一种海底深孔取芯钻机.pdf

本发明公开了一种海底深孔取芯钻机，其机架呈鸟笼形桁架结构，其外形为四边形柱体或三角形柱体，三条伸缩支腿装在四边形柱体或三角形柱体的下部外侧；所述步进旋转式钻杆存储架及钻杆抓送机构中的双联机械手通过上支架、下支架、托板、存储架转动轴和机械手转动轴安装固定于桅杆架的一个侧面上，与机架特别是底盘没有直接接触连接关系，所述钻杆接卸机构中的液压卡盘组安装固定在桅杆架前面面板上、垂直滑轨的下部。本发明钻机具有规整外形，机架强度高能够保护内部关键部件，对机架特别是底盘的撞击变形不敏感、对勘探母船配套甲板设备要求不高、对海底地形适应性强，所采用的油缸驱动钢丝绳倍程给进提钻机构、钻杆抓送机械手“虚握”定位机构和带液压刹车支腿滚筒的工作简单可靠。

1.  一种海底深孔取芯钻机，包括机架、安装固定于机架上的三条液压驱动伸缩支腿、桅杆架、深水压力补偿器、钻机液压动力系统、钻进动力头、钻进动力头推进机构、步进旋转式钻杆存储架、钻杆抓送机构中的双联机械手、钻杆接卸机构、水下控制与通讯系统，其特征在于，所述机架呈鸟笼形桁架结构，其外形为四边形柱体或三角形柱体，三条伸缩支腿装在四边形柱体或三角形柱体的下部外侧；所述步进旋转式钻杆存储架及钻杆抓送机构中的双联机械手通过上支架、下支架、托板、存储架转动轴和机械手转动轴安装固定于桅杆架的一个侧面上，所述钻杆接卸机构中的液压卡盘组安装固定在桅杆架前面面板上、垂直滑轨的下部。

2.  根据权利要求1所述的海底深孔取芯钻机，其特征在于，所述机架的上部呈锥形向上收缩，其外形是在一个等腰三角形柱体下部的三个角切除后形成的六边形截面，三条可液压驱动伸缩的支腿安装于三个被切除角的空间内。

3.  根据权利要求1或2所述的海底深孔取芯钻机，其特征在于，所述机架的上部呈锥形向上收缩，其外形是在一个四边形柱体下部切除四个或两个相邻角所形成的八边形或六边形水平截面，三条液压驱动伸缩支腿中的两条安装于被切除角的空间内，另外一条安装于四边形柱体一个侧面的中心凹槽中，与安装于切除角上的两条调平支腿构成正三角形对称布置。

4.  根据权利要求1或2或3所述的海底深孔取芯钻机，其特征在于，所述钻进动力头推进机构包含安装于桅杆架内部的一根推进油缸及推进油缸活塞杆头部动滑轮组、桅杆架上部和下部的定滑轮组、桅杆架前面的垂直滑轨及在垂直滑轨上滑动并支撑钻进动力头的钻进动力头滑架、以及绕过动滑轮组及定滑轮组和钻进动力头滑架的两根钢丝绳，其中钻进动力头的位移量为大致两倍于推进油缸的行程。

5.  根据权利要求1或2或3所述的海底深孔取芯钻机，其特征在于，所述三条液压驱动伸缩支腿，在三条液压驱动伸缩支腿的着地点部位装有带液压刹车的滚筒，在滚筒表面刻有轴向和径向的多条刻槽。

6.  根据权利要求1或2或3所述的海底深孔取芯钻机，其特征在于，所述三条液压驱动伸缩支腿是通过液压马达带动丝杆螺母驱动方式，其驱动液压马达和丝杆的推力轴承及轴承座均装于丝杆的下方，丝杆上端处于轴向自由状态。

7.  根据权利要求1或2或3所述的海底深孔取芯钻机，其特征在于，所述钻杆抓送机构中的双联机械手，其驱动液压油缸内部活塞的有杆腔一侧装有刚度较大的碟形弹簧、无杆腔一侧装有刚度较小的普通弹簧或碟簧，使活塞能自动回位至两边弹簧压力平衡的位置。

一种海底深孔取芯钻机
技术领域
本发明涉及一种海底深孔取芯钻机。
背景技术
海洋资源的开发，特别是深海底赋存的多金属硫化矿等矿产资源的开发是一个新开拓的技术领域，由于深海底复杂的地质、洋流、压力等环境条件，研制在深海底适用的遥控钻进及取岩芯设备，特别是深孔钻进、需要遥控接卸钻杆的大型海底取芯钻机，是当今世界的前沿技术。目前，国内尚未研制出国产的大型海底深孔取芯钻机，而国外研制的海底深孔取芯钻机则是针对国外深海勘探船具有大型配套的功能完备的甲板设备，其下放回收止荡及升沉补偿等能力强大而设计的，因而没有坚固的可以保护其内部关键部件的机架、且外形不规整无法采用传统下放回收方法，不能适应目前国内深海勘探船甲板设备较小且能力低、无升沉补偿功能和专用下放回收装置的现实情况。国外海底深孔取芯钻机还存在对底盘强度及变形量要求高，结构复杂和控制环节多，对操作工艺特别是下放回收坐底调平等工艺要求高、对海底地形适应性差等问题，在深海的复杂工作条件下，工作可靠性及环境适应性难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于克服克服已有技术的不足，提供一种能够保护内部关键部件、对机架特别是底盘的受冲击变形不敏感、对勘探母船配套甲板设备要求不高、对海底地形适应性强、操作和控制较为简单的海底深孔取芯钻机。
本发明的技术方案是：包括机架、安装固定于机架上的三条液压驱动伸缩支腿、桅杆架、深水压力补偿器、钻机液压动力系统、钻进动力头、钻进动力头推进机构、步进旋转式钻杆存储架、钻杆抓送机构中的双联机械手、钻杆接卸机构、水下控制与通讯系统，其特征在于，所述机架呈鸟笼形桁架结构，其外形为四边形柱体或三角形柱体，三条伸缩支腿装在四边形柱体或三角形柱体的下部外侧；所述步进旋转式钻杆存储架及钻杆抓送机构中的双联机械手通过上支架、下支架、托板、存储架转动轴和机械手转动轴安装固定于桅杆架的一个侧面上，与机架特别是底盘没有直接接触连接关系，所述钻杆接卸机构中的液压卡盘组安装固定在桅杆架前面面板上、垂直滑轨的下部。
所述机架的上部呈锥形向上收缩，其外形是在一个等腰三角形柱体下部的三个角切除后形成的六边形截面，三条可液压驱动伸缩的支腿安装于三个被切除角的空间内。
所述机架的上部呈锥形向上收缩，其外形是在一个四边形柱体下部切除四个或两个相邻角所形成的八边形或六边形水平截面，三条液压驱动伸缩支腿中的两条安装于被切除角的空间内，另外一条安装于四边形柱体一个侧面的中心凹槽中，与安装于切除角上的两条调平支腿构成正三角形对称布置。
所述钻进动力头推进机构包含安装于桅杆架内部的一根推进油缸及推进油缸活塞杆头部动滑轮组、桅杆架上部和下部的定滑轮组、桅杆架前面的垂直滑轨及在垂直滑轨上滑动并支撑钻进动力头的钻进动力头滑架、以及绕过动滑轮组及定滑轮组和钻进动力头滑架的两根钢丝绳，其中钻进动力头的位移量为大致两倍于推进油缸的行程。
所述所述三条液压驱动伸缩支腿，在三条液压驱动伸缩支腿的着地点部位装有带液压刹车的滚筒，在滚筒表面刻有轴向和径向的多条刻槽。
所述三条液压驱动伸缩支腿，是通过液压马达带动丝杆螺母驱动方式，其驱动液压马达和丝杆的推力轴承及轴承座均装于丝杆的下方，丝杆上端处于轴向自由状态，以保证丝杆不会受到轴向压力而失稳。
所述钻杆抓送机构中的双联机械手，其驱动液压油缸内部活塞的有杆腔一侧装有刚度较大的碟形弹簧、无杆腔一侧装有刚度较小的普通弹簧或碟簧，使活塞能自动回位至两边弹簧压力平衡的位置。
本发明的优点是：整机具有规整外形，机架强度高、能够保护内部关键部件，对机架特别是底盘的受冲击变形不敏感、对勘探母船配套甲板设备要求不高、对海底地形适应性强，所采用的油缸驱动钢丝绳倍程给进提钻机构、钻杆抓送机械手“虚握”定位机构和带液压刹车支腿滚筒的工作简单可靠。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为钻杆存储架、机械手和卡盘组安装示意图；
图3为桅杆架及油缸驱动钢丝绳倍程给进机构原理图；其中A为侧面视图；B为正面视图；
图4为支腿驱动结构示意图；
图5为支腿滚筒结构示意图；
图6为机械手驱动油缸结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：参照附图：
本实施例的钻机的机架1呈鸟笼形桁架结构且外形基本为四边形柱体，钻机的其他部件全部安装固定于机架1的内部，使之一般不会因在海上恶劣环境中工作因受到外部撞击而损坏。四边形柱体的机架上部呈方锥形向上收缩，其下部有两个相邻的角被切除，使之实际变成六边形，三条可液压驱动伸缩的支腿中的两条安装于机架下部四边形柱体的两个相邻的被切除的角的空间内，另外一条可液压驱动伸缩的支腿则安装于机架下部四边形柱体的一个侧面的中心的凹槽中，与安装于切除角上的两条调平支腿构成正三角形对称布置。三条支腿在缩回(收起)状态时均位于机架四边形柱体的四条边线之内，受到机架的保护；三条可液压驱动伸缩的支腿中的每一条在伸出时都应具有足够的力度，以将钻机整机顶起，当钻机因下放到有坡度的海底而未能基本垂直直立时，可通过分别调整三条可液压驱动伸缩支腿的伸出长度将钻机调整至基本垂直直立状态；
桅杆架3顶部有与钻机脐带缆7和承重装置8连接的连接机构9；钻机液压动力系统10、液压控制阀箱11、深水压力补偿器12、控制系统耐压仓13、电源变压器箱14、水下摄像头15及照明灯16、离底高度计17等部件直接安装固定于机架1上，钻机脐带缆7为铠装承重缆，为钻机提供所需下放回收支撑和供电及光纤通讯能力。
钻杆18或钻具19悬挂连接于钻进动力头5上，可在钻进动力头5和钻进动力头推进机构4驱动下旋转和给进，以实现钻进取芯；步进旋转式钻杆或钻具存储架6及与之配套的一对用于抓送钻杆18或钻具19的双联机械手通过上支架21、下支架22、托板23、存储架转动轴24和机械手转动轴25等部件安装固定于桅杆架3的一个侧面上，不与机架1直接连接或接触；为了使钻机的钻孔深度能力更大，也可在桅杆架3的左右两个侧面上都安装固定一套步进旋转式钻杆(或钻具)存储架6及与之配套的一对用于抓送钻杆18或钻具19的双联机械手；用于钻杆和钻具接卸的液压卡盘组26安装固定在桅杆架3的前面板上垂直滑轨27的下部，不与机架直接连接或接触。
钻进动力头推进机构4，包含安装于桅杆架3内部的一根推进油缸28及推进油缸活塞杆头部动滑轮组29、桅杆架3上部和下部的定滑轮组30和桅杆架前面的垂直滑轨27及在垂直滑轨上滑动并支撑钻进动力头的钻进动力头滑架31、以及绕过动滑轮组及定滑轮组和钻进动力头滑架的两根钢丝绳32，推进油缸28的推动力及位移通过两根钢丝绳32及滑轮组和驱动钻进动力头5在垂直滑轨27上上下滑动，且由于采用了动滑轮组29，使得钻进动力头5的位移量刚好两倍于推进油缸28的推进量。
用于抓送钻杆18或钻具19的双联机械手20，其驱动液压油缸37内部活塞的有杆腔一侧装有刚度较大的碟形弹簧38、无杆腔一侧装有刚度较小的普通弹簧或碟簧39，当活塞两侧均不送压力液压油时，活塞将自动回位至两边弹簧压力平衡的一个位置，该位置使得机械手20握住的钻杆或钻具既不能水平脱离机械手20的掌握又可以自由上下滑动或转动。
支腿采用液压马达带动丝杆螺母驱动方式，其驱动液压马达33和丝杆34的推力轴承及轴承座35均装于丝杆34的下方，且使丝杆上端处于轴向自由状态，以保证丝杆不会受到轴向压力而失稳。支腿2的腿根部的着地点部位装有带液压刹车40的滚筒36，滚筒36表面刻有轴向和径向的多条刻槽以增加对地面的摩擦力，当支腿处于伸出或收回过程中，支腿根部与地面需要有相对滑移时，通过液压操作使滚筒36的液压刹车40松开，滚筒即可在地面滚动；当支腿伸出完毕不再需要滚筒滚动时，通过液压操作将滚筒36的液压刹车40锁死，滚筒即在地面靠摩擦力固定，从而使钻机在工作过程中不发生移位。
实施例2：
与实施例1不同的是：钻机的机架呈鸟笼形桁架结构且外形为三角形柱体，三角形柱体下部的三个角上安装有三条可液压驱动伸缩的支腿。
实施例3：
与实施例2不同的是：三角形柱体下部的三个角被切除，使之实际变成六边形截面，三条可液压驱动伸缩的支腿安装于机架下部三角形柱体的三个被切除的角的空间内。三条支腿在缩回收起状态时均位于机架三角形柱体的三条边线之内，受到机架1顶框架的保护。除机架结构不同外，其余结构与原理与实施例1完全相同。