CN111535745B - 一种双螺旋式深海地层自主钻探机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种钻探机器人，具体涉及一种双螺旋式深海地层自主钻探机器人。包括钻杆；钻杆前端通过钻铤和钻头相连；密封壳体包括前段外壳和中段外壳；钻杆设于密封壳体内，钻杆中部设有从动锥齿轮，多组与从动锥齿轮啮合的主动锥齿轮均与主轴电机相连；钻杆内部中空，螺旋导屑杆焊设于钻杆内部；排屑活塞中心开圆孔嵌套于钻杆尾部，活塞上部与设于中段外壳内的推进电机输出轴相连；螺旋推进器有两个，对称并沿轴向设于密封壳体外部两侧。控制系统通过复合缆与主轴电机、推进电机与长轴电机相连。本发明机器人整体为集成式设计，结构美观、装配简便同时有效避免了作业时的干涉问题，在实现功能的同时保证了机器人的水密性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种钻探机器人，具体涉及一种用于海底深部地层的双螺旋式自主钻探机器人。
背景技术
海洋是人类重要的资源宝库，广袤的海底世界蕴藏着储量丰富的天然气水合物及锰结核、深海油气、热液矿床等战略性资源。海底资源的开发与利用逐渐成为研究热点，与此同时海底资源的获取也面临着一系列的技术难题。例如，在海域天然气水合物试采过程中发现，天然气水合物的分解会破坏沉积物的工程力学结构，造成地面沉降，严重也可致海底塌陷、滑坡甚至地震等地质灾害发生，威胁可燃冰的勘探与开采工程，对海底环境造成不可逆破坏。因此亟需研发一种具有自主钻进功能的机动化设备，对海底矿产资源等开采过程中的试采区地形环境变化进行实时监测，以确保开采工程的顺利进行，此设备需具有小型化、扰动小、灵活机动等特点。
现有用于海底钻探的设备如钻井船、海上钻井平台、船载海底钻机、深海浅钻等，针对特定海域的海底矿区进行多站位取样或大规模开采，其设备体积大、作业周期长、破坏性强、机动性差，无法满足低扰动的实时监测任务。国内有用于近海或内河沉船打捞的水下攻泥机器人，如中科院沈阳自动化研究所设计了一种水下蠕动爬行攻泥机器人；武汉理工大学研发的水下仿生攻泥机器人等，采用电机或液压驱动的冲击式攻泥头进行钻进，根据设定路线进行攻泥作业。其作业环境局限于近海或内河，液压冲击钻进方式对地层环境破坏较大，同时不具备自主钻进功能。国外有用于月球等行星地层探测的钻进机器人，如日本筑波大学研制的Digbot；美国航空航天局研制的自推进式深孔钻进行星探测机器人；德国伊尔默瑙工业大学、德国航天中心设计的移动式和模块化钻探机器人等，上述机器人目前均处于理论设计阶段，未有实际应用。
因此，研制一种小型化、机动性强、作业扰动低的自主钻探机器人，可以填补我国海域天然气水合物等海底矿藏试采目标区的地质研究及环境监测等领域技术及设备的空白。另外该设备延展性强，可在海洋工程建设、深海地质勘探研究、海底地震等自然灾害预警等领域中广泛应用，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可用于海底深部地层的双螺旋式自主钻探机器人，该机器人可在海底深部地层中自主钻进和灵活转向。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种双螺旋式深海地层自主钻探机器人，包括钻进机构、密封壳体、螺旋导排屑机构、推进机构及尾部控制舱；
钻进机构包括钻头、钻铤和钻杆；钻杆前端通过钻铤和钻头相连，钻头中间开孔；
密封壳体为由前段外壳和中段外壳组成的节段式中空结构，前段外壳上部为圆台状，下部通过螺栓与中段外壳固连，并将支承钻杆的轴承密封固定于前端外壳内；钻杆设于密封壳体内，前段固设于轴承内，钻杆中部设有从动锥齿轮，中段外壳内设有多组与从动锥齿轮啮合的主动锥齿轮，每个主从锥齿轮均与主轴电机相连；中段外壳后端设有开口，用于出屑；
螺旋导排屑机构包括螺旋导屑杆和排屑活塞，钻杆内部中空，螺旋导屑杆焊设于钻杆内部，螺旋导屑杆外壁上设有等螺距导屑槽；排屑活塞中心开圆孔嵌套于钻杆尾部，活塞上部与设于中段外壳内的推进电机输出轴相连；
推进机构包括螺旋推进器，螺旋推进器有两个，密封壳体前后端分别设有前端支架和尾端支架，两个螺旋推进器两端分别与前端支架和尾端支架相连，并对称并沿轴向设于密封壳体外部两侧；螺旋推进器包括推进器外筒，推进器外筒外壁设有等螺距螺旋导屑槽，内部与长轴电机输出轴相连；推进器前后两端分别与机器人的前后支架相连；
尾部控制舱位于中段外壳尾部，控制系统固设于控制舱内部，控制系统通过复合缆与主轴电机、推进电机与长轴电机相连，从而控制机器人的钻进和转向。
作为一种改进，钻头使用特种中空PDC(Polycrystalline Diamond Compact))钻头，钻头主体外部为带有切削角的对称螺旋切削刃，切削刃外部排布有大小渐进的切削齿。
作为一种改进，从动锥齿轮通过键槽固定在钻杆上。
作为一种改进，钻头、钻铤和钻杆之间通过内外螺纹和密封圈进行连接固定。
钻头主体外部为为带有一定切削角的对称螺旋切削刃，切削刃外部排布有大小渐进的切削齿，钻头中间开孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)机器人整体为集成式设计、对称中空密封式结构，结构美观、装配简便同时有效避免了作业时的干涉问题，在实现随钻排屑功能的同时保证了机器人的水密性；
(2)钻头使用特种中空式PDC钻头，钻头主体外部为带有一定切削角的对称螺旋切削刃，切削刃外部排布有大小渐进的切削齿，钻头中间开孔有效降低钻屑堆积引起的钻进阻力；
(3)钻头、钻铤、钻杆一体化设计，利用内外螺纹和密封圈进行连接固定，实现钻进功能的同时有着良好的密封效果；
(4)机器人内部设有导屑、排屑机构，可随钻排屑，机器人整体为中空式结构，螺旋导向杆与钻杆固连同步旋转，螺旋导屑杆和活塞配合实现导屑、排屑功能；
(5)传动系统密封安装于中段外壳内，包括机器人钻进的锥齿轮传动系统和排屑的活塞驱动系统，其中锥齿轮传动主动轮与电机相连，从动轮通过键槽固定于钻杆之上，提高了空间利用率且传动效率较高；
(6)推进系统外置，左右推进器对称安装，推进器外部设有等螺距螺旋导屑槽，内部为长轴电机驱动，推进器旋转可抵消钻头下钻带来的旋转力矩，同时推进器差速旋转可实现机器人的转向运动，矢量控制实现自主钻进功能。
(7)复合缆供电，电机驱动，有效避免了液压系统执行机构多、安装复杂的问题，同时可避免油液泄露带来的海洋环境污染。
附图说明
图1是本发明的轴剖图；
图2是钻进机器人整体效果图；
图3是机器人中段外壳的轴剖图。
图中：1-钻头；2-钻铤；3-螺旋导屑杆；4-钻杆；5-前段外壳；6-前端支架；7- 中段外壳；8-从动锥齿轮；9、10-主动锥齿轮；11、12-推进器外筒；13、14-主轴电机； 15、16-推进电机；17-活塞；18、19-长轴电机；20-尾端支架；21-控制舱；22-复合缆。
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、2所示，本发明整体为集成式设计、对称中空密封式结构，包括钻进机构、螺旋导排屑机构、推进机构、密封壳体及尾部控制舱。
钻进机构包括钻头1、钻铤2、钻杆4三个部分，钻头1通过钻铤2与钻杆4相连，且各个结构之间通过内外螺纹和密封圈进行连接固定。
密封壳体包括前段外壳5和中段外壳7，前段外壳5上部为圆台状与钻铤2底端固连，下部通过螺栓与中段外壳7固连，并将支承钻杆4的轴承密封固定于前端外壳5内。如图3所示，中段外壳7内部安装有机器钻进的锥齿轮传动系统和排屑的活塞驱动系统，中间设有圆形通孔，钻杆4沿轴向设于密封壳体内，前端固设于轴承内。从动锥齿轮8 通过键槽固定在钻杆4中部，与之啮合的主动锥齿轮9(10)设于中段外壳7内，并与主轴电机13(14)输出轴相连。主轴电机13(14)配合锥齿轮传动通过钻杆为钻头提供下钻动力。
螺旋导排屑机构包括螺旋导屑杆3和排屑活塞17，钻杆4内部中空，螺旋导屑杆3焊设于钻杆4内部，螺旋导屑杆3上设有等螺距导屑槽。排屑活塞17中心开圆孔嵌套于钻杆4尾部，活塞17上部与设于中段外壳7内的推进电机15(16)输出轴相连。排屑活塞17位于壳体尾部，同时起到密封作用。
推进机构包括左右两个螺旋推进器11、12，二者对称布置于密封壳体左右两端，结构相同，均包括主体的推进器外筒，推进器外筒外部设有等螺距螺旋导屑槽，推进器外筒内部设有长轴电机18、19电机轴，长轴电机18、19主轴与推进器外筒间设有轴承，推进器11、12前后两端分别通过前端支架6和尾端支架20与密封壳体相连。
尾部控制舱21位于中段外壳7尾部，控制系统固设于控制舱内部，控制系统通过复合缆22与主轴电机13(14)、推进电机15(16)与长轴电机18、19相连。用于控制主轴电机13(14)、推进电机15(16)与长轴电机18、19的转速从而控制机器人钻进的锥齿轮传动系统、螺旋导排屑活塞驱动系统以及外置的推进器，实现机器人的灵活钻进、随钻排屑和转向功能。整个机器人的供能通过复合缆22实现。
下面结合附图介绍本实施例的工作步骤：
(1)利用自主海底释放器将钻探机器人整体于海底地层内释放；
(2)主轴电机13(14)、推进电机15(16)启动，钻进传动系统和导排屑活塞驱动系统同时开始运转；
(3)钻头1开始钻进，钻屑通过钻头1上的排屑孔送入螺旋导屑杆3，螺旋导屑杆 3与钻杆4随钻头1同步旋转，将钻屑输送至机器人尾部，排屑活塞17下行运动将钻屑挤压排出；
(4)长轴电机18、19启动，推进器11、12开始运转，调整左右电机转速，平衡钻头1钻进带来的旋转力矩；
(5)调整长轴电机18、19进行差速旋转，进行机器人钻进的转弯和避障；
(7)持续上面的过程，直至机器人到达作业区或完成作业任务。
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 (3)
1.一种双螺旋式深海地层自主钻探机器人，其特征在于，包括钻进机构、密封壳体、螺旋导排屑机构、推进机构及尾部控制舱；
所述钻进机构包括钻头、钻铤和钻杆；钻杆前端通过钻铤和钻头相连，钻头中间开孔；所述钻头主体外部为带有切削角的对称螺旋切削刃，切削刃外部排布有大小渐进的切削齿；
所述密封壳体为由前段外壳和中段外壳组成的节段式中空结构，前段外壳上部为圆台状，下部通过螺栓与中段外壳固连，并将支承钻杆的轴承密封固定于前端外壳内；钻杆设于密封壳体内，前段固设于所述轴承内，钻杆中部设有从动锥齿轮，中段外壳内设有多组与所述从动锥齿轮啮合的主动锥齿轮，每个主动锥齿轮均与主轴电机相连；中段外壳后端设有开口，用于出屑；
所述螺旋导排屑机构包括螺旋导屑杆和排屑活塞，钻杆内部中空，螺旋导屑杆焊设于钻杆内部，螺旋导屑杆外壁上设有等螺距导屑槽；排屑活塞中心开圆孔嵌套于钻杆尾部，活塞上部与设于中段外壳内的推进电机输出轴相连；
所述推进机构包括螺旋推进器，螺旋推进器有两个，所述密封壳体前后端分别设有前端支架和尾端支架，两个螺旋推进器两端分别与前端支架和尾端支架相连，并对称并沿轴向设于密封壳体外部两侧；螺旋推进器包括推进器外筒，推进器外筒外壁设有等螺距螺旋导屑槽，内部与长轴电机输出轴相连；推进器前后两端分别与机器人的前后支架相连；
尾部控制舱位于中段外壳尾部，控制系统固设于控制舱内部，控制系统通过复合缆与所述主轴电机、推进电机与长轴电机相连，从而控制机器人的钻进和转向。
2.根据权利要求1所述的一种双螺旋式深海地层自主钻探机器人，其特征在于，所述从动锥齿轮通过键槽固定于钻杆上。
3.根据权利要求1所述的一种双螺旋式深海地层自主钻探机器人，其特征在于，所述钻头、钻铤和钻杆之间通过内外螺纹和密封圈进行连接固定。
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