CN114215479B - 钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻具，包括主钻杆(1)和主钻头(2)，所述主钻头(2)设置在所述主钻杆(1)的一端，还包括采样结构(3)，所述采样结构(3)设置在所述主钻头(2)远离所述主钻杆(1)的一端。本发明的钻具采用长阶梯变径构型，可以提高钻具在切削冻土过程中的最大输出切削应力，以提升钻具的切削能力，使得钻具可以钻进较为苛刻的恶劣工况。

Description

钻具

技术领域

本发明涉及一种钻具。

背景技术

在探月工程中，月球极区永久阴影区内水冰冻土采样探测科学任务是至关重要的一环。月球极区深度剖面内0.5-3m深度区间是水冰大概率富集区，因此，为了保证获得含水冰样品的概率，需要在1m左右深度开展取样。而月壤本身具有密实、大内摩擦角、级配宽的特点，若再含有一定的水冰成分，则会使其力学性能变得更为复杂，切削力载也会极大提高。因此，如何高可靠地、无人自主地实现月球极区永久阴影区内1m左右深度含水冰样品的取样是领域内的一大难题。

在现有技术中，存在一定的关于冻土的存在形式、力学性质及采样机构的研究。现有的冻土取样大多采用钻取的方式，即利用一根细长的外螺旋钻具实现对冻土进行钻进取样，钻具的前端通常安装有耐磨的切削钻头，钻具的驱动机构则安装在钻具的尾部。这种方式的优点在于钻进能量密度高，能够较为可靠地实现冻土钻进取样，不过其所采用的冻土钻具的结构形式和工作机理较为复杂，尤其是钻具钻进取样的外部驱动机构的质量、体积和功耗均较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有更强钻进能力的钻具。

为实现上述发明目的，本发明提供一种钻具，包括主钻杆和主钻头，所述主钻头设置在所述主钻杆的一端，还包括采样结构，所述采样结构设置在所述主钻头远离所述主钻杆的一端。

根据本发明的一个方面，所述采样结构包括辅钻杆和辅钻头；

所述辅钻杆的一端连接在所述主钻头上，所述辅钻头设置在所述辅钻杆的另一端；

所述辅钻杆的外径小于所述主钻杆的外径，所述辅钻头的外径小于所述主钻头的外径。

根据本发明的一个方面，所述辅钻头包括第一本体；

所述第一本体上设有第一切削刃和第一排粉槽；

所述第一切削刃和所述第一排粉槽分别沿圆周方向相间设置在所述第一本体上，且所述第一切削刃和所述第一排粉槽的位置交错；

所述第一切削刃沿轴向延伸。

根据本发明的一个方面，所述第一切削刃和所述第一排粉槽设置三组以上。

根据本发明的一个方面，所述辅钻杆上设有外螺旋，螺旋升角为10°～18°；

所述外螺旋面对所述主钻头的一侧与所述辅钻杆的夹角为锐角，另一侧与所述辅钻杆的夹角为钝角。

根据本发明的一个方面，所述第一排粉槽的半锥角为20°～60°。

根据本发明的一个方面，所述主钻头包括第二本体；

所述第二本体上设有第二切削刃和第二排粉槽；

所述第二切削刃和所述第二排粉槽分别沿圆周方向相间设置在所述第二本体上，且所述第二切削刃和所述第二排粉槽的位置交错；

所述第二切削刃沿轴向延伸。

根据本发明的一个方面，所述第二切削刃和所述第二排粉槽设置四组以上。

根据本发明的一个方面，所述第二排粉槽的半锥角为25°～65°。

根据本发明的一个方面，在排粉时，所述采样结构的转速高于临界转速ω₀；

在采样时，所述采样结构的转速低于临界转速ω₀。

根据本发明的构思，针对月球极区永久阴影区内1m深度水冰冻土采样目标，提出一种切削力载增强型长阶梯变径式取样钻具，以实现对深层月壤或含水冰月壤的钻进及取样。本发明的钻具通过特殊的长阶梯变径构型，提高了钻具在切削冻土过程中的最大输出切削应力，从而提升钻具的切削能力，使得钻具可以钻进较为苛刻的恶劣工况。

根据本发明的一个方案，对采样结构进行防卡、防样品滑落的设计，具体为使辅钻杆的外螺旋具有较小的螺旋升角、锐角的螺旋翼前角以及钝角的螺旋翼后角，从而实现了钻进排粉、取样、样品防掉落、钻具防卡等功能的有机结合及有效平衡。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的钻具的主视图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的钻具前端的主视图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的辅钻杆外螺旋处的剖视图；

图4示意性表示本发明的一种实施方式的钻具前端的轴测图；

图5示意性表示本发明的一种实施方式的钻具钻孔时的状态图；

图6示意性表示本发明的一种实施方式的钻具采样时的状态图；

图7示意性表示本发明的一种实施方式的钻具拔出后的状态图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1，本发明的切削力载增强型长阶梯变径式取样钻具，适用于各类具有一定重力场的星体表面的无人/有人的自动取样探测，尤其适用于地外星体表面含水冻土的钻取采样。本钻具包括主钻杆1和主钻头2(或称扩孔钻头)，主钻头2设置在主钻杆1的一端。其中，主钻头2用于钻削截面外围圆环部分(即采样孔外围)的钻进切削；主钻杆1为外螺旋结构，用于及时将钻头产生的钻屑快速地排出钻孔。根据本发明的构思，钻具还具有采样结构3，采样结构3设置在主钻头2远离主钻杆1的一端。

参见图2，采样结构3包括辅钻杆31(或称取样螺旋钻杆)和辅钻头32(或称中心钻头)。辅钻杆31的一端连接在主钻头2上，辅钻头32设置在辅钻杆31的另一端。其中，辅钻头32用于钻削截面中心圆部分(即采样孔)的钻进切削。辅钻杆31上设有外螺旋31a，其需要完成排粉、取样双重功能。因此，辅钻杆31既需要在高速转动时及时将辅钻头32产生的钻屑快速排出，又需要在低速转动时存放辅钻头32产生的钻屑，实现采样。不过，在提钻取出样品阶段，由于失去钻孔侧壁的保护，因此样品极易从辅钻杆31上滑落。为此，本发明对辅钻杆31进行了合理设计，首先，使外螺旋31a具备较小的螺旋升角，可为10°～18°，从而既可以保证排粉速率，又可以保证提钻过程中样品在螺旋槽内部的摩擦处于摩擦锥内，而不会轻易沿螺旋槽道向下滑落。另外，如图3所示，本发明的辅钻杆31的外螺旋31a面对主钻头2的一侧与辅钻杆31的夹角(即螺旋翼前角)为锐角，从而可以有效抵消提钻过程中主钻杆1转动引起的离心力，以避免样品的甩出；外螺旋31a另一侧与辅钻杆31的夹角(即螺旋翼后角)为钝角，从而可以保证辅钻杆31螺旋槽道的开敞性，以防止钻进过程中石块卡在螺旋槽道中。

继续参见图2，本发明中，辅钻杆31的外径小于主钻杆1的外径，辅钻头32的外径小于主钻头2的外径。如此，辅钻头32和辅钻杆31在钻具的前端构成了一个切削直径更小的小型钻具，则在钻进过程发现遇到较硬的冻土或岩块时，只需钻进辅钻杆31长度的深度即可完成取样，而主钻头2无需钻进较硬的对象，仅钻进相对松软的月壤工况即可。另外，由于辅钻头32处在主钻头2的前方，则在辅钻头32钻进冻土或岩块的过程中，主钻头2仍在钻进相对松软的月壤，而钻进相对松软的月壤消耗的扭矩较小，从而可以保证钻具驱动机构的绝大部分输出扭矩均作用在辅钻头32上，以实现施加辅钻头32处更大的切削应力的功能。并且，这种使钻具前端利用较小直径的采样结构3来钻进采样的方式还可以保证主钻杆1的刚度。

参见图4，辅钻头32包括第一本体321，第一本体321上设有第一切削刃322和第一排粉槽323。第一切削刃322和第一排粉槽323分别沿圆周方向相间设置在第一本体321上，且二者的位置相互交错。其中，第一切削刃322沿轴向延伸形成立刃结构。第一切削刃322和第一排粉槽323设置三组以上。第一排粉槽323的半锥角(即相对于钻具中心轴线的夹角)为20°～60°。主钻头2包括第二本体21，第二本体21上设有第二切削刃22和第二排粉槽23。第二切削刃22和第二排粉槽23分别沿圆周方向相间设置在第二本体21上，且二者的位置相互交错。其中，第二切削刃22沿轴向延伸形成立刃结构。第二切削刃22和第二排粉槽23设置四组以上。第二排粉槽23的半锥角(即相对于钻具中心轴线的夹角)为25°～65°。

由此可知，本发明中的主钻头2和辅钻头32均具有较小的排粉锥角(即高锥)、立刃结构以及宽阔的排粉通道，而较小的排粉锥角有利于在钻进过程中，钻头将块状物挤出钻进截面以外的空间；立刃结构则有利于在冲击钻进过程中，冲击力载的传递及提高切削刃对冲力力载的承受能力；宽阔的排粉通道有利于切屑的及时排出，从而降低排粉力矩，实现通畅排粉；三排以上的切削刃则有利于孔底受力状态的稳定及切削刃的备份，从而提高钻头可靠性。

如图5所示，本发明的钻具在钻孔排粉时需要较高的工作转速，具体应高于临界转速ω₀，从而实现切屑(即星壤B)的快速排出。如图6所示，钻具在采样时需要较低的工作转速，具体应低于临界转速ω₀，以使得钻屑(即冻土C)能够填充在辅钻杆31外表面的螺旋槽道(即外螺旋31a)内，实现取样。如图7所示，由于按照上述设置的辅钻杆31的外螺旋31a已能够存放样品，因此钻具在提起后样品D也可留在辅钻杆3上。

综上所述，本发明的钻具为切削力载增强的长阶梯变径式结构，从而相对于现有的钻具而言，在相同驱动力载作用下具有更大的输出切削应力，具备更强的切削性能及更宽的月壤/冻土工况适应性。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钻具，包括主钻杆（1）和主钻头（2），所述主钻头（2）设置在所述主钻杆（1）的一端，其特征在于，还包括采样结构（3），所述采样结构（3）设置在所述主钻头（2）远离所述主钻杆（1）的一端；

所述采样结构（3）包括辅钻杆（31）和辅钻头（32）；

所述辅钻杆（31）的一端连接在所述主钻头（2）上，所述辅钻头（32）设置在所述辅钻杆（31）的另一端；

所述辅钻杆（31）的外径小于所述主钻杆（1）的外径，所述辅钻头（32）的外径小于所述主钻头（2）的外径；

所述辅钻头（32）包括第一本体（321）；

所述第一本体（321）上设有第一切削刃（322）和第一排粉槽（323）；

所述第一切削刃（322）和所述第一排粉槽（323）分别沿圆周方向相间设置在所述第一本体（321）上，且所述第一切削刃（322）和所述第一排粉槽（323）的位置交错；

所述第一切削刃（322）沿轴向延伸；

所述辅钻杆（31）上设有外螺旋（31a），螺旋升角为10°～18°；

所述外螺旋（31a）面对所述主钻头（2）的一侧与所述辅钻杆（31）轴线的夹角为锐角，另一侧与所述辅钻杆（31）的夹角为钝角；

所述第一排粉槽（323）的半锥角为20°～60°；

所述主钻头（2）包括第二本体（21）；

所述第二本体（21）上设有第二切削刃（22）和第二排粉槽（23）；

所述第二切削刃（22）和所述第二排粉槽（23）分别沿圆周方向相间设置在所述第二本体（21）上，且所述第二切削刃（22）和所述第二排粉槽（23）的位置交错；

所述第二切削刃（22）沿轴向延伸；

所述第二排粉槽（23）的半锥角为25°～65°。

2.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，所述第一切削刃（322）和所述第一排粉槽（323）设置三组以上。

3.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，所述第二切削刃（22）和所述第二排粉槽（23）设置四组以上。

4.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，在钻进排粉时，所述采样结构（3）的转速高于临界转速ω₀；

在采样时，所述采样结构（3）的转速低于临界转速ω₀。