CN211549584U - 机械手持式海底保压取芯微型钻机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械手持式海底保压取芯微型钻机，包括把手、动力头、减速箱、钻具抛弃装置、钻具、压力补偿器和岩芯保压装置。减速箱的顶板上安装有给水接头和动力头，动力头通过动力头输出轴与主动齿轮轴相连，主动齿轮轴通过轴承安装在减速箱内；主动齿轮轴上设有主动齿轮；主轴通过轴承安装在减速箱内，主轴与主动齿轮轴平行，主轴上设有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合；所述的主轴设有中心孔，中心孔与给水接头的进水孔连通；下部内腔设有悬挂卡槽，通过带有悬挂卡子的可抛弃连接轴与钻具连接。本实用新型结构简单紧凑、体积小、可靠性高，可机械手持，应急抛弃钻具；保证潜水器安全。岩芯可保存于保压筒内，实现对海底表层岩层的保压取芯。

Description

机械手持式海底保压取芯微型钻机

技术领域

本实用新型涉及一种机械手持式海底保压取芯微型钻机。

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基础，随着如“蛟龙号”载人潜水器、“深海勇士号”载人潜水器等海洋装备的研制并广泛应用于海底资源勘查之中，一些与载人潜水器配套的海底岩芯取样钻机相继被研制出来。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。进一步地，由于现有深海载人潜水器浅孔取芯器是开放式非保压型，当取芯器在海底完成钻探取样后返回水面母船过程中，将极易引起上层海水对岩芯样品的污染，以及岩芯样品中嗜压微生物因外部压力降低而死亡等问题。

目前，潜水器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。因此，亟待研制一种可以利用潜水器作业机械手把持的，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机械手持式海底保压取芯微型钻机。

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机械手持式海底保压取芯微型钻机，保证潜水器作业安全。

为实现上述方案，本实用新型采用如下技术方案：

一种机械手持式海底保压取芯微型钻机，包括动力头、减速箱、钻具抛弃装置、钻具和岩芯保压装置；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；

钻具抛弃装置包括弹簧、给水压板、固定环和可抛弃连接轴；输出轴中心孔的底部呈喇叭口状，输出轴中心孔侧壁上设置悬挂卡槽；输出轴中心孔中部设有弹簧固定凸缘和螺纹，螺纹设置在弹簧固定凸缘下方，固定环与螺纹螺接；给水压板的压杆上端穿过固定环的中心孔与压板连接，压板与弹簧固定凸缘之间设有弹簧；可抛弃连接轴上端套有密封圈，可抛弃连接轴上端插入输出轴中心孔下端，通过悬挂卡子与输出轴上的悬挂卡槽配合；固定环底部和可抛弃连接轴顶部相对应的设有多个限位块，固定环底部和可抛弃连接轴顶部的限位块配合实现输出轴带动可抛弃连接轴旋转；可抛弃连接轴下端与钻具连接，所述的岩芯保压装置能够与钻具连接，对钻具进行压力补偿。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，所述的可抛弃连接轴的中心孔内设有压阀，可抛弃连接轴下部侧壁上设有转速传感器。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，还包括压力补偿器Ⅰ，压力补偿器Ⅰ固定安装在减速箱的侧壁上；压力补偿器Ⅰ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。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，所述的岩芯保压装置包括保压筒和压力补偿器Ⅱ，保压筒的中心孔呈阶梯状，阶梯过渡面处安装有密封圈，保压筒用于套在钻具外侧；所述压力补偿器Ⅱ包括压力补偿筒、活塞、补偿器端盖及充气阀；压力补偿筒一端开口，另一端通过高压管与保压筒中心孔底部连通；补偿器端盖固定在压力补偿筒开口处，充气阀通过高压管与压力补偿筒连通，活塞置于压力补偿筒内。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，所述的压阀包括阀芯、给水压杆、弹簧和固定环；所述的可抛弃连接轴上设有阀芯孔和压杆孔，阀芯孔和压杆孔沿着可抛弃连接轴轴线方向设置，阀芯孔和压杆孔连通，阀芯孔内设有阀芯和固定环，阀芯与固定环之间设有弹簧，阀芯能堵住压杆孔，阀芯连接有给水压杆，给水压杆从压杆孔伸出。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，所述压力补偿器Ⅰ的端盖的顶面上设有支柱，弹簧套在支柱上。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，还包括把手，所述的把手固定安装在减速箱的侧壁上。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，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。

上述的机械手持式海底保压取芯微型钻机中，所述固定环底部、可抛弃连接轴顶部设置的限位块数为4～10个。

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，可机械手持，应急抛弃钻具；岩芯可保存于保压筒内，实现对海底表层岩层的保压取芯。

本实用新型由潜水器机械手握持，并可根据海底地形变化进行多角度钻进取芯，同时可通过更换不同钻头，实现海底取芯、钻孔等多种功能；可抛弃连接轴与钻机采用卡扣连接，发生卡钻事故时，通过丢弃可抛弃连接轴的方式抛弃钻具，保证潜水器安全，降低了故障维护成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的可抛弃连接轴结构示意图。

图3为本实用新型的可抛弃连接轴轴向进入主轴状态图。

图4为本实用新型的可抛弃连接轴悬挂卡子轴向卡入主轴卡槽槽口状态图。

图5为本实用新型的可抛弃连接轴悬挂卡子旋转卡入主轴卡槽状态图。

图6为本实用新型的钻机主体与钻具未安装状态图。

图7为本实用新型的钻机主体与钻具安装完成状态图。

图8为本实用新型钻进取芯状态图。

图9为本实用新型携带岩芯进入保压筒状态图。

图10为本实用新型岩芯保存于保压筒状态图。

图11为本实用新型紧急抛弃钻杆状态图。

图中：

1-把手，2-减速箱，3-从动齿轮，4-弹簧，5-轴承，6-下盖，7-主轴，8-进水管，9-进水接口，10-给水接头，11-密封圈，12-动力头，13-动力头输出轴，14-连接套，15-单向阀，16-出油管，17-压力补偿筒，18-活塞，19-海水入口，20-支柱，21-补偿器端盖，22-主动齿轮轴，23-键，24-油封，25-固定环，26-限位块，27-给水压板，28-转速传感器，29-给水压杆，30-悬挂卡子，31-阀芯，32-可抛弃连接轴，33-钻具，34-花瓣结构，35-保压筒，36-充气阀，37-高压管。

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12、减速箱2、钻具抛弃装置、钻具33、压力补偿器和岩芯保压装置。所述的减速箱2的顶板上安装有给水接头10和动力头12，动力头12通过动力头输出轴13与主动齿轮轴22（减速箱2的输入轴）相连，主动齿轮轴22通过轴承5-2安装在减速箱2内；主动齿轮轴22上设有主动齿轮；主轴7（减速箱2的输出轴）通过轴承5-1安装在减速箱2内，主轴7与主动齿轮轴22平行，主轴7上设有从动齿轮3，主动齿轮与从动齿轮3啮合；所述的主轴7设有中心孔，中心孔与给水接头10的进水孔连通。

钻具抛弃装置包括主轴7、弹簧4-1、给水压板27、固定环25和可抛弃连接轴31。主轴7中心孔的底部呈喇叭口状，主轴7中心孔侧壁上设有悬挂卡槽71，如图3所示，主轴7中心孔侧壁上悬挂卡槽71下方设有允许悬挂卡子30进入的凹槽72, 凹槽72与悬挂卡槽71连通。主轴7的中心孔中部设有弹簧固定凸缘和螺纹，螺纹设置在弹簧固定凸缘下方，固定环25与螺纹螺接。给水压板27的压杆上端穿过固定环25的中心孔与弹簧4-1连接。可抛弃连接轴32上端套有密封圈11-3和两个悬挂卡子30，悬挂卡子30位于密封圈11-3的下方，可抛弃连接轴32上端插入主轴7中心孔下端，悬挂卡子30通过凹槽72进入悬挂卡槽71内，实现可抛弃连接轴32与主轴7连接。所述固定环25底部和可抛弃连接轴32顶部相对应的设置4-10个限位块26，如图2所示，可抛弃连接轴32顶部的限位块26的数为6个，固定环25底部和可抛弃连接轴32顶部的限位块26配合，实现主轴7带动可抛弃连接轴32的旋转。可抛弃连接轴32下端与钻具33连接，所述的岩芯保压装置能够与钻具33连接，对钻具33进行压力补偿。所述的可抛弃连接轴32下端设有与钻具33连接的螺纹，可抛弃连接轴32下部套有转速传感器28。可抛弃连接轴32中心孔内设有压阀。

所述的压阀包括阀芯31、给水压杆29、弹簧4-2和固定环25；所述的可抛弃连接轴32上设有阀芯孔和压杆孔，阀芯孔和压杆孔沿着可抛弃连接轴32的轴线方向设置，阀芯孔和压杆孔连通，阀芯孔内设有阀芯31和固定环25，阀芯31与固定环25之间设有弹簧4-2，阀芯31能堵住压杆孔，阀芯31连接有给水压杆29，给水压杆29从压杆孔伸出，给水压杆29上端能够与给水压板27接触。所述的压力补偿器Ⅰ固定安装在减速箱的侧壁上；压力补偿器Ⅰ包括压力补偿筒17-1、端盖21-1、活塞18-1及弹簧4；所述的压力补偿筒17-1下端开口，压力补偿筒17-1下端开口处设有端盖21-1，压力补偿筒17-1下端处侧壁上设有海水入口19；压力补偿筒17-1内设有活塞18-1，活塞18-1与端盖21-1之间通过弹簧4-3连接；所述的压力补偿筒17-1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15，另一油管接头连接出油管16的一端，所述的减速箱2的顶板上设有一个油管接头，出油管16的另一端与减速箱2上的油管接头连接。

所述的岩芯保压装置包括保压筒35和压力补偿器Ⅱ，保压筒35的中心孔部呈阶梯状，阶梯过渡面处安装有密封圈11-1保压筒35用于套在钻具33外侧。所述压力补偿器Ⅱ包括压力补偿筒17-2、活塞18-2、补偿器端盖21-2及充气阀36；压力补偿筒17-2一端开口，另一端通过高压管37与保压筒35保压筒中心孔底部连通。补偿器端盖21-2固定在压力补偿筒17-2开口处，充气阀36通过高压管37与压力补偿筒17-2连通，活塞18-2置于压力补偿筒17-2内。本实用新型使用时，操作过程如下：

1.如图3、图4所示，本实用新型下水之前，首先将可抛弃连接轴32上端插入主轴7中心孔下端，两个悬挂卡子30通过凹槽72进入悬挂卡槽71内；如图5所示，再旋转主轴7，使连接钻具33的可抛弃连接轴32卡紧在悬挂卡槽71内，并推动给水压板27压缩弹簧4-1。在弹簧4-1的作用下，给水压板27推动给水压杆29下移，打开压阀。通过弹簧4-1、悬挂卡子30与悬挂卡槽71、可抛弃连接轴32与主轴7的配合不仅可以实现钻具33的稳固连接，而且打通了经进水管8、进水接口9，给水接头10、固定环25透水孔、压阀，钻具33内腔之间的冲洗通道。同时通过单向阀15向压力补偿筒17-1顶部和活塞18-1之间的腔隙内预充油液，通过充气阀36向压力补偿筒17-2顶部和活塞18-2之间的腔隙内预充0.3倍海底取样点水深压力的氮气。

2. 本实用新型从海面随潜水器下潜到指定海底取样点过程中，海水在外界压力作用下通过海水入口19进入压力补偿器Ⅰ，推动活塞18上移，使压力补偿器Ⅰ内的油液进入减速箱2，保证减速箱2与海水压力平衡。

3.如图6、图7所示，潜水器到达指定海底取样点后，首先通过操控潜水器上的机械手握紧把手1，将本实用新型的机械手持式海底保压取芯微型钻对准指定取样点。然后驱动动力头12带动主轴7旋转，进而带动可抛弃连接轴32及其下方的钻具33旋转。可抛弃连接轴32与主轴7之间通过悬挂卡子30与悬挂卡槽71连接传递扭矩和进给力。如图8所示，随着机械手持式海底保压取芯微型钻机整体的下移，钻具33深入海底岩层切取岩芯。同时，通过进水管8向钻具33内部提供冲洗水。

4.如图9所示，钻进岩芯过程结束后，潜水器操控机械手提钻，将机械手持式海底保压取芯微型钻机整体上移，同时带出已取得的岩芯，完成岩芯的取样过程。岩芯取出后，将钻具33缓慢旋入保压筒35，逐步压缩保压筒35内部空间，推动压力补偿器Ⅱ活塞18上移。如图10所示，待保压筒35与可抛弃连接轴32连接稳定，反转机械手持式海底保压取芯微型钻机转向，同时机械手上提机械手持式海底保压取芯微型钻机，使主轴7与可抛弃连接轴32脱离，完成整个取芯过程。

如图11所示，若钻进取芯过程中发生卡钻，通过反转动力头12旋转方向，使悬挂卡子30逐渐脱离悬挂卡槽71，直至无法反转，连接轴与主轴7达到如图4所示的位置，轴向提升钻机，即可使可抛弃连接轴32与主轴7脱离，使可抛弃连接轴32与钻具33一同抛弃。

Claims (9)

1.一种机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：包括动力头、减速箱、钻具抛弃装置、钻具和岩芯保压装置；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；

钻具抛弃装置包括弹簧、给水压板、固定环和可抛弃连接轴；输出轴中心孔的底部呈喇叭口状，输出轴中心孔侧壁上设置悬挂卡槽；输出轴中心孔中部设有弹簧固定凸缘和螺纹，螺纹设置在弹簧固定凸缘下方，固定环与螺纹螺接；给水压板的压杆上端穿过固定环的中心孔与压板连接，压板与弹簧固定凸缘之间设有弹簧；可抛弃连接轴上端套有密封圈，可抛弃连接轴上端插入输出轴中心孔下端，通过悬挂卡子与输出轴上的悬挂卡槽配合；固定环底部和可抛弃连接轴顶部相对应的设有多个限位块，固定环底部和可抛弃连接轴顶部的限位块配合实现输出轴带动可抛弃连接轴旋转；可抛弃连接轴下端与钻具连接，所述的岩芯保压装置能够与钻具连接，对钻具进行压力补偿。

2.根据权利要求1所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：所述的可抛弃连接轴的中心孔内设有压阀，可抛弃连接轴下部侧壁上设有转速传感器。

3.根据权利要求1所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：还包括压力补偿器Ⅰ，压力补偿器Ⅰ固定安装在减速箱的侧壁上；压力补偿器Ⅰ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1所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：所述的岩芯保压装置包括保压筒和压力补偿器Ⅱ，保压筒的中心孔呈阶梯状，阶梯过渡面处安装有密封圈，保压筒用于套在钻具外侧；所述压力补偿器Ⅱ包括压力补偿筒、活塞、补偿器端盖及充气阀；压力补偿筒一端开口，另一端通过高压管与保压筒中心孔底部连通；补偿器端盖固定在压力补偿筒开口处，充气阀通过高压管与压力补偿筒连通，活塞置于压力补偿筒内。

5.根据权利要求2所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：所述的压阀包括阀芯、给水压杆、弹簧和固定环；所述的可抛弃连接轴上设有阀芯孔和压杆孔，阀芯孔和压杆孔沿着可抛弃连接轴轴线方向设置，阀芯孔和压杆孔连通，阀芯孔内设有阀芯和固定环，阀芯与固定环之间设有弹簧，阀芯能堵住压杆孔，阀芯连接有给水压杆，给水压杆从压杆孔伸出。

6.根据权利要求3所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：所述压力补偿器Ⅰ的端盖的顶面上设有支柱，弹簧套在支柱上。

7.根据权利要求1所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，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。

8.根据权利要求1所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，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所述的机械手持式海底保压取芯微型钻机，其特征是：所述固定环底部、可抛弃连接轴顶部对称设置的限位块数为4～10个。

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