CN112780205A - 深海运载器岩芯取样冲击钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深海地质岩芯取样，特别是一种深海运载器岩芯取样冲击钻机。包括动力回转单元和冲击单元，其中，还包括振动发生单元，振动发生单元位于动力回转单元和冲击单元之间；所述动力回转单元包括后封盖、耐压壳体、无刷直流电机、减速器、前封盖、传动轴和深海充油补偿膜片，耐压壳体的前、后两端分别固定有前封盖和后封盖，后封盖、耐压壳体和前封盖组成封闭的腔体，无刷直流电机、减速器和传动轴均设置在该腔体内，无刷直流电机的输出轴与减速器连接，传动轴与减速器的输出轴连接。可在低钻压力和低钻进功耗下依靠高频冲击运动破碎岩石，大大提高了钻机钻进效率。
Description
技术领域
本发明涉及深海地质岩芯取样，特别是一种深海运载器岩芯取样冲击钻机。
背景技术
由于岩石中含有丰富的地质演化的重要信息，获取岩石样品是深海探测任务的重要目标之一。在现有的深海采样技术中，钻进采样仍然是获取岩石样品的有效方式。在深海地球科学研究方面，全球相继开展了深海钻探(DSDP)、大洋钻探(ODP)和综合大洋钻探(IODP)等计划，验证了板块构造学说，但在深海和大气的深层演变、海底生物圈分布规律等方面研究仍较为薄弱，急需获得典型区域的样品开展精细验证性钻取研究。
目前国外开展了大量运载器岩芯取样钻机的研究和应用发展工作。美国Alvin号完成了HSTR岩芯取样钻机的研制工作，成功钻取了硫化物岩芯样品；MBARI研究所研制成功了4000m级MCS取样器，可实现四管取样，成功在Juan de Fuca海底获得裸露基岩的样品。Phoenix International公司研制一套可搭载在Nereus II ROV上的取芯器，取芯长度能够达到1.5m，取芯作业水深2400m；美国Harbor Branch海洋研究所完成了7000m级HarborBranch取芯器的研究，并搭载于Magellan ROV完成了多次海上试验；此外，英、法及俄等国家也开展了深海运载器岩芯取芯器的研制及应用工作，如CONSUB号(英)、ST-I号(法)和APTYC号(俄)等载人潜水器均开展了配套小型岩芯取芯器研制。为解决深海精细作业难题，我国深海运载器得到了快速发展，蛟龙号载人潜水器完成了7062米世界最深下潜，初步形成了以载人潜水器(HOV)、无人缆控潜水器(ROV)、无人自主潜水器(AUV)为代表的深海运载器精细探测平台体系和作业模式，将深潜器精细作业与钻探技术相结合可有效解决深海精细取芯难题。
通常情况下，现有的钻机破损岩石时，需要在较大的力矩和钻压力下达到岩石的应力阈值才能破碎岩石。由于深海运载器携带的有效载荷和能源有限，难以满足采样设备持续增长的钻压力和功耗要求、以及在弱重力环境下实现精细取芯作业与高效钻探，本申请主要解决了在深海环境下资源工程勘探及科学研究高效精确岩心取样的应用难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种提出了一种基于压电石英晶体超声耦合振动原理的深海运载器岩芯取样冲击钻机，可在低钻压力和低钻进功耗下依靠高频冲击运动破碎岩石，大大提高了钻机钻进效率。
本发明的技术方案是：一种深海运载器岩芯取样冲击钻机，包括动力回转单元和冲击单元，其中，还包括振动发生单元，振动发生单元位于动力回转单元和冲击单元之间；
所述动力回转单元包括后封盖、耐压壳体、无刷直流电机、减速器、前封盖、传动轴和深海充油补偿膜片，耐压壳体的前、后两端分别固定有前封盖和后封盖，后封盖、耐压壳体和前封盖组成封闭的腔体，无刷直流电机、减速器和传动轴均设置在该腔体内，无刷直流电机的输出轴与减速器连接，传动轴与减速器的输出轴连接；
所述振动发生单元包括振动发生单元舱体、后固定端盖、前固定端盖、后稳定弹簧、前稳定弹簧、压电振动晶体阵列和弹性套柱销联轴器，后固定端盖固定在振动发生单元舱体的后端，前固定端盖固定在振动发生单元舱体的前端，后稳定弹簧、前稳定弹簧、压电振动晶体阵列和弹性套柱销联轴器均设置在振动发生单元舱体内，压电振动晶体阵列放置在冲击承接法兰上，弹性套柱销联轴器放置在压电振动晶体阵列的顶部，弹性套柱销联轴器与后固定端盖之间通过后稳定弹簧连接，前固定端盖的内测固定有密封端盖，密封端盖配置有O型圈，可实现静密封设计，实现深海水下耐压密封。密封端盖与冲击承接法兰之间通过前稳定弹簧连接，压电振动晶体阵列由数片环状压电石英晶体和电极片由上至下间隔交替连接而成，弹性套柱销联轴器连接传动轴和冲击单元中的钻杆，弹性套柱销联轴器的质量大于压电振动晶体阵列。
本发明中，所述后封盖的后部固定有机械手夹持把手。通过机械手夹持把手，可以将钻机放至指定位置。
所述后封盖的内侧固定有深海充油补偿膜片，深海充油补偿膜片被压在后封盖和耐压壳体之间，耐压壳体的前方依次设有中间法兰和前封盖，前封盖与中间法兰固定连接，中间法兰与耐压壳体的前端固定连接；
所述中间法兰与减速器之间设有电机法兰，电机法兰的后端与减速器壳体固定连接，电机法兰的前端与中间法兰固定连接，电机法兰的外表面与耐压壳体之间固定连接。
所述前封盖的前端与密封端盖固定连接。
所述前封盖与传动轴之间设有动密封，前封盖的内表面设有动密封槽，动密封槽内设有动密封圈，中间法兰与耐压壳体之间设有数个O型密封圈。
所述中间法兰与传动轴之间、前封盖与传动轴之间均设有角接触轴承Ⅱ，两套角接触轴承Ⅱ之间呈对心安装。确保传动轴的稳定，在增强抗轴向力的同时，提升了传动轴的输出稳定性。
所述冲击单元包括钻杆、钻头和取芯套管，钻杆的后端穿过动力回转单元，通过弹性套柱销联轴器与传动轴连接，钻杆的前端固定有钻头，钻杆的前侧内部设有取芯套管，钻杆与前固定端盖之间设有角接触轴承Ⅰ。
本发明的有益效果是：
(1)该冲击钻机利用压电石英晶体振动实现了钻具的回转和冲击运动，可在低钻压力和低钻进功耗下依靠高频冲击运动破碎岩石，有效提高了深海钻探器的综合能耗比；
(2)该冲击钻机的冲击运动可单独调节，利用质量杠杆效应和不稳定结构的换能振动单元构型，选用了质量杠杆原理的振动自放大结构，实现了大深度高效取芯作业，取芯精度高，其冲击钻进的工作效率与现有的钻机相比提高2倍以上；
(3)同时该钻机还具有深海环境下峭壁盲区处的水平向取芯能力；
(4)该冲击钻机可与无人缆控潜水器、载人潜水器等深海大型运载装备的匹配作业，有效将深海运载潜水器精细作业优势与钻探技术相结合，在深海作业中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的剖视结构示意图；
图2是振动发生单元和冲击单元的结构示意图。
图中：1机械手夹持把手；2后封盖；3耐压壳体；4无刷直流电机；5减速器；6电机法兰；7前封盖；8动密封圈；9传动轴；10振动发生单元舱体；11压电振动晶体阵列；12前稳定弹簧；13前固定端盖；14钻杆；15钻头；16取芯套管；17角接触轴承Ⅰ；19弹性套柱销联轴器；20后稳定弹簧；21后固定端盖；22密封端盖；23角接触轴Ⅱ；24中间法兰；25O型密封圈；26深海充油补偿膜片；28密封端盖；29冲击承接法兰。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机包括动力回转单元、振动发生单元和冲击单元，振动发生单元位于动力回转单元和冲击单元之间，振动发生单元在起到连接动力回转单元和冲击单元的同时，还起到了振动发生的作用，动力回转单元带动冲击单元转动的同时通过振动发生单元带动冲击单元前后振动，实现了整个冲击钻机的前后冲击运动。
动力回转单元包括机械手夹持把手1、后封盖2、耐压壳体3、无刷直流电机4、减速器5、前封盖7、传动轴9、密封端盖22和深海充油补偿膜片26。耐压壳体3的前、后两端分别固定有前封盖7和后封盖2，后封盖2、耐压壳体3和前封盖7组成封闭的腔体，无刷直流电机4、减速器5和传动轴9均设置在该腔体内。无刷直流电机4的输出轴与减速器5连接，传动轴9与减速器5的输出轴连接，无刷直流电机4输出的转速经减速器5减速后，传递至传动轴9，从而带动传动轴9转动。传动轴9与振动发生单元连接。机械手夹持把手1固定设置在后封盖2的后部，通过机械手夹持把手1，可以将钻机放至指定位置。
后封盖2的内侧固定有深海充油补偿膜片26，深海充油补偿膜片26被压在后封盖2和耐压壳体3之间，后封盖2上设有漏水口，海水可通过漏水口进入深海充油补偿膜片26的深海充油补偿腔内，实现膜片的弹性变化。钻机下潜过程中，通过深海充油补偿膜片26和深海充油补偿腔主动调节动力回转单元的腔体内与外界深水环境之间的压力差，使其始终保持较小的压力差，从而确保了钻机工作的安全。
耐压壳体3的前方依次设有中间法兰24和前封盖7，其中前封盖7通过螺钉与其后方的中间法兰24连接，中间法兰24通过螺钉与耐压壳体3的前端固定连接，从而实现了前封盖7与耐压壳体3之间的固定连接。中间法兰24与减速器5之间设有电机法兰6，电机法兰6的后端与减速器壳体通过螺钉固定连接，电机法兰6的前端与中间法兰24通过螺钉固定连接，同时电机法兰6的外表面与耐压壳体3之间通过螺钉固定连接，实现了前封盖7、中间法兰24、电机法兰6、减速器壳体和耐压壳体3之间的固定连接。前封盖7的前端与密封端盖22固定连接，密封端盖22处设有O型密封圈，通过静密封设计，实现了深海水下耐压密封。
中间法兰24和前封盖7内均设有中心孔，传动轴9位于中间法兰24和前封盖7的中心孔内，传动轴9的后端与减速器5连接，传动轴9的前端与振动发生单元连接。前封盖7与传动轴9之间设有动密封，前封盖7的内表面设有动密封槽，动密封槽内设有动密封圈8。中间法兰24与耐压壳体3之间设有数个O型密封圈25。中间法兰24与传动轴9之间、前封盖7与传动轴9之间均设有角接触轴承Ⅱ23，两套角接触轴承Ⅱ23之间呈对心安装，确保传动轴9的稳定，在增强抗轴向力的同时，提升了传动轴的输出稳定性。
如图1和图2所示，振动发生单元包括振动发生单元舱体10、后固定端盖21、前固定端盖13、后稳定弹簧20、前稳定弹簧12、压电振动晶体阵列11和弹性套柱销联轴器19，后固定端盖21固定在振动发生单元舱体10的后端，前固定端盖13固定在振动发生单元舱体10的前端，后稳定弹簧20、前稳定弹簧12、压电振动晶体阵列11和弹性套柱销联轴器19均设置在振动发生单元舱体10内。压电振动晶体阵列11放置在冲击承接法兰29上，冲击承接法兰29提供支撑作用。弹性套柱销联轴器19放置在压电振动晶体阵列11的顶部，弹性套柱销联轴器19与后固定端盖21之间通过后稳定弹簧20连接。前固定端盖13的内测固定有密封端盖28，密封端盖配置有O型圈，可实现静密封设计，实现深海水下耐压密封。密封端盖28与冲击承接法兰29之间通过前稳定弹簧12连接。压电振动晶体阵列11由数片环状压电石英晶体和电极片由上至下间隔交替连接而成，对压电石英晶体施加正弦激励电压信号，极性石英晶体利用压电效应将内部正负电荷中心发生相对位移，从而使电能转换为机械能。通过在压电振动晶体阵列11的前、后两端分别设置稳定弹簧和固定端盖，在后固定端盖21和前固定端盖13之间形成了上稳定弹簧-压电石英晶体阵列-下稳定弹簧的不稳定结构，压电石英晶体阵列11被压紧在后稳定弹簧20和前稳定弹簧12之间，可以将压电石英晶体阵列的振动放大。
弹性套柱销联轴器19起到了连接传动轴9和冲击单元中的钻杆的作用，将传动轴9的旋转运动传递至冲击单元。同时弹性套柱销联轴器19的质量大于压电振动晶体阵列11，弹性套柱销联轴器加入上稳定弹簧-压电石英晶体阵列-下稳定弹簧的不稳定结构中，实现了具有质量杠杆效应的自放大不稳定机构。当压电石英晶体阵列通过正弦激励电压发生振动时，弹性套柱销联轴器19可将振动通过质量杠杆效应进行放大，并不断运行。
当在压电振动晶体阵列11的极化方向上施加电场时，压电振动晶体阵列11就会沿极化方向产生呈线性关系的机械形变，当压电晶体阵列11受到谐振正弦电压激励时，极性石英晶体在压电效应影响下，内部正负电荷中心发生相对位移，从而产生轴向的往复振动。在振动发生单元不稳定结构及质量杠杆效应双重影响下，将压电振动晶体阵列11传递出的轴向振动放大，并进一步通过弹性套柱销联轴器19的杠杆效应将轴向振动放大，将高频纵向往复振动转变为低频冲击运动，并将轴向振动能量传递给冲击单元，用于破碎岩石。
冲击单元包括钻杆14、钻头15和取芯套管16，钻杆14的后端穿过动力回转单元，通过弹性套柱销联轴器19与传动轴9连接，钻杆14的前端固定有钻头15，钻杆14的前侧内部设有取芯套管16。钻杆14与前固定端盖13之间设有角接触轴承Ⅰ17，通过角接触轴承Ⅰ17进行配合定位。钻头15采用PDC金刚石钻头，钻头直径为35mm，最大可钻进深度100mm。传动轴9回转过程中，通过弹性套柱销联轴器19带动钻杆14转动；同时振动发生单元产生的轴向振动，也通过弹性套柱销联轴器19传递至钻杆14，带动钻杆做轴向的冲击运动。
本发明的工作过程如下所述：蛟龙号潜水器作业前，将该冲击钻机安装至潜水器前端的采样平台处，通过柔性平板进行紧固，并随蛟龙号载人潜水器下潜至指定深度开展作业。下潜过程中，通过深海充油补偿膜片26和深海充油补偿腔主动调节舱内与外界深水环境之间的压力差，使其始终保持较小的压力差，从而确保了钻机工作的安全。蛟龙号潜航员通过高清视频信号开展巡航，抵达指定区域坐底开展取样。取芯作业时，潜航员操作通过机械手夹持把手1将钻机夹持垂向锚定，与此同时蛟龙号潜水器启动自动定高模式，通过操作手微调液压推进机构，使得钻机中的钻头缓慢加载至岩石处，并保持100-400N的加压力，确保钻压力，手动开启冲击单元，回转单元产生的回转运动和冲击单元产生的冲击运动复合形成钻头的回转冲击运动。取芯完成后，操作机械手将该冲击钻机放回。该模块随蛟龙号返回至母船后，人工将钻头拆卸，取出岩芯样。
该装置实现了大深度高效取芯作业，取芯精度高，经实验得出，该装置的工作效率较以往同类型钻机提高2倍以上，同时该钻机还具有深海环境下峭壁盲区处的水平向取芯能力。
以上对本发明所提供的深海运载器岩芯取样冲击钻机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种深海运载器岩芯取样冲击钻机，包括动力回转单元和冲击单元，其特征在于：还包括振动发生单元，振动发生单元位于动力回转单元和冲击单元之间；
所述动力回转单元包括后封盖(2)、耐压壳体(3)、无刷直流电机(4)、减速器(5)、前封盖(7)、传动轴(9)和深海充油补偿膜片(26)，耐压壳体(3)的前、后两端分别固定有前封盖(7)和后封盖(2)，后封盖(2)、耐压壳体(3)和前封盖(7)组成封闭的腔体，无刷直流电机(4)、减速器(5)和传动轴(9)均设置在该腔体内，无刷直流电机(4)的输出轴与减速器(5)连接，传动轴(9)与减速器(5)的输出轴连接；
所述振动发生单元包括振动发生单元舱体(10)、后固定端盖(21)、前固定端盖(13)、后稳定弹簧(20)、前稳定弹簧(12)、压电振动晶体阵列(11)和弹性套柱销联轴器(19)，后固定端盖(21)固定在振动发生单元舱体(10)的后端，前固定端盖(13)固定在振动发生单元舱体(10)的前端，后稳定弹簧(20)、前稳定弹簧(12)、压电振动晶体阵列(11)和弹性套柱销联轴器(19)均设置在振动发生单元舱体(10)内，压电振动晶体阵列(11)放置在冲击承接法兰(29)上，弹性套柱销联轴器(19)放置在压电振动晶体阵列(11)的顶部，弹性套柱销联轴器(19)与后固定端盖(21)之间通过后稳定弹簧(20)连接，前固定端盖(13)的内侧固定有密封端盖(28)，密封端盖配置有O型圈，可实现静密封设计，实现深海水下耐压密封。密封端盖(28)与冲击承接法兰(29)之间通过前稳定弹簧(12)连接，压电振动晶体阵列(11)由数片环状压电石英晶体和电极片由上至下间隔交替连接而成，弹性套柱销联轴器(19)连接传动轴(9)和冲击单元中的钻杆，弹性套柱销联轴器(19)的质量大于压电振动晶体阵列(11)。
2.根据权利要求1所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机，其特征在于：所述后封盖(2)的后部固定有机械手夹持把手(1)。
3.根据权利要求1所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机，其特征在于：所述后封盖(2)的内侧固定有深海充油补偿膜片(26)，深海充油补偿膜片(26)被压在后封盖(2)和耐压壳体(3)之间，耐压壳体(3)的前方依次设有中间法兰(24)和前封盖(7)，前封盖(7)与中间法兰(24)固定连接，中间法兰(24)与耐压壳体(3)的前端固定连接；
所述中间法兰(24)与减速器(5)之间设有电机法兰(6)，电机法兰(6)的后端与减速器壳体固定连接，电机法兰(6)的前端与中间法兰(24)固定连接，电机法兰(6)的外表面与耐压壳体(3)之间固定连接。
4.根据权利要求1所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机，其特征在于：所述前封盖(7)的前端与密封端盖(22)固定连接。
5.根据权利要求1所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机，其特征在于：所述前封盖(7)与传动轴(9)之间设有动密封，前封盖(7)的内表面设有动密封槽，动密封槽内设有动密封圈(8)，中间法兰(24)与耐压壳体(3)之间设有数个O型密封圈(25)。
6.根据权利要求1所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机，其特征在于：所述中间法兰(24)与传动轴(9)之间、前封盖(7)与传动轴(9)之间均设有角接触轴承Ⅱ(23)，两套角接触轴承Ⅱ(23)之间呈对心安装。
7.根据权利要求1所述的深海运载器岩芯取样冲击钻机，其特征在于：所述冲击单元包括钻杆(14)、钻头(15)和取芯套管(16)，钻杆(14)的后端穿过动力回转单元，并通过弹性套柱销联轴器(19)与传动轴(9)连接，钻杆(14)的前端固定有钻头(15)，钻杆(14)的前侧内部设有取芯套管(16)，钻杆(14)与前固定端盖(13)之间设有角接触轴承Ⅰ(17)。
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