CN110924886B - 一种深海采矿用保真取芯装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海采矿用保真取芯装置，利用取芯装置、夹取翻转装置和多筒保真装置配合实现海底多个岩芯的采样与保真的功能，大大提高海底勘探的工作效率；本发明采用卡爪卡住取样筒，并将与卡爪连接的卡爪臂设计为可向内发生弯曲变形的弹性件，利用液压系统驱动钢球按压卡爪臂上的弧形凸起，以实现连接轴与取样筒的顺利分离；本发明将取芯油缸设置在由辅助油缸驱动的滑块上，并在连接轴下端设置有锥形体，当取样筒旋转180度后，辅助油缸驱动取芯油缸下移，以使连接轴下端的锥形体插入取样筒内将岩芯顺利顶出；本发明在取样筒上方设置有带弹性垫的压板，当所有保真筒内装有岩芯后，弹性垫压紧保真筒的筒口，实现对保真筒的密封。
Description
技术领域
本发明涉及深海勘探技术领域，尤其涉及一种深海采矿用保真取芯装置。
背景技术
海洋中蕴藏着极其丰富的矿产资源有待开发，在现代海洋资源的勘探中，常常需要在海底进行岩芯采样来分析海底矿藏的分布情况，有时需要将取得的岩芯保持与深海原位基本相同的压力和温度条件，即将岩芯进行保真，以保证其吸附的生物和化学成份保持不变。
目前，在深海硬岩取芯过程中，为了实现对所取岩芯进行保真，一些技术提出了深海岩芯保真装置，例如申请号为CN200610032362.4的专利提出了一种深海硬岩保真取芯装置，包括机架、由密封充油箱体及内部安装的主动齿轮轴、从动齿轮轴、轴承、密封件组成的贯通式钻进动力头、贯通式钻进动力头安装于滑轨架上，并由推进油缸推动沿滑轨架移动，与贯通式钻进动力头上的从动齿轮轴相连接的岩芯外管、由岩芯内管、内管短接、岩芯卡簧、卡簧座构成的取芯组件通过从动齿轮轴中心通孔插入贯通式钻进动力头及岩芯外管中并与岩芯外管、钻头一起组成钻具，为钻头提供压力冲洗水的水泵及供水管与贯通式钻进动力头上的旋转给水装置连通，其特征在于在贯通式钻进动力头上安装有一个保真储芯装置，所述保真储芯装置由保存岩芯的储芯管，及储芯管开口端与贯通式钻进动力头连接处的高压阀门构成，高压阀门的内径大于或等于岩芯内管内径，在高压阀门开启状态下储芯管与岩芯内管部通过高压阀门直通连接，储芯管外部管壁上设有保温装置，储芯管内部通过高压管道与外置的保压装置连通，在固定的机架上通过一对轴和轴承付连接一个滑轨架，贯通式钻进动力头和钻具通过一对直线滑动付与滑轨架连接，滑轨架与进行上、下180度翻转的翻转机构连接，翻转机构可带动滑轨架及其上连接的贯通式钻进动力头和钻具作上、下翻转，在机架上部装有一个外径略小于岩芯内管内径的岩芯释放顶针、岩芯释放顶针安装的位置是在钻具钻取岩芯并向上翻转180度时，钻头与岩芯释放顶针同心对正，岩芯释放顶针进入钻具内部将岩芯从岩芯卡簧中顶入岩芯内管；此技术实现了单个岩芯的保证功能，但在深海采样时，希望一次采样能够获得多个岩芯样品，以提高采样效率，因此，亟需一种深海采矿用保真取芯装置能够实现保真功能时可以取得多个岩芯样品。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种深海采矿用保真取芯装置，对所取岩芯在保持深海原位基本相同的压力和温度条件下进行转移和储存的同时，实现多个岩芯样品的采样与保真。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种深海采矿用保真取芯装置，包括取样装置和设置在所述取样装置下方的多筒保真装置；所述取样装置与多筒保真装置之间设置有夹取翻转装置；所述取样装置在海底岩石上钻取岩芯，通过取样筒将岩芯固定，所述夹取翻转装置夹取所述取样筒后翻转180度，取样筒内的岩芯掉入所述多筒保真装置内，所述多筒保真装置对岩芯进行保真。
进一步的，所述取样装置包括取样油缸、动力头和与所述动力头的动力输出轴法兰连接的连接轴；所述取样油缸的执行终端安装有第一滑块；所述动力头的一侧固定安装在所述第一滑块上；所述取样油缸通过第一滑块驱动所述动力头做上、下往复运动。
更进一步的，所述连接轴为圆柱体，所述圆柱体下端延伸有圆锥体；所述连接轴的外圆周面上固定套设有卡爪套，所述取样筒套设在所述连接轴下方，并与连接轴键连接。
更进一步的，所述卡爪套上部为空心圆柱体，其向下间隔延伸有若干个长条形的卡爪臂；所述卡爪臂外侧设置有弧形凸起；所述卡爪臂的下端设置有勾爪。
更进一步的，所述取样筒上部内壁设置有凹槽；所述勾爪插入所述取样筒时，所述卡爪臂发生向内弯曲的弹性变形，所述勾爪进入取样筒并卡在所述凹槽内。
更进一步的，所述连接轴的外部设置有外形为空心圆柱体的支撑座，所述支撑座上部固定安装在所述动力头的底部；所述支撑座上与所述卡爪臂的弧形凸起相对应的位置设置有活塞筒；所述活塞筒外臂设置有凸台；所述支撑座的内腔底部设置有密封环；所述支撑座、活塞筒和密封环形成上、下两个密封腔体；所述支撑座的外壁上设置有油口，上、下两个密封腔体通过油口进油、回油。
更进一步的，所述活塞筒内壁设置有保持环，所述保持环通过卡簧固定在所述活塞筒内壁；所述保持环沿周向设置有若干个锥形通孔；所述锥形通孔内设置有钢球；所述钢球处于所述弧形凸起的上方，所述活塞筒带动保持环下移，所述钢球按压所述弧形凸起，以使所述卡爪臂发生向内弯曲的弹性变形。
更进一步的，所述取样油缸一侧设置有辅助油缸；所述辅助油缸的执行终端安装有第二滑块；所述取样油缸安装在所述第二滑块上。
进一步的，所述多筒保真装置包括转盘和沿圆周方向均匀间隔设置在转盘上的若干个保真筒；所述保真筒为圆柱状空心筒，上端开口，底端封闭；所述转盘下方设置有间歇旋转驱动装置，所述间歇旋转驱动装置驱动转盘做间歇旋转运动；所述间歇旋转驱动装置设置在能够水平移动的移动平台上。
更进一步的，所述夹取翻转装置的下方设置有密封压紧装置；所述密封压紧装置包括压板和安装在压板底面的弹性密封板；所述压板覆盖在若干个保真筒的上方；所述压板向下运动，所述弹性密封板压在所述保真筒的上端，以使所述保真筒的密封。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明利用取芯装置、夹取翻转装置和多筒保真装置配合实现海底多个岩芯的采样与保真的功能，大大提高海底勘探的工作效率；
2)本发明采用卡爪卡住取样筒，并将与卡爪连接的卡爪臂设计为可向内发生弯曲变形的弹性件，利用液压系统驱动钢球按压卡爪臂上的弧形凸起，以实现连接轴与取样筒的顺利分离；
3)本发明将取芯油缸设置在由辅助油缸驱动的滑块上，并在连接轴下端设置有锥形体，当取样筒旋转180度后，辅助油缸驱动取芯油缸下移，以使连接轴下端的锥形体插入取样筒内将岩芯顺利顶出；
4)本发明在取样筒上方设置有带弹性垫的压板，当所有保真筒内装有岩芯后，压板下移，弹性垫压紧保真筒的筒口，实现对保真筒的密封。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为图1的A向视图；
图3为图2的B部放大视图；
图4为本发明中连接轴与卡爪套的装配示意图；
图5为本发明中多筒保真装置接取岩芯的位置状态图；
图6为本发明中夹取翻转装置的主视图；
图7为本发明中夹取翻转装置的俯视图；
图8为本发明中的多筒保真装置的主视图；
图9为本发明中压盖下压状态图。
图中：1、取样装置；2、夹取翻转装置；3、多筒保真装置；
11、动力头；12、取样油缸；13、第一滑块；14、第二滑块；15、辅助油缸；16、支撑座；17、连接轴；18、卡爪套；19、活塞筒；20、钢球；23、取样筒；24、凹槽；25、保持环；26、动力输出轴；27、油口；28、取样钻头；29、卡爪臂；30、弧形凸起；301、勾爪；
21、夹取装置；22、翻转驱动装置；211、弧形夹板；212、连杆机构；213、第一直线驱动单元；
31、保真筒；32、转盘；33、间歇旋转驱动装置；34、移动平台；35、密封压紧装置；36、第二直线驱动单元；
351、压板；352、弹性密封板；353、安装板；354、第三直线驱动单元；355、第四直线驱动单元。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-9所示，一种深海采矿用保真取芯装置，包括取样装置1、夹取翻转装置2和多筒保真装置3；所述取样装置1设置在所述夹取翻转装置2上方；所述多筒保真装置3设置在所述夹取翻转装置2下方；所述取样装置1在海底岩石上钻取岩芯后提起，所述夹取翻转装置2夹取所述取样装置1上的取样筒23后翻转180度，取样筒23内的岩芯掉入所述多筒保真装置3中，所述多筒保真装置3对岩芯进行保真。
所述取样装置1，包括动力头11、取样油缸12、第一滑块13、第二滑块14、辅助油缸15、支撑座16、连接轴17、卡爪套18、活塞筒19、钢球20、密封环(未标号)、端盖(未标号)、取样筒23、凹槽24、保持环25、动力输出轴26、油口27、取样钻头28和卡爪臂29；所述取样油缸12的执行终端安装有第一滑块13；所述第一滑块13沿机架上的导轨(未示出)上、下滑动；所述动力头11的一侧固定安装在所述第一滑块13上；动力头11通过取样油缸12驱动第一滑块13做上、下往复运动。
所述动力头11的动力输出轴26从动力头11机箱的下部伸出；所述动力输出轴26的下端与所述连接轴17的上端通过法兰连接；所述连接轴17为圆柱体，圆柱体下端延伸有圆锥体，圆柱体下部对称设置有键槽。
所述连接轴17的外圆周面上套设有卡爪套18；所述卡爪套18上部为空心圆柱体，内壁设置有内螺纹；所述空心圆柱体向下间隔延伸有若干个长条形的卡爪臂29；所述卡爪臂29外侧设置有弧形凸起30；所述卡爪臂29的下端设置有勾爪301；所述连接轴17的外表面设置有外螺纹，卡爪套18上部与连接轴17外表面通过螺纹连接。
所述取样筒23设置在所述连接轴17的下方；所述取样筒23下方固定连接有取样钻头28；所述取样筒23上部内壁设置有凹槽24；所述勾爪301插入取样筒23时，卡爪臂29发生向内弯曲的弹性变形，勾爪301进入取样筒23并卡在所述凹槽24内；同时，所述连接轴17的下部与所述取样筒23键连接；这样连接轴17与取样筒23卡接在一起，取样筒23随连接轴17一起转动。
为了能够将取样筒23与连接轴17分离，所述连接轴17的外部设置有支撑座16，所述支撑座16上部固定安装在所述动力头11的底部；所述支撑座16为空心圆柱体；所述支撑座16与所述卡爪臂29上的弧形凸起30对应的位置设置有活塞筒19；所述活塞筒19为空心柱体，外臂设置有凸台；所述密封环(未标号)设置在所述支撑座16的内腔底部；所述支撑座16、活塞筒19和密封环形成上、下两个密封腔体。
所述支撑座16的外壁上设置有油口27，上、下两个密封腔体通过油口27进油、回油；所述活塞筒19内壁设置有保持环25，所述保持环25通过卡簧固定在所述活塞筒19内壁；所述保持环25沿周向设置有若干个锥形通孔；所述锥形通孔内设置有钢球20；所述钢球20处于所述弧形凸起30的上方；
当液压油进入上油腔时，所述活塞筒19向下运动，带动所述保持环25下移，保持环25内的钢球20按压所述弧形凸起30，使得卡爪臂29发生向内弯曲的弹性变形，勾爪301从凹槽24内脱出，此时如果将取样筒23固定，动力头11上移，就能够将取样筒23和连接轴17分离。
所述夹取翻转装置2包括夹取装置21和翻转驱动装置22；所述夹取装置21安装在所述翻转驱动装置22上；所述夹取装置21包括弧形夹板211、连杆机构212和第一直线驱动单元213；所述连杆机构212的执行终端实现开合运动；所述两个弧形夹板211对称固定在连杆机构212的执行终端；所述第一直线驱动单元213与连杆机构212的动力输入端固定连接；所述第一直线驱动单元213驱动连杆机构212的执行终端做开合运动；所述连杆机构212的执行终端带着弧形夹板211夹紧或放开取样筒23。
当取样筒23完成取样后，取样油缸12将取样筒23提起，夹取装置21夹紧取样筒23的中部。
为了实现将取样筒23进一步提起，以使取样筒23与所述连接轴17分离，所述取样油缸12一侧设置有辅助油缸15；所述辅助油缸15的的执行终端安装有第二滑块14；所述第二滑块14机架上的导轨(未示出)上、下滑动；所述取样油缸12安装在所述第二滑块14上；所述辅助油缸15通过第二滑块14驱动所述取样油缸12做上、下往复运动。
当夹取装置21夹紧取样筒23时，辅助油缸15动作将所述取样油缸12提起，所述取样油缸12带着动力头11及取样筒23一起上移，此时压力油进入上油腔，所述活塞筒19向下运动，带动所述保持环25下移，保持环25内的钢球20按压所述弧形凸起30，使得卡爪臂29发生向内弯曲的弹性变形，勾爪301从凹槽24内脱出，最后取样筒23与连接轴17顺利脱开。
通常取样筒23的下端设置有卡簧(未示出)，以便将岩芯固定在取样筒23内，防止取样筒23提起时，岩芯掉出，所以要想将取样筒23中的岩芯取出，只能是将取样筒23翻转180度后，将岩芯从取样筒23内推出。
因此，当取样筒23从连接轴17上脱开后，所述翻转驱动装置22驱动夹取装置21翻转180度。
所述翻转驱动装置22采用齿轮齿条直线驱动结构，由油缸驱动齿条做直线往复运动，齿条与齿轮啮合，齿轮在齿条的驱动下做往复旋转运动；所述夹取装置21与所述齿轮连接，当齿轮做往复旋转运动时，所述夹取装置21实现整体往复翻转运动。
当取样筒23翻转180度后，辅助油缸15驱动取样油缸12向下运动，所述连接轴17下端的锥形体插入所述取样筒23，克服卡簧的抱紧力将岩芯从取样筒23内顶出，岩芯落入多筒保真装置3内。
所述多筒保真装置3包括保真筒31、转盘32、间歇旋转驱动装置33、移动平台34、密封压紧装置35和第二直线驱动单元36；所述转盘32上沿圆周方向均匀间隔设置有若干个保真筒31；所述保真筒31为圆柱状空心筒，上端开口，底端封闭；所述转盘32下方设置有间歇旋转驱动装置33，所述间歇旋转驱动装置33驱动转盘32做间歇旋转运动。
所述间歇旋转驱动装置33设置在所述移动平台34上；所述移动平台34通过第二直线驱动单元36驱动在水平方向上做往复直线运动；其中，所述夹取翻转装置2同样设置在所述移动平台34上。
当取样筒23取样完成被提起后，所述移动平台34向取样筒23方向移动；其中的一个保真筒31位于取样筒23的下方，所述夹取翻转装置2将取样筒23夹取翻转180度后，岩芯被连接轴17顶出，落入下方的保真筒31内；之后夹取翻转装置2带着取样筒23翻转180度，所述辅助油缸15驱动连接轴17下移，所述勾爪301卡住取样筒23，连接轴17上的键插入所述取样筒23的键槽内，所述夹取翻转装置2松开取样筒23，移动平台34回撤，取样筒23开始取样，待取样完成后，进行下一个工作循环。
所述夹取翻转装置2的下方设置有密封压紧装置35；所述密封压紧装置35包括压板351、弹性密封板352、安装板353、第三直线驱动单元354和第四直线驱动单元355；所述压板351为圆形平板，覆盖在若干个保真筒31的上方；所述压板351的下表面设置有弹性密封板352，当压板351向下运动时，所述弹性密封板352压在所述保真筒31的上端，实现所述保真筒31的密封；所述压板351的上表明设置有第三直线驱动单元354，所述压板351与所述第三直线驱动单元354的执行终端连接；所述第三直线驱动单元354设置在所述安装板353上；所述安装板353由第四直线驱动装置驱动做往复直线运动。
当向保真筒31内装入岩芯时，所述第四直线驱动装置驱动所述安装板353回撤，将一个保真筒31露出；
当若干个保真筒31内都装有岩芯后，所述安装板353由第四直线驱动装置驱动覆盖在所述若干个保真筒31上，由第三直线驱动单元354驱动压板351下压，所述弹性密封板352将保真筒31筒口密封，直到整个保真取芯装置被提升上岸，所述弹性密封板352仍然压住所述保真筒31筒口。
具体使用时，取样油缸12驱动动力头11下移进行取芯，动力头11通过连接轴17驱动取样筒转动进行取样；当取样筒23完成取样后，取样油缸12将取样筒23提起，夹取装置21夹紧取样筒23的中部，辅助油缸15动作将所述取样油缸12提起，所述取样油缸12带着动力头11及取样筒23一起上移，此时压力油进入上油腔，所述活塞筒19向下运动，带动所述保持环25下移，保持环25内的钢球20按压所述弧形凸起30，使得卡爪臂29发生向内弯曲的弹性变形，勾爪301从凹槽24内脱出，最后取样筒23与连接轴17顺利脱开，当取样筒23从连接轴17上脱开后，所述翻转驱动装置22驱动夹取装置21翻转180度；当取样筒23翻转180度后，辅助油缸15驱动取样油缸12向下运动，所述连接轴17下端的锥形体插入所述取样筒23，克服卡簧的抱紧力将岩芯从取样筒23内顶出，岩芯落入多筒保真装置3内；当取样筒23取样完成被提起后，所述移动平台34向取样筒23方向移动；其中的一个保真筒31位于取样筒23的下方，所述夹取翻转装置2将取样筒23夹取翻转180度后，岩芯被连接轴17顶出，落入下方的保真筒31内；之后夹取翻转装置2带着取样筒23翻转180度，所述辅助油缸15驱动连接轴17下移，所述勾爪301卡住取样筒23，连接轴17上的键插入所述取样筒23的键槽内，所述夹取翻转装置2松开取样筒23，移动平台34回撤，取样筒23开始取样，待取样完成后，进行下一个工作循环。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
Claims (6)
1.一种深海采矿用保真取芯装置，其特征在于，包括取样装置(1)和设置在所述取样装置(1)下方的多筒保真装置(3)；所述取样装置(1)与多筒保真装置(3)之间设置有夹取翻转装置(2)；所述取样装置(1)在海底岩石上钻取岩芯，通过取样筒(23)将岩芯固定，所述夹取翻转装置(2)夹取所述取样筒(23)后翻转180度，取样筒(23)内的岩芯掉入所述多筒保真装置(3)内，所述多筒保真装置(3)对岩芯进行保真；所述取样装置(1)包括取样油缸(12)、动力头(11)和与所述动力头(11)的动力输出轴(26)法兰连接的连接轴(17)；所述取样油缸(12)的执行终端安装有第一滑块(13)；所述动力头(11)的一侧固定安装在所述第一滑块(13)上；所述取样油缸(12)通过第一滑块(13)驱动所述动力头(11)做上、下往复运动；所述连接轴(17)为圆柱体，所述圆柱体下端延伸有圆锥体；所述连接轴(17)的外圆周面上固定套设有卡爪套(18)，所述取样筒(23)套设在所述连接轴(17)下方，并与连接轴(17)键连接；所述卡爪套(18)上部为空心圆柱体，其向下间隔延伸有若干个长条形的卡爪臂(29)；所述卡爪臂(29)外侧设置有弧形凸起(30)；所述卡爪臂(29)的下端设置有勾爪(301)；所述取样筒(23)上部内壁设置有凹槽(24)；所述勾爪(301)插入所述取样筒(23)时，所述卡爪臂(29)发生向内弯曲的弹性变形，所述勾爪(301)进入取样筒(23)并卡在所述凹槽(24)内。
2.根据权利要求1所述的一种深海采矿用保真取芯装置，其特征在于，所述连接轴(17)的外部设置有外形为空心圆柱体的支撑座(16)，所述支撑座(16)上部固定安装在所述动力头(11)的底部；所述支撑座(16)上与所述卡爪臂(29)的弧形凸起(30)相对应的位置设置有活塞筒(19)；所述活塞筒(19)外臂设置有凸台；所述支撑座(16)的内腔底部设置有密封环；所述支撑座(16)、活塞筒(19)和密封环形成上、下两个密封腔体；所述支撑座(16)的外壁上设置有油口(27)，上、下两个密封腔体通过油口(27)进油、回油。
3.根据权利要求2所述的一种深海采矿用保真取芯装置，其特征在于，所述活塞筒(19)内壁设置有保持环(25)，所述保持环(25)通过卡簧固定在所述活塞筒(19)内壁；所述保持环(25)沿周向设置有若干个锥形通孔；所述锥形通孔内设置有钢球(20)；所述钢球(20)处于所述弧形凸起(30)的上方，所述活塞筒(19)带动保持环(25)下移，所述钢球(20)按压所述弧形凸起(30)，以使所述卡爪臂(29)发生向内弯曲的弹性变形。
4.根据权利要求3所述的一种深海采矿用保真取芯装置，其特征在于，所述取样油缸(12)一侧设置有辅助油缸(15)；所述辅助油缸(15)的执行终端安装有第二滑块(14)；所述取样油缸(12)安装在所述第二滑块(14)上。
5.根据权利要求1所述的一种深海采矿用保真取芯装置，其特征在于，所述多筒保真装置(3)包括转盘(32)和沿圆周方向均匀间隔设置在转盘(32)上的若干个保真筒(31)；所述保真筒(31)为圆柱状空心筒，上端开口，底端封闭；所述转盘(32)下方设置有间歇旋转驱动装置(33)，所述间歇旋转驱动装置(33)驱动转盘(32)做间歇旋转运动；所述间歇旋转驱动装置(33)设置在能够水平移动的移动平台(34)上。
6.根据权利要求5所述的一种深海采矿用保真取芯装置，其特征在于，所述夹取翻转装置(2)的下方设置有密封压紧装置(35)；所述密封压紧装置(35)包括压板(351)和安装在压板(351)底面的弹性密封板(352)；所述压板(351)覆盖在若干个保真筒(31)的上方；所述压板(351)向下运动，所述弹性密封板(352)压在所述保真筒(31)的上端，以使所述保真筒(31)密封。
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