CN109813568B - 一种深海岩芯钻探取样装置 - Google Patents

Abstract

一种深海岩芯钻探取样装置，它包括主体框架，所述主体框架有两根方形竖杆，其外侧通过螺栓连接ROV的安装框架，内侧作为滑动导轨，导轨上安装有升降平台，所述的升降平台上安装有液压马达和夹持装置，液压缸的缸筒固定在升降平台上，活塞杆固定在主体框架上，所述的主体框架有一根圆形杆，圆形杆外套有空心旋转轴，所述空心旋转轴的上部分安装有锁定装置，空心旋转轴的外侧开设滑槽，滑槽内安装钻筒固定架，锁定装置限制钻筒的轴向位移；本发明防止海水倒流，使钻筒内形成负压，土壤受外部压力而不易掉落，从而能够维持良好的完整性，换筒机构使装置可以携带多根钻筒，提高了单次下海的采集样本数量，成倍提高了深海岩芯钻探取样装置的工作效率。

Description

一种深海岩芯钻探取样装置

技术领域

本发明涉及深海岩芯钻探取样领域，尤其涉及一种深海岩芯钻探取样装置。

背景技术

随着现代科学技术的进步，海洋勘探学者在深海发现储量丰富的多种金属矿物，海洋矿物开采技术的逐步成熟，特别是海洋油气开采技术的发展，已经使得深海矿产资源开采的技术可行性不断提高。深海岩芯研究作为深海矿产资源开发的铺垫技术必然重要，但是目前在深海钻探领域面临着取样环境极端、布放回收难、土壤完整性差和单次取样量少等诸多现存问题。

目前，在深海岩芯钻探取样领域的研究甚少，有的也是照搬陆地土壤取样器的设计方法，导致了在海底取样时出现适应性差等问题。首先，由于陆地土壤取样操作便捷，通常单根钻筒可以多次重复利用，但是在进行海底土壤取样时，取样装置必须下放到动辄5千米的深海海底进行作业，布放和回收周期特别长，而且还不能保证取样成功率，所以取样装置单次布放的土壤取样量就成为重要的考虑因素。其次，由于陆地上的土壤含水量少，土壤力学性能比较好，土壤与钻筒内壁的黏附力强，不易从钻筒脱落，所以容易保证土壤样本的完整性，但是在海底进行钻探取样时，海底土壤的含水量极高，土壤力学性能极差，而且还受到水动力影响，土壤样本极易从钻筒内脱落，所以很难保证土壤样本的完整性。再次，由于海底的特殊极端环境，操作人员无法实地操作装置，必须通过远程遥控操作，故深海岩芯钻探取样器的布放可操控性也是一大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海岩芯钻探取样装置，用多钻筒旋转替换方案提高了深海岩芯取样装置的取样效率，用钻筒高速旋转的方式进行钻探取样，在钻筒内安装单向阀，防止海水倒流，使钻筒内形成负压，土壤受外部压力而不易掉落，从而能够维持良好的完整性，采用ROV携带作业形式，借助成熟的ROV技术提高了钻探取样装置的操作机动性。

1.为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种深海岩芯钻探取样装置，包括主体框架1，所述主体框架1上安装有换筒机构4和升降平台3，所述换筒机构4包括由动力装置带动旋转的传动轴404、同轴套装在所述传动轴404上的与传动轴404联动的空心旋转轴401和以传动轴404的轴心为中心通过钻筒固定架403对称安装在空心旋转轴401上的多个钻筒5，所述空心旋转轴401上沿轴向设有与钻筒5数量、位置相匹配的滑槽4011，所述钻筒固定架403包括安装在滑槽4011内、可沿滑槽4011移动的滑板4034、与钻筒5数量对应的、可将处于初始位置的钻筒5锁定或释放的锁定装置402、用于限定钻筒仅沿轴向运动的导向架4032和轴向固定在钻筒5上、可沿钻筒周向旋转的旋转环4033，所述旋转环4033固定在滑板4034上，所述钻筒5通过滑板4034安装在所述滑槽4011内，所述导向架4032和锁定装置402均固定在空心旋转轴401上；

所述升降平台3包括液压缸、安装在液压缸活动端上的与钻筒5连接的液压马达301和安装在液压缸活动端上、通过夹紧旋转环4033将钻筒5与升降平台3连接的夹持装置303，所述液压马达301设置在夹持装置303的上方，所述升降平台3在液压马达301和夹持装置303所在的位置构成工作工位，所述液压马达301底部设有输出轴，所述液压马达输出轴上设有传动件与钻筒5顶部的传动件相匹配，所述换筒机构4带动钻筒固定架403旋转到工作工位时，所述液压马达301下降与钻筒5通过传动件连接，所述夹持装置303锁定旋转环4033后，所述锁定装置402松开对应钻筒5上的滑板4034，使得所述钻筒5与升降平台3连接实现联动。

采用上述结构，通过换筒机构和升降平台的配合，实现一次下海可以携带多个钻筒，提高了单次下海的采集样本数量，并且换筒机构使得钻筒轮换工作取样，提高了采样完整性。

进一步的，所述换筒机构4上均匀安装有四个钻筒5。

进一步的，所述主体框架1包括方形竖杆101、圆杆102、底座103、活塞杆安装座104、上平板105和缸筒滑套106，所述底座103和上平板105通过方形竖杆101和圆杆102支撑连接，所述底座103在工作工位所在位置开设有与钻筒5大小相匹配的孔，所述方形竖杆101外侧固定用于连接ROV的安装框架2，所述安装框架2的内侧安装有升降平台3。采用上述结构，底座103可以在一定程度上降低钻进时海泥的搅动，防止海水浑浊遮挡摄像头的视线和保持装置的清洁度以提高稳定性。

进一步的，所述动力装置包括伺服马达406，所述伺服马达406通过齿轮传动件405带动传动轴404旋转。

进一步的，所述锁定装置402通过固定架4031固定在空心旋转轴401上，所述锁定装置402包括多个固定在固定架4031上的小型液压缸，所述小型液压缸活塞杆形成锁舌，通过限位滑板4034的位置将处于初始状态的钻筒5锁定。

进一步的，所述滑板4034在对应小型液压缸活塞杆的位置上设有锁孔或锁槽，所述小型液压缸活塞杆插装在所述锁孔或锁槽内将所述滑板4034锁定。

进一步的，所述液压马达输出轴上设有外花键传动件302与钻筒5顶部的内花键传动件503相匹配。

进一步的，所述夹持装置303包括两侧半圆形的、与钻筒上旋转环4033大小相匹配的卡箍和带动两侧卡箍实现夹持动作的机械臂，所述机械臂包括连杆机构和驱动连杆机构动作的液压缸。

进一步的，所述钻筒包括下侧的空心筒、安装在空心筒尾端的、使得水仅能从空心筒内排出的单向阀和用于驱动空心筒旋转的内花键传动件502，所述空心筒的前端为钻头并且钻头朝下。钻筒内部地单向阀设计可以使钻筒在工作过程中方便地将钻筒内部的积水排出，避免积水从钻筒下侧冲出破坏土壤样本，同时可以在取出钻筒的过程中避免海水回流，使钻筒内部形成负压，而保证土壤样本不易掉落。

本发明的增益效果为：

1、通过安装框架可将本装置与遥控无人潜水器(ROV)合为一体，由成熟的ROV技术为装置提供能源、定位、监视、移动和遥控支持，以提高和保证取样装置的可操作性和灵活性。

2、升降平台的设计，可以方便地由液压缸驱动而实现升降运动，而夹持装置则可以保证钻筒随升降平台同步运动，实现钻入土壤和取出动作。

3、内、外花键传动件的设计可以实现液压马达和钻筒之间的动力传递，同时也方便动力传递的通断。

4、钻筒底部的矩形槽设计可以增强钻筒对海底土壤的穿透力，可以使钻筒更容易地钻入土壤内部。

5、钻筒内部地单向阀设计可以使钻筒在工作过程中方便地将钻筒内部的积水排出，避免积水从钻筒下侧冲出破坏土壤样本，同时可以在取出钻筒的过程中避免海水回流，使钻筒内部形成负压，而保证土壤样本不易掉落。

6、钻筒固定架与空心旋转轴的匹配滑槽设计可以良好的限制钻筒固定架的自由度，只保留升降运动，同时其加强筋和圆环上的凸起结构与夹持装置的匹配可以保证它们之间的相对固定。

7、空心旋转轴的滑槽设计保证钻筒可以轴向移动，小型液压缸设计可以实现钻筒升降运动的独立控制。

综上所述，本发明可以挂装在ROV上作业，提高了取样装置的机动性，用带有单向阀的钻筒代替普通空心钻筒，在钻筒工作过程中可排除海水且在收回过程中海水不回流以形成腔内负压，提高深海岩芯的取样完整性，用旋转式换筒机构解决了钻探装置的换管难题，成倍提高了深海岩芯钻探取样装置的工作效率。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的右视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明钻筒的全剖视图。

图6为本发明换筒机构的立体图。

图7为本发明换筒机构滑板上为锁槽的结构示意图。

图8为本发明夹持装置的结构示意图。

图中所述文字标注表示为：1、主体框架；101、方形竖杆；102、圆杆；103、底座；104、活塞杆安装座；105、上平板；106、缸筒滑套；2、安装框架；3、升降平台；301、液压马达；302、外花键传动件；303、夹持装置；304、液压缸筒安装座；305、液压缸筒；306、活塞杆；4、换筒机构；401、空心旋转轴；402、锁定装置；403、钻筒固定架；404、空心传动轴；405、齿轮传动件；406、伺服马达；4011、滑槽；4031、固定架；4032、导向架；4033、旋转环；4034、滑板；5、钻筒；501、单向阀；502、内花键传动件；

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图8所示，本发明地具体结构为：包括主体框架1、所述主体框架1的底座103为中间开有圆形通孔的矩形平板、在底座103上由两根方形竖杆101和一根圆杆102连接的上平板105，所述方形竖杆101的外侧连接了用于连接ROV的安装框架2，内侧安装有升降平台3，所述升降平台3由液压缸驱动，所述液压缸的活塞杆306安装在底座的活塞杆安装座104上，所述液压缸的缸筒305安装在升降平台3上，所述升降平台3上侧安装有液压马达301，下侧安装有夹持装置303，

所述圆杆102的外侧套装有空心旋转轴401和传动轴404，所述换筒机构4包括由传动齿轮405和伺服马达406传递动力带动旋转的传动轴404、同轴套装在所述传动轴404上的与传动轴404联动的空心旋转轴401和以传动轴404的轴心为中心通过钻筒固定架403对称安装在空心旋转轴401上的多个钻筒5，所述空心旋转轴401上沿轴向设有与钻筒5数量、位置相匹配的滑槽4011，所述钻筒固定架403包括安装在滑槽4011内、可沿滑槽4011移动的滑板4034、与钻筒5数量对应的、可将处于初始位置的钻筒5锁定或释放的锁定装置402和用于限定钻筒仅沿轴向运动的导向架4032，所述钻筒5固定在滑板4034上，所述导向架4032和锁定装置402均固定在空心旋转轴401上，所述的钻筒5包括、空心筒、单向阀501和内花键传动件502组成，所述空心筒底部开有锯齿形槽，上方型腔内安装单向阀501并开有导流孔，钻筒上方端部安装有内花键传动件503。

本实施例中，所述夹持装置303包括两侧半圆形的、与钻筒大小相匹配的卡箍和带动两侧卡箍实现夹持动作的机械臂，所述机械臂包括连杆机构和驱动连杆机构动作的液压缸。

本实施例中，所述钻筒固定架403的固定架4031固定在空心旋转轴上，而导向架4032的一端固定在空心旋转轴上，另一端是两个带耳的半环、通过螺栓连接组成的固定架套装在钻筒5的外侧，起到限位的作用，保证钻筒5沿轴向运动，而滑板4034的一端是安装在滑槽4011内，另一端通过两个带耳的半环、通过螺栓连接组成的固定架固定在钻筒5的外侧，而且在面向机械臂的一侧设有凸出结构，而夹持装置的卡箍上对应这个凸出结构设有匹配的凹槽，这样保证夹持装置卡箍夹持的稳定性。

本实施例中，所述锁定装置402为多个固定在固定架4031上的小型液压缸，小型液压缸活塞杆布设的方向与滑板4034垂直，并且小型液压缸的活塞杆与滑板4034上的通孔对应。

本实施例中，内花键传动件502的下部分为法兰盘连接器，上部分为两个同等大小的正方形呈45度组成的米字形花键开孔，内花键外部为圆角以形成平滑过渡，与安装在液压马达输出轴上的外花键传动件302相匹配，外花键传动件302的顶部也是由圆角形成的平滑过渡。

本实施例中，所述空心旋转轴401为一个空心轴体，外侧开有与钻筒5数量相同的滑槽4011，底部有一段圆柱体不开槽，所述空心旋转轴401上部分开有螺纹孔用于固定固定架4031。

本实施例中，所述升降平台3为一个沿方形竖杆101且由液压缸驱动的升降平台，在平面台的中间开有圆形通孔，通孔周围分布了螺栓孔，用于安装液压马达301，靠近方形竖杆侧的两角位置设有滑槽，滑槽外侧安装有液压缸的缸筒安装座304，且该侧边缘向下延申一段距离有一个夹持装置安装座，安装座上开有若干个通孔且与延申板之间有加强筋连接。

具体实施例

对于深度1000米的海底土壤取样：

第一步，将取样装置通过ROV安装框架将其固定在大型ROV上，接通取样装置的所有控制线路和油管并将其固定，以防线路干扰装置作业，安装ROV的控制线缆及安全绳。

第二步，进行岸上调试，使换筒机构的处于第一工位并测试钻探过程，确保作业过程流畅后由船用塔吊将取样装置放入海洋中，由工作人员操作ROV，携带取样装置抵达取样地点。

第三步，进行第一个钻管取样，首先液压马达301通过升降平台3动作带动与钻筒5连接，然后夹持装置303夹持钻筒5，锁定装置402释放钻筒。

第四步，开启液压马达，钻筒高速旋转。

第五步，液压缸驱动升降平台，带动钻筒固定架和钻筒一起向下运动，钻筒穿过底座中心孔钻入样本土壤。

第六步，钻筒钻入合适深度后，液压马达切换低速运动，液压缸驱动升降平台回到初始位置，钻筒回到初始位置，液压马达停转。

第七步，锁定装置的小型液压缸伸出活塞杆定位钻筒。

第八步，夹持装置释放钻筒固定架，升降平台上升一段距离，外花键传动件与内花键传动件分离。

第九步，伺服马达驱动换筒机构旋转90度的整数倍，使另一根钻管位于外花键传动件的正下方。

第十步，升降平台下行，外花键传动件与内花键相连接。

第十一步，夹持装置抱住钻筒固定架，以下进入第三步，由此循环操作。

Claims (6)

1.一种深海岩芯钻探取样装置，其特征在于：包括主体框架（1），所述主体框架（1）上安装有换筒机构（4）和升降平台（3），所述换筒机构（4）包括由动力装置带动旋转的传动轴（404）、同轴套装在所述传动轴（404）上的、与传动轴（404）联动的空心旋转轴（401）和以传动轴（404）的轴心为中心通过钻筒固定架（403）对称安装在空心旋转轴（401）上的多个钻筒（5），所述动力装置包括伺服马达（406），所述伺服马达（406）通过齿轮传动件（405）带动传动轴（404）旋转，所述空心旋转轴（401）上沿轴向设有与钻筒（5）数量、位置相匹配的滑槽（4011），所述钻筒固定架（403）包括安装在滑槽（4011）内、可沿滑槽（4011）移动的滑板（4034）、与钻筒（5）数量对应的、可将处于初始位置的钻筒（5）锁定或释放的锁定装置（402）、用于限定钻筒仅沿轴向运动的导向架（4032）和轴向固定在钻筒（5）上、可沿钻筒周向旋转的旋转环（4033），所述旋转环（4033）固定在滑板（4034）上，所述钻筒（5）通过滑板（4034）安装在所述滑槽（4011）内，所述导向架（4032）和锁定装置（402）均固定在空心旋转轴（401）上；

所述升降平台（3）包括液压缸、安装在液压缸活动端上的与钻筒（5）连接的液压马达（301）和安装在液压缸活动端上、通过夹紧旋转环（4033）将钻筒（5）与升降平台（3）连接的夹持装置（303），所述液压马达（301）设置在夹持装置（303）的上方，所述升降平台（3）在液压马达（301）和夹持装置（303）所在的位置构成工作工位，所述液压马达（301）底部设有输出轴，所述液压马达输出轴上设有传动件与钻筒（5）顶部的传动件相匹配，

所述液压马达输出轴上设有外花键传动件（302）与钻筒（5）顶部的内花键传动件（503）相匹配；

所述钻筒包括下侧的空心筒、安装在空心筒尾端的、使得水仅能从空心筒内排出的单向阀和用于驱动空心筒旋转的内花键传动件（502），所述空心筒的前端为钻头并且钻头朝下。

2.根据权利要求1所述的深海岩芯钻探取样装置，其特征在于，所述换筒机构（4）上均匀安装有四个钻筒（5）。

3.根据权利要求1所述的深海岩芯钻探取样装置，其特征在于，所述主体框架（1）包括方形竖杆（101）、圆杆（102）、底座（103）、活塞杆安装座（104）、上平板（105）和缸筒滑套（106），所述底座（103）和上平板（105）通过方形竖杆（101）和圆杆（102）支撑连接，所述底座（103）在工作工位所在位置开设有与钻筒（5）大小相匹配的孔，所述方形竖杆（101）外侧固定用于连接ROV的安装框架（2），所述安装框架（2）的内侧安装有升降平台（3）。

4.根据权利要求1所述的深海岩芯钻探取样装置，其特征在于，所述锁定装置（402）通过固定架（4031）固定在空心旋转轴（401）上，所述锁定装置（402）包括多个固定在固定架（4031）上的小型液压缸，所述小型液压缸活塞杆形成锁舌，通过限位滑板（4034）的位置将处于初始状态的钻筒（5）锁定。

5.根据权利要求1所述的深海岩芯钻探取样装置，其特征在于，所述滑板（4034）在对应小型液压缸活塞杆的位置上设有锁孔或锁槽，所述小型液压缸活塞杆插装在所述锁孔或锁槽内将所述滑板（4034）锁定。

6.根据权利要求1所述的深海岩芯钻探取样装置，其特征在于，所述夹持装置（303）包括两侧半圆形的、与钻筒上旋转环（4033）大小相匹配的卡箍和带动两侧卡箍实现夹持动作的机械臂，所述机械臂包括连杆机构和驱动连杆机构动作的液压缸。