一种天然气水合物采样管的保压切割装置的制作方法

本发明涉及高保压切割技术，具体涉及天然气水合物采样管的保压切割装置。

背景技术：

天然气水合物作为一种重要的优质高效新能源，因为其储量大、分布广，而受到全球各国包括我国的重点关注。天然气水合物是天然气分子(烷类)被包进水分子中，在海底低温及压力下形成的结晶。天然气水合物的形成需要合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、ph值等。深海稳定的环境维持着天然气水合物的状态不变，但是在深海保压取样的时候就存在着外在环境的变化，需要在深海取样到船上的过程中进行压力维持，并且在上船之后加入温度维持。

为了减少天然气水合物的分解，天然气水合物的存在条件必须在一定的温度范围(低于20度)，温度过高会导致天然气水合物的分解，海底温度一般保持在2～4℃；其次，天然气水合物不分解的最低压强是3mpa，必须确保一定的压力。

目前深海沉积物取样器可以在取到深海天然气水合物样品之后进行保压，为了更好的进行天然气水合物的特性的研究，有必要把实验地点从从实验条件较差的船上转移到条件更好的实验室。取样管的尺寸对于实验室来说过于庞大，从取样管中进行二次取样，对于二次小样进行分析研究对于实验室分析更为可行。

二次取样涉及到取样管样品的分段高保压切割，高保压切割需要切割稳定、迅速、准确，操作简单方便。目前存在的高保压切割存在切割不均衡、切割速度慢、操作不方便的问题。现有的高保压切割由于内外压差无法平衡的问题，一些部件操作困难，进而会拖长样品切割时间，切割时间越长，不确定因素就越多，现有的切割装置还大有进步空间。

因此，如能提供与保压取样装置对接的切割高保压装置，将推动天然气水合物特性研究。该研究成果不仅可以应用于天然气水合物取样管切割，还可以有效地推广到其他综合性海洋调查项目，具备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，提供一种天然气水合物采样管的保压切割装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种天然气水合物采样管的保压切割装置，包括用于保压的中空管状的外筒，以及进退刀机构、周向旋转机构和夹紧机构；其中，

进退刀机构包括进退刀电机、联轴器、进退刀蜗杆、进退刀蜗轮、进退刀轴承和切割螺旋槽盘，进退刀轴承套设于中空管状的第一连接件的外部；进退刀蜗轮与切割螺旋槽盘均呈环状，两者固定装在第一连接件的两端组成进退刀内部构件；

周向旋转机构包括周向旋转电机、联轴器、周向旋转蜗杆、周向旋转蜗轮、周向旋转轴承和切割盘，周向旋转轴承套设于中空管状的第二连接件的外部；周向旋转蜗轮与切割盘均呈环状，两者固定装在第二连接件的两端组成周向旋转内部构件；

夹紧机构包括夹紧电机、联轴器、夹紧蜗杆、夹紧蜗轮、夹紧轴承、夹紧螺旋槽盘和固定盘，夹紧轴承套设于中空管状的第三连接件的外部；固定盘、夹紧螺旋槽盘与夹紧蜗轮均呈环状，且夹紧螺旋槽盘与夹紧蜗轮固定装在第三连接件的两端组成夹紧内部构件；

进退刀内部构件、周向旋转内部构件和夹紧内部构件依次装在外筒的内部，且通过轴承及配套的轴承座实现安装，固定盘通过多个安装片固定在外筒的内壁上；三个内部构件共同组成中空的内筒组件，内筒组件与外管共轴，切割螺旋槽盘、进退刀蜗轮、切割盘、周向旋转蜗轮、固定盘、夹紧螺旋槽盘和夹紧蜗轮均垂直于外管的轴线；在切割盘的外侧表面沿径向设有三个互成120°夹具的工字槽，工字槽中装有刀头；切割螺旋槽盘的外侧设有螺旋槽且与切割盘相对配合布置，当切割螺旋槽盘旋转时能带动刀头在工字槽中进行径向运动；固定盘的内侧表面沿径向设有三个互成120°夹具的工字槽，工字槽中装有卡爪；夹紧螺旋槽盘的外侧设有螺旋槽且与固定盘相对配合布置，当夹紧螺旋槽盘旋转时能带动卡爪在工字槽中进行径向运动。

本发明中，所述刀头和卡爪上制有牙弧，牙弧与切割螺旋槽盘的螺旋槽或夹紧螺旋槽盘的螺旋槽配合安装。

本发明中，所述切割螺旋槽盘或夹紧螺旋槽盘的螺旋槽是阿基米德螺旋槽。

本发明中，所述中空管状的第一连接件、第二连接件和第三连接件具有相同的内径。

本发明中，所述安装片有三个且呈120°夹角均匀布置在外筒的内壁上，在安装片上设有螺纹孔且通过螺钉安装在固定盘上。

本发明中，所述安装片与工字槽分别位于固定盘的两侧。

本发明中，所述进退刀蜗杆、周向旋转蜗杆和夹紧蜗杆均安装在外筒上，且分别与外筒的轴线垂直；各蜗杆的一端分别通过联轴器接至配套的电机，另一端与配套的蜗轮配合安装。

本发明中，所述进退刀蜗杆和夹紧蜗杆相互平行，周向旋转蜗杆垂直于进退刀蜗杆和夹紧蜗杆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本切割装置在抗高压的同时具备压力平衡，避免了内外压不同造成的安装困难。

2、结构简单，结构基本对称，安装方便简单。

3、切割均匀，减少了切割过程对样品的扰动，样品切割装置不对样品产生二次污染，并且在保压和温控的条件下进行切割。

4、切割进程可控，根据阿基米德螺旋线的导程可以准确控制切割深度。

5、可以通过调整电机的转速控制切割进退刀速度和切割速度，能都同时满足高的切割速度和低的进给速度，并且在需要时候可以快速进刀。

6、可以通过调整夹紧电机的转速和旋转方向实现夹紧和松开以及控制其速度。

附图说明

图1为本发明所述装置的整体外观示意图；

图2为夹紧机构的结构示意图；

图3为夹紧机构的半剖图；

图4为周向旋转机构的结构示意图；

图5为进退刀机构的结构示意图；

图6为进退刀机构和周向旋转机构配合示意图。

图中附图标记：1夹紧电机、2联轴器、3夹紧蜗杆、4夹紧蜗轮、5夹紧轴承、6夹紧螺旋槽盘、7固定盘、8安装片、9周向旋转蜗轮、10切割盘、11切割螺旋槽盘、12内筒组件、13进退刀蜗轮、14进退刀蜗杆、15进退刀轴承、16刀头、17周向旋转轴承、18卡爪、19外筒、20进退刀电机、21周向旋转电机、22周向旋转蜗杆。

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。

图1～6所示，提供一种天然气水合物采样管的保压切割装置，包括用于保压的中空管状的外筒19，以及进退刀机构、周向旋转机构和夹紧机构；其中，

进退刀机构包括进退刀电机20、联轴器、进退刀蜗杆14、进退刀蜗轮13、进退刀轴承15和切割螺旋槽盘11，进退刀轴承15套设于中空管状的第一连接件的外部；进退刀蜗轮13与切割螺旋槽盘11均呈环状，两者固定装在第一连接件的两端组成进退刀内部构件；

周向旋转机构包括周向旋转电机21、联轴器、周向旋转蜗杆22、周向旋转蜗轮9、周向旋转轴承17和切割盘10，周向旋转轴承17套设于中空管状的第二连接件的外部；周向旋转蜗轮9与切割盘10均呈环状，两者固定装在第二连接件的两端组成周向旋转内部构件；

夹紧机构包括夹紧电机1、联轴器2、夹紧蜗杆3、夹紧蜗轮4、夹紧轴承5、夹紧螺旋槽盘6和固定盘7，夹紧轴承5套设于中空管状的第三连接件的外部；固定盘7、夹紧螺旋槽盘6与夹紧蜗轮4均呈环状，且夹紧螺旋槽盘6与夹紧蜗轮4固定装在第三连接件的两端组成夹紧内部构件；

中空管状的第一连接件、第二连接件和第三连接件具有相同的内径，从而组成具有统一内径的管状内筒组件12，以便于装入管状的采样器。进退刀蜗杆14、周向旋转蜗杆22和夹紧蜗杆3均安装在外筒19上，且分别与外筒19的轴线垂直；各蜗杆的一端分别通过联轴器接至配套的电机，另一端与配套的蜗轮配合安装。其中，进退刀蜗杆14和夹紧蜗杆3相互平行，周向旋转蜗杆22垂直于进退刀蜗杆14和夹紧蜗杆3，在一定程度上能够节约轴向尺寸。

进退刀内部构件、周向旋转内部构件和夹紧内部构件依次装在外筒19的内部，且通过各自轴承及配套的轴承座实现安装，固定盘7通过三个安装片8固定在外筒19的内壁上；三个安装片8呈120°夹角均匀布置在外筒19的内壁上，在安装片8上设有螺纹孔且通过螺钉安装在固定盘7上。进退刀内部构件、周向旋转内部构件和夹紧内部构件共同组成中空的内筒组件12，内筒组件12与外管19共轴。切割螺旋槽盘11、进退刀蜗轮13、切割盘10、周向旋转蜗轮9、固定盘7、夹紧螺旋槽盘6和夹紧蜗轮3均垂直于外管19的轴线，除固定盘7之外，这几个部件均在电机驱动下绕轴线转动。

在切割盘10的外侧表面沿径向设置三个呈120°夹角均匀布置的工字槽，刀头16装于工字槽中以限制其周向自由度；切割螺旋槽盘11的外侧设有阿基米德螺旋槽且与切割盘10相对配合布置，刀头16上设有能与螺旋槽配合安装的凸起部位，当切割螺旋槽盘11旋转时能带动刀头16在工字槽中进行径向运动，相对转动一周的进刀量由阿基米德螺旋线导程决定。在固定盘7的内侧表面沿径向设置三个呈120°夹角均匀布置的工字槽，卡爪18装于工字槽中以限制其周向自由度；夹紧螺旋槽盘6的外侧设有阿基米德螺旋槽且与固定盘7相对配合布置，卡爪18上设有能与螺旋槽配合安装的凸起部位，当夹紧螺旋槽盘6旋转时能带动卡爪18在工字槽中进行径向运动。固定盘的工字槽与安装片8分别位于两侧。

作为应用示例，夹紧电机1、进退刀电机20、周向旋转电机21均采用直流无刷电机，型号为s60bl120-430。额定扭矩为0.95n.m，额定转速为3000rpm，速度可以通过直流无刷电机控制器调节，选型为时代超群号的zm-6508。夹紧电机1、进退刀电机20、周向旋转电机21分别进行夹紧、进退刀、切割的作业。外筒19与夹紧蜗杆3的连接处，外筒19与进退刀蜗杆14的连接处、外筒19与周向旋转蜗杆22的连接处，以及端盖(图中未示出)与外筒19的连接处，都设有接触式动密封。在夹紧蜗轮4一侧设端盖，并用螺栓固定连接外筒19，外筒19足够承受25mpa的设计压强，在使用时内部充满高压水。夹紧螺旋槽盘6和切割螺旋槽盘11的外径为190mm，内径为65mm；在两者的一侧表面上车制有导程为3mm的阿基米德螺旋线，分别与卡爪18以及刀片16配合，螺旋槽盘。通过电机控制板来控制进退刀电机20和周向旋转电机21的转速，从而决定刀头16的周向旋转速度和径向进刀速度，同样可以用电机控制板来控制卡爪18的夹紧速度。整个装置配备外置的温控压力维持系统用于对温度和压力进行调节，保障天然气水合物所处环境和深海基本一致。各轴承均采用深沟球轴承6020，各蜗轮蜗杆机构传动比为30，中心距为75mm。

利用本发明所述装置实现天然气水合物采样管的保压切割的工作过程如下：

1)将样品管从进退刀蜗轮13一端送入内筒组件12，直至到达夹紧内部构件中；启动夹紧电机1，使卡爪18快速径向移动，快要夹紧时通过电机控制板切换至慢速夹紧。

2)等到卡爪18夹紧样品管之后，停止夹紧电机1，完成夹紧。

3)启动进退刀电机20，使得刀头16快速进给，到达样品管表面之后通过电机控制板切换到低速。

4)将进退刀电机20的转速和周向旋转电机21的转速同时调到高速，并且保证进退刀电机20转速稍大于周向旋转电机21，达到慢速进给同时快速周向旋转的效果，进行切割。

5)完成切割后，反转进退刀电机20，停止周向旋转电机21，使得刀头16快速退刀；到达指定位置后，停止进退刀电机20；

6)反向旋转夹紧电机1，使得卡爪18松开样品管，完成切割。

可以预见，对于除天然气水合物之外的深海采样管，本发明所述装置同样适用。由于同样具备保压和保温的功能，只需要对于相应采样管的尺寸进行适当的适配即可。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。