CN211500531U - 一种海底岩芯取样微型钻机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海底岩芯取样微型钻机，包括动力头、减速箱、紧急抛弃装置及钻具；减速箱的顶板上安装有给水接头和动力头，动力头的输出轴与减速箱的输入轴相连，所述的减速箱的输出轴设有中心孔，中心孔与给水接头的进水孔连通，减速箱的输出轴与主轴连接。本实用新型结构简单紧凑、体积小、可靠性高，其能传动大扭矩，机械手持，应急抛弃钻具；保证潜水器安全，降低故障维护的成本。

Description

一种海底岩芯取样微型钻机

技术领域

本实用新型涉及一种海底岩芯取样微型钻机。

背景技术

利用钻探取样装备对海底固体矿产资源进行钻探取样,是分析海底固体矿产资源矿体成分和品位的重要技术手段，随着如“蛟龙号”载人潜水器、“深海勇士号”载人潜水器、“海马号”ROV等海洋装备的研制并广泛应用于海底资源勘查之中，研制载人潜水器/ROV配套海底岩芯取样钻机，满足海底固体矿产资源特别是赋存在海底表层的锰结核、富钴结壳等矿产资源钻探的迫切需求。

专利ZL200420036284.1公开了一种深海载人潜水器浅孔取芯器，该取芯器主要由液压钻进动力头、钻进动力头角度调整装置、补偿与稳杆装置、抛弃取芯器装置、卡钻事故丢弃钻具装置等部分构成，具有良好的工作可靠性、稳定性和安全性。并且当取芯出现卡钻等破坏性故障时，利用抛弃装置可丢弃取芯器或其部件，以保证潜水器和人能安全返回。然而，该取芯器整体结构复杂、执行机构多、操控点多、操控难度较大、且必须固定安装在潜水器上，使得在每次进行海底固体矿产资源取芯作业前，必须先操控载人潜水器靠近待取芯点，由于海底固体矿产资源在海底存现凸凹不平的分布状态，当载人潜水器过于靠近待取芯点，将给载人潜水器带来很大的安全隐忧。与此同时，由于该取芯器固定安装在潜水器，并且只能通过前后调角油缸和左右摆动油缸来调整钻探角度，使得可调整的钻探角度范围较小。

目前，潜水器/ROV上均配备有作业机械手，利用作业机械手抓取作业工具开展海底固体矿产资源钻探取样作业，不仅可以有效解决潜水器/ROV过于靠近待取芯点，对潜水器/ROV带来的安全隐忧，同时还可以利用作业机械手的灵活性，实现不同钻探角度的灵活调整。为了克服现有深海载人潜水器浅孔取芯器技术存在的不足，亟待研制一种可以利用潜水器/ROV作业机械手把持的，结构简单、操作方便、钻探角度可随作业机械手灵活调整的，且紧急情况下可快速抛弃钻具的海底岩芯取样微型钻机。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、操作方便，紧急情况下可丢弃钻具的海底岩芯取样微型钻机。

1. 本实用新型采用的技术方案是：一种海底岩芯取样微型钻机，包括动力头、减速箱、紧急抛弃装置及钻具；其特征在于：减速箱的顶板上安装有给水接头和动力头，动力头的输出轴与减速箱的输入轴相连；所述的减速箱的输出轴设有中心孔，中心孔与给水接头的进水孔连通；

紧急抛弃装置包括壳体、固定环、主轴、弃轴活塞及钢珠卡套；壳体安装在减速箱上，主轴通过轴承安装于壳体内，主轴为管状结构，输出轴轴的下端与主轴内孔的上端通过键连接；主轴内孔的下端通过键与可抛弃连接轴上端连接；主轴的下端处设有多个钢珠孔，多个钢珠孔位于同一水平面内，每个钢珠孔内分别设有一个钢珠；所述的钢珠卡套和固定环套设在主轴外侧，钢珠卡套对应于钢珠孔设置，钢珠卡套内孔的下部为楔形，能将钢珠向主轴中心挤压，固定环位于钢珠卡套上方；所述的抛弃连接轴对应于钢珠孔设有凸台，凸台的上端和下端为球形，中部为圆柱形；多个钢珠能够支撑抛弃连接轴的凸台；所述的弃轴活塞套在钢珠卡套和固定环外侧，弃轴活塞内孔设有两个台阶面，钢珠卡套和固定环的上端分别设有凸缘，通过钢珠卡套和固定环上端的凸缘分别支撑在弃轴活塞内孔的两个台阶面上；弃轴活塞内孔内设有弹簧卡环，弹簧卡环位于固定环上端处；所述的弃轴活塞的外圈上中部与壳体的内孔配合，弃轴活塞的外圈的两端直径小于中部直径；弃轴活塞的外圈的两端分别与壳体的内孔围成两个油液腔隙，两个油液腔隙分别与壳体上的两个进油口连通。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，所述的抛弃连接轴的下端设有与钻具连接的螺纹，可抛弃连接轴下部套有转速传感器。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，还包括压力补偿器，压力补偿器固定安装在减速箱的侧壁上；压力补偿器包括压力补偿筒、端盖、活塞及弹簧；所述的压力补偿筒下端开口，压力补偿筒下端开口处设有端盖，压力补偿筒下端处侧壁上设有海水入口；压力补偿筒内设有活塞，活塞与端盖之间通过弹簧连接；所述的压力补偿筒顶部设有两个油管接头，一个油管接头连接进油管，进油管上设单向阀，另一油管接头连接出油管的一端，所述的减速箱的顶板上设有一个油管接头，出油管的另一端与减速箱上的油管接头连接。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，所述的端盖的顶面上设有支柱，弹簧套在支柱上。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，还包括把手，所述的把手固定安装在减速箱的侧壁上。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，所述的紧急抛弃装置的壳体包括弃轴油缸和下盖，所述的弃轴油缸为管状结构，弃轴油缸的上端和下端分别设有连接法兰，弃轴油缸的上端通过螺栓与减速箱的底板连接，弃轴油缸上端的连接法兰与减速箱的底板之间设有密封垫；所述的下盖通过螺栓与弃轴油缸下端的连接法兰连接，下盖与弃轴油缸下端的连接法兰之间设有密封垫；下盖的中心处设有供可抛弃连接轴穿过的中心孔，下盖的中心孔与可抛弃连接轴之间设有油封。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，弃轴油缸内孔下部直径大于上部直径，弃轴油缸内孔下部设有活塞套，活塞套与弃轴油缸内孔之间设有密封圈。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，给水接头顶部进水孔处设有进水接口，进水接口用于连接进水管。

上述的海底岩芯取样微型钻机中，所述的主轴中侧壁上设有4-10个钢珠孔，钢珠孔为变径通孔，钢珠孔的内端为锥形或球形，钢珠孔与主轴内孔侧壁贯通处的直径小于钢珠的直径。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单紧凑、体积小、可靠性高，其能传动大扭矩，机械手持，应急抛弃钻具。本实用新型主要由动力头、减速箱、紧急抛弃装置、钻具和压力补偿器组成，极大地减小了钻机体积；钻机可由潜水器抓手持，根据海底地形变化进行多角度钻探，非作业时可收放于指定位置；钻机动力头采用液压驱动，使钻机满足不同硬度岩石的钻进取样；通过更换不同钻头，可实现海底取芯、钻孔等多种功能；本实用新型主轴的下端设有与钻具连接的螺纹，采用螺纹连接方式与钻具连接，发生卡钻事故时，可通过反转钻机转向松卸连接轴与钻具螺纹丢弃钻具，紧急情况下，可通过丢弃可抛弃连接轴甚至整机的方式，保证潜水器安全，降低故障维护的成本。

附图说明

图1是本实用新型的结构图。

图中：1-把手，2-从动齿轮，3-减速箱，4-减速箱下盖，5-主轴，6-固定环，7-弃轴活塞，8-活塞套，9-钢珠卡套，10-紧急抛弃装置，11-钻具，12-进水管，13-进水接口，14-从动齿轮轴，15-给水接头，16-动力头，17-连接套，18-动力头输出轴，19-主动齿轮轴，20-活塞，21-支柱，22-弹簧，23-进油管，24-进油口，25-钢珠，26-弃轴油缸下盖，27-转速传感器，28-可抛弃连接轴，29-密封圈，30-轴承，31-密封垫，32-弹簧卡环，33-油封，34-花瓣结构，35-单向阀，36-油管接头，37-海水入口，38-键，39-端盖，40-压力补偿筒，41-出油管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括把手1、动力头16、减速箱3、紧急抛弃装置10、钻具11和压力补偿器。所述的把手1固定于减速箱3的侧壁上，用于机械手夹持本实用新型。减速箱3顶板上安装有给水接头15和连接套17，减速箱3顶板与给水接头15之间设有密封垫，给水接头上设有进水接口13，进水接口13用于与进水管12连接。所述的动力头16安装在连接套17上，动力头16的输出轴18与主动齿轮轴19（减速箱3的输入轴）相连。主动齿轮轴19上下两端均通过轴承30安装在减速箱3顶板和底板上，连接套17采用螺栓固定在减速箱3顶板上，主动齿轮轴19位于减速箱3内部，主动齿轮轴19上设有主动齿轮。从动齿轮轴14（减速箱3的输出轴）的两端分别通过轴承30安装在减速箱3的顶板和底板上，从动齿轮轴14与主动齿轮轴19平行，从动齿轮轴14上设有从动齿轮2，主动齿轮与从动齿轮2啮合。所述的从动齿轮轴14设有中心孔，中心孔与给水接头15的进水孔连通。从动齿轮轴14上部与给水接头15之间通过密封圈29进行密封。

紧急抛弃装置10包括壳体、固定环6、主轴5、弃轴活塞7、活塞套8及钢珠卡套9；所述的紧急抛弃装置10的壳体包括弃轴油缸和下盖26，所述的弃轴油缸为管状结构，弃轴油缸的上端和下端分别设有连接法兰，弃轴油缸的上端通过螺栓与减速箱3的底板连接，弃轴油缸上的的连接法兰与减速箱3的底板之间设有密封垫31；所述的下盖26通过螺栓与弃轴油缸下端的连接法兰连接，下盖26与弃轴油缸下端的连接法兰之间设有密封垫；下盖的中心处设有供可抛弃连接轴28穿过的中心孔，下盖的中心孔与可抛弃连接轴28之间设有油封33。

弃轴油缸内孔下部直径大于上部直径，弃轴油缸内孔下部设有活塞套8，活塞套8与弃轴油缸内孔之间设有密封圈29。

主轴5通过轴承30安装于壳体内，主轴5为管状结构，从动齿轮轴14的下端与主轴5内孔的上端通过键38连接。主轴5内孔的下端通过键38与可抛弃连接轴28上端连接；主轴5的下端处设有八个钢珠孔，八个钢珠孔位于同一水平面内，每个钢珠孔内分别设有一个钢珠25。所述的钢珠孔为变径通孔，钢珠孔的内端为锥形或球形，钢珠孔与主轴5内孔侧壁贯通处的直径小于钢珠25的直径。

所述的钢珠卡套9和固定环6套设在主轴5外侧，钢珠卡套9对应于钢珠孔设置，钢珠卡套9内孔的下部为楔形，能将钢珠25向主轴5中心挤压，固定环6位于钢珠卡套9上方；所述的抛弃连接轴28对应于钢珠孔设有凸台，凸台的上端和下端为球形，中部为圆柱形，多个钢珠25能够支撑抛弃连接轴28的凸台。所述的弃轴活塞7套在钢珠卡套9和固定环6外侧，弃轴活塞7内孔设有两个台阶面，钢珠卡套9和固定环6的上端分别设有凸缘，通过钢珠卡套9和固定环6上端的凸缘分别支撑在弃轴活塞7内孔的两个台阶面上；这样钢珠卡套9和固定环6能够随着弃轴活塞7上下移动，钢珠卡套9的向下移动，可以实现钢珠25向主轴5中心移动；钢珠卡套9的向上移动，可以实现抛弃连接轴28插入时钢珠25外移。弃轴活塞7内孔内设有弹簧卡环32，弹簧卡环32位于固定环6上端处。所述的弃轴活塞7的外圈上中部与壳体的内孔配合，弃轴活塞7的外圈的两端直径小于中部直径；弃轴活塞7的外圈的两端分别与壳体的内孔围成两个油液腔隙，两个油液腔隙分别与壳体上的两个进油口24-1、24-2连通，两个进油口24-1、24-2分别连接进油管23-1、23-2。从进油口24-1进油，进油口24-2则会回油，实现弃轴活塞7的上移；从进油口24-2进油，进油口24-1则会回油，实现弃轴活塞7的下移。可抛弃连接轴28下部套有转速传感器27，所述的抛弃连接轴28的下端设有与钻具11连接的螺纹。

所述的压力补偿器固定安装在减速箱3的侧壁上；压力补偿器包括压力补偿筒40、端盖39、活塞20及弹簧22；所述的压力补偿筒40下端开口，压力补偿筒40下端开口处设有端盖39，压力补偿筒40下端处侧壁上设有海水入口37；压力补偿筒40内设有活塞20，活塞20与端盖39之间通过弹簧22连接。所述的端盖39的顶面上设有支柱21，弹簧22套装支柱21上。所述的压力补偿筒40顶部设有两个油管接头36，一个油管接头连接进油管，进油管上设单向阀35，另一油管接头连接出油管41的一端，所述的减速箱3的顶板上设有一个油管接头36，出油管41的另一端与减速箱3上的油管接头36连接。

本实用新型使用时，操作过程如下：

1、海底岩芯取样微型钻机使用前，通过单向阀35向压力补偿筒40顶部和活塞20之间的腔隙内预充油液。随着本实用新型的整体下移，海水在压力作用下通过海水入口37进入压力补偿器，推动活塞20上移，使压力补偿器内的油液进入减速箱3，保证减速箱3与海水压力平衡。

2、潜水器到达预定位置，通过机械手夹持本实用新型的把手1调整至指定位置。动力头16通过减速箱3带动主轴5的转动，进而带动可抛弃连接轴28及其下方的钻具11转动。下放机械手，通过潜水器机械手的操控完成取样器方向、角度的控制。通过进水管12、从动齿轮轴14和可抛弃连接轴28输送冲洗液，对钻孔进行冲洗。可抛弃连接轴28与主轴5之间除通过键38连接并传递扭矩外，还通过钢珠25轴向固定并传递轴向拉力。由弃轴活塞7、固定环6、钢珠卡套9、弹性卡环构成的环形弃轴活塞7组件在上下方向能够同步运动，但由于组件零件之间间隙的存在，主轴5的旋转运动不至于传递给环形弃轴活塞7；当环形弃轴活塞7组件处于图所示位置时，8个钢珠25分别被钢珠卡套9限制在主轴5上的8个通孔内部，其一部分球体凸出于主轴5内壁且正好顶在插入主轴5中的可抛弃连接轴28的带斜面的台阶上，从而将可抛弃连接轴28固定在主轴5内，并可将轴向拉力传递给与可抛弃连接轴28相连的钻杆。随着取样器整体的下移，钻具11深入海底岩层切取岩芯。同时，通过上盖15上方进水管12向钻具11内部提供压力冲洗水。

3、钻进岩芯过程结束后，潜水器操控机械手提钻，将本实用新型整体上移，同时带出已取得的岩芯，完成岩芯的取样过程。最后停止输送压力冲洗水，并将本实用新型存放于指定位置。

若钻进取芯过程中发生卡钻，通过反转动力头16旋转方向，使可抛弃连接轴28反转，松卸连接轴与钻具11的连接，进而抛弃钻具11。若连接无法松卸需要抛弃可抛弃连接轴28时，通过弃轴卸扣油缸油管接口向弃轴活塞7下部的环形油腔内注入高压液压油，并且使得弃轴活塞7上部的环形油腔回油，弃轴活塞7向上运动并通过台阶带动钢珠卡套9一起向上运动；由于钢珠卡套9下部为带锥度的喇叭口，当钢珠卡套9内表面对钢珠25的约束逐渐放松时，由于钢珠25所在主轴5上的通孔的锥度作用，钢珠25将自动向主轴5的外表面方向移动，直到钢珠25不再能顶住可抛弃连接轴28的台阶，可抛弃连接轴28即可以向下自由脱出，同与之相连的钻具一起被抛弃。

Claims (9)

1.一种海底岩芯取样微型钻机，包括动力头、减速箱、紧急抛弃装置及钻具；其特征在于：减速箱的顶板上安装有给水接头和动力头，动力头的输出轴与减速箱的输入轴相连；所述的减速箱的输出轴设有中心孔，中心孔与给水接头的进水孔连通；

紧急抛弃装置包括壳体、固定环、主轴、弃轴活塞及钢珠卡套；壳体安装在减速箱上，主轴通过轴承安装于壳体内，主轴为管状结构，输出轴轴的下端与主轴内孔的上端通过键连接；主轴内孔的下端通过键与可抛弃连接轴上端连接；主轴的下端处设有多个钢珠孔，多个钢珠孔位于同一水平面内，每个钢珠孔内分别设有一个钢珠；所述的钢珠卡套和固定环套设在主轴外侧，钢珠卡套对应于钢珠孔设置，钢珠卡套内孔的下部为楔形，能将钢珠向主轴中心挤压，固定环位于钢珠卡套上方；所述的抛弃连接轴对应于钢珠孔设有凸台，凸台的上端和下端为球形，中部为圆柱形；多个钢珠能够支撑抛弃连接轴的凸台；所述的弃轴活塞套在钢珠卡套和固定环外侧，弃轴活塞内孔设有两个台阶面，钢珠卡套和固定环的上端分别设有凸缘，通过钢珠卡套和固定环上端的凸缘分别支撑在弃轴活塞内孔的两个台阶面上；弃轴活塞内孔内设有弹簧卡环，弹簧卡环位于固定环上端处；所述的弃轴活塞的外圈上中部与壳体的内孔配合，弃轴活塞的外圈的两端直径小于中部直径；弃轴活塞的外圈的两端分别与壳体的内孔围成两个油液腔隙，两个油液腔隙分别与壳体上的两个进油口连通。

2.根据权利要求1所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：所述的抛弃连接轴的下端设有与钻具连接的螺纹，可抛弃连接轴下部套有转速传感器。

3.根据权利要求1所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：还包括压力补偿器，压力补偿器固定安装在减速箱的侧壁上；压力补偿器包括压力补偿筒、端盖、活塞及弹簧；所述的压力补偿筒下端开口，压力补偿筒下端开口处设有端盖，压力补偿筒下端处侧壁上设有海水入口；压力补偿筒内设有活塞，活塞与端盖之间通过弹簧连接；所述的压力补偿筒顶部设有两个油管接头，一个油管接头连接进油管，进油管上设单向阀，另一油管接头连接出油管的一端，所述的减速箱的顶板上设有一个油管接头，出油管的另一端与减速箱上的油管接头连接。

4.根据权利要求3所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：所述的端盖的顶面上设有支柱，弹簧套在支柱上。

5.根据权利要求1所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：还包括把手，所述的把手固定安装在减速箱的侧壁上。

6.根据权利要求1所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：所述的紧急抛弃装置的壳体包括弃轴油缸和下盖，所述的弃轴油缸为管状结构，弃轴油缸的上端和下端分别设有连接法兰，弃轴油缸的上端通过螺栓与减速箱的底板连接，弃轴油缸上端的连接法兰与减速箱的底板之间设有密封垫；所述的下盖通过螺栓与弃轴油缸下端的连接法兰连接，下盖与弃轴油缸下端的连接法兰之间设有密封垫；下盖的中心处设有供可抛弃连接轴穿过的中心孔，下盖的中心孔与可抛弃连接轴之间设有油封。

7.根据权利要求6所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：弃轴油缸内孔下部直径大于上部直径，弃轴油缸内孔下部设有活塞套，活塞套与弃轴油缸内孔之间设有密封圈。

8.根据权利要求1所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：给水接头顶部进水孔处设有进水接口，进水接口用于连接进水管。

9.根据权利要求1所述的海底岩芯取样微型钻机，其特征是：所述的主轴中侧壁上设有4-10个钢珠孔，钢珠孔为变径通孔，钢珠孔的内端为锥形或球形，钢珠孔与主轴内孔侧壁贯通处的直径小于钢珠的直径。

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