轻便式液压驱动水下钻机的制作方法

本发明涉及海洋勘探机械设备，具体涉及一种用于获取造礁珊瑚岩芯的轻便式液压驱动水下钻机。

背景技术：

造礁珊瑚又名造礁石珊瑚，主要分布于温暖、透明度高、贫营养的热带浅水海域。造礁珊瑚对环境变化非常敏感，其钙质骨骼中的同位素和元素组成，可用来重建高分辨率的海水温度、盐度、ph值、降雨量等信息，成为研究热带海洋气候变化，特别是当今最热门的全球变化、海洋酸化以及人类活动对气候环境影响最直接的载体。因此，造礁珊瑚岩芯样本的获取在海洋科学的研究与开发中具有至关重要的作用。

目前，造礁珊瑚岩芯样本的获取主要通过气动式水下钻机和液压驱动水下钻机两种。其中，气动式水下钻机结构小巧，单人就可以操作，但其动力小，样品长小于2米，直径5cm，逐渐无法满足研究需要。液压驱动水下钻机结构复杂、动力足、扭力高，需要两人同时操作，样品长可至3米以内，直径8cm，但是存在以下问题：动力头和钻杆的连接转换采用胀管法，容易松动导致掉钻具、岩芯；取样过程要三次升降操作才能获取一回次的岩芯样，耗时耗力；有涌流时，钻机、人员强烈飘动，导致取样非常困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种稳定性好、操作方便、取芯率高的轻便式液压驱动水下钻机，为科研人员提供高质量的造礁珊瑚岩芯样本，降低使用成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种轻便式液压驱动水下钻机，包括底座、竖直安装在底座上的桅杆、安装在桅杆上的主升降机构和安装在主升降机构上的钻机主体，其中：

所述主升降机构包括沿桅杆轴向安装在桅杆一侧的齿条和滑动安装在桅杆上的支承架，所述支承架上设置有动力输出装置、主动齿轮、传动齿轮、从动齿轮、多个大导向轮、多个小导向轮以及锁紧装置，所述动力输出装置的输出轴和主动齿轮连接，所述主动齿轮和传动齿轮啮合，所述传动齿轮和从动齿轮同轴设置，所述从动齿轮和齿条啮合，所述大导向轮避开齿条和桅杆的侧面滚动连接，所述小导向轮和大导向轮相对设置，所述小导向轮和桅杆的另一侧面滚动连接；

所述钻机主体包括液压马达、动力头和钻具，所述动力头安装在支承架上，所述动力头通过液压马达带动钻具转动，通过主升降机构带动钻具上下运动。

优选的，所述动力头包括壳体、深沟球轴承、心轴密封组件、机械弹簧、角接触球轴承、心轴和心轴下端盖，所述壳体固定在支承架上，所述心轴通过深沟球轴承和角接触球轴承安装在壳体内，所述壳体、深沟球轴承、心轴和角接触球轴承之间构成环状空间，所述心轴密封组件为两个，分别设置在环状空间的上下两端，所述机械弹簧位于心轴密封组件之间，所述液压马达固定壳体上端面，其输出轴与心轴键连接，所述心轴下端盖固定在壳体下端面，所述心轴穿过心轴下端盖和钻具螺纹连接。

优选的，所述壳体还设有与环状空间连通的水管接头，所述心轴与钻具连接的一端设有盲孔，所述盲孔的上端通过径向均布的多个过水孔和环状空间连通。

优选的，所述钻具包括同轴设置的钻杆、管接头、岩心管、直通接头、卡簧和钻头，以钻头钻进方向为前，所述钻杆后端和心轴螺纹连接，前端通过管接头和岩心管后端螺纹连接，所述岩芯管前端通过直通接头和钻头螺纹连接，所述钻头为由后端的钻头钢体和前端的金刚石胎体经热压成型的一体式结构，所述钻头钢体后端内壁和直通接头前端螺纹连接，前端内壁设有倒圆锥面，所述倒圆锥面的最小内径大于金刚石胎体内径，最大内径为钻头钢体内壁孔径，所述卡簧为与倒圆锥面锥度一致的倒圆锥弹性管状结构，侧壁设有轴向开口，其安装在钻头钢体内，所述卡簧在挤压状态下的最小外径大于第一倒圆锥面的最小内径，且在胀开状态下的最大外径小于钻头钢体内壁孔径，所述卡簧内壁为带齿圆锥面，且在挤压状态下的最小内径略小于金刚石胎体内径，所述直通接头前端设有向内的环状凸台，所述环状凸台内径大于金刚石胎体内径且小于卡簧在挤压状态下的最大外径。

优选的，所述轻便式液压驱动水下钻机还包括辅助升降机构，所述辅助升降机构包括绞车、钢丝绳、滑轮支架、滑轮和提引器，所述绞车安装在底座上，所述滑轮支架安装在桅杆顶部，所述滑轮为两个，通过销轴分别安装在滑轮支架的两端，所述钢丝绳的一端和绞车连接，另一端分别绕过两个滑轮挂住提引器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过底座、主升降机构和辅助提钻杆机构组成的水下操作平台，稳定水下人员和机械，在有涌流时，也能轻松完成岩芯取样。在钻进过程中，钻机既可在自重作用下沿主升降机构自动向下推进，减少水下人员的操作，也可通过主升降机构自由调节推进速度，提高钻取效率。

2、动力头和钻杆螺纹连接，结构紧凑，不容易掉钻具，缓冲弹簧够有效减缓对动力头的冲击振动作用，保护螺纹，增加动力头的使用效率和寿命。冲洗液或海水通过水管接头进入到心轴和壳体之间的环形空间，并通过心轴圆周方向上均布的过水孔及盲孔，将冲洗液或海水引入钻具的钻头附近后流出，以排除钻具在钻进过程中产生的碎石等杂物，避免钻具卡死，保证取样的完整性，不仅适用于水下岩芯钻机，也可应用于陆地岩芯钻探。

3、钻头和卡簧的结构设计巧妙，一体式结构的钻头设计，简化了传统取芯中要用到卡簧、卡簧座、短接、扩孔器等诸多工具，在钻进过程中，卡簧和钻头钢体接触部位很少，产生的摩擦小，有效减缓卡簧和钻头钢体的磨损，延长使用寿命，同时卡簧和岩芯之间只产生滑动，不会破坏岩芯的表面，保证岩芯形状规整。钻头钢体和卡簧具有锥度一致的倒圆锥面，在钻进结束提升钻杆及钻具时，钻头钢体同时将整个卡簧向内挤压，使得卡簧紧紧卡住岩芯，从而可以方便地钻取和卡断岩芯，使钻、取岩芯一次操作即可完成。

附图说明

图1为轻便式液压驱动水下钻机的整体结构示意图；

图2为主升降机构的结构示意图一；

图3为主升降机构的结构示意图二；

图4为动力头的结构示意图；

图5为钻具钻头部分的结构放大图；

附图标记说明：1-底座，2-桅杆，3-齿条，4-支承架，5-动力输出装置，6-主动齿轮，7-传动齿轮，8-从动齿轮，9-大导向轮，10-小导向轮，11-锁紧装置，12-液压马达，13-动力头，14-壳体，15-深沟球轴承，16-心轴密封组件，17-减震弹簧，18-角接触球轴承，19-心轴，20-心轴下端盖，21-水管接头，22-盲孔，23-过水孔，24-钻杆，25-管接头，26-岩芯管，27-直通接头，28-卡簧，29-钻头，30-环状凸台，31-倒圆锥面，32-钻头钢体，33-金刚石胎体，34-绞车，35-钢丝绳，36-滑轮支架，37-滑轮，38-销轴，39-吊装孔，40-通孔，41-提引器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1：

如图1至图5所示，一种轻便式液压驱动水下钻机，包括底座1、桅杆2、主升降机构、辅助提钻杆机构和钻机主体。底座1为矩形结构，四角均设有可调节底座水平及固定底座用的螺杆，桅杆2竖直安装在底座1中部，底座1左侧安装绞车34，右侧设有供钻具穿过的通孔40。

主升降机构包括齿条3、支承架4、动力输出装置5、主动齿轮6、传动齿轮7、从动齿轮8、两个大导向轮9、两个小导向轮10以及锁紧装置11。齿条3轴向安装在桅杆2左侧，支承架4左侧安装动力输出装置5、主动齿轮6、传动齿轮7、从动齿轮8、大导向轮9、小导向轮10和锁紧装置11，右侧用于安装动力头13。动力输出装置5输出轴和主动齿轮6连接，主动齿轮6和传动齿轮7啮合，传动齿轮7和从动齿轮8同轴设置，从动齿轮8和齿条3啮合，动力输出装置5可以采用手工操作的手轮，也可以采用可自动控制的油泵或电机，传动齿轮7的数量可以根据动力输出装置5输出轴和从动齿轮8中心轴之间的距离灵活设置，当然采用其他传动方式也是可行的，比如通过同步齿形带传动、链传动等。大导向轮9的圆周面为凹性结构，能够避开齿条3与桅杆2的左侧面滚动连接，小导向轮10与桅杆2的右侧面滚动连接。锁紧装置11可采用铰接在支承架4的齿形件，当需要固定支承架4时，扳动齿形件扣在齿条3上，即可实现支承架4的定位，当然也可以采用其他锁紧结构，其均为常规技术，这里不再对其进行赘述。

钻机主体包括液压马达12、动力头13和钻具，动力头13安装在支承架4右侧，通过液压马达12带动钻具转动，通过支承架4带动钻具上下运动。其中，动力头13包括壳体14、深沟球轴承15、心轴密封组件16、机械弹簧17、角接触球轴承18、心轴19和心轴下端盖20。壳体14固定在支承架4上，心轴19通过上部的深沟球轴承15和下部的角接触球轴承18安装在壳体14内，壳体14、深沟球轴承15、心轴19和角接触球轴承18之间构成环状空间，心轴密封组件16为两个，分别设置在环状空间的上下两端，机械弹簧17位于心轴密封组件16之间，液压马达12通过螺栓固定在壳体14上端面，其输出轴与心轴19上端键连接，心轴下端盖20通过螺栓固定在壳体14下端面，心轴19下端穿过心轴下端盖20和钻杆24螺纹连接。其中，深沟球轴承15和角接触球轴承18均采用弹性挡圈和承压垫片进行定位，心轴密封组件16可采用常规的轴密封结构，心轴下端盖20和壳体14、心轴19之间均设有密封件，其均为常规设计，这里不再对其进行详细描述。为了将冲洗液或海水引入钻具，以排除钻具在钻进过程中产生的碎石等杂物，避免钻具卡死，保证取样的完整性，在壳体14上还设有与环状空间连通的水管接头21，心轴19与钻杆24连接的一端设有盲孔22，盲孔22的上端通过径向均布的多个过水孔23和环状空间连通。

钻具包括同轴设置的钻杆24、管接头25、岩心管26、直通接头27、卡簧28和钻头29。以钻头29钻进方向为前，钻杆24后端和心轴19螺纹连接，钻杆24前端通过管接头25和岩心管26后端螺纹连接，岩芯管26前端通过直通接头27和钻头29螺纹连接。钻头29为由后端的钻头钢体32和前端的金刚石胎体33经热压成型的一体式结构，钻头钢体32后端内壁和直通接头27前端螺纹连接，前端内壁设有倒圆锥面31，该倒圆锥面31的最小内径大于金刚石胎体33内径，最大内径为钻头钢体32内壁孔径。卡簧28为与倒圆锥面31锥度一致的倒圆锥弹性管状结构，侧壁设有轴向开口，其安装在钻头钢体32内，卡簧28在挤压状态下的最小外径大于第一倒圆锥面31的最小内径，且在胀开状态下的最大外径小于钻头钢体32内壁孔径，卡簧28内壁为带齿圆锥面，且在挤压状态下的最小内径略小于金刚石胎体33内径。直通接头27前端设有向内的环状凸台30，环状凸台30内径大于金刚石胎体33内径且小于卡簧28在挤压状态下的最大外径。

本申请中，卡簧28的挤压状态是指卡簧28未受力的自由状态，卡簧28的胀开状态是指岩芯穿过卡簧28将其向外撑开的状态。从图5中可以看出，卡簧28的活动范围被限制在环状凸台30和倒圆锥面31之间，在未钻进之前，卡簧28可在两者之间上下活动及转动。当钻头29开始钻入时，由于金刚石胎体33的内径大于卡簧28内径，岩芯首先接触到卡簧28前端的内导锥，将卡簧28向上推动，当卡簧28抵触到环状凸台30时，岩芯将会被挤入到卡簧28中，此时卡簧28处于胀开状态，由于卡簧28在胀开状态下的最大外径小于钻头钢体32内壁孔径，卡簧28和钻头钢体27之间依然保持间隙，从而在整个钻进过程中，卡簧28不会转动，能够减少与钻头钢体27的转动摩擦，同时卡簧28和岩芯之间只存在上下滑动，也减少对岩芯表面的磨损。钻进结束后，向上提升钻具时，卡簧28因与岩芯的摩擦力将往倒圆锥面31移动，在倒圆锥面31的挤压下，变小内外径，达到卡紧岩芯的状态，此时再稍微转动钻具，岩心将会被卡簧28卡断，由于岩芯被卡簧28卡住，而卡簧28又无法从钻头钢体27中脱出，从而使钻、取岩芯一次操作即可完成。

辅助提钻杆机构包括绞车34、钢丝绳35、滑轮支架36、两个滑轮37和提引器41，绞车34安装在底座1上表面的左侧，滑轮支架36安装在桅杆2顶部，左右对称设置，滑轮37通过销轴38分别安装在滑轮支架36左右两端，钢丝绳35的一端和绞车34连接，另一端分别绕过两个滑轮37挂住提引器，当需要提升钻杆24时，通过支承架4使液压马达12和动力头13整个装置让开，用提引器41直接连接钻杆24，转动绞车34，钢丝绳35带动提引器40和钻杆24，从而达到提钻目的，至于提引器41的具体结构，以及和钻杆24的连接方式均采用现有技术。另外，桅杆2上部还设有吊装孔39，方便将整个装置从运输船下放到海底。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。