基于深海缆控潜水器的液压自补偿岩芯取样作业装置
技术领域
本发明涉及深海取样领域，特别是一种基于深海缆控潜水器的液压自补偿岩芯取样作业装置。
背景技术
岩芯取样是利用冲击、射入、钻取等方式，实现岩芯采集的技术，其中钻取是最常见的一种。岩芯钻探具有高效、低成本等优点，在地球科学研究、资源勘探等方面有着迫切需求和工程应用价值。在地球科学研究方面，全球相继开展了深海钻探(DSDP)、大洋钻探(ODP)和综合大洋钻探(IODP)等计划，验证了板块构造学说，但在深海和大气的深层演变、海底生物圈分布规律等方面研究仍较为薄弱，急需开展精细验证性钻取研究。在深海资源勘探方面，当前我国已拥有超过16万平方公里的海外矿区，深海资源进入了详探阶段，必须获得典型区域的样品，为资源勘查、成分分析、矿区圈定、环境评估等提供准确的基础数据，同样需要深海精细地质取芯技术。
随着载人潜水器广泛应用，目前以美国、日本为代表的深海载人潜水器开展了大量运载器岩芯取样钻机的研究和应用发展工作。美国Alvin号早在1991年就完成了HSTR岩芯取样钻机的研制工作，成功钻取了硫化物岩芯样品，此外，HSTR取芯器还随MBARI研究所的ROV(Ventana)在1992年成功取得火成岩岩石样品；MBARI研究所研制成功了4000m级MCS取样器，可实现四管取样，成功在Juan de Fuca海底获得裸露基岩的样品。PhoenixInternational公司研制一套可搭载在Nereus II ROV上的取芯器，取芯长度能够达到1.5m，取芯作业水深2400m，能在45°斜坡上取芯；1995年美国Harbor Branch海洋研究所完成了7000m级Harbor Branch取芯器的研究，并搭载于Magellan ROV完成了多次海上试验；此外，英、法及俄等国家也开展了深海运载器岩芯取芯器的研制及应用工作，如CONSUB号(英)、ST-I号(法)和APTYC号(俄)等载人潜水器均开展了配套小型岩芯取芯器研制。
为解决深海精细作业难题，我国深海运载器得到了快速发展，蛟龙号载人潜水器完成了7062米世界最深下潜，并在全球七大海区完成了应用，初步形成了以载人潜水器(HOV)、无人缆控潜水器(ROV)、无人自主潜水器(AUV)为代表的深海运载器精细探测平台体系和作业模式，将深潜器精细作业与钻探技术相结合可有效解决深海精细取芯难题。
基于深海高压、低温、强腐蚀等作业技术特点和海上实际工作经验，目前已经开展了多种类型钻机装置的发明设计，但由于深海环境极端负载，人类对深海的认知水平有限，因此针对不同的应用场景需设计不同的取芯模块，以实现我国深海科学研究及资源勘查的应用需要。专利号2013207985607、名称为“深海小型电动取芯潜钻”的中国专利和专利号为2014107777105、名称为“一种基于载人深潜器机械手操作的小型岩芯取样钻机”的中国专利均公开了一种基于载人潜水器的取芯装置，解决了基本的蛟龙号与钻机的匹配及简单取样问题。上述两种装置采用电动驱动方式，其工作功率较小，取芯能力较低，一般只能钻取尺寸为13mm*130mm的岩芯，尤其是针对深海悬崖处岩心取样场景的水平向精确取芯的应用，无法实现取样。另外，深海环境压力较大，为了保证深海环境中装置的安全作业，必须采用耐压壳体，导致整个装置结构复杂，十分笨重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种基于深海缆控潜水器的液压自补偿岩芯取样作业装置，其功率大，具有深海环境下峭壁盲区处的水平向取芯能力，取芯精度高，既提高了作业的灵活性和经济性，又能根据深海压差对液压马达的输出端自动进行压力补偿，结构简单，制造方便，便于安装，生产成本低。
本发明的技术方案是：一种基于深海缆控潜水器的液压自补偿岩芯取样作业装置，包括钻具机构和液压马达机构，其中，还包括液压推进机构和主动补偿机构，液压马达机构的前端与钻具机构连接，液压马达机构的后部与液压推进机构连接，主动补偿机构与液压马达机构连接；
所述液压马达机构包括防护罩、液压马达、联轴器、驱动轴和充油补偿腔，液压马达、联轴器、驱动轴和充油补偿腔均设置在防护罩内，液压马达固定在密封壳体内，液压马达的输出端设有输出轴，输出轴通过联轴器与驱动轴连接，驱动轴的一端与输出轴连接，另一端与钻杆固定连接，驱动轴与防护罩之间设有一对角接触球轴承，联轴器通过固定法兰与防护罩连接，固定法兰位于联轴器的外部，固定法兰和密封壳体均与防护罩的内壁固定连接，液压马达设置输出轴的一侧端面与其相邻的联轴器和固定法兰的侧面之间均存在间隙，液压马达设有输出轴的端面与联轴器、固定法兰和密封壳体之间形成密闭的充油补偿腔，充油补偿腔与主动补偿机构通过补偿油管连接；
所述钻具机构包括钻杆、钻头和样品管，钻杆呈水平方向设置，钻杆的一端与液压马达机构连接，钻杆的另一端与钻头固定连接，钻杆、钻头和样品管均呈中空状，样品管设置在钻杆内，样品管采用ABS水润滑内衬材料；
所述主动补偿机构包括补偿壳体、补偿弹性油囊和压缩弹簧，补偿壳体的两端分别设置密封端盖和后端盖，补偿壳体内设有补偿活塞，密封端盖和后端盖分别与补偿壳体的侧面密封固定连接，补偿活塞与补偿壳体的内表面密封滑动连接，密封端盖、补偿活塞与补偿壳体组成密闭的腔体，补偿弹性油囊设置在该腔体内，补偿弹性油囊内充满液压油，补偿弹性油囊与充油补偿腔之间通过补偿油管连接，补偿活塞与后端盖之间通过压缩弹簧连接，补偿活塞、后端盖和补偿壳体组成的空间内充满海水，对应的在后端盖上设有外界海试连通口。
本发明中，所述密封端盖上设有进油口，进油口通过补偿油管与防护罩上的补偿油口连接。
所述液压推进机构包括液压油缸法兰底座、液压油缸和油缸推动轴，其中液压油缸安装在液压油缸法兰底座上，油缸推动轴的一端设置在液压油缸内，油缸推动轴的一端与液压马达机构的后部固定连接。通过控制液压油缸内的油量，使油缸推动轴沿液压油缸的轴向前后往复移动，从而带动液压马达机构和钻具机构前后往复移动。
所述防护罩上设有液压马达卸油口和液压马达进油口，液压马达卸油口内设有卸油管，液压马达进油口内设有进油管，液压马达分别通过卸油管、进油管与潜水器的液压系统连接，
所述防护罩上设有补偿油口，补偿油管穿过防护罩上的补偿油口，实现充油补偿腔与主动补偿机构密封连接。
所述防护罩的外侧安装有机械把手，机械把手的内侧设有三道分割柱。便于潜水器机械手水下操作。
所述压缩弹簧与补偿活塞连接的一端设有补偿量显示块，显示块嵌入补偿壳体内壁的导轨处。随着补偿油囊容积的变化带动补偿活塞运动，从而带动补偿量显示卡随着导轨往复移动。
所述密封端盖的中心设有放气阀。该放气阀可通过手动挑动进行放气，确保壳体内充满油液。
本发明的有益效果是：
(1)该模块的驱动采用了液压式驱动的技术路线，最大功率达到25kw，实现了大功率取芯作业；
(2)由于深水作业环境的复杂性，为避免液压源远距离供给压力损失导致海水渗入作业装置，对整个潜水器液压系统造成危险，影响潜水器液压系统安全，通过设置主动补偿机构，在马达输出端增加一个海水环境的压力补偿，有效地消除了海水环境对系统工作性能的干扰，保证了液压马达的工作安全，同时可以防止海水侵入，从而在潜水器液压系统外形成独立的水下抗压系统，提高深海潜水器水下作业的安全性，实现了大深度取芯作业；
(3)钻具机构呈水平方向设置，搭载在深海缆控潜水器上，利用深海缆控潜水器强大的作业推进能力，实现水平向取芯要求。
综上所述，该装置实现了大深度、大功率、水平方向取芯作业，取芯精度高，具有深海环境下峭壁盲区处的水平向取芯能力。
附图说明
图1是该模块与无人缆控潜水器结合使用时的结构示意图；
图2是本发明的主视结构示意图；
图3是图2的A-A向结构示意图；
图4是驱动马达机构的俯视结构示意图；
图5是图4的B-B向结构示意图；
图6是主动补偿机构的主视图；
图7是图6的C-C向结构示意图。
图中：1液压自补偿岩芯取样作业装置；2钻具机构；201钻杆；202钻头；203样品管；3液压马达机构；301机械把手；302液压马达；303联轴器；304固定螺钉；305驱动轴；306角接触球轴承；307防护罩；308液压马达卸油口；309液压马达进油口；310补偿油口；311输出轴；312固定法兰；313充油补偿腔；314密封壳体；4液压推进机构；401液压油缸法兰底座；402液压油缸；403油缸推动轴；5主动补偿机构；501进油口；502补偿量显示块；503密封端盖；504补偿弹性油囊；505补偿活塞；506压缩弹簧；507后端盖；508外界海试连通口；509放气阀。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，工作过程中，本发明所述的基于深海缆控潜水器的液压自补偿岩芯取样作业装置1安装在无人缆控潜水器前端的采样工具篮处，并通过螺柱将该取样作业装置固定在无人缆控潜水器的前端。如图2所示，本发明包括钻具机构2、液压马达机构3、液压推进机构4和主动补偿机构5，液压马达机构3的前端与钻具机构2连接，液压马达机构3的后部与液压推进机构4连接，通过液压推进机构4，将液压马达机构3和钻具机构2向岩芯方向推动。主动补偿机构5与液压马达机构3连接，通过设置主动补偿机构5，使液压马达机构3随着下潜深度的增加主动调节压力差，始终与外界深水环境保持较小的压力差，从而确保了液压马达的安全。
如图3所示，液压推进机构4包括液压油缸法兰底座401、液压油缸402和油缸推动轴403，其中液压油缸402安装在液压油缸法兰底座401上，油缸推动轴403的一端设置在液压油缸402内，油缸推动轴403的一端与液压马达机构3的后部固定连接。通过控制液压油缸402内的油量，使油缸推动轴403沿液压油缸402的轴向前后往复移动，从而带动液压马达机构3和钻具机构前后往复移动。
钻具机构包括钻杆201、钻头202和样品管203，钻杆201呈水平方向设置，实现了水平向取芯要求。钻杆201的一端与液压马达机构3轴向连接，钻杆201的另一端与钻头202固定连接。钻杆201、钻头202和样品管203均呈中空状，样品管203设置在钻杆201内，样品管203采用ABS水润滑内衬材料。钻取过程中，钻取到的岩芯保存在样品管203内，潜水器回收后，直接拿出取样管即可得到完整的岩芯样品。
如图3、图4和图5所示，液压马达机构3包括防护罩307、液压马达302、联轴器303、驱动轴305和充油补偿腔313，液压马达302、联轴器303、驱动轴305和充油补偿腔313均设置在防护罩307内，防护罩307上设有液压马达卸油口308和液压马达进油口309，液压马达卸油口308内设有卸油管，液压马达进油口309内设有进油管，液压马达302分别通过卸油管、进油管与潜水器的液压系统连接，液压系统为液压马达302提供21MPa的液压油，驱动液压马达302转动。液压马达302固定在密封壳体314内，液压马达302的输出端设有输出轴311，输出轴311通过联轴器303与驱动轴305连接。驱动轴305的一端与输出轴311连接，另一端与钻杆201固定连接，液压马达302带动输出轴311转动的过程中，通过联轴器303带动驱动轴311和钻杆201转动，从而实现了钻具机构对岩芯的钻取。驱动轴305与防护罩307之间设有一对角接触球轴承306，两角接触球轴承之间呈对心安装，确保驱动轴305的稳定，在增强抗轴向力的同时，提升了驱动轴的输出稳定性。本发明中，通过设置液压推进机构4、液压马达机构3和钻具机构2，实现了高效液压源-液压马达-固定法兰-联轴器-角接触轴承-驱动轴-钻具的机械传动形式。
联轴器303通过固定法兰312与防护罩307连接，固定法兰312位于联轴器303的外部，固定法兰312和密封壳体314均通过螺栓与防护罩307固定连接。液压马达302设置输出轴的一侧端面与其相邻的联轴器303和固定法兰312的侧面之间均存在间隙，因此液压马达302设有输出轴的端面与联轴器303、固定法兰312和密封壳体314之间形成密闭的充油补偿腔313，对应的在防护罩303上设有补偿油口310，充油补偿腔313与主动补偿机构5通过补偿油管连接，补偿油管通过锥形机械密封穿过防护罩307上的补偿油口310，实现了充油补偿腔313与主动补偿机构5密封连接。通过设置充油补偿腔313和主动补偿机构5，在马达输出端增加一个海水环境压力，有效地消除了海水环境对系统工作性能的干扰作用，同时可以防止海水侵入，从而在潜水器液压系统外形成独立的水下抗压系统，提高深海潜水器水下作业的安全性。
防护罩307的外侧安装有机械把手301，机械把手的内侧设有三道分割柱，便于潜水器机械手水下操作。
如图6和图7所示，主动补偿机构5包括补偿壳体、补偿弹性油囊504和压缩弹簧506，补偿壳体的两端分别设置密封端盖503和后端盖507，补偿壳体内设有补偿活塞505，密封端盖503与补偿壳体的侧面密封固定连接，补偿活塞505与补偿壳体的内表面密封滑动连接，密封端盖503、补偿活塞505与补偿壳体组成一个密闭的腔体，补偿弹性油囊504设置在该腔体内，补偿弹性油囊504内充满液压油，液压油的压力约为1MPa左右。补偿弹性油囊504与充油补偿腔313之间通过补偿油管连接：在密封端盖503上设有进油口501，进油口通过补偿油管与防护罩307上的补偿油口310连接，液体通过补偿油管在补偿弹性油囊504和充油补偿腔313之间流动。
补偿活塞505与后端盖507之间通过压缩弹簧506连接，补偿活塞505、后端盖507和补偿壳体之间所呈的空间内充满海水，对应的在后端盖507上设有外界海试连通口508，为量化压力补偿量，确保主动补偿机构的补偿性能，在充满海水的补偿壳体上设有补偿量指示功能，压缩弹簧506与补偿活塞505连接的一端设有补偿量显示块502，补偿量显示块502嵌入在补偿壳体内壁的导轨处，随着补偿油囊容积的变化弹簧506带动补偿活塞505运动的同时，补偿量显示块502随着导轨移动，可以随时观察到补偿量显示块502的位置。考虑到充油时存在空气充分的问题，根据经验设计在密封端盖503的圆心处设有放气泄压阀509，该放气阀可通过手动挑动进行放气。
由于后端盖507上设有外界海试连通口508，因此补偿活塞505与后端盖507之间的海水压力与外界深海压力是相同的。深海潜水器在深海中下潜过程中，海水的压力越来越大，补偿活塞505两侧腔室之间的压差越来越大，在压差作用下，补偿活塞505向密封端盖503方向移动，补偿活塞505移动过程中，补偿弹性油囊504被挤压，产生弹性形变，与此同时补偿弹性油囊内的液压油通过补偿油管压入充油补偿腔313内，同时补偿活塞505与后端盖507之间的补偿弹簧内产生拉力。随着下潜深度的增加，通过主动补偿机构5和充油补偿腔313主动调节液压马达与外界深水环境之间的压力差，使液压马达与外界深水环境之间始终保持较小的压力差，从而确保了液压马达的安全，同时还能够使液压马达与外界海水之间保持了相对独立的缓冲区。深海潜水器上升过程中，随着外界海水压力的逐渐减小，补偿活塞505两侧腔室的压差越来越小，在补偿弹簧506的拉力作用下，补偿活塞505向后端盖507方向移动，补偿活塞505与后端盖507之间的海水沿外界海试连通口508排出。
本发明的工作过程如下所述：深海缆控潜水器作业前，将该模块安装至潜水器前端的采样工具篮处，通过螺柱进行紧固，并随深海缆控潜水器下潜至指定深度开展作业。下潜过程中，通过主动补偿机构5和充油补偿腔313主动调节液压马达与外界深水环境之间的压力差，使液压马达与外界深水环境之间始终保持较小的压力差，从而确保了液压马达的安全。深海缆控潜水器操作手通过高清视频信号开展巡航，对深海悬崖处岩心开展取样。取芯作业时，母船上的操作手启动潜水器液压系统，液压推进机构4动作，将液压马达和钻具机构向岩芯方向推进一定的距离，与此同时深海缆控潜水器启动自动定高模式，通过操作手微调液压推进机构4，使得钻具机构2中的钻头缓慢加载至岩石处，并保持400N的推进力，确保钻压力。取芯完成后，液压推进系统4将液压马达和钻具机构2拉回。该模块随深海缆控潜水器返回至母船后，人工将钻头拆卸，取出岩芯样。
以上对本发明所提供的基于深海缆控潜水器的液压自补偿岩芯取样作业装置进行了详细介绍。本文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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
