魏治利， 臧 龍， 謝振權(quán)， 楊琦峰， 畢 進(jìn)

(1.湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

海底地層中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，包括石油、天然氣、多金屬結(jié)核結(jié)殼、熱液硫化物、天然氣水合物及海洋生物等，這一些資源具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。從2003年開始，國(guó)家大洋資源勘探工作的目標(biāo)從大洋金屬結(jié)核結(jié)殼轉(zhuǎn)向海底熱液硫化物。對(duì)于熱液硫化物礦一般采用海底中深孔巖心取樣鉆進(jìn)行鉆探。鉆機(jī)裝配于大型遠(yuǎn)洋科學(xué)調(diào)查船上，用鎧裝臍帶電纜吊放到海底，通過鎧裝臍帶電纜供電和通訊遙控在海底鉆進(jìn)并取得巖心。當(dāng)海底巖心取樣鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度超過10 m時(shí)，一般需要使用依次連接的多根鉆桿，要求鉆機(jī)在海底能夠全自動(dòng)遙控接卸鉆桿鉆具，并采取分段取心技術(shù)，即從儲(chǔ)管架上取出鉆桿一根根連接下去，提鉆時(shí)再一根根卸開鉆桿或鉆具并放回儲(chǔ)管架。由于鉆機(jī)工作在深海底，受到洋流、深水壓力、海底地形等的影響，因此，對(duì)鉆機(jī)各部件的可靠性、結(jié)構(gòu)和易操作性有著嚴(yán)格的要求。目前，國(guó)外已經(jīng)有的深海鉆機(jī)均采用與陸地自動(dòng)接卸桿鉆機(jī)類似的鉆桿鉆具儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)，帶有離合器和剎車裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作可靠性較差，不便于水下攝像觀察工作狀況，生產(chǎn)成本也較高。

為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供高性能、高質(zhì)量的鉆機(jī)，2012年，湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱飛碟公司)和長(zhǎng)沙礦山研究院成功合作開發(fā)了鉆深能力20 m的機(jī)型。其中，飛碟公司承擔(dān)了鉆桿鉆具儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)的開發(fā)，對(duì)穩(wěn)定鉆機(jī)的技術(shù)性能，提升整機(jī)的行業(yè)技術(shù)水平，縮小與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距具有重要的意義。

1 儲(chǔ)管架工作原理與結(jié)構(gòu)

海底自動(dòng)接桿卸桿儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)，通過上、下托架安裝在鉆架框架上面。在上托架下方安裝有一個(gè)分度盤,分度盤上均勻分布著與存儲(chǔ)架上存儲(chǔ)的鉆桿數(shù)相等的定位銷孔,在管架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上端套有轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架,通過轉(zhuǎn)動(dòng)油缸的推動(dòng)繞管架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心雙向擺動(dòng)旋轉(zhuǎn),其擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度等于分度盤上每相鄰兩個(gè)定位孔繞分度盤中心形成的夾角,在轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架上裝配有轉(zhuǎn)動(dòng)插銷油缸。在上托架上相應(yīng)位置裝有定位插銷油缸。轉(zhuǎn)動(dòng)插銷油缸和定位插銷油缸在液壓上并聯(lián)且反向連接,工作時(shí)油缸活塞桿一個(gè)伸出另一個(gè)收縮，相互配合轉(zhuǎn)動(dòng)油缸推動(dòng)分度盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分度。

在實(shí)際工作中，按照鉆孔工藝要求設(shè)計(jì)成雙排或單排儲(chǔ)管架，一個(gè)儲(chǔ)管架就可提供20個(gè)或10個(gè)鉆桿管位。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精準(zhǔn)度，本次設(shè)計(jì)采用兩個(gè)單排轉(zhuǎn)籠式儲(chǔ)管架，分別存放鉆桿和鉆具管組件。每個(gè)儲(chǔ)管架各帶兩只同步擺動(dòng)式雙機(jī)械手，分別用于鉆桿鉆具在孔口和儲(chǔ)管架管口位之間的運(yùn)送和裝配。

兩個(gè)轉(zhuǎn)籠式儲(chǔ)管架結(jié)構(gòu)基本相同，都采用轉(zhuǎn)動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)、正反雙向擺角轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)插銷油缸驅(qū)動(dòng)錐形插銷精確定位機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)式雙機(jī)械手，用于雙向抓取、移送鉆桿或鉆具管。鉆架框架下部安裝并聯(lián)的雙夾持器和卸扣器，分別用于夾持套管和鉆桿鉆具，并與機(jī)械手配合擰卸鉆桿鉆具下部絲扣。鉆桿上部絲扣則通過動(dòng)力頭上的主軸螺紋與機(jī)械手配合進(jìn)行擰卸。鉆桿儲(chǔ)管架總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉆桿儲(chǔ)管架總體結(jié)構(gòu)圖

2 主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 分度盤總成

分度盤總成由上托架、管架轉(zhuǎn)動(dòng)軸、分度板、轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架、分度轉(zhuǎn)動(dòng)油缸、轉(zhuǎn)動(dòng)插銷油缸、定位插銷油缸等主要部件組成。分度盤總成的結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

圖2 分度盤結(jié)構(gòu)正視圖

圖3 分度盤結(jié)構(gòu)后視圖

分度板和轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架通過管架轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝在上托架中心孔兩側(cè)，能夠繞軸心自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)插銷油缸，油缸活塞桿連接錐形插銷，工作時(shí)可進(jìn)入分度板上的定位孔內(nèi)。分度轉(zhuǎn)動(dòng)油缸一端用銷軸連接在上托架上，另一端用銷軸連接在轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架上，工作時(shí)可推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)插銷架雙方擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)。定位插銷油缸安裝在上托架上，油缸活塞桿端頭裝有錐形插銷，工作時(shí)可進(jìn)入分度板上的定位孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)定位分度功能。考慮到海水壓力的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)插銷油缸和定位插銷油缸的內(nèi)缸徑完全相等，活塞桿與錐形插銷的截面尺寸也完全相同，避免了誤操作的產(chǎn)生。上托架進(jìn)行了內(nèi)外壓力平衡處理，適應(yīng)海底作業(yè)。部件連接處需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，分別采用了銅襯套和不銹鋼材料，具有較好的自潤(rùn)滑和防腐蝕功能。

2.2 隔板與護(hù)欄

儲(chǔ)管架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上、下裝有兩個(gè)隔板總成，外圍裝配兩個(gè)圓形護(hù)欄。護(hù)欄與隔板之間留有適當(dāng)間隙，防止鉆桿鉆具意外掉落。在護(hù)欄朝向機(jī)械手的方向開有一個(gè)缺口，方便鉆桿鉆具運(yùn)送，進(jìn)出隔板。護(hù)欄通過支撐座固定在上、下油管走線槽上。隔板總成用法蘭串裝在管架轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，管位口的位置，在試機(jī)時(shí)精準(zhǔn)定位后配焊，具有很高的防沖擊性。有助于機(jī)械手準(zhǔn)確地抓取、放置鉆桿鉆具。

兩個(gè)隔板總成均勻同步旋轉(zhuǎn)一圈，有10個(gè)管位，都必須處在護(hù)欄缺口中間的同一位置，以便于機(jī)械手準(zhǔn)確抓取鉆桿鉆具。每一個(gè)隔板管位口旁邊安裝有鉆桿夾緊鉗，彈性有力地夾緊鉆桿鉆具，防止掉落。隔板與護(hù)欄的結(jié)構(gòu)見圖4、圖5。

圖4 隔板和圍欄結(jié)構(gòu)圖

圖5 隔板總成圖

隔板總成由隔板、鉆桿夾緊鉗、夾緊鉗座、彈簧、彈簧座、法蘭等組成。鉆桿夾緊鉗通過夾緊鉗座連接在隔板上，能夠自由旋轉(zhuǎn)。螺旋彈簧給予它很強(qiáng)的膨脹力，隔板管位口有鉆桿時(shí)便緊緊地卡住鉆桿，沒有鉆桿時(shí)，裝有限位螺釘進(jìn)行限制。鉆桿在機(jī)械手的幫助下能夠順利撞開鉆桿夾緊鉗進(jìn)、出管口位置。

2.3 機(jī)械手

由機(jī)械手旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)同軸雙夾持器進(jìn)行雙向擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)。機(jī)械手夾持器上的夾持口具有3個(gè)固定的停留位置，一個(gè)是抓管位置，即處于隔板管位口；一個(gè)是鉆桿對(duì)接位置，即處于與動(dòng)力頭主軸同心位；另外一個(gè)是機(jī)械手閑置位，即機(jī)械手不工作位置，此時(shí)，有足夠的空間方便動(dòng)力在滑道上移動(dòng)。機(jī)械手旋轉(zhuǎn)油缸，是兩作用雙活塞油缸，有長(zhǎng)、短兩個(gè)活塞桿，通過伸縮，形成3個(gè)行程狀態(tài)，能夠滿足工藝要求。

夾持器包括V形夾緊塊、夾緊油缸、連接塊、銷軸、油缸固定銷等。夾緊油缸工作時(shí)驅(qū)動(dòng)V形夾緊塊旋轉(zhuǎn)，卡緊或松開鉆桿鉆具，這種結(jié)構(gòu)具有限止鉆桿多個(gè)自由度的功能，可靠性好，從未出現(xiàn)鉆桿意外掉落的現(xiàn)象。機(jī)械手結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

承載環(huán)焊接在機(jī)械手豎管上，外側(cè)面與上、下托架接觸，支撐著機(jī)械手與鉆桿鉆具的總質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)臂與機(jī)械手豎管之間采用緊配合鍵聯(lián)接，很好地消除了間隙，方便夾持器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地抓取鉆桿。夾持器也焊在機(jī)械手豎管上，具有微調(diào)角度位置的能力，能夠消除部件制造和裝配誤差，實(shí)現(xiàn)無阻力地抓取鉆桿。鉆桿鉆具被卡緊后，兩端與動(dòng)力主軸、雙夾持器中心同軸度高。在實(shí)際反復(fù)工作過程中，機(jī)械手豎管容易彎曲變形，夾持器位置發(fā)生改變，為了克服這一個(gè)不良現(xiàn)象，我們采用了壁厚10 mm的無縫鋼管，取得了較好的效果。

2.4 液壓油缸

一般采用兩作用單桿或雙桿活塞式液壓缸，利用液壓力推動(dòng)活塞作正、反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)其它工作部件往復(fù)直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、裝拆方便、易于維修、可帶緩沖裝置及連接方式多樣等特點(diǎn)。

壓力：本設(shè)計(jì)采用G級(jí)壓力標(biāo)準(zhǔn)，適用于16～25 MPa;

密封：G級(jí)缸采用耐高壓、密封可靠的V形組合密封圈；

防塵：液壓缸采用聚胺脂或丁腈橡膠無骨架式防塵圈；

導(dǎo)向：采用聚胺脂或丁腈橡膠耐磨帶；

適用溫度：-40～80 ℃，不適用低于或高于這個(gè)范圍值的溫度；

結(jié)構(gòu)：由缸筒、活塞桿、導(dǎo)向套、活塞、橡膠密封件等組成。

油缸缸體采取調(diào)質(zhì)處理，HB=240～285。內(nèi)表面鍍鉻后再進(jìn)行研磨拋光，外表面涂耐油油漆?；钊麠U初加工后調(diào)質(zhì)HB=230～285,精加工時(shí)高頻淬火至HRC=45～55。外表面鍍鉻后拋光處理。3種主要工作油缸的結(jié)構(gòu)見圖7～9。

圖7 定位插銷油缸結(jié)構(gòu)圖

圖8 機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)油缸結(jié)構(gòu)圖

圖9 機(jī)械手夾緊油缸結(jié)構(gòu)圖

定位插銷油缸通過油缸壓板用6個(gè)螺栓固定在上托架上。錐形插銷用螺紋連接在油缸活塞桿一端，外圈裝有耐磨帶與上托架定位孔產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過伸縮進(jìn)、出分度板定位孔。

機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)油缸，是一個(gè)兩作用雙活塞桿油缸，長(zhǎng)、短兩個(gè)活塞桿通過配合或單獨(dú)工作，形成3個(gè)總行程長(zhǎng)度，推動(dòng)機(jī)械手夾持器旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到接卸鉆桿鉆具的工藝要求。油缸有4個(gè)進(jìn)出壓力油口，它的分布位置和方向要方便油管的安裝，并且不妨礙其它部件的運(yùn)行。

機(jī)械手夾緊油缸，通過兩個(gè)安裝孔用油缸固定銷裝配在夾持器內(nèi)。工作時(shí)，油缸在一定范圍內(nèi)繞安裝孔中心軸擺動(dòng)，活塞桿驅(qū)動(dòng)V形夾緊塊松開或卡緊鉆桿鉆具。

油缸一般采用不銹鋼銷軸連接，裝配后保證各部件運(yùn)動(dòng)靈活，無卡阻現(xiàn)象。在額定負(fù)荷下，使油缸以設(shè)計(jì)的最低速度全行程往復(fù)3次以上，無爬行等現(xiàn)象。油缸的活塞停留在全行程的一端，以1.5倍的額定壓力，保持15 min，油缸不得有內(nèi)、外泄漏和明顯的變形現(xiàn)象。

3 主要技術(shù)參數(shù)

通過市場(chǎng)調(diào)查，參考了國(guó)內(nèi)外同類型的幾種鉆機(jī)的技術(shù)特征后，所設(shè)計(jì)的深海底鉆機(jī)儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)如下：

(1)由于深海底工作環(huán)境的特殊性，海水壓力30 MPa以上，要求產(chǎn)品具有較高的抗高壓、耐腐蝕性。產(chǎn)品做一次防護(hù)措施后能連續(xù)在海底工作1個(gè)月。

(2)額定油壓為21 MPa時(shí)，驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)油缸工作，相關(guān)運(yùn)動(dòng)件旋轉(zhuǎn)自如，速度平穩(wěn)，工作效率高。

(3)儲(chǔ)管架穩(wěn)定性好，保證硫化物取心率≥50%，硬巖取心率≥70%。巖心完好性對(duì)礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)具有重要的意義，對(duì)提高鉆機(jī)取心率有重要的影響，同時(shí)，取心率是評(píng)價(jià)鉆機(jī)性能的重要參數(shù)。

(4)單個(gè)儲(chǔ)管架能安裝10根鉆桿，每根長(zhǎng)度2.0 m,直徑76或91 mm。

(5)鉆孔深度>20 m，終孔尺寸一般為?75 mm。

(6)鉆機(jī)系統(tǒng)流量為80 L/min，額定壓力為21 MPa，馬達(dá)扭矩為354 N·m，轉(zhuǎn)速為845.5 r/min。鉆深20 m作業(yè)時(shí)間<6 h，鉆進(jìn)硬巖最大普氏系數(shù)≮8。

(7)鉆機(jī)鉆孔傾角約90°，整機(jī)采用穩(wěn)定支持與調(diào)平技術(shù)。鉆機(jī)調(diào)平支腿設(shè)計(jì)了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)向外伸展的結(jié)構(gòu)。

4 實(shí)際應(yīng)用

深海底鉆機(jī)在“海洋六號(hào)”、“大洋一號(hào)”調(diào)查船上使用正常。在西南印度洋中的28座海山完成了150多次的取樣作業(yè)，最長(zhǎng)獲取到1.2 m的“白加黑”結(jié)殼巖心樣品，為中國(guó)大洋科學(xué)考察獲取了大量的實(shí)物樣品。部分巖心樣品見圖10。

圖10 采取的巖心樣品

深海底鉆機(jī)研究課題所涉及的研究?jī)?nèi)容和獲取的多項(xiàng)研究成果，為各種類型的海底取樣設(shè)備、海底現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備和海底綜合考查設(shè)備的研制開發(fā)提供了可借鑒的深海動(dòng)力和遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)。深海儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和固化，不僅可以使研發(fā)深海探測(cè)設(shè)備少走彎路，提高研發(fā)成功率，另一方面，為深海器件的國(guó)產(chǎn)化，產(chǎn)業(yè)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。從儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)與功能來看，還可運(yùn)用于其他淺海、江河、湖泊，甚至陸地的各種設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)安裝在鉆機(jī)上，在西南印度洋、南海等幾個(gè)施工工地進(jìn)行了不同深度、不同工藝的打孔作業(yè)?？咨?0～30 m，終孔?51.8～75 cm，能夠正常鉆進(jìn)，工作順利，綜合巖心采取率超過70%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。深海底巖心取樣鉆機(jī)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)外觀見圖11。

圖11 鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)外觀圖

5 結(jié)語

HDZ-20型儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)于2012年8月出廠了2臺(tái)，12月14日升級(jí)后又出廠1臺(tái)。8月出廠的2臺(tái)，在“海洋六號(hào)”調(diào)查船上使用正常，取得了完整的結(jié)殼巖心樣品。2016年，最新研發(fā)的HDZ-30型儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)，在西南印度洋、西太平洋富鈷結(jié)殼與稀土調(diào)查中得到應(yīng)用，進(jìn)一步提升了在行業(yè)內(nèi)的影響力。該項(xiàng)目達(dá)到了大洋科學(xué)考察的預(yù)期目的，為海洋環(huán)境熱點(diǎn)問題研究提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)支撐，并獲得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。因此，可以說，儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)是典型的，合理的，技術(shù)性能是可靠的。為開展深海地質(zhì)調(diào)查與大洋科考，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)科學(xué)活動(dòng)，推進(jìn)深海高新技術(shù)發(fā)展，以及人類和平利用海洋作出了重要的貢獻(xiàn)。

儲(chǔ)管機(jī)構(gòu)經(jīng)過幾個(gè)施工單位的實(shí)際應(yīng)用后，進(jìn)行了改進(jìn)完善，效果較好，該種機(jī)構(gòu)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)儲(chǔ)管架穩(wěn)定性好，沒有出現(xiàn)鉆桿意外掉落現(xiàn)象；

(2)鉆桿鉆具抓取、安裝時(shí)，管位口位置精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)無阻力夾持鉆桿鉆具；

(3)機(jī)械手夾緊鉆桿鉆具后與動(dòng)力頭主軸同心度好，工作效率高，可靠性好；

(4)儲(chǔ)管架工作時(shí)，平穩(wěn)性能好，震動(dòng)小，巖心管內(nèi)的巖心泄漏現(xiàn)象少見；

(5)在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，機(jī)械故障發(fā)生機(jī)率低，儲(chǔ)管架使用壽命長(zhǎng)。