CN106988696A - 搭载式深海矿产资源取芯钻机 - Google Patents
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Abstract
搭载式深海矿产资源取芯钻机，包括钻机框架、取芯钻具、动力回转系统、冲洗排渣系统、钻进提升系统和搭载安装接口；动力回转系统与钻机框架滑动连接，冲洗排渣系统安装于动力回转系统上，动力回转系统与取芯钻具相连，钻进提升系统安装于钻机框架内，钻进提升系统与动力回转系统相连，搭载安装接口安装于钻机框架背部。本发明结构简单、紧凑、体积小、质量轻、可靠性高，可搭载于载人潜器或水下机器人上，随其在矿区内自由移动，可实现随机取址，即海底矿区内矿产资源的具体分布情况及矿层厚度未知时，载人潜器或水下遥控机器人搭载本钻机在矿区内移动时，可随意选取任意点进行取样工作，便捷性高，且下放及回收方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种搭载式深海矿产资源取芯钻机。
背景技术
现有深海取芯钻机，体积均较为庞大，无行走功能。若需要调整钻机坐底位置，需要通过移动母船带动光缆实现钻机移址。在深海地质复杂的情况下，往往面临寻址、定位难的问题。目前，载人潜器（如蛟龙号），及有缆水下机器人(ROV)广泛应用于海洋矿物开采、水下工程施工、海洋救助与打捞、军事和国防建设等诸多方面,能较好辅助钻机完成矿区内定点开采任务。但在矿区内通过选址取芯进行样品研究时，现有深海钻机的使用局限性较大。
现有传统钻机一般空气中重达5t以上，外形框架尺寸一般在2m×2m×4m以上，结构复杂，质量过重，下放时往往需要水下遥控机器人预先勘测海底，选择平面度达标区域供其坐底工作；也就是说，需先通过水下遥控机器人寻址，然后再通过钻机至已寻好的地址处实现钻取。且，钻机无自移动功能，只能靠母船移动来拖动，仅适用于已完成勘探的矿区进行定点取芯工作，不适合搭载于载人潜器和缆水下机器人(ROV)上，无法实现随机取址。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种结构简单、可搭载于载人潜器和缆水下机器人(ROV)上的搭载式深海矿产资源取芯钻机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
搭载式深海矿产资源取芯钻机，包括钻机框架、动力回转系统、冲洗排渣系统、取芯钻具、钻进提升系统和搭载安装接口。动力回转系统与钻机框架滑动连接，冲洗排渣系统安装于动力回转系统上，动力回转系统与取芯钻具相连，钻进提升系统安装于钻机框架内，钻进提升系统与动力回转系统相连，搭载安装接口安装于钻机框架背部。
本发明之搭载式深海矿产资源取芯钻机的搭载安装接口可通过螺栓螺母固定于载人潜器或有缆水下机器人上。
进一步，钻机框架上设有导轨。
进一步，动力回转系统（简称动力头）包括液压回转马达、轴承座、导轨滑板、主轴和给水套。动力回转系统的导轨滑板安装于钻机框架的导轨上。动力回转系统通过导轨滑板可在钻机框架的导轨上滑动。轴承座与导轨滑板固连，液压回转马达安装于轴承座上端面，给水套安装于轴承座下端面，轴承座和给水套中心开有通孔，主轴上端穿过轴承座中心通孔和给水套中心通孔后与液压回转马达的输出轴固连，主轴下端与取芯钻具固连。通过动力回转系统的主轴可带动取芯钻具回转。主轴下端开有轴向中心孔，主轴下端的轴向中心孔与取芯钻具的轴向中心孔连通。主轴下端开有与轴向中心孔连通的横向孔，给水套一侧亦开有横向孔，给水套的横向孔与主轴下端的横向孔连通。
进一步，冲洗排渣系统安装于动力头的轴承座上，随动力头升降。冲洗排渣系统包括齿轮马达、连接套、齿轮泵和冲洗液压管路。动力回转系统的轴承座上安装有马达安装板和齿轮泵安装板，齿轮马达安装于马达安装板上，齿轮泵安装于齿轮泵安装板上。齿轮马达通过连接套与齿轮泵连接，保证两者转速相同。齿轮泵与冲洗液压管路相连，冲洗液压管路伸入给水套的横向孔中。
进一步，取芯钻具中心开有轴向中心孔。取芯钻具是外购现有产品。
进一步，钻进提升系统包括液压缸、钢绳倍程机构和孔口扶正器。钢绳倍程机构包括顶滑轮组、底滑轮组、动滑轮组和两根钢丝绳，顶滑轮组安装于钻机框架 的顶部内侧，底滑轮组安装于钻机框架 的底部内侧。动滑轮组设于顶滑轮组和底滑轮组之间。其中一根钢丝绳一端绕过顶滑轮组后固定于钻机框架上，另一端绕过动滑轮组后与动力回转系统的导轨滑板相连。另一根钢丝绳一端绕过底滑轮组后固定于钻机框架上，另一端绕过动滑轮组后与动力回转系统的导轨滑板相连。动滑轮组固定在液压缸的活塞杆端，液压缸的缸筒固定在钻机框架上。孔口扶正器安装在钻机框架的底部外侧。
进一步，钻具头部安装有钻头，钻头包括钻头本体和镶嵌在钻头本体外圈的合金齿，合金齿的外圈径大于钻头本体外径和钻具外径。
本钻机通过功能集成化（即冲洗排渣系统安装于动力回转系统上）、整机轻量化设计，使钻机可搭载于载人潜器或有缆水下机器人(ROV)，跟随其在矿区内进行随机选址的取芯工作。
钻机框架可为铝合金或钛合金焊接组件。区别于现有钻机使用碳钢，采用铝合金，可比碳钢材料减重逾60%；采用钛合金，可比碳钢材料减重逾40%。
将冲洗排渣系统和动力回转系统集成安装在一起，集成冲洗排渣系统于动力回转系统的动力头上，最大外形尺寸体积，比相同取芯长度能力的钻机减小逾80%。集成后，在保证功能性前提下，有利于减少整机体积、减轻整机重量、缩短液压管路及冲洗管路长度以降低压降、降低整机功耗。
本发明结构简单、紧凑、体积小、质量轻、可靠性高，可搭载于载人潜器或水下机器人上，随其在矿区内自由移动，可实现随机取址，无需先寻址。海底矿区内矿产资源的具体分布情况及矿层厚度未知时，载人潜器或水下遥控机器人（ROV）搭载本钻机在矿区内移动时，可随意选取任意点进行取样工作，便捷性高。在载人潜器或水下遥控机器人的作用下，钻机下放及回收方便，能够满足深海岩芯取样的恶劣工况下的各项要求，可方便、可靠地为深海矿产资源的科学研究提供样品。本发明符合以水下机器人（ROV）为平台进行扩展功能的趋势。
附图说明
图1为本发明搭载式深海矿产资源取芯钻机的主视图；
图2为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的左视图；
图3为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的俯视图；
图4为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的后视图；
图5为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的动力回转系统和冲洗排渣系统组装后的剖视图；
图6为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的轴承座立体结构图；
图7为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的导轨滑板的立体结构图；
图8为图1所示搭载式深海矿产资源取芯钻机的给水套的立体结构图。
图中：1——钻机框架；2——动力回转系统；2-1——液压回转马达；2-2——轴承座；2-3——导轨滑板；2-4——主轴；2-4-1——主轴下端的轴向中心孔；2-4-2——主轴横向孔；2-5——给水套；2-5-1——给水套横向孔；3——冲洗排渣系统；3-1——齿轮马达；3-2——连接套；3-3——齿轮泵；3-4——冲洗液压管路；4——取芯钻具；5——钻进提升系统；6——搭载安装接口。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参照附图，搭载式深海矿产资源取芯钻机，包括钻机框架1、动力回转系统2、冲洗排渣系统3、取芯钻具4、钻进提升系统5和搭载安装接口6。动力回转系统2与钻机框架1滑动连接，冲洗排渣系统3安装于动力回转系统2上，动力回转系统2与取芯钻具4相连，钻进提升系统5安装于钻机框架1内，钻进提升系统5与动力回转系统2相连，搭载安装接口6安装于钻机框架1背部。
本发明之搭载式深海矿产资源取芯钻机的搭载安装接口6可通过螺栓螺母固定于载人潜器或有缆水下机器人上。
钻机框架1上设有导轨（图中未示出）。钻机框架1可为铝合金或钛合金焊接组件。区别于现有钻机使用碳钢，采用铝合金，可比碳钢材料减重逾60%；采用钛合金，可比碳钢材料减重逾40%。
动力回转系统2（简称动力头）包括液压回转马达2-1、轴承座2-2、导轨滑板2-3、主轴2-4和给水套2-5。动力回转系统2的导轨滑板2-3安装于钻机框架1的导轨上。动力回转系统2通过导轨滑板2-3可在钻机框架1的导轨上滑动。轴承座2-2通过焊接或螺栓螺母与导轨滑板2-3固连，液压回转马达2-1通过螺钉安装于轴承座2-2上端面，给水套2-5通过螺钉安装于轴承座2-2下端面，轴承座2-2和给水套2-5中心开有通孔，主轴2-4上端穿过轴承座2-2中心通孔和给水套2-5中心通孔后与液压回转马达2-1的输出轴固连，主轴2-4下端与取芯钻具4固连。通过动力回转系统2的主轴2-4可带动取芯钻具4回转。主轴2-4下端开有轴向中心孔2-4-1，主轴2-4下端的轴向中心孔2-4-1与取芯钻具4的轴向中心孔连通。主轴2-4下端开有与轴向中心孔2-4-1连通的横向孔2-4-2，给水套2-5一侧亦开有横向孔2-5-1，给水套2-5的横向孔2-5-1与主轴2-4下端的横向孔2-4-2连通。
冲洗排渣系统3安装于动力头的轴承座2-2上，随动力头升降。冲洗排渣系统3包括齿轮马达3-1、连接套3-2、齿轮泵3-3和冲洗液压管路3-4。动力回转系统2的轴承座2-2上安装有马达安装板（图中未示出）和齿轮泵安装板（图中未示出），齿轮马达3-1通过螺栓螺母安装于马达安装板上，齿轮泵3-3通过螺栓螺母安装于齿轮泵安装板上。齿轮马达3-1通过连接套3-2与齿轮泵3-3连接，保证两者转速相同。齿轮泵3-3与冲洗液压管路3-4相连，冲洗液压管路3-4伸入给水套2-5的横向孔2-5-1中。
取芯钻具4中心开有轴向中心孔。取芯钻具4是外购现有产品。
钻进提升系统5包括液压缸（图中未示出）、钢绳倍程机构（图中未示出）和孔口扶正器（图中未示出）。钢绳倍程机构包括顶滑轮组（图中未示出）、底滑轮组（图中未示出）、动滑轮组（图中未示出）和两根钢丝绳（图中未示出），顶滑轮组通过螺栓螺母安装于钻机框架1 的顶部内侧，底滑轮组通过螺栓螺母安装于钻机框架1 的底部内侧。动滑轮组设于顶滑轮组和底滑轮组之间。其中一根钢丝绳一端绕过顶滑轮组后固定于钻机框架1上，另一端绕过动滑轮组后与动力回转系统2的导轨滑板2-3相连。另一根钢丝绳一端绕过底滑轮组后固定于钻机框架1上，另一端绕过动滑轮组后与动力回转系统2的导轨滑板2-3相连。动滑轮组通过螺栓螺母固定在液压缸的活塞杆端，液压缸的缸筒通过销轴固定在钻机框架1上。孔口扶正器通过螺栓螺母安装在钻机框架1 的底部外侧。
钻具头部安装有钻头，钻头包括钻头本体和镶嵌在钻头本体外圈的合金齿，合金齿的外圈径大于钻头本体外径和钻具外径。
工作时，通过液压缸的活塞杆伸出与收缩，带动动滑轮组向上或向下运动，动滑轮组通过钢丝绳带动导轨滑板在钻机框架1的导轨上向上或向下滑动，从而实现对整个动力回转系统2即动力头上下行的控制，实现取芯钻具4的提升与下放，为钻进过程提供钻进压力控制，为收取岩心提供拔心力。
通过液压回转马达2-1可带动主轴2-4旋转，进而带动取芯钻具4回转。液压回转马达2-1具有低速正转、高速正转和低速度反转等功能，配合不同钻压，实现最佳钻进效果。齿轮马达3-1驱动齿轮泵3-3提供压力海水。压力海水经冲洗液压管路3-4、给水套2-5的横向孔2-5-1、主轴2-4下端的横向孔2-4-2流入主轴2-4下端的轴向中心孔2-4-1。流入主轴2-4下端轴向中心孔2-4-1的压力海水经取芯钻具4的轴向中心孔和钻头后流向钻头所钻孔的孔底。因为钻具钻头在钻进时产生圆柱形孔，且由于钻具外径与钻头本体外径均小于镶嵌在钻头本体外圈的合金齿外圈径，所以钻出的孔的孔壁与钻具外壁之间形成环形空间。该环形空间将用于排出钻进时产生的岩渣。因齿轮泵持续将海水压入钻具，故冲洗液（即压力海水）从钻头流出后，会在该压力下沿环形空间向孔口端流出，并带出岩渣，实现钻孔排渣和冷却钻头。
本发明之搭载式深海矿产资源取芯钻机主要用于浅层取样，所以只需携带钻具即可，未配备钻杆库和钻具保持机构。将本发明之搭载式深海矿产资源取芯钻机用于非浅层取样时，所述钻杆配备相应的钻杆库和钻具保持机构可参见申请号为201520129297.1的中国专利。
以上对本发明的一种优选具体实施方式作了详细介绍。所述具体实施方式只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.搭载式深海矿产资源取芯钻机，包括钻机框架、取芯钻具，其特征在于，还包括动力回转系统、冲洗排渣系统、钻进提升系统和搭载安装接口；动力回转系统与钻机框架滑动连接，冲洗排渣系统安装于动力回转系统上，动力回转系统与取芯钻具相连，钻进提升系统安装于钻机框架内，钻进提升系统与动力回转系统相连，搭载安装接口安装于钻机框架背部。
2.根据权利要求1所述的搭载式深海矿产资源取芯钻机，其特征在于，钻机框架上设有导轨；动力回转系统包括液压回转马达、轴承座、导轨滑板、主轴和给水套；动力回转系统的导轨滑板安装于钻机框架的导轨上；动力回转系统通过导轨滑板在钻机框架的导轨上滑动；轴承座与导轨滑板固连，液压回转马达安装于轴承座上端面，给水套安装于轴承座下端面，轴承座和给水套中心开有通孔，主轴上端穿过轴承座中心通孔和给水套中心通孔后与液压回转马达的输出轴固连，主轴下端与取芯钻具固连；通过动力回转系统的主轴带动取芯钻具回转；主轴下端开有轴向中心孔，主轴下端的轴向中心孔与取芯钻具的轴向中心孔连通；主轴下端开有与轴向中心孔连通的横向孔，给水套一侧亦开有横向孔，给水套的横向孔与主轴下端的横向孔连通。
3.根据权利要求2所述的搭载式深海矿产资源取芯钻机，其特征在于，冲洗排渣系统包括齿轮马达、连接套、齿轮泵和冲洗液压管路；动力回转系统的轴承座上安装有马达安装板和齿轮泵安装板，齿轮马达安装于马达安装板上，齿轮泵安装于齿轮泵安装板上；齿轮马达通过连接套与齿轮泵连接，齿轮泵与冲洗液压管路相连，冲洗液压管路伸入给水套的横向孔中。
4.根据权利要求1或2所述的搭载式深海矿产资源取芯钻机，其特征在于，钻进提升系统包括液压缸和钢绳倍程机构；钢绳倍程机构包括顶滑轮组、底滑轮组、动滑轮组和两根钢丝绳，顶滑轮组安装于钻机框架的顶部内侧，底滑轮组安装于钻机框架的底部内侧；动滑轮组设于顶滑轮组和底滑轮组之间；其中一根钢丝绳一端绕过顶滑轮组后固定于钻机框架上，另一端绕过动滑轮组后与动力回转系统的导轨滑板相连；另一根钢丝绳一端绕过底滑轮组后固定于钻机框架上，另一端绕过动滑轮组后与动力回转系统的导轨滑板相连；动滑轮组固定在液压缸的活塞杆端，液压缸的缸筒固定在钻机框架上。
5.根据权利要求4所述的搭载式深海矿产资源取芯钻机，其特征在于，钻进提升系统还包括孔口扶正器，孔口扶正器安装在钻机框架的底部外侧。
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