[發(fā)明專利]一種回轉(zhuǎn)切削式冰層熱熔鉆進(jìn)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810743076.1
• 申請日: 2018-07-09
• 公開（公告）號: CN108625775B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范曉鵬;田雪飛;何流遠(yuǎn);韋漢富;范瑋彤;郝穎;李亞洲
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: E21B7/00
• 分類號: E21B7/00;E21B7/15;E21B10/42
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

一種回轉(zhuǎn)切削式冰層熱熔鉆進(jìn)裝置，其熱熔鉆頭為鉆進(jìn)主要部件，分為上下兩部分，上部熱熔鉆頭內(nèi)設(shè)置有加熱棒，通電后可將鉆頭加熱到較高的溫度，但考慮加熱棒布置受限，容易在鉆頭頭部形成冷端，影響熱熔鉆頭底部的溫度使得鉆進(jìn)速度下降，熱熔鉆頭下部的徑回轉(zhuǎn)切削刀頭直徑小于上部熱熔鉆頭直徑，通過回轉(zhuǎn)切削冰層完成鉆進(jìn)，切削形成的冰屑由上部鉆頭加熱融化。熱熔鉆頭上部外側(cè)加工有三條螺旋翼片，熱熔鉆頭內(nèi)的加熱棒接線處進(jìn)行良好密封。本發(fā)明采用熱熔和機(jī)械相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免鉆頭頭部形成冷端，同時由于回轉(zhuǎn)對孔內(nèi)融水的擾動，有利于提高融水與冰層的換熱系數(shù)，使熱量更多的用于融冰鉆進(jìn)，提高了鉆進(jìn)速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種回轉(zhuǎn)切削式冰層熱熔鉆進(jìn)裝置。

背景技術(shù)

冰川覆蓋了地球表面約10％的陸地面積，它們主要分布在地球的南北兩極及高海拔山區(qū)。鉆探技術(shù)在冰川科學(xué)研究中發(fā)揮著重要的作用。通過鉆探技術(shù)不僅可以獲取冰芯，而且可以通過鉆孔安裝科學(xué)儀器，直接觀測冰川內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定冰川厚度、流速、密度及溫度等各種參數(shù)。熱熔鉆進(jìn)方法是利用冰層熔點(diǎn)低的特性，采用高熱表面接觸冰層，使冰融化為水從而成孔的鉆探方法，因其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、鉆進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，熱熔鉆進(jìn)在冰川和南北極鉆探中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，眾多科學(xué)家又提出熱熔鉆進(jìn)裝置是探索南極冰下湖及木衛(wèi)二、土衛(wèi)二等含冰凍層外星球的有效手段。

目前熱熔鉆頭的設(shè)計(jì)多采用在銅或鋁基體內(nèi)埋置加熱元件實(shí)現(xiàn)加熱，受到加熱元件結(jié)構(gòu)尺寸限制，很難在熱熔鉆頭內(nèi)布置大量加熱棒達(dá)到預(yù)期的功率需求，且常規(guī)方法容易在鉆頭頭部形成冷端，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種回轉(zhuǎn)切削式冰層熱熔鉆進(jìn)裝置。本發(fā)明采用機(jī)械和熱熔相結(jié)合的方式，在熱熔鉆頭頭部設(shè)置小直徑回轉(zhuǎn)切削刀頭，對鉆頭易形成冷端的區(qū)域采用回轉(zhuǎn)切削方式鉆進(jìn)，上部鉆頭則設(shè)置加熱棒進(jìn)行熱熔鉆進(jìn)，同時融化下部回轉(zhuǎn)鉆頭切削下的冰屑。本發(fā)明將大大提高熱熔鉆進(jìn)熱量利用率，降低熱損耗，提高鉆進(jìn)速度。

一種回轉(zhuǎn)切削式冰層熱熔鉆進(jìn)裝置包括有上蓋，電纜終端，反扭外管，反扭片，緊固螺釘，壓板，變徑接頭，外管，電機(jī)，電機(jī)固定座，電機(jī)螺釘，滑環(huán)，軸承擋圈，上軸承，軸承座，長軸套，下軸承，短袖套，密封圈，旋轉(zhuǎn)軸，熱熔鉆頭，加熱棒和切削刀頭；

電纜穿過上蓋進(jìn)入鉆進(jìn)裝置內(nèi)，電纜終端采用兩個半球形塊將電纜夾持在中心，起到固定電纜的作用，上蓋與反扭外管采用螺紋連接，反扭片和壓板通過緊固螺釘固定在反扭外管上，壓板形狀為弧形，目的是使反扭片與反扭外管緊密貼合。反扭外管下端通過變徑接頭與外管相連。

電機(jī)通過電機(jī)螺釘固定在電機(jī)固定座上，電機(jī)固定座用螺釘與外管固定。電機(jī)輸出軸與旋轉(zhuǎn)軸采用螺紋連接。滑環(huán)轉(zhuǎn)子用螺釘固定在旋轉(zhuǎn)軸上，滑環(huán)定子則與外管相連。旋轉(zhuǎn)軸中部通過上軸承與下軸承支撐在外管內(nèi)，保證旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)時與外管保持較高的同心度。上軸承與下軸承通過短軸套、長軸套和軸承擋圈與旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定位，軸承座用螺釘固定在外管上，分別對上軸承與下軸承與外管進(jìn)行定位，保證上軸承與下軸承在鉆進(jìn)時不會出現(xiàn)軸向位移。旋轉(zhuǎn)軸下部通過螺釘固定在熱熔鉆頭上部，熱熔鉆頭上部安裝有兩道密封圈，通過旋轉(zhuǎn)軸下部內(nèi)柱面與密封圈形成柱面密封，防止融水從旋轉(zhuǎn)軸與熱熔鉆頭連接處進(jìn)入熱熔鉆頭內(nèi)部從而引起熱熔鉆頭內(nèi)加熱棒短路損壞。熱熔鉆頭內(nèi)部布置有加熱棒，兩者采用間隙配合。熱熔鉆頭外側(cè)加工有三條螺旋翼片，輔助鉆進(jìn)切削和傳熱，切削刀頭用螺紋固定在熱熔鉆頭上，且與熱熔鉆頭同時回轉(zhuǎn)。熱熔鉆頭上部直徑大于切削刀頭直徑。

本發(fā)明的工作過程：

本鉆進(jìn)裝置采用地表絞車通過電纜將鉆進(jìn)裝置提放以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)熱熔鉆進(jìn)。開始鉆進(jìn)時，采用地表絞車緩慢將鉆進(jìn)裝置下放至熱熔鉆頭與冰層接觸，并開始為鉆進(jìn)裝置供電，使電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)軸帶動熱熔鉆頭回轉(zhuǎn)，同時開始為加熱棒供電，加熱鉆頭，此時由于反扭片未進(jìn)入孔內(nèi)，鉆進(jìn)裝置無法自平衡扭矩，因此需要人員輔助提供反扭矩，當(dāng)鉆進(jìn)裝置上方反扭片進(jìn)入孔內(nèi)后即可自行鉆進(jìn)。