具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明所述的深海运载器岩芯取样运转装置包括深海原位取芯模块1和岩芯保存转运模块2，通过深海原位取芯模块1钻取得到的岩芯样品被输送至岩芯保存转运模块2，通过岩芯保存转运模块2将岩芯样品无损保存并转运至实验室内。

如图1至图7所示，深海原位取芯模块1包括联轴器3、钻头外轴4、温压传感器7、取芯钻头8、取芯管9和溢流阀10，钻头外轴4的顶端通过联轴器3与深海运载器的机械手连接，钻头外轴4的底端固定有取芯钻头8，钻头外轴4内设有取芯管9，通过深海原位取芯模块钻取得到的岩芯样品进入取芯管9内，本实施例中的取芯管9由水润滑聚酯纤维制成，确保岩石在取芯过程中始终保持层序信息。钻头外轴4的上部设有溢流阀10，溢流阀10为单向设计，即海水只能从钻头外轴的内部流向钻头外轴的外部，当在取样过程中，钻头外轴4内的液体受挤压导致管内压力增大时，可通过溢流阀10进行泄压，保证取芯的有效性。钻头外轴4内设有拉线式取芯长度感应传感器5，取芯管9内设有浮片式取芯长度感应传感器6，浮片式取芯长度感应传感器6用于取芯长度的实时监测，通过拉线式取芯长度感应传感器5和浮片式取芯长度感应传感器6之间相互配合，通过电阻感应反馈的方法，检测电压信号反演计算出岩芯的长度值。取芯钻头8内设有温压传感器7，通过温压传感器7，对钻具内的深海水温度和水压进行检测，实现多参数科学测量。

如图3至图7所示，取芯钻头8包括主切削刀片11、副切削刀片12、钻进定位环13、排屑槽14和钻头基体15，钻头基体15的顶端通过紧固螺纹33与钻头外轴4固定连接，钻头基体15的中心设有取芯孔，取芯孔与取芯管9连通。钻头基体15的底端表面的中部且沿取芯孔的环形边缘设有钻进定位环13，钻进定位环13外侧的钻头基体底部表面上间隔设置有数组切削刀片，每组切削刀片包括一个主切削刀片11和一个副切削刀片12，主切削刀片11沿钻头基体15的环向设置，副切削刀片沿钻头基体15的径向设置，即主切削刀片11和副切削刀片15之间呈垂直设置。钻头基体15的环形侧面上间隔设置数个排屑槽14，排屑槽14对应设置在每组切削刀片的主切削刀片11和副切削刀片12之间。

主切削刀片11包括主切削刀片主切削面18、主切削刀片副切削面17、主切削刀片前刀面19、主切削刀片后刀面16、主切削刀片前侧壁20和主切削刀片内侧壁21，主切削刀片11的顶部表面与钻头基体15的底部表面固定连接，主切削刀片11的底部表面由主切削刀片主切削面18和主切削刀片副切削面17组成，主切削刀片主切削面18位于主切削刀片副切削面17的外侧，主切削刀片主切削面18和主切削刀片副切削面17相交于主切削刀片主切削刃，主切削刀片主切削刃沿钻头基体的环形设置。主切削刀片11的前端面由主切削刀片前刀面19和主切削刀片前侧壁20组成，其中主切削刀片前刀面19同时与主切削刀片主切削面18和主切削刀片副切削面17相交，其交点为主切削刀片的刀尖。主切削刀片11的后端面为主切削刀片后刀面16，主切削刀片前刀面19通过切削刃过渡区22和主切削刀片副切削面17延伸至主切削刀片后刀面16，通过切削刃过渡区22实现了多刃切削，提高了钻削加工效率。主切削刀片前刀面19通过主切削刀片前侧壁20与钻头基体15固定连接。主切削刀片主切削面18通过主切削刀片外侧壁与钻头基体15固定连接，主切削刀片副切削面17通过主切削刀片内侧壁21与钻头基体15固定连接。主切削刀片主切削面18和主切削刀片副切削面17沿从主切削刀片前刀面到主切削刀片后刀面的方向由高到低倾斜设置，因此主切削刀片外侧壁和主切削刀片内侧壁21均近似为梯形。

本实施例中设置了三组切削刀片，因此在钻头基体15上设有三个主切削刀片，三个主切削刀片上的刀尖沿钻心环布设置，取芯钻头的初始切削由主切削刀片承担。本实施例中，主切削刀片的刀尖的高度为3mm，为适应复合材料小轴向力要求，主切削刀片的厚度为钻头直径的0.1-0.2倍，主切削刀片的环向长度为钻头直径的0.3倍。主切削刀片在钻头基体上定位时逆旋转方向取一定角度，该交底称为主切削刀片的旁通角，主切削刀片的旁通角为5°-8°。主切削刀片的负前角为15°-18°。

副切削刀片12包括副切削刀片副切削面23和副切削刀片主切削面25，副切削刀片副切削面23和副切削刀片主切削面25相交于副切削刀片主切削刃，副切削刀片主切削刃沿钻头基体的径向设置，且副切削刀片主切削刃与主切削刀片主切削刃之间呈垂直设置。副切削刀片12朝向钻心方向设有副切削刀片后刀面30，副切削刀片副切削面23、副切削刀片主切削面25和副切削刀片后刀面30相交，其交点为副切削刀片12的刀尖。副切削刀片12朝向钻头环形边缘的一侧设有副切削刀片前刀面24。副切削刀片12呈锥形设置，即副切削刀片底部的尺寸小于副切削刀片顶部与钻头基体15连接处的尺寸。副切削刀片副切削面23与副切削刀片主切削面25连接处的高度高于副切削刀片副切削面23其它部位的高度，因此副切削刀片副切削面23呈倾斜设置，且副切削刀片副切削面23的倾斜方向与主切削刀片副切削面17的倾斜方向相同。

由于本实施例中设置了三组切削刀片，因此在钻头基体15上设有三个副切削刃刀片，三个副切削刃刀片沿钻心环布设置，副切削刃刀片承担了岩石破碎功能。本实施例中，副切削刀片12的刀尖高度为1.8mm，副切削刀片主切削面25沿钻头基体的径向设置，其沿钻头基体的径向尺寸为10mm，副切削刀片副切削面23沿钻头基体的环向设置，副切削刀片沿钻头环形的尺寸为钻头直径的0.15倍，副切削刀片的旁通角为5°-8°，副切削刀片的负前角为15°-18°。副切削刀片由高强硬质合金制成。

排屑槽14包括排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28，排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28相交，排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28组成横截面呈三角形的凹槽。排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28的上方分别设有排屑槽上侧壁26，排屑槽上侧壁26与排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28之间分别呈折线形连接，排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28的下方分别设有排屑槽下侧壁29，排屑槽下侧壁29与排屑槽左排屑壁27和排屑槽右排屑壁28之间分别呈折线形连接。排屑槽14为不规则的槽形，通过水动力学实验数据分析，不规则的开槽方式可促进转体过程中水体加快运动，排屑槽下侧壁采用了垂直设计，从而确保良好的水流导向。本实施例中，排屑槽的最大宽度为钻头直径的0.2-0.25倍。

钻进定位环13包括定位环壁32，定位环壁32的一端与钻头基体固定连接，定位环壁的另一端设有定位环尖端31。通过设置钻进定位环，保证了基岩在钻进破碎后形的柱状岩芯能够顺利进入取芯机构，并且不影响岩芯内翻动作。本实施例中，钻进定位环的高度为2mm，厚度为1mm。

如图7所示，该钻头基体的底部表面采用四个环状构型，从外至内依次为切削环35、破屑环36、定位环外壁37和定位环内壁38，其中数个主切削刀片的刀尖34组成切削环35，主切削刀片刀尖34先以点接触的方式划破岩石，使得钻头能快速定心，保持钻进稳定性。数个副切削刀片的刀尖组成破屑环36，钻进定位环13包括定位环外壁37和定位环内壁38。通过四个环状构型，可以辅助岩芯在钻进推进过程中由于深海运载器扰流影响造成钻头颤抖从而影响连续钻进取芯效果。

本实施例中，主切削刀片和副切削刀片采用镶焊PDC复合片和低温电铸固镶金刚石两种工艺的结合，其中主切削刀片和副切削刀片的主切削面采用了微粉级固镶金刚石涂覆设计，具有自锐能力，刀口锋利；主切削刀片和副切削刀片的副切削面采用了PDC合金复合涂覆设计，具有高强度和耐热性，因此能够在较低的切削具和较低的转速带条件下实现高速钻进，并能在整个使用过程中保持高速钻进的效果。

主副切削刀片组成的立刃定位环略大于钻头定位头的直径，防止岩心在钻进过程中阻塞取芯通道。

如图8所示，岩芯保存运转模块2包括转运保护外壳39、保存桶40、密封端盖42、卡套式外螺纹接头43、单向压力球阀44、双外牙接头45，转运保护外壳39设有间隔设置数个保存桶40，深海原位取芯模块钻取得到的岩芯样品46存放在保存桶40内。由于该装置主要用于大洋科考过程中由深海获取的岩石样品保存及后续运转至实验室的保护，为最大确保深海岩石样品的理化原位状态，岩芯保存运转模块2采用充氮气隔绝空气的密封设计，每个样品均独立充氮密封存储。每个保存桶40的顶端设有密封端盖42，密封端盖42与保存桶40之间设有密封圈41，通过密封圈41对保存桶40进行密封。卡套式外螺纹接头43、单向压力球阀44、双外牙接头45组成联通接头，氮气源通过该联通接头注入保存桶40内，联通接头起到了充氮以及隔绝空气的作用。本实施中，卡套式外螺纹接头43采用MC型卡套式外螺纹接头，双外牙接头45采用HN型双外压接头。

该装置的工作过程如下所述，本实施例中以蛟龙号载人潜水器作为深海运载器描述其详细的工作过程。

潜水器作业前，将该装置的深海原位取芯模块1与钻机系统进行组装、系统联调，具备作业能力，组装后的潜水器如图9所示。蛟龙号载人潜水器下潜至指定深度开展作业，舱内潜航员通过ICL无线控制方式对该装置的传感器进行开机及自检，校验温度、压力值、取芯长度等数值。到底后，潜航员通过高清视频信号开展巡航，抵达指定区域坐底开展取样。取芯作业时，潜航员操作蛟龙号主从式七功能机械手将钻机系统夹持垂向锚定，与此同时蛟龙号潜水器启动自动定高模式，通过操作手微调液压推进机构，使得钻机中的钻头缓慢加载至岩石处，并保持100-400N的加压力，确保钻压力，手动开启钻机取芯作业，取样过程中取芯管9内受挤压，水体压力变大，当达到一定压力值后，溢流阀10触发并泄压，确保岩芯顺利进入取芯管9内。该过程中可通过拉线式取芯长度感应传感器5和浮片式取芯长度感应传感器6实时获取原位监测的取芯长度值，达到取样要求后可停止作业，操作机械手将钻具机构放回，深海原位取芯模块随蛟龙号返回至母船后。此时岩石样品保存在水润滑聚酯纤维的取芯管内，层序信息保持原始状态。

带有深海原位取芯模块1的钻机系统随运载器回收至母船甲板后，立即开展岩芯的转运和保存工作，首先将深海原位取芯模块1手动由钻机拧出；其次取出模块装有岩芯的取芯管9，将取芯管9整体放置到岩芯保存运转模块2的保存桶40内，实现保存运输过程中的无损防护，密封端盖42采用螺钉紧固在保存桶40的顶端，并通过密封圈41进行密封；最后将氮气源通过卡套式外螺纹接头43-单向压力球阀44-双外牙接头45连接，向保存桶40内充满氮气，构成了隔绝空间，最大程度保护岩芯，从而最终实现了深海岩芯层序信息原位保存及海上快速无损转运。

以上对本发明所提供的深海运载器岩芯取样运转装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。