CN110273645A - 一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统，包括有水下潜航器、热熔回转钻具和供电源，其中热熔回转钻具通过联结座装配在水下潜航器的顶部，供电源设在水下潜航器的内腔中，供电源通过电缆与热熔回转钻具相连接，供电源为热熔回转钻具提供电力，电缆绕设在卷绳器上。有益效果：钻进系统结构设计独特，原理清晰，能够沿冰层钻孔自动爬升，在极地冰架底部从下往上进行仰孔钻进，对冰架底部冰层开展钻进和观测研究。另外，这种钻进方法获得的冰架钻孔通道，可以帮助水下潜航器快速钻穿冰架，投放浮标，提高潜航器通信能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种热熔回转钻进系统，特别涉及一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统。
背景技术
南极冰架是南极冰盖经过漫长时间的流动而延伸至海洋而形成的，冰架物质平衡是冰盖动态变化的主要过程之一,准确地掌握冰架物质平衡过程,才可能精确定量研究极地冰盖的动态变化及其对全球环境变化(海平面、大洋洋流循环和大气循环等)的影响。冰架物质平衡过程主要包括冰川冰流输入、冰架表面积累与消融、冰架前缘崩裂和冰架底部的冻融等。然而，直接观测冰架底部的融化和冻结比较困难，迄今为止,对冰架底部进行的直接观测技术手段非常有限,主要通过从冰架表面架设钻机向冰架的深部冰层开展钻进，直至钻穿冰架，进行冰架底部观测研究。南极冰架接地线附近的冰架厚度最厚达到2000多米，这种常规钻进方法钻穿冰架需要耗费大量的时间、人力和物力，给南极科考带来较大的后勤保障压力。因此，急需一种钻具，直接在冰架底部冰层开展从下往上的仰孔钻进和观测研究。
另外，一些水下潜航器经过长时间的潜航，到达离冰架前沿较远的位置而进入到到冰架深部区域，由于冰架较厚冰层的阻碍，潜航器无法一直接收到水面信息。因此，潜航器必须在一定的有效通讯距离向海面投放通讯浮标，用以信号的传输和接收，以此来实现与指挥机构的通讯。为了能快速投放浮标，急需一种能够在冰架底部从下往上的快速钻穿冰层的钻进技术。
机械回转钻进是目前冰层钻进中结构最为高效的一种钻进方法，但是在钻进温度比较高的冰层时，冰层在受到切削加热后融化然后重新冻结在刀头上，致使刀刃变钝，无法钻进。为了解决机械回转钻进的这一劣势，在钻头内安置电热棒，利用电热棒(丝)加热钻头，利用高温钻头可以帮助融化切削冰层，效率更高。
针对以上技术背景，研发一种利用浮力自动爬升的极地冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统，可以利用该钻进系统进行快速仰孔钻进而获得冰架底部冰芯，从而开展冰架最底部相关冰芯科学研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决在南极进行冰层钻进过程中常规钻进方法钻穿冰架需要耗费大量的时间、人力和物力，给南极科考带来较大的后勤保障压力的问题而提供的一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统。
本发明提供的用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统包括有水下潜航器、热熔回转钻具和供电源，其中热熔回转钻具通过联结座装配在水下潜航器的顶部，供电源设在水下潜航器的内腔中，供电源通过电缆与热熔回转钻具相连接，供电源为热熔回转钻具提供电力，电缆绕设在卷绳器上。
热熔回转钻具包括有钻头、电机和空气浮力舱，其中钻头与电机之间通过传动轴相连接，电机通过传动轴驱使钻头进行转动，传动轴上装配有减速机，钻头的顶端设有切削齿，钻头内还设置有加热棒，电机和加热棒均通过电缆与水下潜航器中的供电源相连接，供电源为电机和加热棒提供电力，传动轴上设置滑环，加热棒与供电源之间的连接电缆设在滑环内，空气浮力舱设在钻头的下部，电机和减速机通过固定座安装在空气浮力舱的内腔中，空气浮力舱的外侧壁设有反扭装置。
反扭装置由弹簧钢片组成，其首尾固定在空气浮力舱外侧壁的上下端，中间凸起部位作用在钻孔壁上，用于抵抗钻头旋转带来的扭矩。
上述的电机、减速机、加热棒和供电源均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
本发明提供的用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统中的热熔回转钻具通过联结座竖直安装在水下潜航器的顶部，接近冰架底部冰层后，水下潜航器打开联结座将热熔回转钻具释放，由于空气浮力舱的浮力作用，热熔回转钻具逐渐向上移动并紧贴冰层，此时打开供电源向钻具内部电机和加热棒供电，电机开始工作带动减速机及钻头进行旋转，加热棒工作开始加热钻头。钻头开始切割破碎冰层，逐渐形成钻孔，由于浮力的作用，热熔旋转钻具会沿着该钻孔逐渐上升，一直贴在冰层面持续破碎冰层。滑环用于在钻头旋转状态下向其内部的加热棒供电，从而保证供电电缆不会打结。反扭装置是一种高强度弹簧钢片，其首尾固定在空气浮力舱上，中间凸起作用在钻孔壁上，用于抵抗钻头旋转带来的扭矩，防止空气浮力舱以及内部的电机等装置随之旋转。随着钻进深度逐渐增加，水下潜航器内部的卷绳器也逐渐旋转用以释放和输送足够长度的供电电缆。上述系统由供电源提供电力支持。
本发明的有益效果：
本发明提供的钻进系统结构设计独特，原理清晰，能够沿冰层钻孔自动爬升，在极地冰架底部从下往上进行仰孔钻进，对冰架底部冰层开展钻进和观测研究。另外，这种钻进方法获得的冰架钻孔通道，可以帮助水下潜航器快速钻穿冰架，投放浮标，提高潜航器通信能力。
附图说明
图1为本发明所述钻进系统整体结构示意图。
上图中的标注如下：
1、水下潜航器 2、热熔回转钻具 3、供电源 4、电缆 5、卷绳器
6、钻头 8、电机 9、空气浮力舱 10、传动轴 11、减速机 12、切削齿
13、加热棒 14、滑环 15、反扭装置 16、联结座。
具体实施方式
请参阅图1所示：
本发明提供的用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统包括有水下潜航器1、热熔回转钻具2和供电源3，其中热熔回转钻具2通过联结座16装配在水下潜航器1的顶部，供电源3设在水下潜航器1的内腔中，供电源3通过电缆4与热熔回转钻具2相连接，供电源3为热熔回转钻具2提供电力，电缆4绕设在卷绳器5上。
热熔回转钻具2包括有钻头6、电机8和空气浮力舱9，其中钻头6与电机8之间通过传动轴10相连接，电机8通过传动轴10驱使钻头6进行转动，传动轴10上装配有减速机11，钻头6的顶端设有切削齿12，钻头6内还设置有加热棒13，电机8和加热棒13均通过电缆4与水下潜航器1中的供电源3相连接，供电源3为电机8和加热棒13提供电力，传动轴10上设置滑环14，加热棒13与供电源3之间的连接电缆4设在滑环14内，空气浮力舱9设在钻头6的下部，电机8和减速机11通过固定座安装在空气浮力舱9的内腔中，空气浮力舱9的外侧壁设有反扭装置15。
反扭装置15由弹簧钢片组成，其首尾固定在空气浮力舱9外侧壁的上下端，中间凸起部位作用在钻孔壁上，用于抵抗钻头6旋转带来的扭矩。
上述的电机8、减速机11、加热棒13和供电源3均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
本发明提供的用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统中的热熔回转钻具2通过联结座16竖直安装在水下潜航器1的顶部，接近冰架底部冰层后，水下潜航器1打开联结座16将热熔回转钻具2释放，由于空气浮力舱9的浮力作用，热熔回转钻具2逐渐向上移动并紧贴冰层，此时打开供电源3向钻具内部电机8和加热棒13供电，电机8开始工作带动减速机11及钻头6进行旋转，加热棒13工作开始加热钻头6。钻头6开始切割破碎冰层，逐渐形成钻孔，由于浮力的作用，热熔旋转钻具2会沿着该钻孔逐渐上升，一直贴在冰层面持续破碎冰层。滑环14用于在钻头6旋转状态下向其内部的加热棒13供电，从而保证供电电缆4不会打结。反扭装置15是一种高强度弹簧钢片，其首尾固定在空气浮力舱9上，中间凸起作用在钻孔壁上，用于抵抗钻头6旋转带来的扭矩，防止空气浮力舱9以及内部的电机8等装置随之旋转。随着钻进深度逐渐增加，水下潜航器1内部的卷绳器5也逐渐旋转用以释放和输送足够长度的供电电缆4。上述系统由供电源3提供电力支持。
Claims (3)
1.一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统，其特征在于：包括有水下潜航器、热熔回转钻具和供电源，其中热熔回转钻具通过联结座装配在水下潜航器的顶部，供电源设在水下潜航器的内腔中，供电源通过电缆与热熔回转钻具相连接，供电源为热熔回转钻具提供电力，电缆绕设在卷绳器上。
2.根据权利要求1所述的一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统，其特征在于：所述的热熔回转钻具包括有钻头、电机和空气浮力舱，其中钻头与电机之间通过传动轴相连接，电机通过传动轴驱使钻头进行转动，传动轴上装配有减速机，钻头的顶端设有切削齿，钻头内还设置有加热棒，电机和加热棒均通过电缆与水下潜航器中的供电源相连接，供电源为电机和加热棒提供电力，传动轴上设置滑环，加热棒与供电源之间的连接电缆设在滑环内，空气浮力舱设在钻头的下部，电机和减速机通过固定座安装在空气浮力舱的内腔中，空气浮力舱的外侧壁设有反扭装置。
3.根据权利要求2所述的一种用于冰架底部无钻杆仰孔热熔回转钻进系统，其特征在于：所述的反扭装置由弹簧钢片组成，其首尾固定在空气浮力舱外侧壁的上下端，中间凸起部位作用在钻孔壁上，用于抵抗钻头旋转带来的扭矩。
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