一种基于深海海底钻机的回转钻进动力头

1.本发明涉及海底钻机的技术领域，特别是涉及一种基于深海海底钻机的回转钻进动力头。


背景技术：

2.目前，深海浅地层钻机，已成为海底资源勘探、海洋地质调查和海洋科学考察不可或缺的重要技术装备，得到了世界各海洋强国的重视和应用，许多科研成果已经应用于实际的海洋调查项目，取得了可观的经济效益和社会效益。深海海底钻机由船载的光电铠装复合缆布放至海底，在海底完成钻进取样、钻具的自动对接与拆卸等一系列的工作。与普通的钻井船钻机相比，深海海底钻机具有可以灵活选取取样站位、取样效率高，设备体积小等优点。回转钻进动力头作为深海海底钻机的核心装置，由滑座、液压主动马达、主动轴、给水套等装置组成，不仅可以为钻进工作过程提供向下的钻进力与正反转扭矩，还起到了钻杆之间的对接与拆卸功能，此外，还可以为钻进液提供接口。
3.现有使用的回转钻进动力头与陆地上使用的类型相似，在进行海底钻进取样工作时，针对于钻杆之间的对接与拆卸工作过程，效率较低，而且由于是远程操控液压系统进行工作，存在一定的误差，从而引起钻杆之间难以对接或者由于对接不牢引起钻具的丢失等一系列问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于深海海底钻机的回转钻进动力头，以解决上述现有技术存在的问题，使回转钻进动力头既能完成钻具的钻进与起拔工作，又能在机械手的配合下完成钻杆间的对接与拆卸工作，可有效提高深海海底钻机的勘探取样效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供了一种基于深海海底钻机的回转钻进动力头，包括液压马达、主动轴、回转机构和卡紧机构，所述液压马连接所述主动轴，所述主动轴套设于所述回转机构内，所述回转机构的下方设置有所述卡紧机构，所述主动轴、所述回转机构和所述卡紧机构共轴线设置，所述主动轴用于与钻具或钻杆对接，所述卡紧机构用于卡紧所述钻具或钻杆。
7.优选的，所述回转机构包括驱动机构、轴筒和中空轴，所述驱动机构与所述中空轴连接，所述中空轴套设于所述主动轴外且套设于所述轴筒内。
8.优选的，所述中空轴的两端与所述轴筒和所述主动轴之间均设置有推力轴承，以使所述中空轴与所述轴筒和所述主动轴之间实现相对转动。
9.优选的，所述轴筒的上端通过法兰盘与所述液压马达连接，所述液压马达和所述轴筒与所述法兰盘之间均设置有密封圈，所述中空轴的上端通过螺栓连接有一固定环。
10.优选的，所述驱动机构包括齿圈和回转马达，所述中空轴的下端设置有齿圈，所述齿圈凸出所述轴筒外，所述回转马达与所述轴筒固定连接，所述回转马达连接一齿轮，所述齿轮与所述齿圈相啮合。
11.优选的，所述回转马达设置有两个且均固定于一滑板上，所述滑板与所述轴筒焊接，所述滑板能够安装在海底钻机的桅杆上。
12.优选的，所述中空轴的下端连接有所述卡紧机构，所述卡紧机构包括三个卧式液压缸和卡爪，所述卧式液压缸的推杆连接带弧形面的所述卡爪，所述卧式液压缸沿所述中空轴周向均布且所述卡爪位于内侧。
13.优选的，所述中空轴的下端通过螺栓连接有一环形的上卡盘，所述上卡盘通过三组导向杆连接有一环形的下卡盘，每组导向杆上穿设一所述卧式液压缸，所述卧式液压缸的上表面与所述上卡盘的下表面之间连接有弹簧，所述弹簧套设于每个所述导向杆上。
14.优选的，每组所述导向杆设置有四个，四个所述导向杆分别贯穿每个所述卧式液压缸的四角，所述上卡盘和所述下卡盘的中心孔与所述主动轴共轴线设置。
15.优选的，所述上卡盘的下表面上对称设置有两个一分三同步分流平衡阀，所述中空轴上设置有两个环形液压通道，所述轴筒上设置有两个分别与所述环形液压通道连通的液压油口，所述环形液压通道的两侧均设置有泛塞密封圈，所述环形液压通道分别通过所述中空轴内的液压通路分别与一所述一分三同步分流平衡阀连通，与三个所述卧式液压缸的进油口分别与一个所述一分三同步分流平衡阀连通、出油口分别与另一个所述一分三同步分流平衡阀连通。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明基于深海海底钻机的回转钻进动力头，不但可以完成钻进工作，而且还能高效安全的完成钻杆的直接对接与拆卸，还可以将绳索取芯钻具精准的布放至钻杆内部，从而提高深海海底钻机的勘探取样效率，可推动深海地质资源及矿产资源的调查研究，不仅可以应用于深海海底钻机，还可以有效地推广到其他综合性深海装备，具有一定的普适性和推广前景。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明基于深海海底钻机的回转钻进动力头的结构示意图；
20.图2为本发明基于深海海底钻机的回转钻进动力头的剖视结构图；
21.其中：1-液压马达，2-法兰盘，3-轴筒，4-回转马达，5-齿圈，6-上卡盘，7-导向杆，8-卧式液压缸，9-下卡盘，10-滑板，11-齿轮，12-卡爪，13-一分三同步分流平衡阀，14-推力轴承，15-固定环，16-环形液压通道，17-中空轴，18-泛塞密封圈，19-主动轴，20-液压通路，21-密封圈，22-液压油口。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明的目的是提供一种基于深海海底钻机的回转钻进动力头，以解决现有技术存在的问题，使回转钻进动力头既能完成钻具的钻进与起拔工作，又能在机械手的配合下完成钻杆间的对接与拆卸工作，可有效提高深海海底钻机的勘探取样效率。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.如图1至图2所示：本实施例提供了一种基于深海海底钻机的回转钻进动力头，包括液压马达1、主动轴19、回转机构和卡紧机构，液压马连接主动轴19，主动轴19套设于回转机构内，回转机构的下方设置有卡紧机构，主动轴19、回转机构和卡紧机构共轴线设置，主动轴19用于与钻具或钻杆对接，卡紧机构用于卡紧钻具或钻杆。
26.回转机构包括驱动机构、轴筒3和中空轴17，驱动机构与中空轴17连接，中空轴17套设于主动轴19外且套设于轴筒3内。中空轴17的两端与轴筒3和主动轴19之间均设置有推力轴承14，以使中空轴17与轴筒3和主动轴19之间实现相对转动。轴筒3的上端通过法兰盘2与液压马达1连接，液压马达1和轴筒3与法兰盘2之间均设置有密封圈21，中空轴17的上端通过螺栓连接有一固定环15。驱动机构包括齿圈5和回转马达4，中空轴17的下端设置有齿圈5，齿圈5凸出轴筒3的下端面外，回转马达4与轴筒3固定连接，回转马达4连接一齿轮11，齿轮11与齿圈5相啮合。回转马达4设置有两个且均固定于一滑板10上，滑板10与轴筒3焊接，滑板10能够安装在海底钻机的桅杆上。
27.中空轴17的下端连接有卡紧机构，卡紧机构包括三个卧式液压缸8和卡爪12，卧式液压缸8的推杆连接带弧形面的卡爪12，卧式液压缸8沿中空轴17周向均布且卡爪12位于内侧。中空轴17的下端通过螺栓连接有一环形的上卡盘6，上卡盘6通过三组导向杆7连接有一环形的下卡盘9，每组导向杆7上穿设一卧式液压缸8，卧式液压缸8的上表面与上卡盘6的下表面之间连接有弹簧，弹簧套设于每个导向杆7上。每组导向杆7设置有四个，四个导向杆7分别贯穿每个卧式液压缸8的四角，上卡盘6和下卡盘9的中心孔与主动轴19共轴线设置。
28.上卡盘6的下表面上对称设置有两个一分三同步分流平衡阀13，中空轴17上设置有两个环形液压通道16，轴筒3上设置有两个分别与环形液压通道16连通的液压油口22，环形液压通道16的两侧均设置有泛塞密封圈18，，可以隔绝海水进入液压系统内部。环形液压通道16分别通过中空轴17内的液压通路20分别与一个一分三同步分流平衡阀13连通，与三个卧式液压缸8的进油口分别与一个一分三同步分流平衡阀13连通、出油口分别与另一个一分三同步分流平衡阀13连通，可以使得三个卧式液压缸8可以同时进行伸出或者缩进，对钻杆或钻具同时进行卡紧或者松开。本实施例中中空轴17外表面设置三个带有泛塞封的环形密封槽，将两个环形液压通道16间隔开，液压油可以分别在两路液压通道中流动，互不干涉，并且在中空轴17旋转时，与卧式液压油缸8的液压通道一直处于连通状态，从而使得三个卧式液压缸8一直处于工作状态。
29.下面结合附图介绍本实施例的工作步骤：
30.首先，将滑板10安装于海底钻机的桅杆上面，可以利用钻机桅杆的位移油缸使得滑板10可以进行上下位移，从而驱动回转动力头上下位移，完成钻具的钻进与起拔动作。初始位置时，回转钻进动力头处于最顶端，此时，三个卧式液压缸8都处于收缩状态。
31.当海底钻机的机械手将第一根钻杆(内部有绳索取芯钻具)抓取至钻孔中心位置
时，滑板10在沿着桅杆上向下进行移动，使得回转钻进动力头向下移动，当主动轴19的底部锥形螺纹进入钻具内部时候，利用液压系统将三个卧式液压缸8进行伸出，同时三个卡爪12伸出卡紧钻具，并驱动液压马达1进行工作，从而使主动轴19进行低速旋转，在对接过程中，卧式液压缸8会沿着卡盘连接轴8向上位移，同时压缩四根高弹性弹簧13，从而完成主动轴19与第一根钻杆的对接，同时三个卧式液压缸8进行收缩，松开钻具，此时三个卧式油缸在高弹性弹簧13的张力下向下移动，恢复初始状态。然后，同时驱动液压马达1进行高速旋转与滑板10向下移动，进行钻进取芯工作。在完成第一回次钻进取样后，三个卧式液压缸8再次对钻杆进行卡紧，此时，利用两个回转马达4驱动齿轮11进行旋转，使得钻杆与主动轴19进行脱扣，此时，三个卧式液压缸8会向下移动，四根高弹性弹簧13处于拉伸状态。完成脱扣之后，利用钻机自身的卡座对钻孔内的钻杆进行卡紧，三个卧式液压缸8松开，并在四根高弹性高强度的弹簧13的收缩力下，向上移动。此时，回转动力头提升至最高点，利用捞矛头对第一根绳索取芯钻具进行回收。回收完成后，利用海底钻机的机械手再进行第二根绳索取芯钻具的抓取，当移动至钻孔中心位置时，回转动力头向下移动，当第二根绳索取芯钻具顶部进入三个卡爪12中间时，驱动三个卧式液压缸8伸出，对绳索取芯钻具进行卡紧，然后松开机械抓手，随后使其处于空闲位置。然后驱动回转钻进动力头向下移动，直至第二根绳索取芯钻具进入第一段钻杆内，三个卧式液压缸8同时收缩，松开绳索取芯钻具，使其自由落入第一段钻杆内部，完成第二根绳索取芯钻具的布放。此时，将回转钻进动力头提升最高点，利用机械抓手去抓取钻杆，当第二根钻杆处于钻孔正上方时，利用上述对接方式，完成主动轴19与第二根钻杆的对接，对接完成后，回转动力头向下移动，同时驱动主动轴19进行旋转，完成第二根钻杆与孔内第二根钻杆的对接，对接完成后，松开钻机自身的卡座，进行第二段岩芯的钻进取样。根据上述方法，完成多段岩芯的取样与钻杆之间的对接。
32.当取芯工作完成之后，利用上述拆卸方法，完成主动轴19与最上端钻杆的拆卸。拆卸完成之后，此时三个卧式液压缸8处于卡紧钻杆状态，然后驱动回转钻进动力头整体向上移动，同时孔内钻杆一起向上移动，完成钻具的起拔工作。当上端第二根钻杆顶部移动至钻机本身的卡座时，卡紧第二根钻杆上端，利用两个回转马达4驱动齿轮11进行旋转，使得上端第一根钻杆与第二根钻杆进行脱扣。以此脱扣方法，完成钻杆之间的脱开，并回收至钻杆库，直至完成最后一根钻杆的回收。
33.本实施例与常规回转液压马达相比，增加了钻杆的卡紧装置，可以利用该回转动力头独立完成主动轴19与钻杆的对接与拆卸，可以大大减少钻杆之间拆卸的时间，提高了海底钻机的工作效率；轴筒3、中空轴17与主动轴19之间通过两组推力轴承14进行连接，中空轴17与主动轴19可以相互独立进行旋转，实现主动轴19驱动钻杆进行钻进与中空轴17对钻杆卡紧或松开的动作互不影响；采用卧式液压缸8卡紧结构，对绳索取芯钻具的顶部进行卡紧，利用桅杆带动滑板10的竖直向下位移，可以将绳索取芯钻具精准的投掷到钻杆内部。
34.本说明书中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。