7000m载人潜水器的配套钴结壳取芯器.pdf

第6 1 卷第4 期 2009 年11 月 有色金属 N o n f e I T O U SM e t a l s V 0 1 ．6 1 。N o ．4 N o v e m b e r ．200 9 7 0 0 0 m 载人潜水器的配套钴结壳取芯器 万步炎1 ”，章光1 ，黄筱军2 1 ．武汉理工大学，武汉4 3 0 0 7 0 ；2 ．长沙矿山研究院，长沙4 10 0 12 摘 要介绍“7 0 0 0 米载人潜水器”配套的海底作业T 具“钴结壳取芯器”的基本结构、主要技术指标及工作原理，分析设计 难点和计算确定主要设计参数，得出实验室检测试验结果及分析结论。 关键词采矿丁程；取芯器；载人潜水器；钴结壳；作业T 具 中图分类号T D 8 5 7 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1l 2 0 0 9 0 4 0 1 3 8 0 5 “十五”期间，国家“8 6 3 ”计划设立重大专项，开 展我国第一艘“7 0 0 0 米载人潜水器”的研究开发工 作。“钴结壳取芯器”是“7 0 0 0 米载人潜水器”配套 的海底作业工具之一。它实际上是一套海底轻型岩 芯钻机系统，采用金刚石钻进取芯方式，能够搭载于 载人潜水器前部，利用载人潜水器提供液压动力，在 载人潜水器内部乘员的目视操作下完成海底硬岩的 浅孔取芯任务。目前该“钴结壳取芯器”样机已通 过实验室检测试验，即将与“7 0 0 0 米载人潜水器”配 合进行海上试验。 1 基本结构和各部分功能 钴结壳取芯器基本结构如图1 所示，在载人潜 水器上的安装示意图见图2 ，样机照片见图3 。其组 成与各部分的功能为调姿机构，调整取芯器的钻孔 角度；补偿机构，调整取芯器伸出位置使其顶紧岩石 面；推进机构，提供钻头钻进推力及拔取岩芯；钻进 动力头，提供钻头回转扭矩；钻具，包括金刚石钻头 和岩芯管，提供取芯钻进及岩芯保护；供水系统，冲 洗排粉及冷却钻头；抛弃机构，发生卡钻事故时剪断 油管和电缆，使取芯器从潜水器脱离；液压阀箱，为 取芯器提供液压控制功能；电控系统，对取芯器工作 过程进行监测和控制，主机位于潜器舱内，通过穿舱 接插件及水密电缆与机载液压阀箱及传感器连接， 在潜水器舱内设有操作控制器和显示界面。 收稿日期2 0 0 9 0 8 0 7 基金项目国家高技术发展研究计划 2 0 0 2 A A 4 0 1 0 0 1 3 作者简介万步炎 1 9 6 4 一 ，男，湖南华容县人。教授级高工，博士 生，主要从事海洋工程与技术等方面的研究。 图1取芯器基本结构外形 F i g ．1 B a s i cs t r u c t u r eo fC R Cc o r es a m p l e r 2 主要技术指标 钴结壳取芯器的主要技术指标为作业水深。 7 0 0 0 m ；取芯尺寸，q b 5 0 m mX2 0 0 m m ；设备尺寸， q b 6 0 0 m m 8 0 0 m m ；整机质量， l O O k g ；潜水器提供 的动力源，2 1 M P a 液压和2 4 V D C 电源；总功率， 3 k W ；最大钻进力，4 0 0 N ；钻架前后调整角，2 0 o ；钻架左右调整角，2 0 o 。 3 工作要求与设计分析 3 ．1 基本工作状况 根据“7 0 0 0 米载人潜水器”总体设计，当使用 “7 0 0 0 米载人潜水器”开展深海钴结壳资源调查或 其他硬岩取芯调查作业时，应将钴结壳取芯器作为 作业工具安装到载人潜水器前部接口位置，将载人 潜水器内部液压动力源和控制线缆与钴结壳取芯器 液压系统及控制电路相连接。当钴结壳取芯器随载 万方数据 第4 期万步炎等7 0 0 0 m 载人潜未器的配套钴结壳取芯器1 3 9 人潜水器下潜至勘探区海底后，由载人潜水器舱内 操纵人员选择适合的钻探点并操纵载人潜水器坐 底。再根据海底的地形，调整取芯器至合适的钻孔 角度。然后使取芯器补偿下移，使钻头钻具下降至 岩面，之后即可进行钻孔取芯作业。当钻至预定孔 深后，操纵取芯器拔断岩芯，最后将取芯器收回原 位。待潜水器返回母船甲板后，从钻具中取出岩芯， 供研究人员分析测试。 图3 钴结竞取芯器样机照片 F i g ．3 P h o t oo fC R Cc o r es a m p l e r ‘7 0 0 0 m 水深之下设备的耐压、密封等将是一个严峻 的挑战。 4 主要工作参数的与确定 图2 取芯器在载人潜水器上的安装示意 F i g ．2 C R Cc 。他s a m p l e rm 。u n t e di nf r o n t 。fH O V 4 1钻进压力确定 潜水器的水中质量约为5 0 k g ，当潜水器处于水 3 2 设计难点分析 平坐底状态时，若仅利用潜水器的5 0 k g 水中质量， 设计难点之一，载人潜水器可以为取芯器提供 只要取芯器的钻进推力大于1 6 7 N ，潜水器的前部就 的稳定钻进支撑力 主要是向下的压力 很小。因 将被顶起。因此必须利用潜水器两侧回转桨产生 为要在水中灵活潜游，载人潜水器的水中重力 重 9 0 0 N 的下推力，此时取芯器的钻进推力要达到 力减浮力 仅为5 0 0 N ，加上其侧桨可提供的下推力 6 0 7 N ，才可将潜水器前部顶起。为了保证钻进过程 3 0 0 ～9 0 0 N ，二者之和仅为8 0 0 ～1 4 0 0 N ，其中一部分 中潜水器姿态的稳定，还需要为潜水器保留一部分 还要用于保证潜器在海底坐底稳定和安全，能提供 坐底稳定力，因此要求在开启潜水器侧桨的情况下 给取芯器的钻进压力仅为数百N 。这与普通岩芯钻 钻进压力也不能大于4 0 0 N 6 0 7 N 的2 ／3 。 机要求的上万N 的钻进压力相去甚远。因此必须 作为比较，将普通金刚石岩芯地质钻机及”深 设计特殊金刚石钻头钻具，以满足极低钻进压力的 海浅地层岩芯取样钻机”的钻进压力与取芯器钻进 需要。 压力列于表1 。从表1 可看出，取芯器的钻进压力 设计难点之二，为了满足载人潜水器水下质量 只有普通金刚石岩芯地质钻机的1 ／3 0 ，属于微钻 配载的严格要求，取芯器质量不得超过1 0 0 k g ，还要 压。在这种微钻压条件下钻进效率将非常低。为验 满足多种特殊功能。这给设计带来相当的难度，必 证在4 0 0 N 微钻压下钻进的可行性，在实验室进行 须尽量采用钛合金或高强铝合金制造，另外在设计 了实钻试验。结果表明，采用特殊设计的金刚石钻 中采取各种措施减轻质量。 头钻具，在4 0 0 N 的钻进压力下，钻孔深度2 3 0 m m ， 设计难点之三是7 0 0 0 m 的大水深。我国尝试 钻取 5 0 m m 2 0 0 m m 的模拟钴结壳岩芯约需2 5 m i n 自行研制7 0 0 0m 大型深海机电设备尚属首次。 的时间，勉强能够满足取芯器工作的需要。 表1 几种钻机钻进压力参数比较表 T a b l e1 P u s h i n gf o r c e so fd i f f e r e n td r i l l s 万方数据 1 4 0 有色金属 第6 1 卷 4 ．2 钻头转速的确定 转速是影响金刚石钻进效率的重要因素。在一 定条件下，转速越高，钻进速度越高。钻头转速根据 式 1 计算，式中V 一钻具切削线速度 m ／s ，金刚 石钻进一般取2 ．0 4 ．0 m ／s ；D 一钻头直径 m m ，D 0 ．0 6 m 。 n 6 0 V ／z r D 1 计算得n 为6 3 7 1 2 7 4 r ／m i n ，因取芯器钻压小、 钻孔浅，可采用高转速获取较高的钻进速度。在微 钻压条件下，转速宜取高值，取几 8 0 0 1 5 0 0 r p m 。 4 ．3 拔取岩芯力计算确定 拔取岩芯必须满足拔取岩芯力大于岩芯拉断 力。岩芯拉断力可按式 2 计算，式中D 一岩芯直 径，取D 5 c m “盯] 一岩石极限抗拉强度，取3 0 0 1 0 0 0 N 。计算得F 为5 8 8 0 ～1 9 6 2 0 N 。实际取F 2 0 0 0 0 N 。 F , r D 2 [ o r ] ／4 2 5 整机及关键部件设计 5 ．1 整机设计 整机采用全液压传动，有线遥控操作模式。为 确保万一取芯器发生卡钻事故时潜水器能安全逃 生，设计采用了可液压抛弃的钻头钻具及取芯器整 机液压抛弃机构双保险。为减轻取芯器质量，精心 设计了各承力结构并且主要结构材料采用钛合金， 在非承力部位采取钻孔方式减少材料占重，最终使 得样机质量仅为9 3 k g 。 5 ．2 调姿机构 调姿机构由变位支架、调角油缸等组成。平时 取芯器钻进机构处于垂直向下钻进状态，若岩石面 不水平，可使钻进机构在前后和左右两个方向作4 - 2 0 0 范围的角度调整，使之处于合适的钻孔角度。 5 ～补偿机构 补偿机构由补偿定位油缸、补偿机架等组成，补 偿行程4 0 0 m m 。为保证潜水器航行时取芯器的安 全，取芯器不工作时的收回位置处于潜水器支架底 面以上2 0 0 m m 。工作时则需要通过补偿机构使取 芯器钻进机构下移伸出潜水器支架底面。钻头底部 最多可伸至潜水器支架底面以下2 0 0 m m 。 5 ．4 回转机构及供水系统 钻进动力头 回转机构 钻进动力头 由液压马达、齿轮箱、 压力补偿器、转速传感器等组成。液压马达驱动的 齿轮箱有两根输出轴，主轴与钻具相连带动钻头钻 具回转钻进，副轴带动冲洗水泵为钻进提供冲洗水。 齿轮箱体通过侧面的两个油缸耳固定在推进油缸缸 体上，其背面的滑板与滑槽连接，可在推进油缸推动 下上下滑动。 5 ．5 推进机构 推进机构主要包括两支液压推进油缸，其缸体 与钻进动力头相连，活塞杆则固定在机架底座上，当 活塞杆回缩时即推动钻进动力头并带动钻头钻具加 压钻进。活塞杆伸出即为拔取岩芯。推进油缸行程 为2 5 0 m m 。 5 ．6 钻具 采用普通金刚石双管取芯钻具，配特殊配方的 薄壁金刚石钻头。该钻头可在极低钻压下有效钻入 岩石。 5 ．7 抛弃机构 抛弃机构由适配接口板、抛弃油缸、固定支架、 下固定剪板和上活动剪板等组成，见图4 。适配接 口板安装在潜水器前部横梁上，取芯器与潜水器相 连的2 根q b 6 m m 通径液压油管和1 根1 6 芯水密电 缆在两侧剪刀板中穿过。抛弃油缸及上活动剪刀板 行程4 5 m m 。 裂／、名c 主 、 ’ 广 ‘。’’’- J 一■商。岁、、、≤ 图4 抛弃机构结构示意 F i g ．4 S t r u c t u r eo fe s c a p i n gm e c h a n i s m 抛弃作业时，油缸推动两横销前移，先剪断油管 和水密电缆，横销再往前移一段经过脱离挂架的斜 面将脱离挂架向下推离固定挂架，取芯器在重力作 用下向下脱离，或载人潜水器在浮力作用下向上脱 离，从而达到使取芯器与载人潜水器安全分离的目 的。 5 ．8 液压系统 载人潜水器为取芯器提供工作和抛弃两路供油 回路。取芯器液压系统由液压控制阀箱和各执行元 件及油管等组成。主要液压控制回路包括左右调角 回路、前后调角回路、推进补偿回路、回转与推进回 路，见图5 。液压阀箱由液压阀组件、箱体、油管接 万方数据 第4 期万步炎等7 0 0 0 m 载人潜未器的配套钴结壳取芯器1 4 l 头、水密电缆接头、漏水传感器、压力补偿器等组成，兼作监控系统电缆分线箱。 图5 液压控制回路示意 F i g ．5 S c h e m eo fh y d r a u l i cc o n t r o lc i r c u i t 5 ．9 电控系统 电控系统具有机载传感器数据实时采集与集中 显示功能和对液压阀组的继电控制操作功能。 机载传感器包括钻头转速传感器、钻进深度传 感器、系统漏水检测报警传感器。其中钻头转速和 钻进深度以数值和模拟表盘两种方式显示在舱内操 作显示屏上，系统漏水检测报警则以红色信号灯方 式显示。 舱内操作显示屏上装有多个操作开关和旋纽， 通过这些操作开关和旋纽向液压控制阀给出控制信 号。该控制方式具有简单、直观、易学的优点。为防 止误操作，还采用了钥匙锁以及姿态调整和钻进功 能的互锁，保证取芯器取芯时不会改变姿态。此外 操作人员还能在线修改比例阀和控制器的参数。 6 实验室检测试验及结果分析 在实验室模拟条件下对所研制的样机进行了大 量钻孔取芯试验，以检验取芯器整机工作性能。试 验环境分别为空气中，水箱中和模拟7 0 0 0 m 水深的 高压试验水罐中。采用与载人潜水器相同性能指标 的液压动力源和控制电源 液压压力2 1 M P a 、流量 7 L ／m i n ；电源2 4 V D C ，试验钻进试块包括水泥砂浆 试块、水泥卵石试块、花岗石块和灰岩岩块，钻进压 力不大于4 0 0 N ，取芯尺寸为 5 0 r a mx 2 0 0 m m 。试验 结果表明，取芯器整机工作性能达到设计要求。由 于“7 0 0 0 米载人潜水器”配套母船的原因，目前尚无 法开展海上实钻试验。 图6 为在空气中对花岗岩进行钻孔取芯试验情 图6 在空气中对花岗岩进行钻孔取芯试验情况 F i g ．6 C o r ed r i l l i n gi n t og r a n i t eo nl a n d 图7 在水箱中对水泥块进行钻孔取芯试验情况 F i g ．7 C o r ed r i l l i n gi n t oc e m e n t e db l o c ki n ab o xf i l l e dw i t hw a t e r 况，图7 为在水箱中对水泥块进行钻孔取芯试验情 况。图8 为70 0 0m 高压试验水罐试验。图9 为钻 万方数据 1 4 2有色金属第6 1 卷 图8 在7 0 0 0 m 高压试验水罐中试验钻进 F i 吕8 C o r ed r i l l i n gi na7 0 M P ah i g } lp r e s s u r et e s t i n gc h a m b e r 取的芯样。 试验结果表明，在水下钻水泥砂浆试块的平均 钻进效率为8 ．9 m m ／m i n ，钻水泥卵石试块的平均钻 进效率为5 ．5 m m ／m i n 。假设海底钴结壳厚l O O m m ， 按8 ．9 m m ／m i n 的钻进效率钻孔需花1 1 ．3 m i n ，按 5 ，5 m m ／m i n 的钻进效率钻l O O m m 的基岩需花 1 8 ．2 m i n 。由此推断在海底钻取2 0 0 m m 岩芯约需 3 0 m i n 的时间。 影响取芯器钻进效率的因素较多，如钻压大小、 岩石硬度、水的阻力、钻头的磨损程度等，即使是在 图9 试验钻取的岩芯样品 F i g ．9 C o r e sd r i l l e d 同一钻进压力下，取芯器钻进效率也有一定差异。 通过试验得出的基本规律为取芯器钻进机构在水 中受浮力的影响使水下钻压变小，预调钻压时水下 的钻压要比空气中提高5 0 N ；由于取芯器在水中受 水阻力的影响，水中的钻进效率要比空气中低；钻进 效率随钻压提高而上升；钻进效率随钻头的磨损而 降低；岩石的硬度越大，钻进效率越低；取芯器对岩 石的实际钻进力通常小于设定的钻进力，只有当岩 石硬度很高或钻头磨损严重时，实际钻进力才会接 近或达到设定钻进力。 参考文献 [ 1 ] 李世伦，程毅，秦华伟，等．重力活塞式天然气水合物保真取样器的研制[ J ] ．浙江大学学报 工学版 ，2 0 0 6 ，4 0 5 8 8 8 8 9 2 ． [ 2 ] 万步炎，黄筱军．深海浅地层岩芯取样钻机的研制[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 6 ，2 6 s 1 4 9 5 1 ． [ 3 ] 武汉地质学院．钻探t 艺学 中 [ M ] ．北京地质出版社，1 9 8 1 1 2 1 3 ． 【4 ] Z h a oH o n g q i a n g ，H eQ i n g h u a ，C h e nQ i a n g e n ，e ta 1 ．R e s e a r c ho f7 0 0 0 md e e p s e ac o b a l ts a m p l e r [ 】] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f C o n s t r u c t i o nM a c h i n e r y ，2 0 0 5 ，3 4 4 2 5 4 3 0 ． C o b a l t - r i c hC r u s tC o r eS a m p l e rM o u n t e do nH u m a n - o p e r a t e dV e h i c l e W A N8 u - y a n l ”。Z H A N GG u a n 9 1 ．H U A N GX i a o - j u n 2 1 ．W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 2 ．C h a n g s h aI n s t i t u t eo fM i n i n gR e s e a r c h ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb a s i cs t r u c t u r e ，s p e c i f i c a t i o n sa n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec o b a l t r i c hc r u s t C R C c o r es a m p l e r m o u n t e do n ”7 0 0 0 mh u m a no p e r a t e dv e h i c l e H O V ”f o rd e e pseas a m p l i n ga r ed e s c r i b e d ．T h ek e yt e c h n i c a l p r o b l e m sa r ea n a l y z e d ，a n dt h em a j o rw o r k i n gp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da n dd e t e r m i n e d ．T h el a b o r a t o r yt e s tr e s u l t s a r ed e r i v e da n dr e o r g a n i z e d ． ’ K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；c o r es a m p l e r ；h u m a n - o p e r a t e dv e h i c l e ；c o b a l t r i c hc r u s t ；o p e r a t i o nt o o l s 万方数据