CN109030779A - 一种天然气水合物岩心管的长行程推送和旋转装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及长行程推送旋转技术领域，旨在提供一种天然气水合物取样管的长行程推送旋转装置。该装置包括用于转移岩心管的高压筒体与设于高压筒体内的岩心管抓杆，还包括设于滑轨上并通过丝杠与花键轴进行传动的的主动滑块结构、岩心管抓杆支撑滑块结构、岩心管支撑滑台结构。岩心管抓杆套设于主动滑块结构与岩心管抓杆支撑滑块结构。本发明产品在抓取岩心管后，在水平推送或旋转运动的时候，减少岩心管抓杆的抖动；减少岩心管抓杆由于悬臂作用产生的挠度变化；采用磁力耦合的驱动方式，使得原来的动密封变为静密封，提高了系统的密封保压性能。
Description
技术领域
本发明涉及长行程推送旋转技术领域，具体涉及一种天然气水合物取样管的长行程推送旋转装置。
背景技术
天然气水合物广泛地存在于海底和陆地永久冻土带，由于天然气水合物的特殊生存条件，研究原位压力状态下的天然气水合物岩心样品对科学家进行对其研究具有深刻意义。随着油气钻探技术和海洋深水取样技术的提高，科学家有机会能够直接对自然界中的天然气水合物进行研究。通过实施勘探工程，运用保压取心技术，获取原位状态下天然气水合物的岩心，并对岩心样品进行分析，可使研究人员充分认识天然气水合物赋存形态、物理属性及地层力学特性等其他参数，为将来实现天然气水合物的商业性开发提供理论依据。
利用的天然气水合物保压取心技术取得深海天然气水合物岩心后，为了更好地研究岩心特性，需要在科考船上对岩心管进行一系列的检测，包括声波检测、CT检测等，检测完成后，并对岩心管进行切割分段保存，因此需要在高压转移筒内完成对天然气水合物岩心管水平推送和旋转动作。
在检测过程中，要求岩心管的水平移动距离长且要求移动与旋转过程中平稳和精确。目前存在的岩心管转移装置只能完成岩心管的水平推送；水平移动过程中岩心不稳定，存在摆动；由于利用动密封，会发生压力的泄露，因此，现有的岩心管转移装置还良好的改善空间。
因此，改进一套岩心管转移装置，完成长行程水平推送和旋转工作，将推动我国对天然气水合物特性的研究。该研究成果不仅可以应用于天然气水合物岩心管，还可以有效地推广到其他综合性海洋调查项目，具有一定的普适性和推广前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种天然气水合物岩心管的长行程水平推送和旋转装置。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种天然气水合物岩心管的长行程推送和旋转装置，包括用于转移岩心管的高压筒体与岩心管抓杆，还包括主动滑块结构、岩心管抓杆支撑滑块结构、岩心管支撑滑台结构；
高压筒体内部沿轴向设有一滑轨，滑轨底部靠近中间位置处设有两个限位弹簧万向球，限位弹簧万向球的后侧滑轨上还设有限位柱；滑轨的滑道内设有丝杠，丝杠前端通过磁力耦合装置连接驱动电机，后端通过深沟球轴承设于后端盖上；丝杠上方设有沿轴向设有花键轴，花键轴通过前后端连接的花键轴支撑座进行固定支撑，花键轴前端连接蜗轮，蜗轮与蜗杆相互啮合，蜗杆两端分别连接蜗杆轴承支座与磁力驱动装置，磁力驱动装置上连接有驱动电机；花键轴中部设有花键套，花键套两端安装花键套轴承于花键套轴承支座，花键套上设有齿轮；花键轴后端固设于后端盖上；
岩心管抓杆设于花键轴下方，前端通过通过深沟球轴承连接主动滑块结构，末端设有尾部抓手，用于抓取岩心管；限位弹簧万向球前侧的滑轨上还设有支撑滑块结构，支撑滑块结构顶部套设在岩心管抓杆上；
主动滑块结构设于滑轨上；主动滑块结构包括底部的主动滑块滑台与设于主动滑块滑台上的主动滑块；主动滑块滑台通过底部设有的螺母与丝杠组成滚柱丝杠副，可在丝杠的带动下沿滑轨运动；主动滑块顶端与花键套轴承支座相连，从而使得主动滑块结构可在花键轴的带动下沿轴向移动；主动滑块顶部开有一与轴向垂直的凹槽，凹槽侧壁上对称开有轴孔，岩心管抓杆前端装配于轴孔内；凹槽内的岩心管抓杆上安装有齿轮，齿轮与花键套轴承上的齿轮相互啮合，实现传动；
岩心管抓杆支撑滑块结构包括位于底部的支撑滑块滑台与支撑滑块滑台上设有的支撑滑块；支撑滑块顶部沿轴向设有通孔，通孔内壁上还设有环向的若干弹簧万向球，岩心管抓杆装配于所述通孔内；支撑滑块后侧端面上设有弹簧卡扣母扣；所述支撑滑台结构底部设有两条竖向支腿，分设于丝杠两侧；
岩心管支撑滑台结构设于限位柱后侧的滑轨上；包括位于底部的支撑座滑台与设于支撑座滑台上的支撑座；支撑座的前端面上，设有弹簧卡扣公扣，可与弹簧卡扣母扣相扣合。
作为一种改进，岩心管抓杆深沟球轴承过盈配合连接，深沟球轴承内部设有轴肩限位，使得岩心管抓杆能够随主动滑块结构一起运动。
作为一种改进，高压外筒与驱动箱、后端盖通过螺栓连接。
作为一种改进，滑台与主动滑块通过螺栓连接。
作为一种改进，限位弹簧万向球的顶端高度高于支腿底端高度，低于主动滑块滑台底端高度。
作为一种改进，限位柱顶端高度高于岩心管支撑座滑台底端高度，低于主动滑块滑台底端高度。
作为一种改进，驱动电机为交流伺服电机。
作为一种改进，尾部抓手外径大于岩心管抓杆的外径。
本发明中，岩心管抓杆采用碳纤维材料制作，交流伺服电机和深沟球轴承均可采用市售产品。驱动箱、涡轮、蜗杆、丝杠、主动滑块结构、磁力耦合装置等则按照实际需要进行加工即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)原有岩心管转移装置只能完成岩心管的水平推送工作，而此发明不仅可以完成水平推送，也可以完成岩心管的旋转动作，更好完成对岩心管的CT、声波检测等工作。
(2)在岩心管抓杆上设置的支撑滑块结构与岩心管支撑滑台结构可以在抓取岩心管后，在水平推送或旋转运动的时候，减少岩心管抓杆的抖动。
(3)岩心管抓杆采用碳纤维材料制作，可以减少整体质量，减小滑块与滑轨上的摩擦；而且由于碳纤维具有高模量特性，减少岩心管抓杆由于悬臂作用产生的挠度变化。
(4)采用丝杠的结构，简化原有的结构，将旋转运动转变为直线运动，完成岩心管的水平推送过程。
(5)采用花键副的机构，通过对花键轴的旋转，可以完成岩心管的旋转动作，并且花键套可以在花键轴上水平运动，而且不影响岩心管的水平运动。
(6)采用磁力耦合的驱动方式，使得原来的动密封变为静密封，提高了系统的密封保压性能。
附图说明
图1是本发明整体外部结构示意图；
图2是本发明内部结构示意图；
图3是本发明中主动滑块结构示意图；
图4是本发明中岩心管抓杆支撑滑块结构示意图；
图5是本发明中岩心管支撑滑台结构与岩心管抓杆支撑滑块结构的结构示意图。
图中：1、9—驱动电机；2、8—磁力驱动装置；3—驱动箱；4—高压筒体；5—法兰；6—蜗杆轴承支座；7—花键轴支撑座；10—花键轴；11—主动滑块结构；11-1—花键套轴承；11-2、11-7—齿轮；11-3—花键套；11-4—花键套轴承支座；11-5—主动滑块；11-6—主动滑块滑台；12—岩心管抓杆支撑滑块结构；12-1—支撑滑块；12-2—弹簧万向球；12-3—支撑滑块滑台；12-4—限位弹簧万向球；13—岩心管支撑滑台结构；13-1—支撑座；13-2—弹簧卡扣母扣；13-3限位柱；13-4弹簧卡扣公扣；13-5支撑座滑台；14—岩心管；15—花键轴支撑座；16—蜗轮；17—蜗杆；18—丝杠；19—滑轨；20—深沟球轴承；21—岩心管抓杆；22—深沟球轴承；23—后端盖。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，一种天然气水合物岩心管的长行程推送和旋转装置，包括用于转移岩心管的高压筒体4与岩心管抓杆19，还包括主动滑块结构11、支撑滑块结构12、岩心管支撑滑台结构13。
高压筒体1有多段，各段通过法兰5进行连接。高压筒体1两端分别通过螺栓连接驱动箱3和后端盖23。驱动箱3内安装有驱动电机1、9。驱动电机1、9为交流伺服电机。
如图2，高压筒体1内部沿轴向设有一滑轨19，滑轨19底部靠近中间位置处设有两个限位弹簧万向球12-4，限位弹簧万向球12-4后侧滑轨上还设有限位柱12-3。滑轨19的滑道内设有丝杠18，丝杠18前端通过磁力耦合装置2连接驱动电机1，后端通过深沟球轴承22设于后端盖23上。丝杠16上方设有沿轴向设有花键轴10，花键轴10通过前后端连接的花键轴支撑座7、15进行固定支撑，前端连接蜗轮16，蜗轮16与蜗杆17相互啮合，蜗杆17两端分别连接蜗杆轴承支座6与磁力驱动装置8，磁力驱动装置8上连接有驱动电机9。花键轴10中部设有花键套11-3，花键套11-3两端安装花键套轴承11-1与花键套轴承支座11-4，花键套11-3上设有齿轮11-2。花键轴10后端固设于后端盖23上。
岩心管抓杆21设于花键轴10下方，前端通过通过深沟球轴承20连接主动滑块结构11，岩心管抓杆21与深沟球轴承20过盈配合连接，深沟球轴承20内部设有轴肩进行限位，使得岩心管抓杆21能够随主动滑块结构11一起运动。末端设有尾部抓手，用于抓取岩心管14，尾部抓手外径大于岩心管抓杆21的外径。限位弹簧万向球12-4前侧的滑轨19上还设有支撑滑块结构12，支撑滑块结构12顶部套设在岩心管抓杆21上。
如图3，主动滑块结构11设于滑轨19上。主动滑块结构11包括底部的主动滑块滑台11-6与设于主动滑块滑台11-6上的主动滑块11-5。主动滑块滑台11-6通过底部设有的螺母与丝杠16组成滚柱丝杠副，可在丝杠18的带动下沿滑轨17运动。主动滑块11-5顶端与花键套轴承支座11-4相连，从而使得主动滑块结构11可在花键轴10的带动下沿轴向移动。主动滑块11-5顶部开有一与轴向垂直的凹槽，凹槽侧壁上对称开有轴孔，岩心管抓杆21前端装配于轴孔内。凹槽内的岩心管抓杆19上安装有齿轮11-7，齿轮11-7与花键套轴承11-1上的齿轮11-2相互啮合，实现传动。
如图4，岩心管抓杆支撑滑块结构12包括位于底部的支撑滑块滑台12-3与支撑滑块滑台12-3上设有的支撑滑块12-1。支撑滑块12-1顶部沿轴向设有通孔，通孔内壁上还设有环向的若干弹簧万向球12-2，岩心管抓杆21装配于通孔内。支撑滑块12-1后侧端面上设有弹簧卡扣母扣13-2。支撑滑台结构12底部设有两条竖向支腿，分设于丝杠16两侧。限位弹簧万向球12-4的顶端高度高于支腿底端高度，低于主动滑块滑台11-6底端高度。
如图5，岩心管支撑滑台结构13设于限位柱13-3后侧的滑轨19上。包括位于底部的支撑座滑台13-5与设于支撑座滑台13-3上的支撑座13-1。支撑座13-1的前端面上，设有弹簧卡扣公扣13-4，可与弹簧卡扣母扣13-2相扣合。限位柱13-3位于滑轨的中间位置顶端高度高于支撑座滑台13-5底端高度，低于主动滑块滑台11-6底端高度。
本发明的工作过程如下：
当取心钻具与保压转移装置对接后，驱动电机1通过磁力耦合装置2驱动丝杠18的转动，从而使得主动滑块滑台11-6进行水平移动，从而带动固定在主动滑台11-6上的主动滑块11-5和岩心管抓杆19向右进行水平移动。支撑滑块12-1起始位置位于岩心管抓杆21的尾端，岩心管抓杆21与支撑滑块12-1内部的环形弹簧万向球12-2之间的摩擦力大于支撑滑块滑台12-3与滑轨19之间的摩擦力，因此当岩心管抓杆21向右移动时候，可以带动支撑滑块12-1一起向右运动。位于滑轨19底部的限位弹簧万向球12-4正常状态下顶部高度超过支撑滑块滑台12-3支腿的底端，因此支撑滑块滑台12-3只有克服限位弹簧万向球12-4内部弹簧的弹力才能通过。当支撑滑块滑台12-3接触到限位弹簧万向球12-4，支撑滑块滑台12-3停止继续向前运动，主动滑块滑台11-6与岩心管抓杆21继续向前运动。当主动滑块滑台12-3与支撑滑块滑台12-3接触后，推动支撑滑块滑台12-3，克服限位弹簧万向球12-4内部弹簧的弹力向前运动，直至支撑滑块滑台12-3到达限位弹簧万向球12-4的右侧，同时岩心管抓杆21抓取岩心管14。
当岩心管抓杆21抓取岩心管14的同时，主动滑块结构11挤压支撑滑块结构12，使得弹簧卡扣母扣13-2与弹簧卡扣母扣13-4连接，然后驱动电机1通过磁力耦合装置2驱动丝杠18的反向转动，主动滑块结构11与岩心管抓杆21向左运动，此时由于位于滑轨底部的限位弹簧万向球12-4的作用下支撑滑块结构12不随主动滑块结构11与岩心管抓杆21向左运动。当支撑滑块结构12处于岩心管抓杆21的尾端时，由于尾端直径较大，因此利用岩心管抓杆21对岩心管抓杆支撑滑块结构12的拉力克服位于滑轨底部的限位弹簧万向球12-4内部的弹簧的弹力，拖动岩心管抓杆支撑滑块结构12一起随着主动滑块结构11与岩心管抓杆21向左运动，当岩心管支撑滑座滑台13-5到达限位柱13-3位置处时，支撑滑块结构12继续向前运动，岩心管支撑滑座滑台13-5停止运动，从而弹簧卡扣母扣13-2与弹簧卡扣公扣13-4脱开，从而减少工作过程中岩心管14的抖动。
当岩心管抓杆21抓取岩心管14，水平移动到检测位置后，驱动电机2通过磁力耦合装置9驱动花键轴10进行旋转，从而依靠花键套11-3上的齿轮11-2与岩心管抓杆19上的齿轮11-7啮合，从而驱动岩心管抓杆21的进行旋转，完成岩心管14的旋转动作。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种天然气水合物岩心管的长行程推送和旋转装置，包括用于转移岩心管的高压筒体与岩心管抓杆；其特征在于，还包括主动滑块结构、支撑滑块结构、岩心管支撑滑台结构；
所述高压筒体有多段，各段通过法兰进行连接；高压筒体两端分别连接驱动箱和后端盖；驱动箱内安装有驱动电机；后端盖上设有通孔，用于岩心管抓杆的穿出；
所述高压筒体内部沿轴向设有一滑轨，滑轨底部的中间位置处设有两个限位弹簧万向球，限位弹簧万向球的后侧滑轨上还设有限位柱；滑轨的滑道内设有丝杠，丝杠前端通过磁力耦合装置连接驱动电机，后端通过深沟球轴承设于后端盖上；丝杠上方设有沿轴向设有花键轴，花键轴通过前后端连接的花键轴支撑座进行固定支撑，花键轴前端连接蜗轮，蜗轮与蜗杆相互啮合，蜗杆两端分别连接蜗杆轴承支座与磁力驱动装置，磁力驱动装置上连接有驱动电机；花键轴中部设有花键套，花键套两端安装花键套轴承与花键套轴承支座，花键套上设有齿轮；花键轴后端固设于后端盖上；
所述岩心管抓杆设于花键轴下方，前端通过通过深沟球轴承连接主动滑块结构，末端设有尾部抓手，用于抓取岩心管；限位弹簧万向球前侧的滑轨上还设有支撑滑块结构，支撑滑块结构顶部套设在岩心管抓杆上；
所述主动滑块结构设于滑轨上；主动滑块结构包括底部的主动滑块滑台与设于主动滑块滑台上的主动滑块；主动滑块滑台通过底部设有的螺母与丝杠组成滚柱丝杠副，可在丝杠的带动下沿滑轨运动；主动滑块顶端与所述花键套轴承支座相连，从而使得主动滑块结构可在花键轴的带动下沿轴向移动；主动滑块顶部开有一与轴向垂直的凹槽，凹槽侧壁上对称开有轴孔，岩心管抓杆前端装配于轴孔内；凹槽内的岩心管抓杆上安装有齿轮，所述齿轮与花键套轴承上的齿轮相互啮合，实现传动；
所述岩心管抓杆支撑滑块结构包括位于底部的支撑滑块滑台与支撑滑块滑台上设有的支撑滑块；支撑滑块顶部沿轴向设有通孔，通孔内壁上还设有环向的若干弹簧万向球，岩心管抓杆装配于所述通孔内；支撑滑块后侧端面上设有弹簧卡扣母扣；所述支撑滑台结构底部设有两条竖向支腿，分设于丝杠两侧；
所述岩心管支撑滑台结构设于限位柱后侧的滑轨上；包括位于底部的支撑座滑台与设于支撑座滑台上的支撑座；支撑座的前端面上，设有弹簧卡扣公扣，可与弹簧卡扣母扣相扣合。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的岩心管抓杆深沟球轴承过盈配合连接，深沟球轴承内部设有轴肩进行限位，使得岩心管抓杆能够随主动滑块结构一起运动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的高压外筒与驱动箱、后端盖通过螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑台与主动滑块通过螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限位弹簧万向球的顶端高度高于所述支腿底端高度，低于主动滑块滑台底端高度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限位柱顶端高度高于岩心管支撑座滑台底端高度，低于所述主动滑块滑台底端高度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述尾部抓手外径大于岩心管抓杆的外径。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动电机为交流伺服电机。
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| CN107179207A (zh) * | 2017-05-16 | 2017-09-19 | 北京探矿工程研究所 | 旋转式海洋地质勘察样品保压转移装置及控制方法 |
-
2018
- 2018-07-28 CN CN201810849403.1A patent/CN109030779B/zh active Active
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| CN110726581A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-24 | 浙江大学 | 一种用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置 |
| CN110726581B (zh) * | 2019-09-03 | 2020-08-25 | 浙江大学 | 一种用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置 |
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