本实用新型属于极地钻探设备的机械结构设计技术领域，具体涉及南极冰下湖返回式钻具内嵌式减力装置。
背景技术：
随着人类对南极冰下湖的不断探索，一些国家先后利用钻探设备对南极冰下湖进行钻进采样，但是，若想获取符合要求的水样，钻探设备必须要深入南极冰下湖，适应各种极端环境工况，这就需要对钻探设备中的机械系统结构的设计有着尤为苛刻的要求，要求钻探设备既要满足大负载，又要能够连续钻探，且钻探作业过程要保证稳定。
热水钻技术在南北极及山地冰川钻探中已经有半个世纪的发展，目前是极地冰层钻进中发展最快、应用最广泛、前景最好的钻进技术，该技术因其低污染、高效率在南极钻探领域具有不可替代的地位。但是，由于南极冰下湖的环境情况更加特殊，现有的热水钻设备已无法提供足够的推力，其能够承担的最大负载以很难满足实际作业要求，且现有的热水钻设备无法实现连续钻进工作。此外，由于热水钻设备的结构十分复杂，使得对其控制要求极高，操作门槛较高。
目前应用的钻探设备主要是热水钻，该设备虽不会对环境造成影响，但由于冰下的特殊环境，这种设备无法满足连续钻进、提供足够的推力等要求，且现有的热水钻结构较为复杂，导致装置不易控制。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供了一种南极冰下湖返回式钻具内嵌式减力装置，本实用新型所述装置使线缆在有限的空间内流畅地传动，解决了线缆传输过程中的导程问题，并在电机的驱动下，充分利用摩擦力以达到减力的效果，从而实现大负载且稳定的连续钻进作业。结合说明书附图，本实用新型的技术方案如下：
南极冰下湖返回式钻具内嵌式减力装置，由安装在线形框架内的主动机构、从动机构、大板轮组件和小板轮组件组成；
所述主动机构安装连接在从动机构的下方，所述从动机构由多根底部安装有从动齿轮的绕线轴竖直设置组成，所述绕线轴上设有多层环形绕线凹槽，所述从动齿轮均分别与主动机构末端的主动齿轮啮合，主动机构带动从动机构的多根绕线轴同步旋转；
所述大板轮组件固定在从动机构的中间，大板轮组件由两个大板轮组成，所述大板轮由安装有大导轮的大导轮板相交设置组成，其中一号大板轮与二号大板轮上的大导轮依次间隔分布，一号大板轮将竖直方向的线缆导向水平，二号大板轮将水平方向的线缆导向竖直，在中间的大板轮组件的导向下，线索在从动机构的绕线轴之间逐层缠绕；
所述小板轮组件有多组，一号小板轮组件安装在从动机构底部外侧，用于将线缆从动机构中导出，二号小板轮组件安装在一号小板轮组件正下方的线形框架上，三号小板轮组件安装在线形框架底部中间，所述二号小板轮组件和三号小板轮组件将从动机构导出的线缆经所述减力装置的底部中心位置导出。
进一步地，所述线形框架由顶板、中间板、底板和长螺纹杆连接构成，其中顶板、中间板和底板相互平行设置，且通过三根分布在顶板、中间板和底板圆周外沿处的长螺纹杆安装固定；
所述主动机构的输出端通过大轴承安装在中间板上；所述从动机构的绕线轴两端通过小轴承分别安装在顶板和中间板上；所述大板轮组件固定在顶板底面上，一号小板轮组件固定在中间板上，二号小板轮组件和三号小板轮组件均安装在底板上。
进一步地，所述主动机构由主轴、主动齿轮、大轴承、第一联轴器、减速器、第二联轴器和电机组成；
所述电机的输出轴通过第二联轴器与减速器的输入轴同轴连接，所述减速器的输出轴通过第一联轴器与主轴的一端同轴连接，所述主动齿轮安装在主轴的另一端。
进一步地，所述从动机构由五根绕线轴组成，其中有两根为一号绕线轴，另外三根为二号绕线轴，所述五根绕线轴均匀地竖直分布在主动齿轮的圆周外侧，且两根所述一号绕线轴间隔分布在三根所述二号绕线轴之间；
所述一号绕线轴和二号绕线轴的中部等间距地开有三层环形绕线凹槽，所述二号绕线轴上的三层环形绕线凹槽与一号绕线轴上的三层环形绕线凹槽的竖直位置存在高度差。
进一步地，在所述大板轮组件中，所述大导轮板为由短横板和长竖板组成的L形板件，大导轮与大导轮板的长竖板螺纹连接，大导轮板的短横板通过大螺栓固定安装在线形框架的顶部。
进一步地，所述小板轮组件由小导轮板和小导轮组成，所述小导轮板为由短横板和长竖板组成的L形板件，所述小导轮螺纹连接在长竖板上，短横板通过小螺栓与线性框架安装连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型所述内嵌式减力装置的集成度较高，结构紧凑，充分利用有限的空间，实现稳定运转，结构设计精简，易于控制。
2、本实用新型所述内嵌式减力装置的绕线组件有五根轴组成，实现三层绕线，大大增加了线缆与轴之间的包角，线缆在通过本实用新型所述减力装置后，输出力大大减小，减轻了整个钻具的负担，有效分解载荷，增加了钻具的负载能力，确保钻机在大负载下安全可靠地运行。
3、本实用新型所述内嵌式减力装置在下降及返程过程中，采用电机进行驱动，实现了减力机构能够连续稳定地运行作业。
附图说明
图1为本实用新型所述内嵌式减力装置的立体结构示意图；
图2为本实用新型所述内嵌式减力装置中，大L板轮组件的立体结构示意图；
图3为本实用新型所述内嵌式减力装置的从动机构中，绕线轴的装配结构外形图；
图4为本实用新型所述内嵌式减力装置的从动机构中，绕线轴的装配结构剖视图；
图5为本实用新型所述内嵌式减力装置中，主动机构的装配结构示意图；
图6为本实用新型所述内嵌式减力装置中，主动机构的动力输出端的装配结构剖视图；
图7为本实用新型所述内嵌式减力装置中，小L板轮组件的立体结构示意图；
图8为本实用新型所述内嵌式减力装置中，线缆缠绕于从动机构的俯视图。
图中：
1-长螺纹杆 2-顶板； 3-大板轮组件； 4-从动机构；
5-中间板； 6-主动机构； 7-小板轮组件； 8-底板；
9-线缆；
31-大导轮板； 32-大导轮； 33-大螺栓；
41-一号绕线轴； 42-二号绕线轴； 43-小平键； 44-从动齿轮；
45-小轴承；
61-主轴； 62-大平键； 63-主动齿轮； 64-大轴承；
65-第一联轴器； 66-减速器； 67-第二联轴器； 68-电机；
71-小导轮板； 72-小导轮； 73-小螺栓；
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型的技术方案及其所带来的技术效果，结合说明书附图，本实用新型的具体实施方式如下：
本实用新型公开了一种南极冰下湖返回式钻具内嵌式减力装置，如图1所示，所述装置主要由主动机构6、从动机构4、大板轮组件3和小板轮组件7组成，上述组成部件安装在一个线形框架内侧，所述线形框架由顶板2、中间板5、底板8和长螺纹杆连接构成，其中顶板2、中间板5和底板8为尺寸相当的圆板，三者依次相互平行设置，且通过三根均匀分布设置在顶板2、中间板5和底板8圆周外沿处的长螺纹杆安装连接形成稳定的线形框架。
如图1所示，所述主动机构6安装在由中间板5和底板8所构成的下层框架内，如图5 所示，所述主动机构6由主轴61、主动齿轮63、大轴承64、第一联轴器65、减速器66、第二联轴器67和电机68组成；所述电机68位于机构下部，电机68的输出轴竖直向上通过第二联轴器67与减速器66的输入轴同轴连接，所述减速器66的输出轴竖直向上通过第一联轴器65与主轴61的一端同轴连接，如图6所示，所述主动齿轮63通过大平键62安装在主轴61的另一端，实现动力传递，且所述主动齿轮63的上端面顶靠在主轴61端部的外沿内侧，主动齿轮63的下端面顶靠在大轴承64的上端面上，进而实现主动齿轮63在主轴61 上的轴向定位；所述中间板5的中心处开有阶梯孔，所述主轴61通过大轴承64安装在中间板5的阶梯孔内，所述主动齿轮63位于中间板5的上方，主动机构6的其余组成部件均位于中间板5与底板8之间。
如图1所示，所述从动机构4安装在由中间板5和顶板2所构成的上层框架内，所述从动机构4由五根绕线轴组成，其中有两根为一号绕线轴41，另外三根为二号绕线轴42，所述五根绕线轴均匀地竖直分布在主动齿轮63的圆周外侧，形成正五棱柱结构，且两根所述一号绕线轴41间隔分布在三根所述二号绕线轴42之间；如图3所示，所述一号绕线轴41 的中部等间距地开有三层环形绕线凹槽，在一号绕线轴41的两端均安装有一个小轴承45；如图4所示，所述一号绕线轴41的底端通过小平键43安装有一个从动齿轮44。所述二号绕线轴42的结构与一号绕线轴41的结构相似，即所述二号绕线轴42的两端也均安装有一个小轴承45，所述二号绕线轴42的底端也通过小平键43安装有一个从动齿轮44，且二号绕线轴42的中部也等间距地开有三层环形绕线凹槽，但与一号绕线轴41的结构不同的是，所述二号绕线轴42上的三层环形绕线凹槽分别低于一号绕线轴41上的三层环形绕线凹槽，使一号绕线轴41与二号绕线轴42上同一层环形绕线凹槽之间存在高度差，且所述高度差大于等于环形绕线凹槽的宽度。五根绕线轴底端对应的五个从动齿轮44均分别独立地与主动齿轮63啮合，以实现动力自主轴61向五根绕线轴的传递。中间板5和顶板2上均沿圆周方向均匀开有五个阶梯孔，五根绕线轴的两端均通过小轴承45安装在中间板5和顶板2的阶梯孔内，五根绕线轴均与中间板5和顶板2之间形成转动副。
如图1所示，所述大板轮组件3位于从动机构4的五根绕线轴中间，设置于主动齿轮 63的正上方，且固定安装在顶板2的底面上。如图2所示，所述大板轮组件3由两个大板轮组成，所述大板轮由大导轮板31和大导轮32组成；所述大导轮板31为由短横板和长竖板组成的L形板件，所述大导轮32的轴线垂直于大导轮板31安装，所述大导轮32沿大导轮板31的长竖板均匀分布，所述大导轮32与大导轮板31螺纹连接，所述大导轮32的圆周侧面开有环形的绕线凹槽；其中一号大板轮上的大导轮32的数量与绕线轴上的环形绕线凹槽层数相匹配，即一号大板轮的大导轮板31上分布有三个大导轮32，而二号大板轮的结构与一号大板轮的结构相类似，不同的是，二号大板轮上的大导轮32的安装位置为一号大板轮上的相邻两个大导轮的中间位置，使一号大板轮与二号大板轮上的大导轮依次间隔分布，即二号大板轮的大导轮板31上分布有两个大导轮32。两个所述大板轮均竖直设置，且两个大导轮板31的侧边相交设置，使两个大导轮板31上的大导轮32相向设置，且轴线在水平面上形成夹角。两个所述大板轮的大导轮板31的短横板均通过大螺栓33固定安装在顶板2 的底面上。
如图1所示，所述小板轮组件7共有三组，分别为：安装在从动机构4外侧中间板5上的一号小板轮组件、安装在一号小板轮组件正下方底板8上的二号小板轮组件以及安装在底板8中心附近的三号小板轮组件，三组所述小板轮组件7用于将缠绕至从动机构4末端的线缆导至所述装置底部，并从装置底部的中间位置导出。三组所述小板轮组件的结构相同，如图7所示，所述小板轮组件7由小导轮板71和小导轮72组成，所述小导轮板71为由短横板和长竖板组成的L形板件，所述小导轮72螺纹连接在长竖板上，短横板通过小螺栓73与相应的线性框架安装连接(中间板5或底板8)。
本实用新型所述南极冰下湖返回式钻具内嵌式减力装置的工作过程如下：
所述减力装置的动力来源于主动机构6，主动机构6由电机68提供动力，通过减速器 66减速后驱动主轴61旋转，主轴61通过主动齿轮63带动从动机构4的五个从动齿轮44 同步旋转，进而带动五根绕线轴同步旋转；
线缆从顶板2的中心孔处进入，首先经大板轮组件3中的一号大导轮板上的大导轮的导向，将线缆从竖直方向导为水平方向，此时线缆开始第一层的缠绕：如图8所示，所述线缆在从动机构4中的水平方向缠绕轨迹类似于正五角星画法轨迹，线缆首先缠绕第一个二号绕线轴42的第一层环形绕线凹槽，然后间隔第一个一号绕线轴41缠绕第二个二号绕线轴42 的第一层环形绕线凹槽，再间隔第二个一号绕线轴41缠绕第三个二号绕线轴42的第一层环形绕线凹槽，再间隔第一个二号绕线轴42缠绕第一个一号绕线轴41的第一层环形绕线凹槽，最后间隔第二个二号绕线轴42缠绕第三个二号绕线轴42的第一层环形绕线凹槽，至此第一层绕线结束；
结束第一层绕线后，线缆将通过大板轮组件3中的二号大板轮上的大导轮导向，将线缆从第三个二号绕线轴42上导出，并沿竖直方向导向下一层，然后经一号大板轮上的下一层大导轮导向，将线缆从竖直方向再次导为水平方向，此时线缆开始第二层的缠绕；第二层绕线与第一层绕线的方式相同，均为正五角星式绕绳；第二层绕线结束后进行第三层绕线，直至线缆完成三层绕线后，从第三个二号绕线轴42的第三层导出。从动机构4中的五根绕线轴及对应的五个从动齿轮44构成类似五角行星齿轮机构，采用五根绕线轴能够增大线缆与绕线轴接触处的包角，线缆通过本实用新型所述减力装置后，内力大大减小，减轻了整个钻具的负担，有效地分解载荷、增加承重，确保安全可靠。
由于主动机构6的中心有主动齿轮63驱动，所以线缆不能从正中央穿出，于是再利用放置在中间板5上的小导轮板组件7将从动机构4水平导出的线缆导为竖直方向。此时导出中间板5的线缆并不在装置的正中心，为了保持机械结构的对称平衡及稳定性，使线缆再经由底板8上的两个小导轮板组件7导出底板8的中心通孔。
线缆经过本实用新型所述减力装置后，通过有序缠绕和与绕线凹槽之间的摩擦，减轻靠近下方一端线缆的内力，使线缆稳定可靠地连续释放。
由于线缆负重紧绷且与绕线轴之间存在摩擦力，所以经过上述过程进入装置的线缆与导出装置的线缆上所承载的力不相同，故实现减力功能；一号绕线轴41和二号绕线轴42同步转动，以此借助摩擦使线缆运动。
经过如上所述摩擦减力后，能够实现本实用新型所述减力机构在冰下大负载工作条件下的稳定连续运转，且线缆在通过该减力装置后能有效地减负，可实现大负载运行。