一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统

摘要

本发明公开了一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统，包括有水下潜航器、热熔取芯钻具、动力柜和控制系统，其中热熔取芯钻具通过联结座装配在水下潜航器的顶部，动力柜和控制系统设在水下潜航器的内腔中，动力柜通过电缆与热熔取芯钻具相连接，动力柜为热熔取芯钻具提供电力，电缆绕设在卷绳器上，控制系统与动力柜和热熔取芯钻具相连接，控制系统控制热熔取芯钻具的工作。有益效果：钻具结构设计独特，原理清晰，能够在钻进的同时，环抱冰芯进行自动爬升，在极地冰架底部从下往上进行仰孔钻进，对冰架底部冰层开展取芯钻进和观测研究。可以帮助水下潜航器快速钻穿冰架，投放浮标，提高潜航器通信能力。

权利要求

1.一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统，包括有水下潜航器、热熔取芯钻具、动力柜和控制系统，其中热熔取芯钻具通过联结座装配在水下潜航器的顶部，动力柜和控制系统设在水下潜航器的内腔中，动力柜通过电缆与热熔取芯钻具相连接，动力柜为热熔取芯钻具提供电力，电缆绕设在卷绳器上，控制系统与动力柜和热熔取芯钻具相连接，控制系统控制热熔取芯钻具的工作，其特征在于：所述的热熔取芯钻具的上部设有环状热熔钻头，环状热熔钻头的顶部装配有称重传感器，环状热熔钻头内还设置有加热棒，环状热熔钻头的下部设置有伺服电机，环状热熔钻头的底部连接有弹簧钢片，弹簧钢片上枢接有数个齿轮，伺服电机通过传动带与齿轮相连接，伺服电机与齿轮的连接线路上设有减速机，伺服电机驱使齿轮进行转动，环状热熔钻头内的加热棒和伺服电机均通过电缆与水下潜航器中的动力柜相连接，动力柜为加热棒和伺服电机提供电力，称重传感器和伺服电机通过信号线与控制系统相连接，称重传感器能够把获取的信号实时传输给控制系统，控制系统通过接收的信号控制伺服电机的工作。

2.根据权利要求1所述的一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统，其特征在于：所述的环状热熔钻头底部的弹簧钢片设置有四个，枢接在弹簧钢片上的齿轮设有四组八个，相邻列的弹簧钢片上下端设有紧箍圈进行连接，连接伺服电机和齿轮的传动带为皮带或链条。

3.根据权利要求1所述的一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统，其特征在于：所述的控制系统由输入单元模块、处理单元模块和输出单元模块组成，其中处理单元模块分别与输入单元模块和输出单元模块连接，输入单元模块与称重传感器相连接，输出单元模块与伺服电机相连接，输入单元模块在接收称重传感器发出的信号后将信号传输至处理单元模块，处理单元模块将信号反馈通过输出单元模块传输至伺服电机进行转速调节处理，从而改变齿轮转动速度。

说明书

一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电热熔取芯钻进系统，特别涉及一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统。

背景技术

[0002] 南极冰架是南极冰盖经过漫长时间的流动而延伸至海洋而形成的，冰架物质平衡是冰盖动态变化的主要过程之一,准确地掌握冰架物质平衡过程,才可能精确定量研究极地冰盖的动态变化及其对全球环境变化(海平面、大洋洋流循环和大气循环等)的影响。冰架物质平衡过程主要包括冰川冰流输入、冰架表面积累与消融、冰架前缘崩裂和冰架底部的冻融等。然而，直接观测冰架底部的融化和冻结比较困难，迄今为止,对冰架底部进行的直接观测技术手段非常有限,主要通过从冰架表面架设钻机向冰架的深部冰层开展钻进，直至钻穿冰架，进行冰架底部观测研究。南极冰架接地线附近的冰架厚度最厚达到2000多米，这种常规钻进方法钻穿冰架需要耗费大量的时间、人力和物力，给南极科考带来较大的后勤保障压力。因此，急需一种钻具，直接在冰架底部冰层开展从下往上的仰孔钻进和观测研究。

[0003] 另外，一些水下潜航器经过长时间的潜航，到达离冰架前沿较远的位置而进入到到冰架深部区域，由于冰架较厚冰层的阻碍，潜航器无法一直接收到水面信息。因此，潜航器必须在一定的有效通讯距离向海面投放通讯浮标，用以信号的传输和接收，以此来实现与指挥机构的通讯。为了能快速投放浮标，急需一种能够在冰架底部从下往上的快速钻穿冰层的钻进技术。

[0004] 电热熔钻进是目前冰层钻进中结构最为简单高效的一种钻进方法，即利用电热棒(丝)加热钻头，熔化冰层进行钻进。研发一种能够环抱冰芯进行自动爬升的极地冰架底部无钻杆仰孔电热熔取芯钻进系统，可以利用该钻系统进行快速仰孔钻进而获得冰架底部冰芯，从而开展冰架最底部相关冰芯科学研究。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决在南极进行冰层钻进过程中常规钻进方法钻穿冰架需要耗费大量的时间、人力和物力，给南极科考带来较大的后勤保障压力的问题而提供的一种用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统。

[0006] 本发明提供的用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统包括有水下潜航器、热熔取芯钻具、动力柜和控制系统，其中热熔取芯钻具通过联结座装配在水下潜航器的顶部，动力柜和控制系统设在水下潜航器的内腔中，动力柜通过电缆与热熔取芯钻具相连接，动力柜为热熔取芯钻具提供电力，电缆绕设在卷绳器上，控制系统与动力柜和热熔取芯钻具相连接，控制系统控制热熔取芯钻具的工作。

[0007] 热熔取芯钻具的上部设有环状热熔钻头，环状热熔钻头的顶部装配有称重传感器，环状热熔钻头内还设置有加热棒，环状热熔钻头的下部设置有伺服电机，环状热熔钻头的底部连接有弹簧钢片，弹簧钢片上枢接有数个齿轮，伺服电机通过传动带与齿轮相连接，伺服电机与齿轮的连接线路上设有减速机，伺服电机驱使齿轮进行转动，环状热熔钻头内的加热棒和伺服电机均通过电缆与水下潜航器中的动力柜相连接，动力柜为加热棒和伺服电机提供电力，称重传感器和伺服电机通过信号线与控制系统相连接，称重传感器能够把获取的信号实时传输给控制系统，控制系统通过接收的信号控制伺服电机的工作。

[0008] 环状热熔钻头底部的弹簧钢片设置有四个，枢接在弹簧钢片上的齿轮设有四组八个，相邻列的弹簧钢片上下端设有紧箍圈进行连接，连接伺服电机和齿轮的传动带为皮带或链条。

[0009] 控制系统由输入单元模块、处理单元模块和输出单元模块组成，其中处理单元模块分别与输入单元模块和输出单元模块连接，输入单元模块与称重传感器相连接，输出单元模块与伺服电机相连接，输入单元模块在接收称重传感器发出的信号后将信号传输至处理单元模块，处理单元模块将信号反馈通过输出单元模块传输至伺服电机进行转速调节处理，从而改变齿轮转动速度。

[0010] 上述的称重传感器、加热棒、伺服电机、减速机、输入单元模块、处理单元模块和输出单元模块均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

[0011] 本发明的工作原理：

[0012] 本发明提供的用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统中的热熔取芯钻具通过联结座竖直安装在水下潜航器的顶部，接近冰架底部冰层后，水下潜航器内的动力柜通过电缆向热熔取芯钻具供电，加热棒通电后工作，致使环状热熔钻头温度逐渐升高，高温使部分冰层融化，形成圆柱状冰芯，环状热熔钻头得以进入冰层，当环状热熔钻头进入冰层一定深度，齿轮开始接触并且嵌入冰层，此时打开联结座，将热熔取芯钻具释放，热熔取芯钻具处于自由状态，嵌入冰层内部的齿轮逆时针转动带动热熔取芯钻具沿着形成的冰芯向上移动，冰芯进入后，紧箍圈径向受力致使齿轮抱紧冰芯，高强度弹簧钢片具有一定的弹性，能够随着冰芯直径的变化而伸缩，从而保证齿轮时刻与冰芯紧密接触，防止脱落。称重传感器用于监测热熔取芯钻具顶部压力，如果齿轮转动过快，而冰层融化较慢，则热熔取芯钻具顶端将会承受一定的压力，如果齿轮传动速度小于冰层融化速度，则热熔取芯钻具顶端所受压力较小。因此，通过对称重传感器示数的分析就能够实时了解钻进状态，称重传感器向控制系统发出信号，控制系统收到信息后进行分析处理然后将信息反馈给伺服电机，据此调整伺服电机转动速度，从而控制钻进速度。所有电力及信号由电缆进行传输，随着钻进深度逐渐增加，水下潜航器内部的卷绳器逐渐旋转用以输送足够长度的电缆。动力柜为整个钻进系统提供电力。

[0013] 本发明的有益效果：

[0014] 本发明提供的钻具结构设计独特，原理清晰，能够在钻进的同时，环抱冰芯进行自动爬升，在极地冰架底部从下往上进行仰孔钻进，对冰架底部冰层开展取芯钻进和观测研究。另外，这种钻进方法获得的冰架钻孔通道，可以帮助水下潜航器快速钻穿冰架，投放浮标，提高潜航器通信能力。

附图说明

[0015] 图1为本发明所述钻进系统整体结构示意图。

[0016] 图2为本发明所述热熔取芯钻具结构示意图。

[0017] 图3为本发明所述控制系统结构示意图。

[0018] 上图中的标注如下：

[0019] 1、水下潜航器 2、热熔取芯钻具 3、动力柜 4、控制系统 5、联结座[0020] 6、电缆 7、卷绳器 8、环状热熔钻头 9、称重传感器 10、加热棒[0021] 11、伺服电机 12、弹簧钢片 13、齿轮 14、传动带 15、减速机[0022] 16、紧箍圈 17、输入单元模块 18、处理单元模块 19、输出单元模块。

具体实施方式

[0023] 请参阅图1至图3所示：

[0024] 本发明提供的用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统包括有水下潜航器1、热熔取芯钻具2、动力柜3和控制系统4，其中热熔取芯钻具2通过联结座5装配在水下潜航器1的顶部，动力柜3和控制系统4设在水下潜航器1的内腔中，动力柜3通过电缆6与热熔取芯钻具2相连接，动力柜3为热熔取芯钻具2提供电力，电缆6绕设在卷绳器7上，控制系统4与动力柜3和热熔取芯钻具2相连接，控制系统4控制热熔取芯钻具2的工作。

[0025] 热熔取芯钻具2的上部设有环状热熔钻头8，环状热熔钻头8的顶部装配有称重传感器9，环状热熔钻头8内还设置有加热棒10，环状热熔钻头8的下部设置有伺服电机11，环状热熔钻头8的底部连接有弹簧钢片12，弹簧钢片12上枢接有数个齿轮13，伺服电机11通过传动带14与齿轮13相连接，伺服电机11与齿轮13的连接线路上设有减速机15，伺服电机11驱使齿轮13进行转动，环状热熔钻头8内的加热棒10和伺服电机11均通过电缆6与水下潜航器1中的动力柜3相连接，动力柜3为加热棒10和伺服电机11提供电力，称重传感器9和伺服电机11通过信号线与控制系统4相连接，称重传感器9能够把获取的信号实时传输给控制系统4，控制系统4通过接收的信号控制伺服电机11的工作。

[0026] 环状热熔钻头8底部的弹簧钢片12设置有四个，枢接在弹簧钢片12上的齿轮13设有四组八个，相邻列的弹簧钢片12上下端设有紧箍圈16进行连接，连接伺服电机11和齿轮13的传动带14为皮带或链条。

[0027] 控制系统4由输入单元模块17、处理单元模块18和输出单元模块19组成，其中处理单元模块18分别与输入单元模块17和输出单元模块19连接，输入单元模块17与称重传感器9相连接，输出单元模块19与伺服电机11相连接，输入单元模块17在接收称重传感器9发出的信号后将信号传输至处理单元模块18，处理单元模块18将信号反馈通过输出单元模块19传输至伺服电机11进行转速调节处理，从而改变齿轮13转动速度。

[0028] 上述的称重传感器9、加热棒10、伺服电机11、减速机15、输入单元模块17、处理单元模块18和输出单元模块19均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

[0029] 本发明的工作原理：

[0030] 本发明提供的用于冰架底部环抱冰芯的仰孔电热熔取芯钻进系统中的热熔取芯钻具2通过联结座5竖直安装在水下潜航器1的顶部，接近冰架底部冰层后，水下潜航器1内的动力柜3通过电缆6向热熔取芯钻具2供电，加热棒10通电后工作，致使环状热熔钻头8温度逐渐升高，高温使部分冰层融化，形成圆柱状冰芯，环状热熔钻头8得以进入冰层，当环状热熔钻头8进入冰层一定深度，齿轮13开始接触并且嵌入冰层，此时打开联结座5，将热熔取芯钻具2释放，热熔取芯钻具2处于自由状态，嵌入冰层内部的齿轮13逆时针转动带动热熔取芯钻具2沿着形成的冰芯向上移动，冰芯进入后，紧箍圈16径向受力致使齿轮13抱紧冰芯，高强度弹簧钢片12具有一定的弹性，能够随着冰芯直径的变化而伸缩，从而保证齿轮13时刻与冰芯紧密接触，防止脱落。称重传感器9用于监测热熔取芯钻具2顶部压力，如果齿轮13转动过快，而冰层融化较慢，则热熔取芯钻具2顶端将会承受一定的压力，如果齿轮13传动速度小于冰层融化速度，则热熔取芯钻具2顶端所受压力较小。因此，通过对称重传感器9示数的分析就能够实时了解钻进状态，称重传感器9向控制系统4发出信号，控制系统4收到信息后进行分析处理然后将信息反馈给伺服电机11，据此调整伺服电机11转动速度，从而控制钻进速度。所有电力及信号由电缆6进行传输，随着钻进深度逐渐增加，水下潜航器1内部的卷绳器7逐渐旋转用以输送足够长度的电缆6。动力柜3为整个钻进系统提供电力。