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专利名称：管内内置式锥探机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及钻探技术，尤其是指一种海底土体原位静动态探测技术锥探设备中的管内内置式锥探机构。
背景技术：
海底土体原位静动态探测技术是用于调查海底土体的工程物理力学性质的一项重要手段，其基本工作原理是将探测头(简称CPT)以一定的速度压入土层中，有探测头测出压入过程中的锥尖阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力，由此计算出土体的工程力学特性。传统的探测技术中探测头的压入力和对压入速度的控制只能在地表进行，对土体的有效探测深度也被限制在15米以内，不能满足深部土体探测的需要；由于海水及海上波浪的影响，传统的探测技术更不能满足对海底土体探测的需要。

发明内容
本实用新型的目的在于设计一种管内内置式锥探机构，利用这种机构，可以方便地对海底土体进行原位静动态探测。
按照本实用新型所提供的设计方案，管内内置式锥探机构包括动力源、锁紧装置、悬挂装置及钻具机构，其特征是整个锥探机构的外形呈管状，动力源、锁紧装置、悬挂装置及扫孔钻头被安装在管状钻管内。
在锁紧装置与悬挂装置之间的管状空间内安装电液测控集成及伺服油缸，在悬挂装置的右侧安装扫孔钻头中的探杆及其锥探头。
在动力源中，电动机的输出端连接油泵，油泵的出口与油箱连接，在油箱内有浮动平衡活塞，油箱的另一端与提升连接机构连接。在油箱与油泵间有连接座。
在锁紧装置中，带有斜面的心轴与锁紧油缸的活塞杆连接，锁紧接头的两端分别与管状钻管连接，在锁紧接头的内壁设置卡瓦，在卡瓦上设置可以与心轴上的斜面吻合的斜面。在锁紧油缸的端部连接用于定位卡瓦的卡瓦座。
在悬挂装置中，悬挂接头的两端分别与管状钻管连接，在悬挂架内设置可以移动的凸块轴，在悬挂架上铰接悬挂钩，在悬挂钩的中部与悬挂架的右端之间连接复位弹簧，在悬挂钩的左端设置挂钩，在管状钻管的内壁设置可以被该挂钩勾住的定位凸台，在悬挂架设置扩张弹簧。
本实用新型可提高钻机的钻孔扫孔深度能力，可以实现对更深部土体地层进行静动态探测。从而扩大了静动态探测技术的应用范围。


图1为管内内置式锥探机构结构图。
图2为动力源结构图。
图3为悬挂装置结构图。
图4为锁紧装置结构图。
具体实施方式
如图1所示钻孔扫孔钻具8包括动力源1、锁紧装置2、悬挂装置5及钻具机构，整个锥探机构的外形呈管状，动力源1、锁紧装置2、悬挂装置5及扫孔钻头被安装在管状钻管39内。在锁紧装置2与悬挂装置5之间的管状空间内安装电液测控集成3及伺服油缸4，在悬挂装置5的右侧安装扫孔钻头中的探杆6及其锥探头7。其中，动力源1为伺服油缸4和锁紧装置2提供动力；锁紧装置2使锥探机构相对于钻杆内孔壁轴向定位；悬挂装置5为到位定位限制元件。悬挂装置5上的挂钩在弹簧力的作用下自动悬挂在钻孔扫孔钻具的悬挂接头上；锁紧装置2上的卡瓦在锁紧油缸的推力下经斜面增力将其定位锁紧在钻孔扫孔钻具的锁紧接头上；电液测控集成3密闭在管式密封罐中，通过水密接头与其他执行元件连接，对各执行元件的动作进行测控，指令液压控制阀控制伺服油缸4和锁紧装置2动作，并将测控数字信号传输到钻机控制计算机。
在动力源1中，电动机16的输出端连接油泵15，油泵15的出口与油箱13连接，在油箱13内有浮动平衡活塞12，油箱13的另一端与提升连接机构11连接。在油箱13与油泵15间有连接座14。动力源1为伺服油缸4和锁紧装置2提供动力；油箱13为管状密封容器，左端设有提升连接装置11和浮动平衡活塞12，右端经连接座14与油泵15及潜海水电机16相联接。浮动平衡活塞用于平衡油箱内油液与油箱外海水之间的压力差。
电液测控集成3是机构的检测和控制中枢，包括压力传感器、位移传感器、接近传感器、486芯片和集成控制电路板等组成的电子测控装置以及电磁换向阀和电磁比例调速阀等元件。所有元件集中设置在管式密封室中，密封室的上端与锁紧装置相连接，下端与伺服油缸相连接，在密封室的上下两端设置有密封接头作为检测和控制线路的通道。
伺服油缸4是管内内置式锥探机构的主要执行机构，为探杆6和锥探头7提供必需的推进力和推进速度。在伺服油缸4内装置有磁致伸缩式线性位移传感器，能准确地测量出活塞杆的移动量，亚且以数字方式传输到电子测控装置，电子测控装置根据检测到的油缸推进速度，调节控制电磁比例调速阀供给油缸的油量及压力，从而达到控制锥探头7的推进速度。
在锁紧装置2中，带有斜面的心轴34与锁紧油缸33的活塞杆连接，锁紧接头36的两端分别与管状钻管39连接，在锁紧接头36的内壁设置卡瓦31，在卡瓦31上设置可以与心轴34上的斜面吻合的斜面，在锁紧油缸33的端部连接用于定位卡瓦31的卡瓦座32。锁紧装置2的左侧与动力源1相连接，右端经接头室35与电液测控集成3的管式密封室相连接。卡瓦31与心轴34之间具有斜面增力效果，锁紧油缸33在压力油作用下，推动卡瓦31伸缩。当卡瓦31卡紧在钻孔扫孔钻具8的锁紧接头36上时，可以实现管内内置式锥探机构总成的锁紧定位。
在悬挂装置5中，悬挂接头26的两端分别与管状钻管连接，在悬挂架22内设置可以移动的凸块轴23，在悬挂架22上铰接悬挂钩21，在悬挂钩21的中部与悬挂架22的右端之间连接复位弹簧25，在悬挂钩21的左端设置挂钩38，在管状钻管39的内壁设置可以被该挂钩勾住的定位凸台37，在悬挂架22设置扩张弹簧24。悬挂装置5的左侧与伺服油缸4的活塞杆相连接，下部与探杆6相连接。悬挂钩21在扩张弹簧24的作用下，能自动张开悬挂在钻孔扫孔钻具8的悬挂接头26上实现悬挂定位。
钻孔扫孔钻具8包括若干根钻管39，一个或多个悬挂装置5和锁紧装置2以及一个扫孔钻头。锁紧装置2的左端与钻杆相连接，锁紧装置2、悬挂装置5以及扫孔钻头之间用钻管相连接，扫孔钻头接在钻孔扫孔钻具的最右端。钻孔扫孔钻具8可实现对已探测地层进行钻孔扫孔作业；在进行锥探探测时，管内内置式锥探机构的悬挂装置2和锁紧装置5分别作用在悬挂接头26和锁紧接头36上，实现悬挂与锁紧定位，为锥探探测提供作用反力。
本实用新型将所有零部件都设计成柱状结构，安装于管状的钻管内，通过升降绞车和铠装承载电缆提拉，由钻杆内孔中下放至海底钻孔扫孔钻具8内并自动定位锁紧，经船载钻机机台计算机控制伺服油缸4工作，使锥探杆6及锥探头7按一定的速度锥进，对海底(孔底)土体实行静动态探测。
当伺服油缸完成一次推进行程后，悬挂装置5又能在钻孔扫孔钻具8的下一个悬挂接头位置再次自动悬挂定位，电液测控集成3控制伺服油缸4自动复位并且继续进行下一个推进行程的锥探作业。如此实现在一个钻孔扫孔作业回次进行连续多次锥探探测，提高了锥探探测的效率。
采用管内内置式锥探机构为主要组成部分的探测技术后，不仅能满足对深部土体探测的需要，也能实现在海上对海底土体进行探测。其工作原理为船载钻机通过钻杆连接钻孔扫孔钻具，可实现对已探测地层进行钻孔扫孔作业；当钻孔扫孔作业完成后，用升降绞车和铠装承载电缆提拉将管内内置式锥探机构总成从钻杆内孔中放入，在到达钻孔扫孔钻具的预定位置后，管内内置式锥探机构的悬挂装置能自动悬挂在钻孔扫孔钻具上，再有锁紧装置锁紧使管内内置式锥探机构总成相对于钻杆内壁轴向定位。
启动钻机计算机控制后，管内内置式锥探机构的电子测控装置控制液压控制阀，使液压推进装置动作，驱动锥探杆及锥探头，以一定的推进速度进行锥探作业；管内内置式锥探机构产生的锥探推进反力则通过定位锁紧装置传递给钻杆，由钻杆柱及夹持它的海底基座来加以平衡。
锥探头的推进速度由管内内置式锥探机构的电子测控装置实时进行检测和控制，通过自动调整压力油的流量和压力来获得稳定的推进速度；锥探头获得的锥探数据则经铠装电缆传输到钻机计算机进行处理和储存，从而达到探明海底土体物理力学性能的目的。
当要探测更深部土体地层时，首先用升降绞车和铠装承载电缆提拉将管内内置式锥探机构总成从钻杆内孔中提出，开动钻机，利用钻孔扫孔钻具8将已经探测的地层段钻扫掉，然后再用升降绞车和铠装承载电缆提拉将管内内置式锥探机构总成从钻杆内孔中放入进行下一回次的锥探作业。
如在钻孔扫孔钻具8中设置多个定位接头和悬挂接头，则可实现在一个钻孔扫孔作业回次进行多级锥探探测作业。即当伺服油缸完成一次推进行程后，管内内置式锥探机构的定位装置恰好到达钻孔扫孔钻具8的下一个悬挂接头位置，并且自动进行定位，船上钻机计算机指令电子控制装置使伺服油缸复位，伺服油缸复位后锁紧装置到达钻孔扫孔钻具的下一个锁紧接头位置并且自动锁紧定位，紧接着对土体地层进行第二次推进探测。如此可以反复进行多次探测，达到使用较短行程的伺服油缸来获得较长探测深度的目的，提高探测工作的效率。
权利要求1.管内内置式锥探机构，包括动力源(1)、锁紧装置(2)、悬挂装置(5)及钻具机构，其特征是整个锥探机构的外形呈管状，动力源(1)、锁紧装置(2)、悬挂装置(5)及扫孔钻头被安装在管状钻管(39)内。
2.根据权利要求1所述的管内内置式锥探机构，其特征是在锁紧装置(2)与悬挂装置(5)之间的管状空间内安装电液测控集成(3)及伺服油缸(4)，在悬挂装置(5)的右侧安装扫孔钻头中的探杆(6)及其锥探头(7)。
3.根据权利要求1所述的管内内置式锥探机构，其特征是在动力源(1)中，电动机(16)的输出端连接油泵(15)，油泵(15)的出口与油箱(13)连接，在油箱(13)内有浮动平衡活塞(12)，油箱(13)的另一端与提升连接机构(11)连接。
4.根据权利要求3所述的管内内置式锥探机构，其特征是在油箱(13)与油泵(15)间有连接座(14)。
5.根据权利要求1所述的管内内置式锥探机构，其特征是在锁紧装置(2)中，带有斜面的心轴(34)与锁紧油缸(33)的活塞杆连接，锁紧接头(36)的两端分别与管状钻管(39)连接，在锁紧接头(36)的内壁设置卡瓦(31)，在卡瓦(31)上设置可以与心轴(34)上的斜面吻合的斜面。
6.根据权利要求5所述的管内内置式锥探机构，其特征是在锁紧油缸(33)的端部连接用于定位卡瓦(31)的卡瓦座(32)。
7.根据权利要求1所述的管内内置式锥探机构，其特征是在悬挂装置中，悬挂接头(26)的两端分别与管状钻管连接，在悬挂架(22)内设置可以移动的凸块轴(23)，在悬挂架(22)上铰接悬挂钩(21)，在悬挂钩(21)的中部与悬挂架(22)的右端之间连接复位弹簧(25)，在悬挂钩(21)的左端设置挂钩(38)，在管状钻管(39)的内壁设置可以被该挂钩勾住的定位凸台(37)，在悬挂架(22)设置扩张弹簧(24)。
专利摘要本实用新型涉及钻探技术，尤其是指一种海底土体原位静动态探测技术锥探设备中的管内内置式锥探机构。按照本实用新型所提供的设计方案，管内内置式锥探机构包括动力源、锁紧装置、悬挂装置及钻具机构，其特征是整个锥探机构的外形呈管状，动力源、锁紧装置、悬挂装置及扫孔钻头被安装在管状钻管内。应用该机构将锥探探测设备设计成柱状结构，由升降绞车和铠装承载电缆提拉通过钻杆内孔下放至海底钻孔扫孔钻具内，经船载钻机机台计算机控制管内内置式锥探机构工作，推动锥探探头按一定的速度锥进，实现对海底土体进行原位静动态探测。
文档编号G01N33/00GK2752756SQ20042005419
公开日2006年1月18日 申请日期2004年12月6日 优先权日2004年12月6日
发明者石要红, 朱国平, 王德龙, 关彪 申请人:无锡市双帆钻凿设备有限公司, 广州海洋地质调查局