CN1265074C - 双导轨双液压缸深海取芯钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双导轨双液压缸深海取芯钻机。取芯钻具与加压装置的输出主轴的输出端连成一整体，主轴输入端与连轴器连接，连轴器的一端与液压马达的输出轴相连接，液压马达与轴承箱体连接，轴承箱体与装在机架上的滑动支架焊接为一整体，两个液压缸分别安装在机架两侧。卡簧和卡簧座配合使用卡断岩芯，岩芯管上螺旋槽引导海水至孔底冷却钻头；在钻进和上提钻具的过程中，加压座和推力球轴承等组成的加压装置将力直接传递到支架和取芯钻具上，保护了液压马达的输出轴；采用双导轨、双液压缸安装减小了整体高度；针对钻进过程中岩层性质的变化采用负反馈组成的控制系统，避免卡钻现象的发生；采用压力控制和位移控制，能控制取样行程和断芯过程。
Description
技术领域
本发明涉及用于对深海钴结壳进行取样的可控式微型回转取芯钻机，由其涉及一种双导轨双液压缸深海取芯钻机。
背景技术
目前，在海洋资源开发装备制造技术领域里，国外已研制出安装于深潜器上的微型可控式取芯器，多采用双液压缸结构的取芯装置、具有多个导向臂的结构、岩芯割断自动加力装置和钻机应急自动保护装置等。在国内的深海取芯器中，多为非可控式取芯器，用于深潜器上的微型可控式回转取芯器仍为空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠、取芯率高，能够适应深海工作环境，结构紧凑的适用于深海的一种双导轨双液压缸深海取芯钻机。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案它包括：
1)取芯钻具：包括金刚石孕镶钻头、卡簧、卡簧座、岩芯管、异径接头。金刚石孕镶钻头一端与卡簧座前端螺纹连接，卡簧安放于卡簧座内，卡簧座另一端与岩芯管螺纹连接，岩芯管另一端与异径接头螺纹连接，异径接头的另一端与锥扣接头螺纹连接，锥扣接头另一端与加压装置的输出主轴相连，将取芯钻具与加压装置的输出主轴的输出端连成一整体，岩芯管外表面开有螺旋槽，螺旋槽的末端通孔与岩芯管连通；
2)加压装置：包括轴承箱体、主轴、加压座、推力球轴承、防护轴套和单列向芯球轴承；主轴由四个轴承支撑，前端是两个推力球轴承，安装于主轴的轴肩两侧，轴承的另一个面分别紧贴加压座的上端凸台和轴承顶套，主轴的输出端有一个防护轴套，防护轴套由安装在轴承顶套内的调节螺母支撑，主轴输入端的花键与连轴器连接，连轴器的一端与液压马达的输出轴相连接，连轴器的另一端装在两个单列向芯球轴承内；
3)液压马达与轴承箱体相连接，轴承箱体与装在机架上的滑动支架焊接为一整体，两个液压缸分别安装在机架两侧，液压缸的底面与油缸安装面板连接固定，活塞杆端使用耳环与滑动支架连接；
4)液压系统：液压缸的有杆腔和无杆腔分别经第一、第二压力传感器与第一个三位四通换向阀的两个出口连接，三位四通换向阀的进口分别与减压阀的出口和节流阀的进口相连，减压阀的进口接入系统油源，节流阀出口接入油箱；液压马达与第二个三位四通换向阀的两个出口连接并接有第三压力传感器，第二个三位四通换向阀的进口分别与调速阀的出口和油箱相连接，调速阀的进口则接入系统油源；系统中的卸荷回路，由先导式溢流阀和两位两通换向阀组成，其控制口与两位两通换向阀相连，两位两通换向阀的另一端直接接入油箱。
本发明具有的有益的效果是：取芯钻机通过金刚石钻头钻进，卡簧和卡簧座配合使用卡断岩芯，岩芯管上螺旋槽引导海水至孔底冷却钻头；在钻进和上提钻具的过程中，加压座和推力球轴承等组成的加压装置将力直接传递到支架和取芯钻具上，保护了液压马达的输出轴；采用双导轨、双液压缸并行安装方式，减小了整个装置的整体高度，能够符合在深潜器上的安装要求；使用液压缸和液压马达作为系统的动力元件，并针对钻进过程中岩层性质的变化采用负反馈组成的控制系统，有效地避免卡钻现象的发生；在取样过程中采用压力控制和位移控制，能够可靠地控制取样行程和断芯过程。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明装置的结构原理示意图；
图2是图1的A部放大图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是图1的C部放大图；
图5是本发明的液压系统原理图；
图6是本发明的控制原理框图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示，该钻机包括取芯钻具、加压装置和液压系统，这些机械装置是固定在一个直径为20mm的圆管弯成的机架上。
取芯钻具由金刚石孕镶钻头1、卡簧座3、岩芯管4和异径接头5组成，金刚石孕镶钻头1一端加工有螺纹，与卡簧座3前端内螺纹接头配合连接，卡簧2安放于卡簧座3内，卡簧座3另一端也通过螺纹与岩芯管4相连接，岩芯管4另一端则与异径接头5相连；为了便于拧紧，异径接头5的另一端加工有内锥扣螺纹，与锥扣接头12相连接，并且锥扣接头12另一端与加压装置的输出主轴14相连，从而将取芯钻具与加压装置的主轴14的输出端连成一整体，加压装置的主轴14输出的钻进扭矩将通过接头12传递给取芯钻具。岩芯管4外表面加工有三条螺旋槽，在旋转钻进过程中，海水可以沿槽流向孔内，水流通过螺旋槽的末端通孔进入岩芯管4内部，并沿着岩芯和取芯钻具的间隙下至孔底冷却钻头。
加压装置包括加压座19、主轴14、轴承箱体8、推力球轴承20(18)、轴套28和单列向芯球轴承24(26)等主要部件组成。主轴14由四个轴承支撑，前端是两个推力球轴承20、18，这两个推力球轴承安装于主轴的轴肩两侧，轴承的另一个面分别紧贴加压座19的上端凸台和轴承顶套17。因此，下压的进给力将沿加压座19传递给推力球轴承20，再通过主轴14的轴肩把进给力传给取芯钻具；上提钻具时，上提的力由加压座19和轴承顶套17传递给推力球轴承18，力再通过主轴14的轴肩上提取芯钻具。主轴14的输出端有一个防护轴套28，是为了保护主轴14不被泥沙侵入而造成磨损，防护轴套28由安装在轴承顶套17内的调节螺母16支撑，并用一个轴用弹性挡圈15来固定防护轴套28的轴向。主轴14的输入端加工有花键。液压马达9的输出动力矩靠连轴器23传送到主轴14上，其一端通过键和键槽与液压马达9的输出轴相连接，把扭矩传递过来；另一端装在两个单列向芯球轴承24、26内，并加工有花键槽，主轴14的花键端即插入其中，通过花键连接把扭矩传给主轴14，采用花键连接的目的是为了防止主轴14承受的轴向力传递给连轴器23，避免轴向的窜动。加压座19与轴承箱体8采用螺栓连接，两个单列向芯球轴承24、26均安装在轴承箱体8内，用隔环21和隔圈25将两轴承隔开，用两个轴用弹性挡圈22、27来限制轴承的轴向移动。
液压系统：液压缸7的有杆腔和无杆腔分别经第一、第二压力传感器36、37与第一个三位四通换向阀29的两个出口连接，换向阀29的进口分别与减压阀31的出口和节流阀32的进口相连，减压阀31的进口接入系统油源，节流阀32出口接入油箱；液压马达9与三位四通换向阀30的两个出口连接并接有第三压力传感器38，第二个三位四通换向阀30的进口分别与调速阀33的出口和油箱相连接，调速阀33的进口则接入系统油源；系统中的卸荷回路，由先导式溢流阀35和两位两通换向阀34组成，先导式溢流阀35的控制口与两位两通换向阀34相连，两位两通换向阀34的另一端直接接入油箱。
下面将结合液压系统原理图详细描叙本发明的工作过程。
液压系统原理图见附图3(在此仅说明液压缸7的油路，液压缸11的工作油路同理)。液压缸7与三位四通换向阀29的两个出口连接，换向阀29用来控制液压油的流向从而控制液压缸的前后运动，换向阀29的进口分别与减压阀31的出口和节流阀32的进口相连，减压阀31的进口接入系统油源，节流阀32出口接入油箱；液压马达9与三位四通换向阀30的两个出口连接，三位四通换向阀30的进口分别与调速阀33的出口和油箱相连接，调速阀的进口则接入系统油源；系统还有一卸荷回路，由先导式溢流阀35和两位两通换向阀34组成，其控制口与两位两通换向阀34相连，换向阀34的另一端直接接入油箱。其工作过程为：首先，液压马达9以调速阀33调定的速度旋转，液压缸7以较快的速度推进，当钻头碰到岩层，液压马达9的工作腔压力增大，通过压力传感器36检测出压力的变化，调节减压阀31的设定压力，使液压缸7能增大推进力，钻进岩层；由位移传感器检测出钻进深度，当钻进到指定深度，发出电信号停止推进，液压马达9停止转动；接着，液压缸7缓慢上提，直到卡簧2卡紧岩芯，当压力传感器37检测到液压缸7有杆腔的压力上升到卡紧岩芯所需的压力值时，系统发出信号，液压缸7停止上提，液压马达9缓慢转动，扭断岩芯时液压马达9的工作压力大幅下降，由压力传感器38检测到后系统发出信号，液压马达9停止转动；最后，提升钻具到预定位置，停止上提。至此，取芯过程完成。
因为岩体构造和岩石性质的变化，常常会发生卡钻现象，本发明对推进力或钻头轴压力的控制采用负反馈的原理组成闭环控制，能够根据岩层的变化有效的控制压力的变化，最大限度的避免了卡钻现象的发生。控制原理框图如图6所示。在钻进过程中，当钻头进入松软岩层时，钻头回转阻力矩减小，液压马达的回转压力降低，该压力由传感器检测出并输入到控制器，然后控制器输出的控制信号经放大器放大后控制减压阀的设定压力增大，液压缸推进力增大，克服孔内摩擦的力矩相应增大，使系统达到平衡稳态，由此可加大凿孔速度，提高凿孔效率；当钻头进入诱偏岩层等坚硬层面时，钻头回转阻力增大，液压马达回转压力升高，该压力由传感器检测出并输入到控制器，然后控制器输出的控制信号经放大器放大后控制减压阀的设定压力减小，进而使液压缸的工作腔压力减小，从而减小钻进推力，导致克服孔内摩擦的力矩相应减小，使系统重新达到平衡，由此可使钻头偏倒的力减小，钻孔偏斜的可能性也相应大大的减小了。
Claims (1)
1、一种双导轨双液压缸深海取芯钻机，其特征在于它包括：
1)取芯钻具：包括金刚石孕镶钻头(1)、卡簧(2)、卡簧座(3)、岩芯管(4)、异径接头(5)；金刚石孕镶钻头(1)一端与卡簧座(3)前端螺纹连接，卡簧(2)安放于卡簧座(3)内，卡簧座(3)另一端与岩芯管(4)螺纹连接，岩芯管(4)另一端与异径接头(5)螺纹连接，异径接头(5)的另一端与锥扣接头(12)螺纹连接，锥扣接头(12)另一端与加压装置的输出主轴(14)相连，将取芯钻具与加压装置的输出主轴(14)的输出端连成一整体，岩芯管(4)外表面开有螺旋槽，螺旋槽的末端通孔与岩芯管(4)连通；
2)加压装置：包括轴承箱体(8)、主轴(14)、加压座(19)、推力球轴承(20、18)、防护轴套(28)和单列向芯球轴承(24、26)；主轴(14)由四个轴承支撑，前端是两个推力球轴承(20、18)，安装于主轴(14)的轴肩两侧，轴承的另一个面分别紧贴加压座(19)的上端凸台和轴承顶套(17)，主轴(14)的输出端有一个防护轴套(28)，防护轴套(28)由安装在轴承顶套(17)内的调节螺母(16)支撑，主轴(14)输入端的花键(5)与连轴器(23)连接，连轴器(23)的一端与液压马达(9)的输出轴相连接，连轴器(23)的另一端装在两个单列向芯球轴承(24、26)内；
3)液压马达(9)与轴承箱体(8)相连接，轴承箱体(8)与装在机架(13)上的滑动支架(6)焊接为一整体，两个液压缸(7、11)分别安装在机架两侧，液压缸(7、11)的底面与油缸安装面板(10)固定连接，活塞杆端使用耳环与滑动支架(6)连接；
4)液压系统：液压缸(7)的无杆腔和有杆腔分别经第一、第二压力传感器(36、37)与第一个三位四通换向阀(29)的两个出口连接，换向阀(29)的进口分别与减压阀(31)的出口和节流阀(32)的进口相连，减压阀(31)的进口接入系统油源，节流阀(32)出口接入油箱；液压马达(9)与第二个三位四通换向阀(30)的两个出口连接并接有第三压力传感器(38)，第二个三位四通换向阀(30)的进口分别与调速阀(33)的出口和油箱相连接，调速阀(33)的进口则接入系统油源；系统中的卸荷回路，由先导式溢流阀(35)和两位两通换向阀(34)组成，先导式溢流阀(35)的控制口与两位两通换向阀(34)相连，两位两通换向阀(34)的另一端直接接入油箱。
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