专利名称：海床式锥探钻探一体机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地质钻探设备，具体地说是一种海床式锥探钻探一体机，是一种集锥探和钻探功能于一体的海洋勘探装备。
背景技术：
海洋地质资源的勘探活动中，海底取样设备和仪器有着不可或缺的地位，它对矿产的预测和评估具有决定性意义，海底钻探取样设备的作业水深可从几米浅海到几千米深海；海床式钻探取样一体机为深海勘探提供技术保障，同时其技术还可以在其他深海设备得到很好的应用，这也促进我国海底工程和地质科学以及深海机械电子的发展。但是国内海底钻探取样一体机的研制和开发进展较慢，其根本原因是海床式钻机是集各种高、精、尖技术于一体的复杂机电液系统，从基础理论到技术应用都有许多问题需要解决。对于深孔取样海床式钻机来说，设备在海底工作，人较难直接观察到其工作状态，无法进行及时调整控制。海床式钻机在钻进深度和功能复合性方面与陆地钻机相比存在很大差距，除了海洋工况比陆地复杂外，基础理论研究的不足，使一些技术问题尚未得到解决。国外在这方面已经走在前面，他们的设备更新和换代都比较快，但现有国内外海底勘探一体机也存在以下问题
第一，国外海底勘探一体机设备结构复杂，价格昂贵，使用成本很高。第二，国内设备功能单一，可靠性和效率较低。第三，天然气水合物勘探一般是在洋底300 IOOOm深度的沉积层中，现有的海床式钻机，钻探取样深度远远不能满足油气勘探要求。随着海洋能源勘探开发技术、深水油气勘探开发技术、天然气水合物勘探开发技术成为研发热点，深海矿产资源勘查技术也向着大深度、近海底、多功能和原位方向发展。 我国必须加快对海底钻探取样一体机研究的步伐，开发一批结构优化，性能可靠的海床式锥探和钻探一体机，以满足海底复杂工况下的锥探和钻探作业的需要。
发明内容
本发明的目的是为解决上述现有技术的不足而提供一种结构科学合理，性能可靠的海床式锥探钻探一体机，可以完成海底复杂工况下锥探和钻探作业。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是提供一种海床式锥探钻探一体机，包括塔架，动力头，钻具库，机械手机构、调平机构、仪器箱、绞车、钻具、夹持器及液压泵，所述的动力头采用双壁输出轴岩芯钻机动力头安装在塔架上；
所述的钻具库由底板、套筒、库架、指梁、拉杆、弹性橡胶和锁定机构构成的，所述的库架由型钢焊成，库架有两个，焊在动力头两侧的底板上，锁定机构也焊在库架内的底板上， 套筒固定在锁定机构上，钻具安放在套筒中；钻具的中上部通过指梁、弹性橡胶和拉杆固定，保持钻具垂直于底板；
所述的机械手机构包括有支架、导轨、齿条、行走液压马达、消隙齿轮机构、导向套、导向杆、升降液压缸、滑套、支持板、机械手臂、给进伸缩油缸、上手爪、下手爪和夹紧液压缸； 所述的支架、导轨由钢件焊接而成，支架焊在底板上，导轨焊在支架上，齿条和导向套固定在导轨两侧，滑套套在导轨上，行走液压马达通过螺栓固定在支持板上方，机械手臂安装在滑套上方，机械手臂中安装有给进伸缩油缸，通过给进伸缩油缸的伸缩控制机械手臂前后运动；机械手臂上还安装有的上手爪和下手爪，上手爪和下手爪通过夹紧液压缸控制上、下手爪的开合；所述的导轨两侧的导向套中各有2根导向杆和1个升降液压缸分别从导向套中穿过与安装在滑套上方的机械手臂连接，通过升降液压缸的伸缩实现机械手臂的上下运动；采用行走液压马达驱动消隙齿轮机构在齿条左右滑动实现机械手臂的左右运动；
所述的调平机构含有支撑板、大臂、链条、液压缸支腿及底座；大臂的一端通过销轴与底座铰接，另一端通过销轴与支撑板铰接；液压缸支腿的一端通过销轴与底座铰接，另一端通过销轴与大臂铰接；链条一端通过销轴与大臂轴接，另一端通过销轴与支撑板轴接；通过控制液压缸支腿的伸缩完成海底钻机的调平，通过链条约束支撑板转动的自由度；
所述的夹持器含有冲扣油缸、夹紧油缸、连接板，卡瓦、卡瓦座、所述的冲扣油缸和夹紧油缸安装在卡瓦座上，夹紧油缸和卡瓦之间通过连接板连接，夹紧油缸收缩时卡瓦夹住钻具，卡瓦通过阶梯包角与钻具的圆周面接触；
所述的仪器箱和液压泵安装在所述的调平机构的底座与钻具库底板之间形成的空间结构中，所述的绞车安装在库架上方。本发明的海床式锥探钻探一体机中动力头设计成双壁输出轴岩芯钻机动力头，所述的动力头包括减速器箱体总成、液压马达、减速齿轮和双壁输出轴，所述的减速器箱体总成由减速器箱体和上箱盖构成，提供动力的液压马达安装在减速器箱体总成上，液压马达通过减速齿轮带动双壁输出轴实现扭矩和转速的输出，所述的双壁输出轴由内管与外管组成，冲洗液通过双壁输出轴外管的侧面孔进入内外管之间的环形空间，并流向孔底冲洗岩屑，钻进取芯时取样器储存在钻杆内腔里，动力头无需让开孔口。这种双壁输出轴岩芯钻机动力头结构简单紧凑，双壁输出轴的设计，使得取样器可以在输出轴内腔内储存，解决了传统绳索取芯工作过程中，动力头需要横向移动或者钻机整体移动让开孔口的问题，从而有利于水下岩心钻机的远程控制和自动控制，提高了钻进效率，节约了时间，降低了成本。本发明的海床式锥探钻探一体机，根据海床式钻机钻探工艺，由动力头提供回转动力，动力头通过在塔架上的塔架导轨实现钻具的给进和回收。本发明的海床式锥探钻探一体机中，所述的钻具库库架为方形，通过调节方形库架内的指梁间距，以满足不同直径钻具的存放要求；每个钻具下端固定在一个套筒里面。所述的钻具库存放有五类不同直径的杆件钻具包括小钻杆、小岩心管、大钻杆、大岩心管和探杆；安装在指梁上部的弹性橡胶用于夹住各类杆件钻具，防止各类杆件钻具发生倾斜现象；拉杆固定在库架和指梁上，增加指梁的刚度，防止指梁发生侧向的大位移。两个库架分布在动力头两侧，可以存放较大数量的钻具，使其配合动力头完成钻探和锥探任务。本发明的海床式锥探钻探一体机中，所述的机械手机构的导轨由型钢焊接而成， 行走液压马达通过螺栓固定在支持板上，机械手臂的运动包括前后、左右、上下六个方向。 前后运动通过机械手臂内部的进给伸缩油缸起作用；左右方向主要采用行走液压马达驱动消隙齿轮机构在齿条上左右运动来实现；上下运动主要通过升降液压缸来实现。为了保持机械手臂升降过程的稳定性，采用了四根导向杆来保持机械手臂的平衡。
本发明所述的机械手臂中的上、下手爪的爪端为V型槽结构，上手爪的V型爪内有 5个小阶梯槽，下手爪的V型爪内设有一层橡胶摩擦片。上手爪内设五段阶梯圆弧便于夹持不同直径的钻具，下机械手爪内安装的垫衬便于对钻具定位，且橡胶摩擦片不仅可以增加摩擦系数来增加安全性，同时利用橡胶的弹性变形，还能适当增大接触面积，缓解机械手动作时对钻具的冲击，有效减轻甚至消除对钻具的损伤。本发明的海床式锥探钻探一体机中，所述的调平机构根据锥钻工艺需求，采用三点式支承方式能够方便的实现平台自动调整，从可靠性和成本考虑，不存在静不定问题，不会产生“虚腿”，控制调平选择通过空间坐标的矩阵变化计算出各液压缸支腿的高度差，采用最高点追逐法方案调平，调平快速稳定。本发明中通过控制液压缸支腿的伸缩来完成一体机在海底的调平，链条可以有效约束支撑板转动的自由度。本发明的海床式锥探钻探一体机中，所述的夹持器含有冲扣油缸和夹紧油缸，夹紧油缸收缩时，卡瓦夹住钻具，设计中考虑到卡瓦需要夹持不同型号的钻具，卡瓦与钻具通过阶梯包角接触；冲扣油缸安装在卡瓦座上。本发明所设计的阶梯圆弧包角，包括探杆包角、小钻杆包角、大钻杆包角，可以分别对三种不同直径的钻具实现夹紧。这样设计的优点是还可避免夹持器进行作业的时候钻杆受到的应力过大。本发明的海床式锥探钻探一体机，在调平机构的底座与钻具库底板之间形成的空间结构中安装有仪器箱和液压泵。根据海床式钻机钻探工艺，由动力头提供回转动力，动力头通过在塔架上的塔架导轨实现钻具的给进和回收，钻具库存放五种不同直径的钻具，通过机械手机构实现自动化存取，根据海床面的特点，利用调平机构使一体机在工作时保持钻具与水平面的垂直。绳索取芯所用岩心管通过绞车下放和回收，利用夹持器实现钻具的夹紧和接卸。本发明海床式锥探钻探一体机与现有技术相比具有如下优点
1.针对海底钻探工艺的特殊要求，使用了双壁输出轴岩芯钻机动力头，动力头结构简单紧凑，设计的双壁输出轴，使得取样器可以在输出轴内管储存，解决了传统绳索取芯工作过程中，动力头需要横向移动或者钻机整体移动让开孔口的问题，从而有利于水下岩心钻机的远程控制和自动控制，提高了钻进效率，节约了时间，降低了成本。2.本发明的一体机是采用了原位静力触探和钻探取样功能复合的大深度海底锥钻一体机的技术，可实现3000m海底工况下最大钻深深度200m的钻探工艺。3.本发明的一体机结构科学合理，控制简单方便，能满足深海作业的要求，可广泛应用于海洋资源开发、海底工程及码头建设、海防建设、综合科学研究及海洋环境保护中涉及到钻探取芯或是锥探任务的工作场合，能降低取样成本，提高取样效率。
图1是本发明海床式锥探钻探一体机的结构示意图。图2是本发明的一体机中动力头结构示意图。图3是本发明的一体机中钻具库结构示意图。图4是本发明的一体机的机械手机构结构示意图。图5是本发明的一体机中机械手机构的消隙齿轮机构安装示意图。
图6是本发明的一体机中机械手臂的局部结构示意图。图7是本发明的一体机中机械手臂的上手爪结构示意图。图8是本发明的一体机中调平机构结构示意图。图9是本发明的一体机中夹持器结构示意图。图10是本发明的一体机中夹持器卡瓦结构原理图。图11是本发明的一体机中夹持器卡瓦夹持探杆状态图。图12是本发明的一体机中夹持器卡瓦夹持小钻杆状态图。图13本发明的一体机中夹持器卡瓦夹持大钻杆状态图。上述图中1 -塔架、2-动力头、3-钻具库、4-机械手机构、5-调平机构、6-仪器箱、 7-绞车、8-钻具、9-夹持器、10-液压泵、11-减速器箱体总成、12-液压马达、13-减速齿轮、 14-双壁输出轴、15-底板、16-套筒、17-库架、18-小钻杆、19-指梁、20-拉杆、21-大岩心管、22-探杆、23-大钻杆、24-小岩心管、25-弹性橡胶、26-锁定机构、27-导轨、28-齿条、 29-行走液压马达、30-消隙齿轮机构、31-导向套、32-导向杆、33-升降液压缸、34-滑套、 35-支持板、36-支架、37-机械手臂、38-给进伸缩油缸、39-上手爪、40-下手爪、41-夹紧液压缸、42-阶梯槽43-橡胶摩擦片、44-探杆包角、45-小钻杆包角、46-大钻杆包角、47-冲扣油缸、48-夹紧油缸、49-连接板、50-卡瓦、51-卡瓦座、52-支撑板、53-大臂、54-链条、 55-液压缸支腿、56-底座、57-塔架导轨。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例1 本发明的海床式锥探钻探一体机，其结构如图1所示，包括塔架1，动力头2，钻具库3，机械手机构4、调平机构5、仪器箱6、绞车7、钻具8、夹持器9和液压泵10; 其中
动力头2 固定在塔架1上，主要用于提供锥探和钻探的动力。钻具库3 主要用于存放各类钻具。根据钻探和锥探工艺，存放有五类钻具，共100 多根，分别为小钻杆18、大岩心管21、探杆22、大钻杆23、小岩心管M，每根钻具的下端通过套筒16固定锁定机构沈上。机械手机构4 是本一体机自动存取钻具8的核心部件，主要用于完成钻具8在孔口和钻具库3之间的夹紧和移运。调平机构5 调平机构5直接坐落在海床上，通过调节液压缸支腿55使底板15保持在水平状态，保证所有钻具8垂直于水平面进行锥探和钻探作业。夹持器9 安装在底板15上，在钻具8需要上杆和卸杆时配合机械手机构4实现钻具8的接卸。仪器箱6和液压泵10安装在调平机构的底座56与钻具库底板15之间形成的空间结构中。本发明的海床式锥探钻探一体机，由动力头2提供回转动力，动力头通过在塔架1 上的塔架导轨57实现钻具的给进和回收，钻具库3中存放各种类型的钻具，通过机械手机构4实现自动化存取；利用调平机构5使钻机在工作的时候保持钻具与水平面垂直。绳索取芯所用岩心管通过绞车7下放和回收，利用夹持器9实现钻具的夹紧和接卸。
如图2所示动力头2包括减速器箱体总成11、液压马达12、减速齿轮13和双壁输出轴14，减速器箱体总成11由减速器箱体和上箱盖构成，提供动力的液压马达12安装在减速器箱体总成11上，液压马达通过减速齿轮13带动双壁输出轴14实现扭矩和转速的输出，所述的双壁输出轴14由内管与外管组成，冲洗液通过双壁输出轴14外管的侧面孔进入内外管之间的环形空间，并流向孔底冲洗岩屑，钻进取芯时取样器储存在内管腔里，动力头无需让开孔口。如图3所示，钻具库3由底板15、套筒16、库架17、指梁19、拉杆20、弹性橡胶25 和弹簧定位销式锁定机构26构成，所述的库架17由多种型钢焊接成方形库架，并将库架焊在底板15上，通过调节方形库架17内的指梁19的间距，以满足不同直径钻具的存放要求， 每个钻具下端固定在一个套筒16里面；锁定机构沈安装在底板15上，钻具库3容纳有五类杆件钻具8 ；弹性橡胶25夹在指梁19中间，用于夹住各类杆件，防止各类杆件发生倾斜。 拉杆20固定在库架17和指梁19上，增加指梁19的刚度，防止指梁19发生侧向的大位移。 两个库架17分布在动力头2两侧，可以存放100多根钻具，使其配合动力头2完成钻探和锥探任务。如图4、5、6、7所示的机械手机构4，所述的机械手机构包括有支架36、导轨27、齿条洲、行走液压马达29、消隙齿轮机构30、导向套31、导向杆32、升降液压缸33、滑套34、 支持板35、机械手臂37、给进伸缩油缸38、上手爪39、下手爪40和夹紧液压缸41 ；所述的支架36、导轨27由钢件焊接而成，支架36焊在底板15上，导轨27焊在支架上，齿条观和导向套31固定在导轨27两侧，滑套34套在导轨27上，行走液压马达39通过螺栓固定在支持板35上方，机械手臂37安装在滑套34上方，机械手臂37中安装有给进伸缩油缸38， 通过给进伸缩油缸38的伸缩控制机械手臂前后运动；机械手臂37上还安装有的上手爪39 和下手爪40，上手爪39和下手爪40通过夹紧液压缸41控制上、下手爪的开合；所述的导轨27两侧的导向套中各有2根导向杆32和1个升降液压缸33分别从导向套31中穿过与安装在滑套34上方的机械手臂37连接，通过升降液压缸33的伸缩实现机械手臂的上下运动；采用行走液压马达驱动消隙齿轮机构在齿条左右滑动实现机械手臂的左右运动。如图8所示，调平机构5包括支撑板52、大臂53、链条M、液压缸支腿55及底座 56 ；其中大臂53的一端通过销轴与底座56铰接，另一端通过销轴与支撑板52铰接；液压缸支腿55 —端通过销轴与底座56铰接，另一端通过销轴与大臂53铰接；链条M —端通过销轴与大臂53轴接，另一端通过销轴与支撑板52轴接；通过控制液压缸支腿55的伸缩来完成海底钻机一体机的调平，链条M可以有效约束支撑板转动的自由度。如图9所示，夹持器10包括冲扣油缸47、夹紧油缸48、连接板49、卡瓦50、卡瓦座 51，所述的冲扣油缸47和夹紧油缸48安装在卡瓦座51上，夹紧油缸48和卡瓦50之间通过连接板49连接，夹紧油缸48收缩时卡瓦50夹住钻具，卡瓦通过阶梯包角与钻具的圆周面接触；冲扣油缸47安装在卡瓦座51上，提供大扭矩使钻具可以拧卸下来；由于钻具的外径不同，卡瓦50与钻具的接触面采用阶梯包角接触，阶梯包角包括探杆包角44、小钻杆包角45、大钻杆包角46，可以分别对三种不同直径的钻具实现夹紧。本发明的海床式锥探钻探一体机，其工作过程是
1.本发明的一体机由海上工作船下放接近海床面时，调平机构5中的支撑板52由液压缸支腿55驱动打开，随后整个一体机坐落在海床面上，根据倾角传感器测量得到的倾角分别调节三条液压缸支腿阳，使调平机构5处于一个水平状态，保证钻具8垂直于水平面钻进。2.行走液压马达四驱动消隙齿轮机构30带动齿条28沿导轨27运动，到达需要使用的钻具面前，给进伸缩油缸38伸缩，升降液压缸33伸长，机械手臂37中的上、下手爪夹紧钻具提升一定高度，使钻具从套筒16中提升出来。3.行走液压马达四运行，机械手机构4将钻具移动到动力头2面前，给进伸缩油缸38伸长，机械手机构4将钻具移动到动力头2正下方，使动力头、钻具、孔口三者在同一直线上，升降液压缸33缩回，机械手机构将钻具放入夹持器9中，夹持器夹紧。4.动力头2给进回转，与钻具连接，并带动钻具沿着塔架1上的塔架导轨57向下运动，从而完成锥探和钻探作业。本发明的海床式锥探钻探一体机结构科学合理，控制简单方便，使用安全可靠，能够满足深海作业的要求，可实现3000m海底工况下最大钻深深度200m的钻探工艺。
权利要求
1.一种海床式锥探钻探一体机，包括塔架，动力头，钻具库，机械手机构、调平机构、仪器箱、绞车、钻具、夹持器及液压泵，其特征在于所述的动力头采用双壁输出轴岩芯钻机动力头，安装在塔架上； 所述的钻具库由底板、套筒、库架、指梁、拉杆、弹性橡胶和锁定机构构成，所述的库架由型钢焊成，库架有两个，焊在动力头两侧的底板上，锁定机构也焊在库架内的底板上，套筒固定在锁定机构上，钻具安放在套筒中；钻具的中上部通过指梁、弹性橡胶和拉杆固定， 保持钻具垂直于底板；所述的机械手机构包括有支架、导轨、齿条、行走液压马达、消隙齿轮机构、导向套、导向杆、升降液压缸、滑套、支持板、机械手臂、给进伸缩油缸、上手爪、下手爪和夹紧液压缸; 所述的支架、导轨由钢件焊接而成，支架焊在底板上，导轨焊在支架上，齿条和导向套固定在导轨两侧，滑套套在导轨上，行走液压马达通过螺栓固定在支持板上方，机械手臂安装在滑套上方，机械手臂中安装有给进伸缩油缸，通过给进伸缩油缸的伸缩控制机械手臂前后运动；机械手臂上还安装有的上手爪和下手爪，上手爪和下手爪通过夹紧液压缸控制上、下手爪的开合；所述的导轨两侧的导向套中各有2根导向杆和1个升降液压缸分别从导向套中穿过与安装在滑套上方的机械手臂连接，通过升降液压缸的伸缩实现机械手臂的上下运动；采用行走液压马达驱动消隙齿轮机构在齿条左右滑动实现机械手臂的左右运动；所述的调平机构含有支撑板、大臂、链条、液压缸支腿及底座；大臂的一端通过销轴与底座铰接，另一端通过销轴与支撑板铰接；液压缸支腿的一端通过销轴与底座铰接，另一端通过销轴与大臂铰接；链条一端通过销轴与大臂轴接，另一端通过销轴与支撑板轴接；通过控制液压缸支腿的伸缩完成海底钻机的调平，通过链条约束支撑板转动的自由度；所述的夹持器含有冲扣油缸、夹紧油缸、连接板，卡瓦、卡瓦座，所述的冲扣油缸和夹紧油缸安装在卡瓦座上，夹紧油缸和卡瓦之间通过连接板连接，夹紧油缸收缩时卡瓦夹住钻具，卡瓦通过阶梯包角与钻具的圆周面接触；所述的仪器箱和液压泵安装在所述的调平机构的底座与钻具库底板之间形成的空间结构中，所述的绞车安装在库架上方。
2.根据权利要求1所述的海床式锥探钻探一体机，其特征在于所述的钻具库库架为方形，通过调节方形库架内的指梁间距，满足不同直径钻具的存放要求。
3.根据权利要求1所述的海床式锥探钻探一体机，其特征在于所述的机械手臂中的上、下手爪的爪端为V型槽结构，上手爪的V型爪内有5个小阶梯槽，下手爪的V型爪内设有一层橡胶摩擦片。
4.根据权利要求1所述的海床式锥探钻探一体机，其特征在于所述的夹持器的阶梯包角有分为三种，分别为探杆包角、小钻杆包角、大钻杆包角。
全文摘要
本发明涉及海床式锥探钻探一体机，包括塔架、动力头、钻具库、机械手机构、调平机构、仪器箱、绞车、钻具，夹持器及液压泵，根据海床式钻机钻探工艺，由动力头提供回转动力，动力头通过在塔架上的塔架导轨实现钻具的给进和回收，钻具库设在动力头两侧，用于存放各类钻具，通过机械手机构实现钻具自动化存取，利用调平机构使一体机在工作时保持钻具与海底面垂直；绳索取芯所用岩心管是通过绞车下放和回收，采用夹持器实现钻具的夹紧和接卸。本发明的一体机结构科学合理，控制简单方便，使用安全可靠，适用于海底大深度深孔岩心取样，也可以在陆地上进行作业。
文档编号E21B19/14GK102383723SQ20111019433
公开日2012年3月21日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者丁腾飞, 周前飞, 张凤敏, 张国栋, 张琦, 曾志军, 朱文林, 李志华, 李波, 邹成, 高厚秀 申请人:中国地质大学(武汉)