CN113513282B - 一种深部原位岩芯抓取装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深部原位岩芯抓取装置及其操作方法，包括基座，所述基座的末端通过紧固件连接驱动油缸的活塞杆，所述基座首端基于水平面对称开有两处销轴孔，所述销轴孔处通过销轴铰接卡爪，所述卡爪分为对称的上副和下副；还包括竖直安装的行程开关，行程开关的上下端分别设置有销孔，两个销孔分别与卡爪的上副和下副铰接，卡爪的开合与行程开关的伸缩同步；基座的首端还通过螺栓安装有卡簧撑套。通过抓取动作机构、转移舱、截止阀、取芯舱和制备舱的互相配合工作下，可以方便的完成抓取和转移岩芯的动作，并且是通过简单直线驱动便可实现岩芯抓取和释放动作，功能性强。
Description
技术领域
本发明涉及抓取设备技术领域，尤其是一种深部原位岩芯抓取装置及其操作方法。
背景技术
随着地球浅部资源的逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，现阶段，煤炭开采在深度已达1500m，地热开采深度已超过3000m，有色金属矿开采深度超 4350m，油气资源开采深度达7500m，深部资源的开发将成为常态，探索和发展深部原位岩石特征研究是实现深部开采的重要基础和关键支撑。
对于深部岩石特征的研究，现有技术中的研究手段均是利用取芯技术进行深部取样，然后进行室内试验分析研究。由于地球深部为高温高压环境，而深部岩体的物理、化学稳定性均大大依赖于所处环境的温度和压力状态，因此在岩芯取样及转移过程中，需保持与岩芯原深度一致的高温高压环境，方能最大程度地保证岩芯的原位性。
目前，多通过控制开关阀的启闭实现岩芯转移舱体间的通断，舱体内部均模拟与岩芯所处深度一致的高温高压环境，现阶段应用于市场的耐高温高压截止阀通径较小(100+℃、100+MP01级截止阀通径不大于100mm)，很大程度上限制了执行机构的动作空间，岩芯在各舱体间的抓取及转移过程很难通过多个机构间的协同动作实现。对于严苛的高温高压环境，建立旋转密封的难度很大，通过外部旋转驱动转移岩芯的方式较为困难，而采用油缸直线驱动的方式相对容易实现。此外，岩芯在抓取转移过程中受到的阻力较大，最高可达15000N。因此，要求岩芯抓取装置不仅能通过直线运动实现岩芯的抓取和释放，更对抓取装置在高温高压环境下的可靠性提出了很高的要求。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种深部原位岩芯抓取装置及其操作方法，从而以简单紧凑的结构形式，便可通过直线驱动可靠地实现原位岩芯的抓取和转移动作，解决了高温高压环境下狭窄空间中的岩芯抓取转移难题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深部原位岩芯抓取装置，包括基座，所述基座的末端通过紧固件连接驱动油缸的活塞杆，所述基座首端基于水平面对称开有两处销轴孔，所述销轴孔处通过销轴铰接卡爪，所述卡爪分为对称的上副和下副；
还包括竖直安装的行程开关，行程开关的上下端分别设置有销孔，两个销孔分别与卡爪的上副和下副铰接，卡爪的开合与行程开关的伸缩同步；
基座的首端还通过螺栓安装有卡簧撑套；
还包括限位盘，所述限位盘的结构为：包括呈圆环形结构的限位盘本体，所述限位盘本体的内壁面设置有对称的凸块。
其进一步技术方案在于：
基座、行程开关、卡爪和卡簧撑套组合构成抓取动作机构。
所述行程开关的结构为：包括套筒，所述套筒的底部设置有连接耳板，所述套筒上部为上侧开设有矩形槽孔的圆柱筒，伸缩杆下部嵌入套筒内，伸缩杆沿套筒内壁伸缩滑动，压缩弹簧置于套筒内并与伸缩杆上端面接触；弹性拨片上端呈楔形，下端经螺纹联接固定于伸缩杆开设的矩形槽内，随伸缩杆沿套筒内壁上下伸缩。
所述卡簧撑套的前端为薄壁圆柱体，薄壁圆柱体的外径与岩芯的外径尺寸一致，卡簧撑套的后端设置对称的L型结构杆，L型结构杆的末端开有通孔，所述通孔处安装螺栓。
一种深部原位岩芯抓取装置的操作方法，包括如下步骤：
第一步：准备好截止阀转移舱、取芯舱和制备舱截止阀的一端与转移舱连接，截止阀的另一端与取芯舱或者制备舱连接，转移舱、取芯舱及制备舱内均为液态高温高压环境，通过截止阀的启闭实现各个舱体间的连通与隔断；
第二步：初始状态时，将抓取动作机构装入转移舱中，此时截止阀的另一端与取芯舱连接，截止阀处于关闭状态，取芯舱内固定有取芯器，岩芯储放于取芯器内并通过锥形卡簧夹紧；
第三步：当需要抓取岩芯时，截止阀打开，活塞杆前伸推动抓取动作机构进入取芯舱内，随着活塞杆不断前伸，卡簧撑套接触并逐渐撑开取芯器内的锥形卡簧，同时卡爪前端与岩芯头的锥面形成接触并逐渐被锥面撑开，卡爪的动作压缩行程开关，直至锥形卡簧被完全撑开并顶住岩芯主体，驱动活塞杆缩回，卡爪牢牢抓住岩芯头向后移动使岩芯本体越过锥形卡簧从取芯器内拉出；
第四步：待抓取动作机构将岩芯从取芯舱拉至转移舱后，关闭截止阀；
第五步：将取芯舱更换为制备舱，再次打开截止阀；
第六步：控制活塞杆伸出，抓取动作机构随活塞杆向前移动，基座前端顶住岩芯头并推动岩芯向前移动至制备舱内；
第七步：待抓取动作机构将岩芯从取芯舱移至制备舱后，活塞杆带动抓取动作机构缩回至转移舱，并将岩芯留在制备舱，关闭截止阀并脱离制备舱，实现岩芯转移工作。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过抓取动作机构、转移舱、截止阀、取芯舱和制备舱的互相配合工作下，可以方便的完成抓取和转移岩芯的动作，并且是通过简单直线驱动便可实现岩芯抓取和释放动作，功能性强。
本发明机构设计简单巧妙、接口简便、适用性好。
本发明所有构件由机械部件组成，耐高温高压，可承受较大拉力，可靠性高，成本低。
附图说明
图1为本发明抓取装置的结构示意图。
图2为本发明行程开关的内部结构示意图(初始状态)。
图3为本发明卡簧撑套的截面图。
图4为本发明限位盘的主视图。
图5为本发明操作时初始状态的结构示意图。
图6为本发明操作时岩芯抓取状态的结构示意图。
图7为本发明操作时岩芯移位状态的结构示意图。
其中：1、基座；2、行程开关；3、卡爪；4、卡簧撑套；5、限位盘；6、销轴；7、螺栓；8、活塞杆；9、转移舱；10、截止阀；11、取芯舱；12、岩芯头；13、取芯器；14、锥形卡簧；15、制备舱；
201、套筒；202、压缩弹簧；203、弹性拨片；204、伸缩杆；205、连接耳板；
401、通孔；402、L型结构杆；403、薄壁圆柱体；
501、凸块；502、限位盘本体。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1－图7所示，本实施例的深部原位岩芯抓取装置，包括基座1，基座1的末端通过紧固件连接驱动油缸的活塞杆8，基座1首端基于水平面对称开有两处销轴孔，销轴孔处通过销轴6铰接卡爪3，卡爪3分为对称的上副和下副；
还包括竖直安装的行程开关2，行程开关2的上下端分别设置有销孔，两个销孔分别与卡爪3的上副和下副铰接，卡爪3的开合与行程开关2的伸缩同步；
基座1的首端还通过螺栓7安装有卡簧撑套4；
还包括限位盘5，限位盘5的结构为：包括呈圆环形结构的限位盘本体502，限位盘本体502的内壁面设置有对称的凸块501。
基座1、行程开关2、卡爪3和卡簧撑套4组合构成抓取动作机构。
行程开关2的结构为：包括套筒201，套筒201的底部设置有连接耳板205，套筒201上部为上侧开设有矩形槽孔的圆柱筒，伸缩杆204下部嵌入套筒201 内，伸缩杆204沿套筒201内壁伸缩滑动，压缩弹簧202置于套筒201内并与伸缩杆204上端面接触；弹性拨片203上端呈楔形，下端经螺纹联接固定于伸缩杆204开设的矩形槽内，随伸缩杆204沿套筒201内壁上下伸缩。
卡簧撑套4的前端为薄壁圆柱体403，薄壁圆柱体403的外径与岩芯的外径尺寸一致，卡簧撑套4的后端设置对称的L型结构杆402，L型结构杆402 的末端开有通孔401，通孔401处安装螺栓7。
本实施例深部原位岩芯抓取装置的操作方法，包括如下步骤：
第一步：准备好截止阀10转移舱9、取芯舱11和制备舱15截止阀10的一端与转移舱9连接，截止阀10的另一端与取芯舱11或者制备舱15连接，转移舱9、取芯舱11及制备舱15内均为液态高温高压环境，通过截止阀10的启闭实现各个舱体间的连通与隔断；
第二步：初始状态时，将抓取动作机构装入转移舱9中，此时截止阀10 的另一端与取芯舱11连接，截止阀10处于关闭状态，取芯舱11内固定有取芯器13，岩芯储放于取芯器13内并通过锥形卡簧14夹紧；
第三步：当需要抓取岩芯时，截止阀10打开，活塞杆8前伸推动抓取动作机构进入取芯舱11内，随着活塞杆8不断前伸，卡簧撑套4接触并逐渐撑开取芯器13内的锥形卡簧14，同时卡爪3前端与岩芯头12的锥面形成接触并逐渐被锥面撑开，卡爪3的动作压缩行程开关2，直至锥形卡簧14被完全撑开并顶住岩芯主体，驱动活塞杆8缩回，卡爪3牢牢抓住岩芯头12向后移动使岩芯本体越过锥形卡簧14从取芯器13内拉出；
第四步：待抓取动作机构将岩芯从取芯舱11拉至转移舱9后，关闭截止阀 10；
第五步：将取芯舱11更换为制备舱15，再次打开截止阀10；
第六步：控制活塞杆8伸出，抓取动作机构随活塞杆8向前移动，基座1 前端顶住岩芯头12并推动岩芯向前移动至制备舱15内；
第七步：待抓取动作机构将岩芯从取芯舱11移至制备舱15后，活塞杆8 带动抓取动作机构缩回至转移舱9，并将岩芯留在制备舱15，关闭截止阀10 并脱离制备舱15，实现岩芯转移工作。
本发明的具体结构和功能如下：
主要包括基座1、行程开关2、卡爪3、卡簧撑套4、限位盘5等。
基座1末端设计为法兰盘，通过紧固件与驱动油缸的活塞杆8端部固联；
基座1基于水平面对称开设两处销轴孔，卡爪3分为上下两副，对称铰接于基座1的两个销轴孔中，行程开关2的伸缩杆204及套筒201末端均开设销轴孔，分别与卡爪3上副及下副末端铰接，进而使卡爪3的开合与行程开关2 的伸缩实现同步；卡簧撑套4前端为薄壁圆柱体403，后端左右对称拼焊L型结构杆402，L型结构杆402的末端开通孔401，通过螺栓7联接与基座1前端螺纹孔固联。
上述的基座1、行程开关2、卡爪3、卡簧撑套4组成抓取动作机构。
限位盘5在其内壁上下侧设置凸块501，独立安装于制备舱15的内部，在岩芯移位时凸块501接触并挤压卡爪3。
行程开关2包括：套筒201，压缩弹簧202，弹性拨片203、伸缩杆204和连接耳板205。
套筒201下部为连接耳板205，上部为上侧开设有矩形槽孔的圆柱筒；伸缩杆204下部嵌入套筒201内，并可沿套筒201内壁伸缩滑动，压缩弹簧202 置于套筒201内并与伸缩杆204上端面接触；弹性拨片203上端呈楔形，由弹簧钢材料加工完成，具有较强的弹性，下端经螺纹联接固定于伸缩杆204开设的矩形槽内，随伸缩杆204沿套筒201内壁上下伸缩。
见图1、图2、图3，行程开关2的伸缩杆204及套筒201分别与卡爪3上副及下副铰接，卡爪3上副及下副可沿基座1铰接孔转动，在非受力状态下，行程开关2内压缩弹簧202的预压缩力推动行程开关2伸出，进而推动卡爪3 上副及下副转动使其前端开口合拢，卡簧撑套4的L形杆与卡爪3接触部位对卡爪3形成机械限位，防止卡爪3前端过度合拢，以便卡爪3越过岩芯头12 首端阶梯。
见图5、图6、图7，截止阀10一端与转移舱9连接，另一端分别与取芯舱11或制备舱15连接，转移舱9、取芯舱11及制备舱15内均为液态高温高压环境，通过截止阀10的启闭实现各个舱体间的连通与隔断。油缸的活塞杆8 及抓取动作机构置于舱体内部，基座1与活塞杆8前端法兰固联，通过驱动活塞杆8的伸缩实现抓取动作机构在舱体间水平方向的前进和后退；岩芯头12 的头部为锥面，以便撑开卡爪3前端开口；限位盘5独立安装于制备舱15内，卡爪3经过限位盘5时与其接触并发生转动，将行程开关2压缩至行程末端，进而触发开关锁住卡爪3开口。
本发明的工作原理及工作过程如下：
如图5所示，初始状态时，转移舱9、截止阀10与取芯舱11通过法兰连接，活塞杆8位于转移舱9内，基座1固联于活塞杆8前端法兰，岩芯储放于取芯器13内并通过锥形卡簧14夹紧，取芯器13固定于取芯舱11内，截止阀 10关闭；
当需要抓取岩芯时，截止阀10打开，油缸驱动活塞杆8前伸推动抓取动作机构进入取芯舱11内，随着活塞杆8不断前伸，卡簧撑套4接触并逐渐撑开取芯器13内的锥形卡簧14，同时卡爪3前端与岩芯头12的锥面形成接触并逐渐被锥面撑开，卡爪3的动作压缩行程开关2，弹性拨片203随伸缩杆204相对套筒201向下滑动，弹性拨片203向下滑动至楔形块接触套筒201上端时，发生弹性变形嵌入套筒201内并继续随伸缩杆204向下滑动，随着卡爪3前端开口张大并越过岩芯头12首部阶梯，卡爪3前端失去外力作用，压缩弹簧202 的回弹力推动伸缩杆204相对套筒201向上滑动，弹性拨片203随伸缩杆204 向上滑动直至脱离套筒201，弹性拨片203弹性变形消失并恢复初始状态，卡爪3前端合拢并夹住岩芯头12阶梯槽，此时锥形卡簧14被完全撑开并顶住岩芯主体，控制液压系统换向驱动活塞杆8缩回，卡爪3牢牢抓住岩芯头12向后移动使岩芯本体越过锥形卡簧14从取芯器13内拉出。
待抓取动作机构将岩芯从取芯舱11拉至转移舱9后，关闭截止阀10，将取芯舱11更换为制备舱15，再次打开截止阀10，控制液压系统换向使油缸的活塞杆8伸出，抓取动作机构随活塞杆8向前移动，基座1前端顶住岩芯头12 并推动岩芯向前移动至制备舱15内，随着卡爪3与安装于制备舱15内的限位盘5凸块501接触并不断前伸，卡爪3受凸块501阻压逐渐转动使前端开口张大，带动伸缩杆204相对套筒201向下滑动，弹性拨片203嵌入套筒201内并随伸缩杆204向下滑动，当岩芯被推至制备舱15末端时，卡爪3后端完全进入行程开关2内，伸缩杆204向下滑动至行程开关2末端，弹性拨片203楔形部位滑动至套筒201上端矩形槽内并脱离径向约束，弹性拨片203弹性变形消失恢复自由状态，此状态下压缩弹簧202虽存在较大回弹力，但弹性拨片203楔形块卡在套筒201矩形槽内使行程开关2无法重新伸长至自由状态，卡爪3前端开口大于岩芯头12直径，此时再次控制液压系统换向使油缸活塞杆8缩回，卡爪3前端越过岩芯头12的阶梯槽，活塞杆8带动抓取动作机构缩回至转移舱 9内，并将岩芯留在制备舱15，关闭截止阀10并脱离制备舱15，实现岩芯转移工作。
待转移工作结束，转移舱9降温冷却后再次开启截止阀10，控制液压系统驱动抓取动作机构伸出截止阀10外，利用螺丝刀按压弹性拨片203楔形块，弹性拨片203发生弹性变形被压入套筒201内，在压缩弹簧202回弹力作用下，行程开关2伸长至初始状态，抓取动作机构复位，等待下一次抓取任务。
本发明整体工作可靠，动作灵敏，工作效率高。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (4)
1.一种深部原位岩芯抓取装置，其特征在于：包括基座(1)，所述基座(1)的末端通过紧固件连接驱动油缸的活塞杆(8)，所述基座(1)首端基于水平面对称开有两处销轴孔，所述销轴孔处通过销轴(6)铰接卡爪(3)，所述卡爪(3)分为对称的上副和下副；
还包括竖直安装的行程开关(2)，行程开关(2)的上下端分别设置有销孔，两个销孔分别与卡爪(3)的上副和下副铰接，卡爪(3)的开合与行程开关(2)的伸缩同步；
基座(1)的首端还通过螺栓(7)安装有卡簧撑套(4)；
还包括限位盘(5)，所述限位盘(5)的结构为：包括呈圆环形结构的限位盘本体(502)，所述限位盘本体(502)的内壁面设置有对称的凸块(501)；所述行程开关(2)的结构为：包括套筒(201)，所述套筒(201)的底部设置有连接耳板(205)，所述套筒(201)上部为上侧开设有矩形槽孔的圆柱筒，伸缩杆(204)下部嵌入套筒(201)内，伸缩杆(204)沿套筒(201)内壁伸缩滑动，压缩弹簧(202)置于套筒(201)内并与伸缩杆(204)上端面接触；弹性拨片(203)上端呈楔形，下端经螺纹联接固定于伸缩杆(204)开设的矩形槽内，随伸缩杆(204)沿套筒(201)内壁上下伸缩。
2.如权利要求1所述的一种深部原位岩芯抓取装置，其特征在于：基座(1)、行程开关(2)、卡爪(3)和卡簧撑套(4)组合构成抓取动作机构。
3.如权利要求1所述的一种深部原位岩芯抓取装置，其特征在于：所述卡簧撑套(4)的前端为薄壁圆柱体(403)，薄壁圆柱体(403)的外径与岩芯的外径尺寸一致，卡簧撑套(4)的后端设置对称的L型结构杆(402)，L型结构杆(402)的末端开有通孔(401)，所述通孔(401)处安装螺栓(7)。
4.一种利用权利要求3所述的深部原位岩芯抓取装置的操作方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：准备好截止阀(10)转移舱(9)、取芯舱(11)和制备舱(15)截止阀(10)的一端与转移舱(9)连接，截止阀(10)的另一端与取芯舱(11)或者制备舱(15)连接，转移舱(9)、取芯舱(11)及制备舱(15)内均为液态高温高压环境，通过截止阀(10)的启闭实现各个舱体间的连通与隔断；
第二步：初始状态时，将抓取动作机构装入转移舱(9)中，此时截止阀(10)的另一端与取芯舱(11)连接，截止阀(10)处于关闭状态，取芯舱(11)内固定有取芯器(13)，岩芯储放于取芯器(13)内并通过锥形卡簧(14)夹紧；
第三步：当需要抓取岩芯时，截止阀(10)打开，活塞杆(8)前伸推动抓取动作机构进入取芯舱(11)内，随着活塞杆(8)不断前伸，卡簧撑套(4)接触并逐渐撑开取芯器(13)内的锥形卡簧(14)，同时卡爪(3)前端与岩芯头(12)的锥面形成接触并逐渐被锥面撑开，卡爪(3)的动作压缩行程开关(2)，直至锥形卡簧(14)被完全撑开并顶住岩芯主体，驱动活塞杆(8)缩回，卡爪(3)牢牢抓住岩芯头(12)向后移动使岩芯本体越过锥形卡簧(14)从取芯器(13)内拉出；
第四步：待抓取动作机构将岩芯从取芯舱(11)拉至转移舱(9)后，关闭截止阀(10)；
第五步：将取芯舱(11)更换为制备舱(15)，再次打开截止阀(10)；
第六步：控制活塞杆(8)伸出，抓取动作机构随活塞杆(8)向前移动，基座(1)前端顶住岩芯头(12)并推动岩芯向前移动至制备舱(15)内；
第七步：待抓取动作机构将岩芯从取芯舱(11)移至制备舱(15)后，活塞杆(8)带动抓取动作机构缩回至转移舱(9)，并将岩芯留在制备舱(15)，关闭截止阀(10)并脱离制备舱(15)，实现岩芯转移工作。
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