一种用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置的制作方法

本发明是关于驱动装置技术领域，具体涉及一种用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置。

背景技术：

随着地球上煤炭、石油等不可再生能源源的逐渐枯竭，海洋沉积物中储量丰富的天然气水合物被认为是未来洁净的战略接替能源，自上世纪八十年代就引起了国际社会的广泛关注与重视。但由于天然气水合物稳定存在于低温条件下这样特殊的物理学性质，当开采岩心被直接开采到常温常压的海面上时，其中含有的天然气水合物组分会全部或大部分分解，达不到勘探与利用的目的，并对全球变暖、海底滑坡、海洋钻井安全等有重要影响。

由于天然气水合物特殊的藏存条件，研究原位压力状态下的天然气水合物岩心样品对科学家进行对其研究具有深刻意义。随着深海沉积物保压取心钻探技术的提高，研究人员能够获得原位压力下的天然气水合物保压岩心样品，但在样品转移方面仍处于开发研究阶段。

保压转移装置可以最大限度的保证岩心样品在转移过程中环境不变，对维持天然气水合物原有结构及性质具有重要意义，对样品检测数据的真实性至关重要。在保压转移装置中，驱动装置是保压转移的关键基础技术，该装置需要将保压钻具中的岩心样品转移至切割与检测装置中，该研究成果为天然气水合物研究从采集阶段到深入研究水合物性质阶段提供重要的技术支持。在检测和切割过程中，要在转移筒里完成对保压岩心管的水平推送和旋转工作，同时要求水平移动和旋转过程能够平稳和精确。目前存在的岩心管转移驱动装置只能完成岩心管的水平推送；水平移动过程中岩心不稳定，存在摆动；不能满足较长岩心样品的转移需求，因此，现有的岩心管转移装置还良好的改善空间。

因此，改进一套用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置，将更加完善保压转移系统，推动我国对天然气水合物特性的研究。该研究成果不仅可以应用于天然气水合物样品岩心，还可以有效地推广到其他综合性海洋调查项目，具有一定的普适性和推广前景。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置，满足岩心样品的水平位移与旋转需要。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置，包括用于转移岩心样品的临存筒与岩心管抓杆；还包括辅助支撑结构、主动滑块结构、丝杠直线模组结构；

临存筒包括通过抱箍相连的前段临存筒和后段临存筒，临存筒前端与后端通过抱箍连接有前端盖和后端盖；后端盖设置一个通孔，用于岩心管抓杆的抓取岩心样品管；传动齿轮轴支撑设于前端盖后侧，并通过端盖支撑连杆和传动齿轮轴相连；传动齿轮轴前端穿出前端盖并连接第二伺服电机，传动齿轮轴上套设有齿轮；

丝杠直线模组结构包括梯形丝杠，梯形丝杠外套设有导槽套筒，梯形丝杠前端穿出前端盖与第一伺服电机相连；导槽套筒包括筒体，筒体顶端沿轴向开有一贯穿的通槽，导槽套筒前端贯穿传动齿轮轴支撑，并连接导槽套筒套头；梯形丝杠后端与后端盖相连；导槽套筒套头上设有齿轮，该齿轮与传动齿轮轴上的齿轮啮合；

主动滑块结构包括滑块，滑块通过内部的螺纹结构与梯形丝杠配合，导槽套筒贯穿滑块，使得滑块可以沿着导槽套筒进行水平位移；第一圆柱形支撑和第二圆柱形支撑分设于滑块两侧并通过若干滑块支撑连接杆和相连，第一圆柱形支撑圆柱形支撑前端设有弹簧卡扣母扣；抓杆轴将第一圆柱形支撑和第二圆柱形支撑顶部通过抓杆轴贯穿相连，抓杆轴上设有齿轮，后端连有抓杆；滑块外部设有一齿轮，滑块上的齿轮与抓杆轴上的齿轮相互啮合；

辅助支撑结构有两个，分设于主动滑块结构两侧的导槽套筒上，并通过辅助支撑连接杆相连；前端的辅助支撑结构后端面上设有弹簧卡扣公扣，可与第一圆柱形支撑上的弹簧卡扣母扣相互配合。

作为一种改进，抓杆末端设有尾部抓手，可以用于抓取pc管中的天然气水合物样品。

作为一种改进，抓杆轴与第一圆柱形支撑和第二圆柱形支撑利用塑料法兰轴承进行连接。

作为一种改进，滑块与第一圆柱形支撑和第二圆柱形支撑利用塑料法兰轴承进行连接。

作为一种改进，辅助支撑结构内部设有辅助旋转支撑体，梯形丝杠与导槽套筒均贯穿该旋转支撑体；辅助支撑旋转体包括通过连接件相连的两个同心圆环体。

作为一种改进，临存筒内沿轴向设有一圆形导轨，主动滑块结构与辅助支撑结构均设有导槽与之配合。

作为一种改进，第一圆柱形支撑和第二圆柱形支撑的圆周面均设有四个牛眼滚珠。

本发明中，辅助支撑结构、连接杆采用尼龙材料制作，交流伺服电机、塑料法兰轴承等均可采用市售产品。前后端盖、临存筒、梯形丝杠、导槽套筒、主动滑块结构等则按照实际需要进行加工即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)原有岩心管转移装置只能完成岩心管的水平推送工作，而此发明不仅可以完成水平推送，也可以完成岩心管的旋转动作，更好完成对岩心管的ct、声波检测等工作。

(2)辅助支撑结构，即可以减少梯形丝杠与导槽套筒由于自身重力而产生的挠度，也可以减少岩心管抓杆由于自身重力而产生的挠度，以便岩心管抓杆可以顺利的通过后端盖的通孔，抓取天然气水合物岩心样品。

(3)岩心管抓杆采用碳纤维材料制作，可以减少整体质量，减小滑块与滑轨上的摩擦；而且由于碳纤维具有高模量特性，减少岩心管抓杆由于悬臂作用产生的挠度变化。

(4)采用丝杠直线模组的结构，简化原有的结构，将旋转运动转变为直线运动，完成岩心管的水平推送过程。

(5)采用丝杠内置与导槽套筒的方式，可以通过导槽套筒的旋转，实现岩心管抓杆的旋转。

(6)本装置中所采的塑料轴承既可以满足功能要求，也可以减小整体结构的尺寸，大大节省装置成本。

附图说明

图1是本发明整体外部结构示意图；

图2是本发明临存筒内部示意图；

图3是本发明前端示意图；

图4是本发明主动滑块结构外部示意图；

图5是本发明中主动滑块结构剖面示意图；

图6是本发明中导槽套筒端面示意图；

图7是本发明中抓手外部结构示意图；

图8是本发明中辅助支撑旋转体外部结构示意图。

图中：1-第一伺服电机；2—第二伺服电机；3、5、7—抱箍；4—前段临存筒；6—后段临存筒；8—交流伺服电机支撑架；9—前端盖；9-1—前端盖盖体；9-2—端盖支撑连杆；9-3、9-7—齿轮；9-4—传动齿轮轴；9-5—传动齿轮轴支撑；9-6—导槽套筒套头；10—圆形导轨；11—导槽套筒；12—辅助支撑结构；13—主动滑块结构；13-1—圆柱形滑块支撑；13-2—滑块支撑连接杆；13-3、13-6—齿轮；13-4—牛眼滚珠；13-5—滑块；13-7—抓杆轴；13-8、13-9—塑料法兰轴承；14—辅助支撑连接杆；15—抓杆；16—抓手；17—后端盖；18—梯形丝杠。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，一种用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置，外部结构主要包括用于转移天然气水合物的临存筒4，临存筒包括通过抱箍5相连的前段临存筒4和后段临存筒6，临存筒前端与后端通过抱箍3、7连接有前端盖9和后端盖；后端盖设置一个通孔，用于岩心管抓杆15的抓取岩心样品管。

如图2所示，用于天然气水合物岩心样品保压转移的驱动装置内部结构主要包括前端盖9、圆形导轨10、导槽套筒11、辅助支撑结构12、主动滑块结构13和丝杠直线模组结构；传动齿轮轴支撑9-5设于前端盖9后侧，并通过端盖支撑连杆9-2和传动齿轮轴9-4相连；传动齿轮轴9-4前端穿出前端盖9并连接第二伺服电机2，传动齿轮轴9-4上套设有齿轮9-3。圆形导轨10通过螺栓固定在前段临存筒4、后段临存筒6的内壁，并且辅助支撑结构12与主动滑块结构13均设有导轨槽，可以与圆形导轨10配合使用。

丝杠直线模组结构包括梯形丝杠18，梯形丝杠18外套设有导槽套筒11，梯形丝杠18前端穿出前端盖9与第一伺服电机1相连；导槽套筒11为设有导槽的环形圆筒，断面视图如图6所示，并可以通过辅助支撑结构12、主动滑块结构13的通孔贯穿其中。导槽套筒前端贯穿传动齿轮轴支撑9-5，并连接导槽套筒套头；梯形丝杠18后端与后端盖17相连；导槽套筒套头9-6上设有齿轮9-7，该齿轮9-7与传动齿轮轴9-4上的齿轮9-6啮合；

如图3所示，前端盖9主要包括前端盖盖体9-1、端盖支撑连杆9-2、齿轮9-3、9-7、传动齿轮轴9-4、传动齿轮轴支撑9-5、导槽套筒套头9-6等。传动齿轮轴9-4通过前端盖盖体9-1与传动齿轮轴支撑9-5支撑，前端盖盖体9-1与传动齿轮轴支撑9-5之间通过3根端盖支撑连杆9-2连接。导套套筒11两端通过导槽套筒套头9-6固定。传动齿轮轴支撑9-5外部的齿轮9-3与导槽套筒套头9-6外部的齿轮9-7相互啮合。

图4与图5分别为主动滑块结构13外部结构示意图与剖面图，如图所示，主动滑块结构13主要包括两个圆柱形滑块支撑13-1、滑块支撑连接杆13-2、齿轮13-3与13-6、牛眼滚珠13-4、滑块13-5、抓杆轴13-7、不同规格的塑料法兰轴承13-8与13-9各两个。两个圆柱形滑块支撑13-1通过三根滑块支撑连接杆13-2和抓杆轴13-7连接，设于滑块13-5两端。第一圆柱形支撑圆柱形支撑13-1前端设有弹簧卡扣母扣，两个圆柱形滑块支撑13-1的测表面均设置4个牛眼滚珠13-4。抓杆轴13-7后端与抓杆15通过螺纹连接。滑块13-5通过螺纹结构与梯形丝杠18进行配合，导槽套筒11贯穿滑块13-5。抓杆轴13-7外部的齿轮13-3与滑块13-5外部的齿轮13-6相互啮合。

辅助支撑结构12包括通过辅助支撑连接杆14连接的前后两个辅助支撑滑块，辅助支撑滑块分设于主动滑块结构13两侧的导槽套筒11上，辅助支撑结构12后支撑滑块设有通孔，抓杆15可以贯穿后支撑滑块。图8为辅助旋转体，设置于辅助支撑结构12的内部，辅助旋转体包括通过连接件连接的两个同心圆环体，梯形丝杠18与导槽套筒11均贯穿该辅助支撑旋转体。前端的辅助支撑结构12后端面上设有弹簧卡扣公扣，可与第一圆柱形支撑13-1上的弹簧卡扣母扣相互配合。

如图7所示，抓手16通过自身锥形表面的棱状结构并依靠推力伸入装有天然气水合物样品的pc管中，依靠锥形结构的形变抓紧pc管。

本发明的工作过程如下：

驱动装置工作初始阶段，主动滑块结构13通过弹簧卡扣结构与辅助支撑结构12的前圆柱形支撑滑块连接，抓杆15长度比辅助支撑结构12后圆柱形支撑滑块长出一段距离，抓杆15伸出后圆柱形支撑滑块一段长度。

当取心钻具与保压转移装置对接后，第一伺服电机1开始工作，驱动梯形丝杠18旋转，从而使得主动滑块结构13与辅助支撑结构12沿着导槽套筒11的导槽在圆形轨一起进行水平向右平移。当辅助支撑结构12的后圆柱形支撑滑块接触至后端盖17后，此时，辅助支撑结构12停止向右运动，同时弹簧卡扣分离，主动滑块结构13在梯形丝杠18的驱动下继续向右运动，直至抓杆15尾端设置的抓手16伸进装有天然气水合物样品的pc管中，并依靠锥形结构的形变抓紧pc管。两个圆柱形滑块支撑13-1的测表面均设置4个牛眼滚珠13-4可以减少主动滑块结构13在临存筒内水平位移过程中产生的阻力，使得水平运动更加平稳。

抓杆15抓取天然气水合物样品的pc管后，将第一伺服电机1反向旋转，驱动梯形丝杠18反转，主动滑块结构13、抓杆15与岩心管一起向左运动。

当抓杆15拖动天然气水合物样品管移动至检测位置后，停止交流伺服电机1停止工作，准备启动开始岩心管样品管的旋转动作。第一伺服电机1与第二伺服电机2同时启动，首先第二伺服电机2驱动前端盖9中的传动齿轮轴支撑9-5旋转，同时利用其外部的齿轮9-3与导槽套筒套头9-6外部的齿轮9-7相互啮合，驱动导槽套筒11进行旋转，导槽套筒11的转动带动外部的主动滑块结构13中滑块13-5进行旋转，因抓杆轴13-7外部的齿轮13-3与滑块13-5外部的齿轮13-6相互啮合，可以驱动抓杆轴13-7进行旋转，从而带动抓杆15与岩心管的旋转；与此同时，第一伺服电机1也需同时进行旋转，使得主动滑块结构13的位置保持不变，不会随着导槽套筒11的旋转而发生水平位移；若要实现岩心管同时旋转与水平位移，只需要第二伺服电机2工作即可。

对岩心管的检测工作完成后，第二伺服电机2停止工作，第一伺服电机1工作，驱动主动滑块结构13与辅助支撑结构12一直运动，直至到达前端盖9，然后继续驱动主动滑块结构13继续向左推进，直至通过弹簧卡扣结构与辅助支撑结构12相互连接。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。