CN111911076A - 一种深层月壤旋转导向钻进机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深层月壤旋转导向钻进机构，包括安装在钻杆内且于钻杆同轴布置的外壳、驱动装置、导向块、推杆和伸缩块，外壳与钻杆之间间隔布置，驱动装置安装在外壳上并位于间隔内，伸缩块在所述驱动装置的驱动下沿平行于钻杆轴线的方向滑动连接在外壳上；所述导向块沿垂直于钻杆轴线的方向滑动连接在钻杆上，所述推杆两端分别与伸缩块和导向块铰接；所述伸缩块沿外壳滑动以带动推杆将导向块从钻杆上推出或收回。本发明能够协助深层月壤钻进系统在月壤内部前进运动时侧向伸出导向块完成导向动作，当钻进系统遇到坚硬的岩石或其他特殊情况需要改变钻头的钻进方向时，导向模块将导向块推出一定距离，使钻头前端偏移一定角度，进而改变钻头方向。
Description
技术领域
本发明涉及深层月壤钻进相关领域，具体涉及一种深层月壤旋转导向钻进机构。
背景技术
深度方向上分布的月壤记录着月球时间维度上的地质信息，为揭示局部地质成因和整个月球演化历史提供重要的证据；相对表面而言，深部的月壤受到宇宙射线等的影响更小，能够最大程度地保存样品的原始状态；因此进行深层采样对月球科学研究的意义十分重要。
现阶段已投入使用的月壤/岩的钻取机构中，钻杆和钻头均不携带导向系统，深层月壤地质结构复杂，土壤、岩石颗粒分布情况不明，遇到坚硬的岩石及特殊状况时，需要侧向推出导向块，使钻头改变钻进方向从而完成钻探任务；地球上钻杆导向多应用于石油钻探行业，且均为液压驱动，受到月球外部自然环境条件限制，气液驱动均无法在月球钻探中使用，因此开发适用于月球深部采样的高适应性和高效率的钻进导向模块技术极为重要。
专利CN104727749中公开了，电机转向机构共包含两部分，外壳和驱动电机，外壳末端通过固定支座连接电动推杆机构，电机则固定在外壳的内部，通过联轴器与钻头部分连接，外壳与钻头之间有两个斜面作为接触面，两接触面之间有推力轴承用于传动；由于外壳与钻头之间接触平面为斜面，因此当钻头轴心线与电机外壳轴心线之间的角度发生变化时，通过控制步进电机的转动角度即可调整钻头的转向姿态实现转向。该方案中对于电机的控制较为复杂，且由于钻头系统尾端衔接的管件在深层钻采的过程中极易发生扭转变形，因此使用控制步进电机转动角度来实现转动方向无法保证转向角度的精准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种深层月壤导向钻进机构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种深层月壤旋转导向钻进机构，包括安装在钻杆内且于钻杆同轴布置的外壳、驱动装置、导向块、推杆和伸缩块，所述外壳与钻杆之间间隔布置，所述驱动装置安装在外壳上并位于间隔内，所述伸缩块在所述驱动装置的驱动下沿平行于钻杆轴线的方向滑动连接在外壳上；所述导向块沿垂直于钻杆轴线的方向滑动连接在钻杆上，所述推杆两端分别与伸缩块和导向块铰接；所述伸缩块沿外壳滑动以带动推杆将导向块从钻杆上推出或收回。
本发明的有益效果是：本发明能够协助深层月壤钻进系统在月壤内部前进运动时侧向伸出导向块完成导向动作，当钻进系统遇到坚硬的岩石或其他特殊情况需要改变钻头的钻进方向时，导向模块将导向块推出一定距离，使钻头前端偏移一定角度，进而改变钻头方向。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述驱动装置、导向块、推杆和伸缩块分别为多个且周向间隔布置在所述外壳上。其中，驱动装置、导向块、推杆和伸缩块可以组成一个导向模块。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用多个导向模块在钻杆内部，每个导向模块的驱动装置单独控制，使各自控制的导向块向外推出不同距离，能够同时控制多个方向上的导向块的伸出长度，仅通过计算每个方向上导向块的推出长度即可满足不同推出角度的需求，确保导向的精准性。
进一步，所述驱动装置、导向块、推杆和伸缩块分别为多个且周向等间距布置在所述外壳上。
采用上述进一步方案的有益效果是：将导向模块等间距布置在外壳上，方便计算每个方向上的推出长度和角度，进一步确保导向的精准性。
进一步，所述驱动装置、导向块、推杆和伸缩块分别为三个且周向等间距布置在所述外壳上。
进一步，所述导向块上连接有限位杆，所述限位杆沿垂直于钻杆轴线的方向滑动连接在所述钻杆上。
采用上述进一步方案的有益效果是：限位杆的设置，保证导向块推出或收回过程中不发生径向或轴向位移。
进一步，所述限位杆为多根且分别固定在所述导向块靠近边缘的位置。
采用上述进一步方案的有益效果是：将限位杆固定在导向块靠近边缘的位置，具体的，如果导向块为多边形，可在导向块的四个角上都设置限位杆，利用限位杆与钻杆的滑动连接，为导向块的推出和收回提供有效稳定的支撑，防止导向块偏移。
进一步，所述伸缩块靠近导向块的一侧开设有若干铰接槽一，所述推杆一端设有若干间隔布置的铰接板一，若干铰接板一分别插入若干铰接槽一内；通过铰接轴一贯穿若干铰接板一以及伸缩块上的若干铰接槽一实现伸缩块与推杆的铰接。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用铰接板一和铰接槽一配合实现推杆和伸缩块的铰接，使伸缩块推动推杆的过程更加稳定，防止发生偏移。
进一步，所述导向块的内侧面上通过若干间隔布置的固定板形成有若干铰接槽二，所述推杆另一端设有若干间隔布置的铰接板二，若干铰接板二分别插入若干铰接槽二内；通过铰接轴二贯穿若干铰接板二以及若干固定板实现推杆与导向块的铰接。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用铰接板二和固定板配合实现推杆和导向块的铰接，使推杆推动导向块的过程更加稳定，防止发生偏移。
进一步，所述驱动装置包括电机和丝杠，所述电机安装在外壳上并位于间隔内，所述电机的输出端与丝杠连接，所述丝杠上螺纹连接有所述伸缩块。
进一步，所述导向块为与钻杆外表面适配的弧形板状结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用弧形板结构，当导向块收回的时候，不会影响钻杆整体的钻进效果。
附图说明
图1为本发明深层月壤旋转导向钻进机构导向块收回状态示意图；
图2为本发明深层月壤旋转导向钻进机构导向块推出状态示意图；
图3为本发明导向块及其驱动装置结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、钻杆；2、外壳；3、驱动装置；4、丝杠；5、导向块；6、推杆；7、伸缩块；8、限位杆；9、铰接板一；10、铰接板二；11、铰接轴一；12、铰接轴二；13、固定板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图3所示，本实施例的一种深层月壤旋转导向钻进机构，包括安装在钻杆1内且于钻杆1同轴布置的外壳2、驱动装置3、导向块5、推杆6和伸缩块7，所述外壳2与钻杆1之间间隔布置，所述驱动装置3安装在外壳2上并位于间隔内，所述伸缩块7在所述驱动装置3的驱动下沿平行于钻杆1轴线的方向滑动连接在外壳2上；所述导向块5沿垂直于钻杆1轴线的方向滑动连接在钻杆1上，所述推杆6两端分别与伸缩块7和导向块5铰接；所述伸缩块7沿外壳2滑动以带动推杆6将导向块5从钻杆1上推出或收回。
本实施例的外壳2位于钻杆1的中心轴线位置。
本实施例的深层月壤旋转导向钻进机构能够协助深层月壤钻进系统在月壤内部前进运动时侧向伸出导向块完成导向动作，当钻进系统遇到坚硬的岩石或其他特殊情况需要改变钻头的钻进方向时，导向模块将导向块推出一定距离，使钻头前端偏移一定角度，进而改变钻头方向。
如图1-图3所示，本实施例的所述驱动装置3、导向块5、推杆6和伸缩块7分别为多个且周向间隔布置在所述外壳2上。其中，驱动装置3、导向块5、推杆6和伸缩块7可以组成一个导向模块。采用多个导向模块在钻杆内部，每个导向模块的驱动装置单独控制，使各自控制的导向块向外推出不同距离，能够同时控制多个方向上的导向块的伸出长度，仅通过计算每个方向上导向块的推出长度即可满足不同推出角度的需求，确保导向的精准性。
本实施例的所述驱动装置3、导向块5、推杆6和伸缩块7分别为多个且周向等间距布置在所述外壳2上。将导向模块等间距布置在外壳上，方便计算每个方向上的推出长度和角度，进一步确保导向的精准性。
本实施例的一个可选方案为，所述驱动装置3、导向块5、推杆6和伸缩块7分别为三个且周向等间距布置在所述外壳2上。
如图1-图3所示，本实施例的所述导向块5上连接有限位杆8，所述限位杆8沿垂直于钻杆1轴线的方向滑动连接在所述钻杆1上。限位杆的设置，保证导向块推出或收回过程中不发生径向或轴向位移。
如图1-图3所示，本实施例的所述限位杆8为多根且分别固定在所述导向块5靠近边缘的位置。将限位杆8固定在导向块5靠近边缘的位置，具体的，如果导向块5为多边形，可在导向块5的多个角上都设置限位杆8，利用限位杆8与钻杆1的滑动连接，为导向块5的推出和收回提供有效稳定的支撑，防止导向块5偏移，保证导向块推出或收回过程中不发生径向或轴向位移。本实施例的一个优选方案为，所述导向块5为四边形，在导向块5的四个角上分别设置一个限位杆8。
如图3所示，本实施例的所述伸缩块7靠近导向块5的一侧开设有若干铰接槽一，所述推杆6一端设有若干间隔布置的铰接板一9，若干铰接板一9分别插入若干铰接槽一内；通过铰接轴一11贯穿若干铰接板一9以及伸缩块7上的若干铰接槽一实现伸缩块7与推杆6的铰接。利用铰接板一9和铰接槽一配合实现推杆6和伸缩块7的铰接，使伸缩块7推动推杆6的过程更加稳定，防止发生偏移。
如图3所示，本实施例的所述导向块5的内侧面上通过若干间隔布置的固定板13形成有若干铰接槽二，所述推杆6另一端设有若干间隔布置的铰接板二10，若干铰接板二10分别插入若干铰接槽二内；通过铰接轴二12贯穿若干铰接板二10以及若干固定板13实现推杆6与导向块5的铰接。利用铰接板二10和固定板13配合实现推杆6和导向块5的铰接，使推杆6推动导向块5的过程更加稳定，防止发生偏移。
如图1-图3所示，本实施例的所述驱动装置3包括电机和丝杠4，所述电机安装在外壳2上并位于间隔内，所述电机的输出端与丝杠4连接，所述丝杠4上螺纹连接有所述伸缩块7。
如图1-图3所示，本实施例的所述导向块5为与钻杆1外表面适配的弧形板状结构。采用弧形板结构，当导向块收回的时候，不会影响钻杆整体的钻进效果。
本发明的深层月壤旋转导向钻进机构的工作过程为，利用电机带动丝杠旋转，伸缩块螺纹连接在所述丝杠上，且伸缩块滑动连接在所述外壳上，丝杠旋转驱动伸缩块沿平行于外壳轴向的方向移动。当需要将导向块向外推出时，丝杠驱动伸缩块向靠近电机的方向移动，伸缩块拉动推杆下端向靠近电机的方向移动，由于导向块四周通过限位杆被限位在钻杆上，伸缩块在拉动推杆下端移动的过程中，由于限位杆的限位作用，推杆上端推动导向块向钻杆外移动，即将导向块向钻杆外推出，通过控制伸缩块在丝杠上移动的距离，控制导向块向钻杆外推出的距离。当需要将导向块向钻杆内收回时，丝杠驱动伸缩块向远离电机的方向移动，伸缩块拉动推杆下端向远离电机的方向移动，同样由于导向块四周通过限位杆被限位在钻杆上，伸缩块在推动推杆下端移动的过程中，由于限位杆的限位作用，推杆上端拉动导向块向钻杆内移动，即将导向块向钻杆内收回，通过控制伸缩块在丝杠上移动的距离，控制导向块向钻杆内收回的距离。由于本申请的钻杆上安装有多个导向模块，每个导向模块的电机单独控制导向块的推出距离，可以使每个导向模块中导向块的推出距离进行精确控制，确保导向的精准。
本发明的深层月壤旋转导向钻进机构，能够同时控制多个方向上的导向块的伸出长度，仅通过计算每个方向上的推出长度即可满足不同推出角度的需求，确保导向精准。本发明摒弃了传统石油行业中所使用的导向块弹簧回弹结构，完全依靠推杆的角度控制导向块的伸出和回收，有效地防止了因弹簧失效而导致的各种问题。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，包括安装在钻杆内且于钻杆同轴布置的外壳、驱动装置、导向块、推杆和伸缩块，所述外壳与钻杆之间间隔布置，所述驱动装置安装在外壳上并位于间隔内，所述伸缩块在所述驱动装置的驱动下沿平行于钻杆轴线的方向滑动连接在外壳上；所述导向块沿垂直于钻杆轴线的方向滑动连接在钻杆上，所述推杆两端分别与伸缩块和导向块铰接；所述伸缩块沿外壳滑动以带动推杆将导向块从钻杆上推出或收回。
2.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述驱动装置、导向块、推杆和伸缩块分别为多个且周向间隔布置在所述外壳上。
3.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述驱动装置、导向块、推杆和伸缩块分别为多个且周向等间距布置在所述外壳上。
4.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述驱动装置、导向块、推杆和伸缩块分别为三个且周向等间距布置在所述外壳上。
5.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述导向块上连接有限位杆，所述限位杆沿垂直于钻杆轴线的方向滑动连接在所述钻杆上。
6.根据权利要求5所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述限位杆为多根且分别固定在所述导向块靠近边缘的位置。
7.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述伸缩块靠近导向块的一侧开设有若干铰接槽一，所述推杆一端设有若干间隔布置的铰接板一，若干铰接板一分别插入若干铰接槽一内；通过铰接轴一贯穿若干铰接板一以及伸缩块上的若干铰接槽一实现伸缩块与推杆的铰接。
8.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述导向块的内侧面上通过若干间隔布置的固定板形成有若干铰接槽二，所述推杆另一端设有若干间隔布置的铰接板二，若干铰接板二分别插入若干铰接槽二内；通过铰接轴二贯穿若干铰接板二以及若干固定板实现推杆与导向块的铰接。
9.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述驱动装置包括电机和丝杠，所述电机安装在外壳上并位于间隔内，所述电机的输出端与丝杠连接，所述丝杠上螺纹连接有所述伸缩块。
10.根据权利要求1所述一种深层月壤旋转导向钻进机构，其特征在于，所述导向块为与钻杆外表面适配的弧形板状结构。
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