CN114352221B - 深海矿床表层岩芯原位破碎装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海岩芯原位取样领域，特别是深海矿床表层岩芯原位破碎装置。冲击头位于限位面板的前方，冲击头的后端与撞块机构的前端连接，撞块机构的后端与往复移动机构连接，往复移动机构与动力机构连接；所述撞块机构包括冲击杆、冲击缸和撞块，冲击缸位于箱体内，冲击缸的前端与限位面板固定连接，冲击杆贯穿冲击缸的前端和限位面板，冲击杆的前端与冲击头固定连接，冲击杆与限位面板的后侧面之间通过第一碟簧连接，撞块位于冲击缸的腔体内，撞块的前端与冲击杆的后端之间通过第一压缩弹簧连接，撞块的后端与冲击缸的后端之间通过第二压缩弹簧连接。能够尽量消除冲击头往复运动过程中的外界因素的影响，提供稳定、可靠的冲击力，取样成功率高。

Description

深海矿床表层岩芯原位破碎装置

技术领域

本发明涉及深海岩芯原位取样领域，特别是深海矿床表层岩芯原位破碎装置。

背景技术

深海矿床包括硫化物矿床、钴结壳矿床以及铁锰结壳矿床。深海矿床的岩芯取样调查是深海矿床开采前的重要工作。目前，铁锰结核矿床主要依靠科考船拖网、拖箱海底拖曳取样，潜水器下前后使用铲斗取样得到结核岩芯样品。硫化物矿床以及钴结壳矿床的岩芯主要依靠船载钻机岩芯取样以及潜水器搭载小型钻机钻取岩芯取样，或者由潜水器机械手直接抓取捡拾取样。

目前的钻机岩芯取样对岩芯钻机的操作要求较高，对深海矿床地形要求也较高，取样成功率不高。现有的钻机在对岩芯进行往复冲击的过程中，一般需要通过气压或液压实现钻头的往复运动，该往复式结构受深海压力的限制很大，在实际深海操作中难以实现。

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，提出了一种深海矿床表层岩芯原位破碎装置，其能够尽量消除冲击头往复运动过程中的外界因素的影响，能够提供稳定、可靠的冲击力，取样成功率高。

本发明的技术方案是：一种深海矿床表层岩芯原位破碎装置，包括箱体、冲击头、撞块机构、往复移动机构和动力机构，撞块机构和往复移动机构设置在箱体内，动力机构与箱体连接，箱体的前侧设有限位面板，冲击头位于限位面板的前方，冲击头的后端与撞块机构的前端连接，撞块机构的后端与往复移动机构连接，往复移动机构与动力机构连接；

所述撞块机构包括冲击杆、冲击缸和撞块，冲击缸位于箱体内，冲击缸的前端与限位面板固定连接，冲击杆贯穿冲击缸的前端和限位面板，冲击杆的前端与冲击头固定连接，冲击杆与限位面板的后侧面之间通过第一碟簧连接，撞块位于冲击缸的腔体内，撞块的前端与冲击杆的后端之间通过第一压缩弹簧连接，撞块的后端与冲击缸的后端之间通过第二压缩弹簧连接；

所述往复移动机构包括动力杆、从动半齿轮和主动齿轮，动力杆的前端与撞块的后侧面连接，动力杆的后端与从动半齿轮连接，从动半齿轮的半圆周为齿形，半圆周为光滑的平面，从动半齿轮上的齿与主动齿轮上的齿相互啮合，动力杆与从动半齿轮之间的连接位置位于靠近齿形和平面交接处的从动半齿轮的端面位置，动力杆的上方设有定位销，定位销的上方设有第三压缩弹簧，第三压缩弹簧将定位销的底端始终压紧在动力杆上。

本发明中，还包括T型把手，箱体的后方设有T型把手，T型把手与箱体的后侧面固定连接。

所述撞块的前端与冲击杆的后端之间形成第二内腔，第一压缩弹簧位于第二内腔内，撞块的后端与冲击缸的后端之间形成第一内腔，第二压缩弹簧设置在第一内腔内，第一内腔和第二内腔之间通过导流管连通。

所述撞块的外表面还间隔设置数条前后贯通的撞块导流孔，撞块导流孔的两端分别与第一内腔和第二内腔连通。通过设置撞块导流孔，也可以降低撞块在运动过程中海水对撞块的阻力。

所述从动半齿轮与半齿轮轴连接，半齿轮轴通过滚动轴承与箱体连接，主动齿轮与动力机构连接。

所述动力机构包括动力电机，动力电机安装在电机水密舱内，电机水密舱与箱体固定连接，动力电机的输出轴与主动齿轮连接，动力电机驱动主动齿轮转动。

本发明的有益效果是：

(1)本申请中，通过主动齿轮、从动半齿轮、撞块之间的相互作用，并通过第一压缩弹簧、第二压缩弹簧和第一碟簧的储能和反弹实现了撞块在冲击缸内的往复移动，通过撞块带动冲击头前后往复移动，实现了对深海矿床表层岩芯的原位冲击破碎，该种结构形式连接可靠，在冲击头冲击深海矿床表层时，可以产生可靠、稳定的冲击力，冲击效果好，便于实现后续的取样工序，取样成功率高；

(2)撞块往复移动过程中，第一内腔和第二内腔的体积会随之发生变化，通过导流管实现了海水在第一内腔和第二内腔之间流动，减少了撞块往复移动过程中海水对其产生的运动阻力。

综上所述，该装置受深海压力的限制小，能够提供稳定、可靠的冲击力，取样成功率高。

附图说明

图1是本发明的内部结构示意图；

图2是本发明的主视剖面结构示意图；

图3是本发明的俯视剖面结构示意图；

图4是撞块机构的剖面结构示意图；

图5是传动机构的立体结构示意图。

图中：1冲击头；2第一压缩弹簧；3导流管；4撞块；5冲击缸；6第二压缩弹簧；7第三压缩弹簧；8从动半齿轮；9主动齿轮；10T型把手；11箱体；12电机水密舱；13动力电机；14冲击头连接销；15第一碟簧；16冲击杆；17定向销；18动力杆；19撞块销轴；20传动销轴；21滚动轴承；22半齿轮轴；23第一内腔；24撞块导流孔；26第二内腔；27限位面板。

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和图2所示，本发明所述的深海矿床表层岩芯原位破碎装置包括箱体11、T型把手10、冲击头1、撞块机构、往复移动机构和动力机构，撞块机构和往复移动机构设置在箱体11内，动力机构与箱体11连接，撞块机构的一端与冲击头1连接，撞块机构的另一端与往复移动机构连接，往复移动机构与动力机构连接，通过动力机构，实现往复移动机构的往复运动过程。箱体11的前侧设有限位面板27，冲击头1位于限位面板27的前方，冲击头1的后端与撞块机构连接。箱体11的后方设有T型把手10，T型把手10与箱体11的后侧面固定连接。该装置搭载潜水器下前到深海矿床，由潜水器的机械手夹持取样器顶部的T型把手10，并将该装置置于待取样矿床，由冲击头1冲击矿床表面，获取矿床表面样品。

如图1至图4所示，撞块机构包括冲击杆16、冲击缸5和撞块4，冲击缸5位于箱体11内，冲击缸5的前端与限位面板27固定连接。冲击杆16贯穿冲击缸5的前端和限位面板27，冲击杆16的前端通过冲击头连接销14与冲击头1固定连接，冲击杆16与限位面板27的后侧面之间通过第一碟簧15连接。当冲击头多次使用出现磨损时，通过冲击头连接销14可以实现冲击头的快速更换。第一碟簧15为冲击头1和冲击杆16提供复位力，其复位力由冲击杆受到撞块撞击时的压缩变形产生。同时，限位面板27为冲击杆和冲击头提供运动限位，使冲击头的冲击和复位运动不超出限位面板的位置。

冲击缸5内设有腔体，撞块4位于该腔体内。撞块4的前端与冲击杆16的后端之间通过第一压缩弹簧2连接，撞块4的前端与冲击杆16的后端之间形成第二内腔26，第一压缩弹簧2位于第二内腔26内。撞块4的后端与冲击缸5的后端之间通过第二压缩弹簧6连接，且撞块4的后端与冲击缸5的后端之间形成第一内腔23，第二压缩弹簧6设置在第一内腔23内。第一内腔23和第二内腔26之间通过导流管3连通，撞块4往复移动过程中，第一内腔23和第二内腔26的体积会随之发生变化，通过导流管3实现了海水在第一内腔23和第二内腔26之间流动，减少了撞块4往复移动过程中海水对其产生的运动阻力。同时撞块4的外表面还间隔设置数条前后贯通的撞块导流孔24，撞块导流孔24的两端分别与第一内腔23和第二内腔26连通，通过设置撞块导流孔，也可以降低撞块在运动过程中海水对撞块的阻力。撞块4的后端与往复移动机构连接，通过往复移动机构，带动撞块4在冲击缸5的腔体内前后往复移动。

如图2至图5所示，往复移动机构包括动力杆18、从动半齿轮8和主动齿轮9，动力杆18的前端通过撞块销轴19与撞块4的后侧面连接，动力杆18的后端通过传动销轴20与从动半齿轮8连接，从动半齿轮8为非完全齿轮，齿的分布范围为连续的半个圆周，也就是说从动半齿轮的一半环形外表面为齿形，另一半环形外表面为光滑的平面，从动半齿轮8上的半个圆周的齿与主动齿轮9上的齿相互啮合。从动半齿轮8与半齿轮轴22连接，半齿轮轴22通过滚动轴承21与箱体11连接。主动齿轮9与动力机构连接。传动销轴20与从动半齿轮8之间的连接位置位于从动半齿轮的最末端齿的位置，即靠近齿形和平面交接处的从动半齿轮的端面位置，以保证从动半齿轮与主动齿轮脱离啮合时，动力杆向后运动至最大行程，从而使撞块4将第二压缩弹簧6压缩到最大程度。

动力机构动作时，带动主动齿轮9逆时针转动，此时通过从动半齿轮8与主动齿轮9之间的啮合，在主动齿轮9的驱动下，从动半齿轮8顺指针转动，并通过动力杆18带动撞块4向箱体11的后方运动，此时撞块4和冲击缸5之间的第二压缩弹簧6被压缩，第二压缩弹簧6开始储存弹性势能。随着从动半齿轮8的持续旋转，撞块4持续向后运动，第二压缩弹簧6被持续压缩并储存更多的弹性势能，当从动半齿轮8完成半个圆周的行程时，从动半齿轮8和主动齿轮9脱离啮合，此时从动半齿轮8不再受到主动齿轮9的驱动力及约束力，第二压缩弹簧6开始释放弹性势能，驱动撞块4向前运动，撞块4撞击冲击杆15和冲击头1，使冲击头1向前运动并产生瞬间的高速冲击，从而可达到破碎矿床表面的目的，与此同时撞块4与冲击杆15之间的第一压缩弹簧2被压缩，第一压缩弹簧2不仅可以提供使撞块4向后运动的推动力，又能够降低撞块撞击冲击杆时的能量损失。与此同时，撞块4向前运动的过程中，通过动力杆18带动从动半齿轮8继续原方向转动。当撞块4撞击冲击杆16、并使冲击杆16向前运动至与限位面板27接触时，在限位面板27的限位作用下，冲击杆16无法继续向前运动，在冲击杆16的反向力、第一碟簧15的压缩力、以及第一压缩弹簧2的弹簧力作用下，撞块4再次向后运动，并带动从动半齿轮8继续转动至重新与主动齿轮9啮合，并重复上述动作，实现了冲击头1的前后往复移动，从而实现了冲击头1的冲击取样。

动力杆18的上方设有定位销17，定位销17的上方设有第三压缩弹簧7，第三压缩弹簧7始终处于压缩状态，在第三压缩弹簧7的压缩力作用下，定位销17的底端始终压紧在动力杆18上，保证当动力杆18驱动从动半齿轮8运动时，从动半齿轮8不能反向转动，始终只能沿原转动方向转动。

动力机构包括动力电机13，动力电机13安装在电机水密舱12内，使该装置可以在深水下工作。电机水密舱12与箱体11固定连接。动力电机13的输出轴与主动齿轮9连接，动力电机13驱动主动齿轮9转动。

该装置的工作过程如下所述：首先，将该装置搭载潜水器下潜至深海矿床，由潜水器的机械手夹持取样器顶部的T型把手10，将该装置放置于待取样矿床。然后，启动动力电机13，通过动力电机13带动主动齿轮9转动，并通过主动齿轮8和从动半齿轮8之间的啮合，带动从动半齿轮8转动。从动半齿轮8通过与其连接的动力杆18拉动撞块4、以及与撞块4连接的冲击杆15、冲击头1向后运动。当从动半齿轮8完成半个圆周的行程时，从动半齿轮8转动至其光滑外表面与主动齿轮9接触，此时从动半齿轮8和主动齿轮9脱离啮合，在第二压缩弹簧6的弹力作用下，撞块4被推动向前运动，同时带动冲击杆15和冲击头1向前运动，使冲击头1对矿床表面产生瞬间的高速冲击。与此同时，在定位销17的限位作用下，撞块4通过动力杆18带动从动半齿轮8始终沿原方向转动。当冲击杆16向前运动至与限位面板27接触时，在冲击杆16的反作用力、第一碟簧15的弹力和第一压缩弹簧2的弹力作用下，撞块4被推动向后运动，与此同时撞块4通过动力杆18带动从动半齿轮8沿原方向转动，直至从动半齿轮8转动至于主动齿轮9啮合，并再次重复上述动作。撞块4往复移动过程中，第一内腔23和第二内腔26的体积不断发生变化，此时第一内腔23内的海水和第二内腔26内腔的海水在导管3的连通下，不断在两个腔体内流动，降低了撞块4在往复移动过程中海水对撞块4的阻力。在整个过程中，通过撞块4在冲击缸15内的往复移动，实现了冲击头1的往复移动，从而实现了冲击头1对矿床表面的往复冲击，便于实现对矿床的取样。

以上对本发明所提供的深海矿床表层岩芯原位破碎装置进行了详细介绍。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 (5)

1.一种深海矿床表层岩芯原位破碎装置，包括箱体（11）、冲击头（1），其特征在于：还包括撞块机构、往复移动机构和动力机构，撞块机构和往复移动机构设置在箱体（11）内，动力机构与箱体（11）连接，箱体（11）的前侧设有限位面板（27），冲击头（1）位于限位面板（27）的前方，冲击头（1）的后端与撞块机构的前端连接，撞块机构的后端与往复移动机构连接，往复移动机构与动力机构连接；

所述撞块机构包括冲击杆（16）、冲击缸（5）和撞块（4），冲击缸（5）位于箱体（11）内，冲击缸（5）的前端与限位面板（27）固定连接，冲击杆（16）贯穿冲击缸（5）的前端和限位面板（27），冲击杆（16）的前端与冲击头（1）固定连接，冲击杆（16）与限位面板（27）的后侧面之间通过第一碟簧（15）连接，撞块（4）位于冲击缸（5）的腔体内，撞块（4）的前端与冲击杆（16）的后端之间通过第一压缩弹簧（2）连接，撞块（4）的后端与冲击缸（5）的后端之间通过第二压缩弹簧（6）连接；

所述往复移动机构包括动力杆（18）、从动半齿轮（8）和主动齿轮（9），动力杆（18）的前端与撞块（4）的后侧面连接，动力杆（18）的后端与从动半齿轮（8）连接，从动半齿轮（8）的一半圆周为齿形，另一半圆周为光滑的平面，从动半齿轮（8）上的齿与主动齿轮（9）上的齿相互啮合，动力杆（18）与从动半齿轮（8）之间的连接位置位于靠近齿形和平面交接处的从动半齿轮的端面位置，动力杆（18）的上方设有定位销（17），定位销（17）的上方设有第三压缩弹簧（7），第三压缩弹簧（7）将定位销（17）的底端始终压紧在动力杆（18）上；

所述撞块（4）的前端与冲击杆（16）的后端之间形成第二内腔（26），第一压缩弹簧（2）位于第二内腔（26）内，撞块（4）的后端与冲击缸（5）的后端之间形成第一内腔（23），第二压缩弹簧（6）设置在第一内腔（23）内，第一内腔（23）和第二内腔（26）之间通过导流管（3）连通。

2.根据权利要求1所述的深海矿床表层岩芯原位破碎装置，其特征在于：还包括T型把手（10），箱体（11）的后方设有T型把手（10），T型把手（10）与箱体（11）的后侧面固定连接。

3.根据权利要求1所述的深海矿床表层岩芯原位破碎装置，其特征在于：所述撞块（4）的外表面还间隔设置数条前后贯通的撞块导流孔（24），撞块导流孔（24）的两端分别与第一内腔（23）和第二内腔（26）连通。

4.根据权利要求1所述的深海矿床表层岩芯原位破碎装置，其特征在于：所述从动半齿轮（8）与半齿轮轴（22）连接，半齿轮轴（22）通过滚动轴承（21）与箱体（11）连接，主动齿轮（9）与动力机构连接。

5.根据权利要求1所述的深海矿床表层岩芯原位破碎装置，其特征在于：所述动力机构包括动力电机（13），动力电机（13）安装在电机水密舱（12）内，电机水密舱（12）与箱体（11）固定连接，动力电机（13）的输出轴与主动齿轮（9）连接，动力电机（13）驱动主动齿轮（9）转动。

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