一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具制造技术

本发明专利技术公开了一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具，包括有壳体、支撑系统、孔壁取心系统和控制系统，其中控制系统、支撑系统和孔壁取心系统依次装配在壳体内，控制系统分别与支撑系统和孔壁取心系统相连接，控制系统控制支撑系统和孔壁取心系统的工作。壳体分为上壳体和下壳体，上壳体设在下壳体的上部，上壳体的顶端设置有电缆室，电缆室内装配有电缆终端和电缆接头，其中电缆终端的上端与铠装电缆相连接，电缆终端的下端通过电缆接头与控制系统相连接，有益效果：地层适应性好，适用于含有岩石颗粒的冰层钻进；钻具整体结构简单紧凑，尺寸小巧轻便，且取心直径大、单次取心长度长，大大缩短了起下钻具的辅助时间，有效提升钻进效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具


[0001]本专利技术涉及一种孔壁取心钻具，特别涉及一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具。

技术介绍

[0002]目前，蕴藏在冰川深部的冰层中包含着大量的气候环境信息，这些信息对于人类研究过去气候环境变化、监测现代气候环境状况、预测未来气候变迁具有重要价值，此外，通过对冰心的分析，还可以深入研究不同时期的生物地球化学循环、火山活动和宇宙事件等。因此，获得年代久远的深冰心，对于研究全球气候与环境变化以及重建地球历史演化意义重大，多国相继开展了极地深冰心钻探工程。随着极地科学的发展，在特定井段获取额外的冰心样本已成为极地研究的重要方向。这是由于对于极具科学价值的特定冰层，需要检测的冰心参数组合大幅增加，冰心样本数量需求量大，而且额外的冰心数据还可以验证现有冰心分析的结果。此外，在冰心的钻取、运输、储存或分析过程中，一旦出现样品缺失、破损或者污染等意外情况，额外的冰心还可防不时之需。因此，在冰层特定深度获取额外的冰心对极地科学研究有着重要意义。
[0003]然而若采用常规的钻探方法获取额外的深冰心，钻孔数量多、成本高、周期长，严重制约极地科学研究的发展。因此研究人员提出在钻孔特定深度采用偏心楔或支撑臂为钻具提供造斜力，实现定向取心钻进，然而该方法需要频繁更换钻头，辅助时间较长、取心效率低、钻具结构复杂。此外有研究人员提出利用热融钻头进行孔壁定向取心的技术，即取心时热融钻头先横向伸出融化孔壁冰层，然后再下行融冰钻取冰心。到达设计长度后，钻头上提至冰心中部缩回，同时将冰心收回至钻具内部完成取心。但该技术在钻遇含有岩石颗粒的冰层时，由于岩石熔点高，热融钻头难以进尺，地层适应性差，无法满足钻进需求。因此需要一种地层适应性强、结构简单、取心效率高的冰层孔壁取心钻具。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决目前冰层孔壁取心钻探中钻具地层适用性差、结构复杂、钻进效率低等问题，而提供的一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具。
[0005]本专利技术提供的极地钻探用电动机械孔壁取心钻具包括有壳体、支撑系统、孔壁取心系统和控制系统，其中控制系统、支撑系统和孔壁取心系统依次装配在壳体内，控制系统分别与支撑系统和孔壁取心系统相连接，控制系统控制支撑系统和孔壁取心系统的工作。
[0006]壳体分为上壳体和下壳体，上壳体设在下壳体的上部，上壳体的顶端设置有电缆室，电缆室内装配有电缆终端和电缆接头，其中电缆终端的上端与铠装电缆相连接，电缆终端的下端通过电缆接头与控制系统相连接，支撑系统设置有两套，支撑系统装配在控制系统下部的上壳体内，上壳体的侧壁开设有两个通孔，两个通孔分别对应两个支撑系统的两个凸轮设置。
[0007]每套支撑系统均包括有转动轴、凸轮和第一电动推杆，其中转动轴的一端铰接在
上壳体内腔中的支撑板上，转动轴的另一端与凸轮相连接，凸轮对应上壳体侧壁上的通孔设置，凸轮能够在转动轴的带动下伸出上壳体的侧壁卡接在钻孔的孔壁上，第一电动推杆的一端铰接在上壳体内腔中与支撑板相对应的横板上，第一电动推杆的另一端与转动轴相连接，第一电动推杆能够带动转动轴进行转动从而驱使凸轮伸出上壳体的侧壁卡接在钻孔的孔壁上，凸轮的周圈设置有数个突齿用于和钻孔的孔壁相卡接，第一电动推杆与控制系统相连接并由控制系统控制工作。
[0008]孔壁取心系统包括有套筒、第二电动推杆、第三电动推杆、连杆机构、钻头驱动机构和钻头，其中套筒装配在上壳体的下部，套筒的外径小于上壳体的内径，套筒能够在上壳体的内腔中上下滑动，套筒的底端与下壳体的上部相固连，套筒在上壳体的内腔中上下滑动的过程中能够带动下壳体同步滑动，第二电动推杆的上端与上壳体下部的支撑板相连接，第二电动推杆的下端固连在套筒的底部，第二电动推杆能够驱使套筒在上壳体的内腔中进行上下滑动，第二电动推杆的下部装配有第一称重传感器，第一称重传感器用于监测第二电动推杆的推力，第一称重传感器与控制系统相连接，第一称重传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，套筒内腔的底部装配有第一位移传感器，第一位移传感器用于监测第二电动推杆的伸缩距离，第一位移传感器与控制系统相连接，第一位移传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，第二电动推杆与控制系统相连接并由控制系统控制工作；第三电动推杆的上端固连在套筒底板的下部，第三电动推杆的下端与连接板相连，第三电动推杆的上端装配有第二称重传感器，第二称重传感器用于监测第三电动推杆的推力，第二称重传感器与控制系统相连接，第二称重传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，套筒底板的下部装配有第二位移传感器，第二位移传感器用于监测第三电动推杆的伸缩距离；第二位移传感器与控制系统相连接，第二位移传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，第三电动推杆与控制系统相连接并由控制系统控制工作；连接板的底部连接有延长杆，延长杆的下端与滑块相连接，延长杆和滑块分别装配有两个且对称安装，滑块安装在定位块中间设置的滑槽内，滑块在上端的延长杆和第三电动推杆的带动下能够在滑槽内进行上下滑动，滑块的下端与连杆机构的上端相连接，连杆机构的下端与钻头相连接，钻头装配在下壳体侧壁上开设的开口处，滑块上下滑动过程中能够带动连杆机构驱使钻头进行左右移动并伸出下壳体的侧壁进行作业，钻头驱动机构与钻头相连接并驱使钻头进行转动作业，钻头驱动机构与控制系统相连接并由控制系统控制工作。
[0009]连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，其中第一连杆、第二连杆和第三连杆分别装配有两个且前后对称布置，第一连杆上端与滑块通过销轴连接，第一连杆下端通过销轴与第二连杆的中部相连；第二连杆左端与定位块通过销轴相连，第二连杆右端与钻头相连；第二连杆和第三连杆上下平行布置，第三连杆左端与定位块通过销轴相连，第三连杆右端与钻头连接，第二连杆和第三连杆能够带动钻头进行左右移动。
[0010]钻头由上钻头体和下钻头体组成，上钻头体和下钻头体相螺接，钻头驱动机构包括有钻头支撑套、第一齿轮、第二齿轮、链条、刀头、可伸缩万向轴、第一电机和第一编码器，其中上钻头体和下钻头体安装在钻头支撑套内部，第一齿轮上端通过轴承安装在钻头支撑套底部，第一齿轮下端通过可伸缩万向轴与第一电机输出轴相连，第二齿轮固定安装在下钻头体外围；第一齿轮和第二齿轮通过链条连接，链条的底部通过销轴装配有数个刀头，刀头用于切削冰心周围残留的冰柱，刀头能够将冰屑扫到主钻孔内，第一编码器安装在第一
电机输出轴上，第一编码器实时监测第一电机的输出转速，第一编码器和第一电机均与控制系统相连接，第一编码器能够把采集的数据实时传输给控制系统，控制系统控制第一电机的工作。
[0011]下壳体的底部装配有扩孔系统，扩孔系统包括有第二电机、第二编码器和扩孔钻头，其中第二电机安装在下壳体内腔的下部，第二编码器安装在第二电机输出轴上，第二编码器实时监测第二电机的输出转速，扩孔钻头螺接在第二电机的输出轴上，第二电机带动扩孔钻头进行转动，第二编码器和第二电机与控制系统相连接，第二编码器能够把采集的数据实时传输给控制系统，控制系统控制第二电机的工作。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具，其特征在于：包括有壳体、支撑系统、孔壁取心系统和控制系统，其中控制系统、支撑系统和孔壁取心系统依次装配在壳体内，控制系统分别与支撑系统和孔壁取心系统相连接，控制系统控制支撑系统和孔壁取心系统的工作。2.根据权利要求1所述的一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具，其特征在于：所述的壳体分为上壳体和下壳体，上壳体设在下壳体的上部，上壳体的顶端设置有电缆室，电缆室内装配有电缆终端和电缆接头，其中电缆终端的上端与铠装电缆相连接，电缆终端的下端通过电缆接头与控制系统相连接，支撑系统设置有两套，支撑系统装配在控制系统下部的上壳体内，上壳体的侧壁开设有两个通孔，两个通孔分别对应两个支撑系统的两个凸轮设置。3.根据权利要求2所述的一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具，其特征在于：所述的每套支撑系统均包括有转动轴、凸轮和第一电动推杆，其中转动轴的一端铰接在上壳体内腔中的支撑板上，转动轴的另一端与凸轮相连接，凸轮对应上壳体侧壁上的通孔设置，凸轮能够在转动轴的带动下伸出上壳体的侧壁卡接在钻孔的孔壁上，第一电动推杆的一端铰接在上壳体内腔中与支撑板相对应的横板上，第一电动推杆的另一端与转动轴相连接，第一电动推杆能够带动转动轴进行转动从而驱使凸轮伸出上壳体的侧壁卡接在钻孔的孔壁上，凸轮的周圈设置有数个突齿用于和钻孔的孔壁相卡接，第一电动推杆与控制系统相连接并由控制系统控制工作。4.根据权利要求1所述的一种极地钻探用电动机械孔壁取心钻具，其特征在于：所述的孔壁取心系统包括有套筒、第二电动推杆、第三电动推杆、连杆机构、钻头驱动机构和钻头，其中套筒装配在上壳体的下部，套筒的外径小于上壳体的内径，套筒能够在上壳体的内腔中上下滑动，套筒的底端与下壳体的上部相固连，套筒在上壳体的内腔中上下滑动的过程中能够带动下壳体同步滑动，第二电动推杆的上端与上壳体下部的支撑板相连接，第二电动推杆的下端固连在套筒的底部，第二电动推杆能够驱使套筒在上壳体的内腔中进行上下滑动，第二电动推杆的下部装配有第一称重传感器，第一称重传感器用于监测第二电动推杆的推力，第一称重传感器与控制系统相连接，第一称重传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，套筒内腔的底部装配有第一位移传感器，第一位移传感器用于监测第二电动推杆的伸缩距离，第一位移传感器与控制系统相连接，第一位移传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，第二电动推杆与控制系统相连接并由控制系统控制工作；第三电动推杆的上端固连在套筒底板的下部，第三电动推杆的下端与连接板相连，第三电动推杆的上端装配有第二称重传感器，第二称重传感器用于监测第三电动推杆的推力，第二称重传感器与控制系统相连接，第二称重传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，套筒底板的下部装配有第二位移传感器，第二位移传感器用于监测第三电动推杆的伸缩距离；第二位移传感器与控制系统相连接，第二位移传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，第三电动推杆与控制系统相连接并由控制系统控制工作；连接板的底部连接有延长杆，延长杆的下端与滑块相连接，延长杆和滑块分别装配有两个且对称安装，滑块安装在定位块中间设置的滑槽内，滑块在上端的延长杆和第三电动推杆的带动下能够在滑槽内进行上下滑动，滑块...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹品鲁，崔国庆，张亚鲁，陈卓，王寒，张思琪，温成达，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：