本发明涉及一种回转切削式冰层热熔钻进装置。
背景技术：
冰川覆盖了地球表面约10％的陆地面积，它们主要分布在地球的南北两极及高海拔山区。钻探技术在冰川科学研究中发挥着重要的作用。通过钻探技术不仅可以获取冰芯，而且可以通过钻孔安装科学仪器，直接观测冰川内部结构，确定冰川厚度、流速、密度及温度等各种参数。热熔钻进方法是利用冰层熔点低的特性，采用高热表面接触冰层，使冰融化为水从而成孔的钻探方法，因其结构简单、重量轻、钻进速度快等优点，热熔钻进在冰川和南北极钻探中得到了广泛应用。近年来，众多科学家又提出热熔钻进装置是探索南极冰下湖及木卫二、土卫二等含冰冻层外星球的有效手段。
目前热熔钻头的设计多采用在铜或铝基体内埋置加热元件实现加热，受到加热元件结构尺寸限制，很难在热熔钻头内布置大量加热棒达到预期的功率需求，且常规方法容易在钻头头部形成冷端，严重影响钻进效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种回转切削式冰层热熔钻进装置。本发明采用机械和热熔相结合的方式，在热熔钻头头部设置小直径回转切削刀头，对钻头易形成冷端的区域采用回转切削方式钻进，上部钻头则设置加热棒进行热熔钻进，同时融化下部回转钻头切削下的冰屑。本发明将大大提高热熔钻进热量利用率，降低热损耗，提高钻进速度。
一种回转切削式冰层热熔钻进装置包括有上盖，电缆终端，反扭外管，反扭片，紧固螺钉，压板，变径接头，外管，电机，电机固定座，电机螺钉，滑环，轴承挡圈，上轴承，轴承座，长轴套，下轴承，短袖套，密封圈，旋转轴，热熔钻头，加热棒和切削刀头；
电缆穿过上盖进入钻进装置内，电缆终端采用两个半球形块将电缆夹持在中心，起到固定电缆的作用，上盖与反扭外管采用螺纹连接，反扭片和压板通过紧固螺钉固定在反扭外管上，压板形状为弧形，目的是使反扭片与反扭外管紧密贴合。反扭外管下端通过变径接头与外管相连。
电机通过电机螺钉固定在电机固定座上，电机固定座用螺钉与外管固定。电机输出轴与旋转轴采用螺纹连接。滑环转子用螺钉固定在旋转轴上，滑环定子则与外管相连。旋转轴中部通过上轴承与下轴承支撑在外管内，保证旋转轴回转时与外管保持较高的同心度。上轴承与下轴承通过短轴套、长轴套和轴承挡圈与旋转轴进行定位，轴承座用螺钉固定在外管上，分别对上轴承与下轴承与外管进行定位，保证上轴承与下轴承在钻进时不会出现轴向位移。旋转轴下部通过螺钉固定在热熔钻头上部，热熔钻头上部安装有两道密封圈，通过旋转轴下部内柱面与密封圈形成柱面密封，防止融水从旋转轴与热熔钻头连接处进入热熔钻头内部从而引起热熔钻头内加热棒短路损坏。热熔钻头内部布置有加热棒，两者采用间隙配合。热熔钻头外侧加工有三条螺旋翼片，辅助钻进切削和传热，切削刀头用螺纹固定在热熔钻头上，且与热熔钻头同时回转。热熔钻头上部直径大于切削刀头直径。
本发明的工作过程：
本钻进装置采用地表绞车通过电缆将钻进装置提放以进行旋转热熔钻进。开始钻进时，采用地表绞车缓慢将钻进装置下放至热熔钻头与冰层接触，并开始为钻进装置供电，使电机通过旋转轴带动热熔钻头回转，同时开始为加热棒供电，加热钻头，此时由于反扭片未进入孔内，钻进装置无法自平衡扭矩，因此需要人员辅助提供反扭矩，当钻进装置上方反扭片进入孔内后即可自行钻进。
钻进时，热熔钻头带动切削刀头快速回转，切削刀头切削形成的冰屑被热熔钻头的螺旋翼片驱动并沿热熔钻头表面向上方输送，在此过程中被钻头加热融化为水。同时由于热熔钻头上部直径大于切削刀头直径，因此向下钻进时，热熔钻头上部仍需完成部分冰孔的热熔钻进。
热熔钻头的回转速度和加热功率均可在地表进行无级调节。
本发明的工作原理：
本发明是采用热熔加机械组合方式进行钻进，热熔钻头为钻进主要部件，分为上下两部分，上部钻头内设置有加热棒，通电后能将钻头加热到较高的温度，但考虑加热棒布置受限，容易在钻头头部形成冷端，影响热熔钻头底部的温度使得钻进速度下降，因此热熔钻头下部设置为小直径回转切削刀头，通过回转切削冰层完成钻进，切削形成的冰屑由上部钻头加热融化。热熔钻头上部外侧加工有三条螺旋翼片，在热熔钻头回转时，螺旋翼片既可以增大传热面积，同时具有一定辅助切削作用，有利于提高钻进速度。由于热熔钻头内加热棒一般为不防水型，因此加热棒接线处进行良好密封。
热熔钻头的回转由防水电机驱动，为了防止钻进过程中电机因回转扭矩过大而发生电机壳反转，需在钻进装置上方设置反扭装置，反扭装置采用特定形状的u形板制成，当u形板进入孔内后发生变形，通过与孔壁相互作用来为钻进装置提供反扭矩，同时可对钻进装置起到扶正作用，使钻进装置保持在钻孔中心。
本发明的有益效果：
本发明有效地解决了常规冰层热熔钻进方法热损耗大，钻进效率低等问题，采用热熔和机械相结合的方式进行设计，避免钻头头部形成冷端，同时由于回转对孔内融水的扰动，有利于提高融水与冰层的换热系数，使热量更多的用于融冰钻进，提高了钻进速度。
本发明采用回转热熔法钻进成孔，结构简单，工作可靠，操作方便，钻进装置结构轻巧，运输方便，施工成本低，且整套钻进装置易损件少，使用寿命长。本发明的成功应用将为我国极地环境研究提供强有力的技术支撑。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明的热熔钻头立体示意图。
图4为本发明的热熔钻头主视图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3和图4所示，一种回转切削式冰层热熔钻进装置包括有上盖1，电缆终端2，反扭外管3，反扭片4，紧固螺钉5，压板6，变径接头7，外管8，电机9，电机固定座10，电机螺钉11，滑环12，轴承挡圈13，上轴承14，轴承座15，长轴套16，下轴承17，短袖套18，密封圈19，旋转轴20，热熔钻头21，加热棒22和切削刀头23；
电缆穿过上盖1进入钻进装置内，电缆终端2采用两个半球形块将电缆夹持在中心，起到固定电缆的作用，上盖1与反扭外管3采用螺纹连接，反扭片4和压板6通过紧固螺钉5固定在反扭外管3上，压板6形状为弧形，目的是使反扭片4与反扭外管3紧密贴合。反扭外管3下端通过变径接头7与外管8相连。
电机9通过电机螺钉11固定在电机固定座10上，电机固定座10用螺钉与外管8固定。电机9输出轴与旋转轴20采用螺纹连接。滑环12转子用螺钉固定在旋转轴20上，滑环12定子则与外管8相连。旋转轴20中部通过上轴承14与下轴承17支撑在外管8内，保证旋转轴20回转时与外管8保持较高的同心度。上轴承14与下轴承17通过短轴套18、长轴套16和轴承挡圈13与旋转轴进行定位，轴承座15用螺钉固定在外管8上，分别对上轴承14与下轴承17与外管8进行定位，保证上轴承14与下轴承17在钻进时不会出现轴向位移。旋转轴20下部通过螺钉固定在热熔钻头21上部，热熔钻头21上部安装有两道密封圈19，通过旋转轴20下部内柱面与密封圈19形成柱面密封，防止融水从旋转轴20与热熔钻头21连接处进入热熔钻头21内部从而引起热熔钻头21内加热棒22短路损坏。热熔钻头21内部布置有加热棒22，两者采用间隙配合。热熔钻头21外侧加工有三条螺旋翼片，辅助钻进切削和传热，切削刀头23用螺纹固定在热熔钻头21上，且与热熔钻头21同时回转。
热熔钻头21上部直径大于切削刀头23直径。
本实施例的工作过程：
本发明采用地表绞车通过电缆将钻进装置提放以进行旋转热熔钻进。开始钻进时，采用地表绞车缓慢将钻进装置下放至热熔钻头21与冰层接触，并开始为钻进装置供电，使电机9通过旋转轴20带动热熔钻头21回转，同时开始为加热棒22供电，加热钻头，此时由于反扭片4未进入孔内，钻进装置无法自平衡扭矩，因此需要人员辅助提供反扭矩，当钻进装置上方反扭片4进入孔内后即可自行钻进。
钻进时，热熔钻头21带动切削刀头23快速回转，切削刀头23切削形成的冰屑被热熔钻头21的螺旋翼片驱动并沿热熔钻头21表面向上方输送，在此过程中被钻头加热融化为水。同时由于热熔钻头21上部直径大于切削刀头23直径，因此向下钻进时，热熔钻头21上部仍需完成部分冰孔的热熔钻进。
热熔钻头21的回转速度和加热功率均可在地表进行无级调节。