯袋7末端缝合封口器13，封口器13被弹性张开后预置在芯管下接头11的环腔中。

如图12所示，封口器13采用高弹性记忆合金材料和螺旋塔簧式结构，封口器13上设有若干连接孔，通过连接孔将封口器13用高强度纤维缝合在软质取芯袋7上，封口器13是专门针对宽温域、大变形的要求设计而成的，能够在-40～+250℃的区间保持非常高的弹性。

如图13a、13b和13c所示，钻头14为硬质合金的切削刃与40Cr钢质基体焊接结构，切削刃采用8组直径6mm的立式硬质合金尖牙，在径向上分为两排布置，切削的尖牙焊接在40Cr钢质基体上，外包络直径为32.6mm，钻进过程中内层月壤被切割进入取芯机构，外层月壤通过切削刃与螺旋翼排粉排出。

如图14所示，提拉头组件12通过双斜面摩擦压紧取芯带9，防止取芯带9在钻进取芯过程中被拉脱，提芯拉绳2一端与提拉头组件12连接，另一端穿过取芯管3内腔、限位环6内孔后与提芯整形机构连接，钻杆8采用铝基碳化硅材料，具有双头外螺旋翼，螺旋升角14.6°，螺距11mm，其螺旋翼高度2.3mm、宽度1.5mm。

如图15所示，空心螺栓15设有空心孔和锥面，提芯拉绳2穿过空心孔并用压扣17固定，锥面作为提拉头组件12的双斜面之一。

如图16a、16b和16c所示，端部接头16与取芯管3底部连接，周向设有三个环槽，用于取芯带9的导向；底部采用半圆形设计，便于取芯带9的内翻。

如图17所示，锥面螺母18与空心螺栓15配合并压紧取芯带9。

如图18所示，斜面环19套装在空心螺栓15上并压紧取芯带9。

如图19所示，本发明在月面工作阶段的工作程序：

在到达指定月面钻采位置后，钻机解锁，空心钻具向下空程进给，取芯管3随钻具向下运动，三条取芯带9受到提芯拉绳2的作用保持在初始位置，三条取芯带9与取芯管3的相对运动使取芯带9末端的固定线绳破断，三条取芯带9解锁；

钻具接触月面后，空心钻具回转进尺，对月壤进行切削，切削后的月壤样品一部分随钻杆8螺旋翼排粉，一部分进入钻杆8内部，三条取芯带9内翻在取芯管3中形成筒状织物，实时包裹进入取芯管3的月壤样品；

钻进结束后，限位环6接触到提拉头组件12，提芯整形机构驱动提芯拉绳2向上运动，预置在底部环腔中的封口器13受力后与环腔脱离，失去硬质支撑，恢复弹性初始状态，使得取芯管3底部密封，月壤样品被原位包裹在软质取芯袋7中；

最后，提芯整形机构继续向上提拉提芯拉绳2，软质取芯袋7经过缠绕整形后进入封装容器，随上升器返回。

本发明的工作原理是：

初始状态时，取芯带9内翻于取芯管3中，由提心拉绳2牵拉保持静止状态，开始钻进后，空心钻具回转钻进，由于取芯带9和提芯拉绳2在整形机构的作用下保持静止不动，随着钻进的深入，取芯带9在取芯管3内部形成圆形内孔，样品随即进入取芯带9内孔中。

到达给定钻进深度后，钻进机构停止工作，钻具停止回转钻进，此时包裹样品进入软质取芯袋7，整个钻进过程中，取芯管3不旋转，整形机构驱动提心拉绳2上升，提心拉绳2通过压扣17带动空心螺栓15上升，空心螺栓15穿过端部接头16并配合锥面螺母18及斜面环19压紧取芯带9，带动取芯带9和取芯管3上升，使封口器13从环形空腔脱离，恢复其弹性初始状态，使得取芯管3底部密封，实现样品回收。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种内置式软质月壤样品取样机构，包括提芯拉绳(2)、取芯管(3)、软质取芯袋(7)、钻杆(8)、取芯带(9)和钻头(14)；钻杆(8)与钻头(14)固定连接，钻杆(8)中同轴安装取芯管(3)，取芯管(3)的轴线上设有提芯拉绳(2)，取芯管(3)中安装有用于包裹月壤样品的软质取芯袋(7)和用于配合提芯拉绳(2)的取芯带(9)；其特征在于：还包括芯管上接头(1)、固定环(4)、钻杆接头(5)、限位环(6)、导向环(10)、芯管下接头(11)、提拉头组件(12)和封口器(13)；钻杆接头(5)与钻杆(8)、芯管上接头(1)与取芯管(3)、取芯管(3)与芯管下接头(11)均固定连接；

固定环(4)安装在取芯管(3)上并与芯管上接头(1)固定连接，固定环(4)上设有凸台，凸台上设有安装取芯带(9)的孔，限位环(6)安装在取芯管(3)中对应固定环(4)的位置，限位环(6)与软质取芯袋(7)连接，导向环(10)安装在取芯管(3)上，导向环(10)上设有安装取芯带(9)的槽；

芯管下接头(11)设有安装封口器(13)的内部环腔，封口器(13)采用螺旋塔簧式结构，封口器(13)上设有安装软质取芯袋(7)的孔，提芯拉绳(2)穿过取芯管(3)与提拉头组件(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述提拉头组件(12)由空心螺栓(15)、端部接头(16)、压扣(17)、锥面螺母(18)和斜面环(19)组成，空心螺栓(15)设有空心孔和锥面，提芯拉绳(2)穿过空心孔并用压扣(17)固定，端部接头(16)连接在取芯管(3)上，端部接头(16)设有安装取芯带(9)的环槽，锥面螺母(18)与空心螺栓(15)配合并压紧取芯带(9)，斜面环(19)套装在空心螺栓(15)上并压紧取芯带(9)。

3.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述提芯拉绳(2)、软质取芯袋(7)和取芯带(9)采用凯芙拉纤维编织而成。

4.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述钻杆(8)设有双头外螺旋翼，螺旋升角14.6°，材料采用铝基碳化硅。

5.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述取芯带(9)的数量不少于3条。

6.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述导向环(10)的数量不少于1个。

7.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述封口器(13)的材料采用高弹性记忆合金。

8.根据权利要求1所述的一种内置式软质月壤样品取样机构，其特征在于：所述钻头(14)采用双排立刃阶梯构型，材料采用硬质合金。