CN211777297U - 深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海底硬质结壳取样领域，具体指深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置。包括传动单元、取芯单元和控制单元，传动单元和控制单元之间通过压缩弹簧式电缆连接，传动单元和取芯单元之间采用一体同轴化连接；传动单元包括密封壳体、电机和连接传动轴，密封壳体朝向取芯单元的一端依次设有连接件、前端盖，连接件设置在前端盖和密封壳体之间，前端盖、连接件和密封壳体固定连接，连接件与前端盖、密封壳体的轴向接触面均设有至少一道连接件O型密封圈，密封壳体的另一端设有后端盖，后端盖与密封壳体之间设有补偿膜片，密封壳体与后端盖固定连接，后端盖上固定有T型把手。其制造简单，生产成本低，安装简便，效率高效，安全可靠。

Description

深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置

技术领域

本实用新型涉及海底硬质结壳取样领域，具体指一种载人潜水器所用的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置。

背景技术

在深海取样探测过程中，钻取采样探测因其效率高、能获取有价值柱状样的优势，被用作深海探测活动中的重要方式。通过获取原位连续海底结壳样品，为解答板块构造、地球生命起源等提供新的重要线索，同时为资源勘查、成分分析、环境评估等提供准确的基础数据。从六十年代开始至今，全球主要国家组织开展了深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)和综合大洋钻探计划(IODP)等国际钻探计划，推动了海洋科学的发展。

当前我国已拥有超过16万平方公里的海外矿区，在大规模开采之前必须获得典型区域的样品以完成工程数据测定，这就需要在前期大范围取样基础上开展典型区域高精细地质取样，已实现后续试开采及环境评估研究。目前深海钻机多采用船载重型自坐底作业模式，其取芯精度受到制约，如何在定点区域实现精确、高效钻取是亟待解决的应用技术难题。

以蛟龙号为代表的深海运载装备的应用，蛟龙号完成了7062米世界最深下潜和试验性应用航次，体现出独特的作业优势，开创了高效精细勘探的新模式。因此将深海钻机取芯技术与蛟龙号高效探测能力相结合，***开展一种可搭载于载人潜水器的深海电驱钻进一体化小型夹持操作海底结壳取样装置设计，可有效解决上述问题。

与此同时，随着载人潜水器广泛应用，目前以美国、日本为代表的深海载人潜水器开展了大量运载器海底结壳取样钻机的研究和应用发展工作。美国Alvin号早在1991年就完成了HSTR海底结壳取样钻机的研制工作，成功钻取了硫化物海底结壳样品，此外，HSTR取芯器还随MBARI研究所的ROV(Ventana)在1992年成功取得火成岩岩石样品；MBARI研究所研制成功了4000m级MCS取样器，可实现四管取样，成功在Juan de Fuca海底获得裸露基岩的样品。Phoenix International公司研制一套可搭载在Nereus II ROV上的取芯器，取芯长度能够达到1.5m，取芯作业水深2400m，能在45°斜坡上取芯；1995年美国Harbor Branch海洋研究所完成了7000m级Harbor Branch取芯器的研究，并搭载于Magellan ROV完成了多次海上试验；此外，英、法及俄等国家也开展了深海运载器海底结壳取芯器的研制及应用工作，如CONSUB号(英)、ST-I号(法)和APTYC号(俄)等载人潜水器均开展了配套小型海底结壳取芯器研制。

目前，我国也开展了部分基于载人潜水器的取芯装置研制工作，完成了原理样机研制，基本解决了蛟龙号与钻机的匹配及简单取样问题，通过几次海试发现原有装置仍存在钻机工艺参数待优化、取芯效果不理想(取芯仅为13mm×80mm)、减速器加软轴驱动造成工作效率较低、受制于蛟龙号有限空间装置整体尺寸偏大等问题。因此在蛟龙号海试经验基础上继续开展了装置设计研究，提出了电驱钻进一体化的夹持操作海底结壳取样装置设计方案。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其制造简单，生产成本低，安装简便，效率高效，安全可靠。

本实用新型的技术方案是：一种深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其中，包括传动单元、取芯单元和控制单元，传动单元和控制单元之间通过压缩弹簧式电缆连接，所述传动单元和取芯单元之间采用一体同轴化连接；

所述传动单元包括密封壳体、电机和连接传动轴，密封壳体朝向取芯单元的一端依次设有连接件、前端盖，连接件设置在前端盖和密封壳体之间，前端盖、连接件和密封壳体固定连接，所述连接件与前端盖、密封壳体的轴向接触面均设有至少一道连接件O型密封圈，所述密封壳体的另一端设有后端盖，后端盖与密封壳体之间设有补偿膜片，密封壳体与后端盖固定连接，所述后端盖上固定有T型把手；

所述电机和连接传动轴均设置在密封壳体内，电机上固定有电机连接件，电机连接件与连接件固定连接，所述连接传动轴的一端与电机的输出端连接，连接传动轴的另一端穿过前端盖与取芯单元连接，连接传动轴与前端盖、连接件之间均设有角接触球轴承，角接触球轴承之间呈对心安装；

所述前端盖朝向取芯单元的端面设有动密封盖，动密封盖与前端盖的轴向接触面之间设有动密封盖轴向O型密封圈，动密封盖与前端盖的径向接触面之间设有动密封盖径向O型密封圈，动密封盖与连接传动轴之间设有动密封圈，动密封盖径向O型密封圈呈W形。

本实用新型中，所述取芯单元包括钻头、钻杆和取样管，钻头、钻杆和取样管均呈中空状，钻杆的内表面固定有取样管，取样管为水润滑复合材料内衬，钻杆的外表面设有螺纹，所述钻杆的一端与连接传动轴固定连接，钻杆另一端与钻头固定连接。

所述钻杆的内径从下到上逐渐变大，从而使钻取的海底结壳与钻杆的内表面保持一定的间隙量，以便于后期从钻杆中取出海底结壳。

所述钻头的底端镶焊有钻刃，所述钻刃采用PDC金刚石复合材料制成。

所述钻头的内表面设有数个单向锁紧块，单向锁紧块的内表面设有棘齿。

所述控制单元包括高密度深海锂电池、直流电机驱动器、AC/DC模块、激光触发开关、电机启停控制回路、高压舱和电池固定支架，电池设置在电池固定支架上，在该控制单元中，采用磁性触发方式实现电机启停控制回路的开启或关闭。

所述连接传动轴与取芯单元连接的一端设有外螺纹，钻杆的两端均设置内螺纹，钻杆一端的内螺纹与连接传动轴端部的外螺纹之间通过螺纹的方式固定连接，钻杆另一端的内螺纹与钻头之间通过螺纹的方式固定连接。

本实用新型的有益效果：

(1)该装置便于机械手夹持操作，采用电机、连接传动轴、轴承、钻头一体化结构设计，结构紧凑；

(2)该取样装置由传动单元、取芯单元和控制单元三大部分组成，采用了通用性、模块化组装，在海上可进行任意地拆装、组装，实现不同的任务模块，实现多任务作业，可实现大批量加工，制造简单，生产成本低，安装简便，效率高效，安全可靠；

(3)采用激光触发模式，通过水下舱内人员的激光器的远程触发就能实现***的开闭，保证了人机工程学安全；

(4)采用充油压力补偿膜片的补偿形式，既实现了内外压力平衡又大大节省了额外部件的产生；

(5)连接传动轴与动密封盖之间采用双作用旋转密封，经过多次海试，该密封结构具备良好的密封性能；

(6)采用电动驱动形式，相对于液压驱动形式具有独立性高，可控性好，电机钻速可调等优点，同时也保障了蛟龙号本体安全。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是传动单元和取芯单元的结构示意图；

图3是图2的B-B向剖视图；

图4是传动单元的结构示意图；

图5是图4中的A-A向剖视图；

图6是动密封盖处实现动密封的结构示意图；

图7是取芯单元的结构示意图；

图8是钻杆与钻头连接的结构示意图；

图9是钻杆和钻头连接的剖视结构示意图。

图中：1内六角圆柱头螺钉；2动密封盖；3前端盖；4连接件；5密封壳体；6电机连接件；7电机；8补偿膜片；9后端盖；10T型把手；11连接传动轴；12动密封盖轴向O型密封圈；13动密封盖径向O型密封圈；14动密封圈；15角接触球轴承；16连接件O型密封圈；20钻头；21钻杆；22取样管；23钻刃；24单向锁紧块；25传动单元；26取芯单元；27压缩弹簧式电缆；28控制单元。

具体实施方式

为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型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实用新型。但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本实用新型所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置包括传动单元25、取芯单元26和控制单元28，传动单元25和控制单元28之间通过压缩弹簧式电缆27连接，实现了控制单元对传动单元内电机的电源供给及信号控制。控制单元28包括电池、直流电机驱动器、AC/DC模块、激光触发开关、电机启停控制回路、高压舱和电池固定支架，电池设置在电池固定支架上，在该控制单元中，采用磁性触发方式实现电机启停控制回路的开启或关闭。

如图2和图3所示，传动单元25和取芯单元26之间通过螺纹连接的方式固定连接。如图4和图5所示，传动单元25包括密封壳体5、电机7和连接传动轴11，密封壳体5朝向取芯单元的一端依次设有连接件4、前端盖3，连接件4设置在前端盖3和密封壳体5之间，前端盖3、连接件4和密封壳体5通过内六角圆柱头螺钉1固定连接。本实施例中，连接件4与前端盖3的轴向接触面设有两道连接件O型密封圈16，连接件4与密封壳体5的轴向接触面设有两道连接件O型密封圈16。密封壳体5的另一端设有后端盖9，后端盖9与密封壳体5之间设有补偿膜片8，密封壳体5与后端盖9固定连接，从而将补偿膜片8紧压在密封壳体5与后端盖9之间。密封壳体5充满电容器油液体，视情况对充油量进行控制，保证补偿膜凸起，用于海水压力补偿，后端盖9上设有漏水口，海水可以通过漏水口进入后端盖9和补偿膜片8组成的空间内，实现膜片的弹性变化。后端盖9上固定有T型把手10，使用过程中，潜水器机械手抓持T型把手10，将该取样装置放置在指定的位置，实现了准确取样。

电机7和连接传动轴11均设置在密封壳体5内，电机7上固定有电机连接件6，电机连接件6与连接件4固定连接，由于连接件4与前端盖3和密封壳体5固定连接，因此电机7与连接件4、前端盖3、密封壳体5固定连接。连接传动轴11的一端与电机7的输出端连接，电机7工作时带动连接传动轴11转动；连接传动轴11的另一端穿过前端盖，该端设有外螺纹并与取芯单元26连接，从而实现了传动单元25和取芯单元26的连接，并将电机7产生的扭矩传递至取芯单元26，实现了取芯单元的转动。连接传动轴11与前端盖3之间设有角接触球轴承15，连接传动轴11与连接件4之间设有角接触球轴承5，两角接触球轴承之间呈对心安装，确保连接传动轴11的稳定，在增强抗轴向力的同时，提升了连接传动轴的输出稳定性。

如图6所示，连接传动轴11与前端盖3之间采用动密封连接方式。即前端盖3朝向取芯单元26的端面设有动密封盖2，动密封盖2与前端盖3的轴向接触面之间设有动密封盖轴向O型密封圈12，动密封盖2与前端盖3的径向接触面之间设有动密封盖径向O型密封圈13，动密封盖2与连接传动轴11之间设有动密封圈14，动密封盖径向O型密封圈13呈W形，动密封圈14和动密封盖径向O型密封圈13之间采用组合式密封方式，经过长期海上测试具备优良的密封效果，该动密封连接方式可以实现0-30mpa，5m/s的轴向动密封。

如图7至图9所示，取芯单元包括钻头20、钻杆21和取样管22，钻头20、钻杆21和取样管22均呈中空状，钻杆21的两端均设置内螺纹，钻杆21一端的内螺纹与连接传动轴端部的外螺纹之间通过螺纹的方式固定连接，钻杆21另一端的内螺纹与钻头20之间也通过螺纹连接的方式实现了固定连接。钻杆21的内表面固定有取样管22，该取样管22为水润滑复合材料内衬。钻进过程中海底结壳保存在取样管内，返回母船后，直接拿出取样管即可取出完整的原位海底结壳。本实用新型中，可以使钻杆21的内径从下到上逐渐变大，从而使钻取的海底结壳与钻杆的内表面保持一定的间隙量，以便于后期从钻杆中取出海底结壳。钻杆21的外表面设有螺纹，通过设置螺纹，一方面便于钻杆21通过旋转的方式钻入海底结壳内，另一方面在钻入过程产生的费屑可以通过外螺纹排出，降低了钻杆前进过程中的阻力。

钻头20的底端镶焊有钻刃23，本实用新型中，钻刃采用PDC(polycrystallinediamond composite的简写，即为聚晶金刚石复合片)金刚石复合材料制成。PDC复合材料钻头由于具有金刚石耐磨层，硬度高，一般比碳化钨硬质合金的耐磨性高100倍以上，因而刃口锋利，且其刃尖前面和后面的聚晶层能同步磨损或剥落，后面的硬质合金底层更超前磨损，因而复合片钻头在切削过程中其刃口能自锐，锐利的刃口切入岩石，在扭矩作用下向前移动，剪切岩石，这充分利用了岩石剪切强度低的弱点，发挥了复合片钻头具有高速切削岩石的优点。

钻头20的内表面设有数个单向锁紧块24，单向锁紧块24的内表面设有棘齿，当钻杆转动钻头20向下运动时，钻头钻入岩石，棘齿将海底结壳抱紧；取样结束后，钻杆带动钻头反向转动，将钻头从岩石内拔取出来，此时在棘齿的阻力作用下，单向锁紧块24不随钻头转动，棘齿将海底结壳抱紧，从而使海底结壳随着钻杆顺利从矿基中被拔出。

本实用新型所述的取样装置主要搭载于蛟龙号载人潜水器上，通过机械手夹持开展水下作业。其工作过程如下所述：由于该取样装置自带电池供电，无需使用蛟龙号的电源。当潜器下潜作业前，将该取样装置整体放置在蛟龙号采样篮上，当潜水器到达预切割位置，潜水器先坐底后调整机械手姿态，利用操作机械手(主从机械手)将取芯钻具从钻套中取出，触发机械手将启停触发磁铁移动至启动触发回路处，启动电机7，通过连接传动轴11驱动取芯单元26旋转，进行海底结壳取样操作。取样完成后触发机械手将启停触发磁铁移动至停止触发回路处，关闭电机及电源，将取取样后的钻具放回钻套中，固定好，完成取样作业。

以上对本实用新型所提供的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型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，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (7)

1.一种深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：包括传动单元(25)、取芯单元(26)和控制单元(28)，传动单元(25)和控制单元(28)之间通过压缩弹簧式电缆(27)连接，所述传动单元(25)和取芯单元(26)之间采用一体同轴化连接；

所述传动单元(25)包括密封壳体(5)、电机(7)和连接传动轴(11)，密封壳体(5)朝向取芯单元的一端依次设有连接件(4)、前端盖(3)，连接件(4)设置在前端盖(3)和密封壳体(5)之间，前端盖(3)、连接件(4)和密封壳体(5)固定连接，所述连接件(4)与前端盖(3)、密封壳体(5)的轴向接触面均设有至少一道连接件O型密封圈(16)，所述密封壳体(5)的另一端设有后端盖(9)，后端盖(9)与密封壳体(5)之间设有补偿膜片(8)，密封壳体(5)与后端盖(9)固定连接，所述后端盖(9)上固定有T型把手(10)；

所述电机(7)和连接传动轴(11)均设置在密封壳体(5)内，电机(7)上固定有电机连接件(6)，电机连接件(6)与连接件(4)固定连接，所述连接传动轴(11)的一端与电机(7)的输出端连接，连接传动轴(11)的另一端穿过前端盖与取芯单元(26)连接，连接传动轴(11)与前端盖(3)、连接件(4)之间均设有角接触球轴承(15)，角接触球轴承之间呈对心安装；

所述前端盖(3)朝向取芯单元(26)的端面设有动密封盖(2)，动密封盖(2)与前端盖(3)的轴向接触面之间设有动密封盖轴向O型密封圈(12)，动密封盖(2)与前端盖(3)的径向接触面之间设有动密封盖径向O型密封圈(13)，动密封盖(2)与连接传动轴(11)之间设有动密封圈(14)，动密封盖径向O型密封圈(13)呈W形。

2.根据权利要求1所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：所述取芯单元包括钻头(20)、钻杆(21)和取样管(22)，钻头(20)、钻杆(21)和取样管(22)均呈中空状，钻杆(21)的内表面固定有取样管(22)，取样管(22)为水润滑复合材料内衬，钻杆(21)的外表面设有螺纹，所述钻杆(21)的一端与连接传动轴(11)固定连接，钻杆(21)另一端与钻头(20)固定连接。

3.根据权利要求2所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：所述钻杆(21)的内径从下到上逐渐变大。

4.根据权利要求2所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：所述钻头(20)的底端镶焊有钻刃(23)，所述钻刃采用PDC金刚石复合材料制成。

5.根据权利要求2所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：所述钻头(20)的内表面设有数个单向锁紧块(24)，单向锁紧块(24)的内表面设有棘齿。

6.根据权利要求1所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：所述控制单元(28)包括电池、直流电机驱动器、AC/DC模块、激光触发开关、电机启停控制回路、高压舱和电池固定支架，电池设置在电池固定支架上，采用磁性触发方式实现电机启停控制回路的开启或关闭。

7.根据权利要求2所述的深海电驱钻进一体化夹持操作海底结壳取样装置，其特征在于：所述连接传动轴(11)与取芯单元连接的一端设有外螺纹，钻杆(21)的两端均设置内螺纹，钻杆(21)一端的内螺纹与连接传动轴端部的外螺纹之间通过螺纹的方式固定连接，钻杆(21)另一端的内螺纹与钻头(20)之间通过螺纹的方式固定连接。

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