深部冰下基岩取心钻具反扭装置测试用冰孔制作方法和装置

《深部冰下基岩取心钻具反扭装置测试用冰孔制作方法和装置》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、深部冰下基岩取心钻具反扭装置测试用冰孔制作方法和装置［摘要］针对研发的南极冰下基岩取心钻具反扭系统模拟测试的需求，研制出了一种对反扭系统进行扭矩拉力测试用冰孔的制作装置，制作装置由制冰装置和扩孔钻具两部分组成。本文介绍了该装置的工作原理、结构及技术特点，冰孔制作方法及其在测试实验中的应用情况。［关键词］冰下基岩反扭系统测试冰孔［中图分类号］TM938.7［文献码］B［文章编号］1000-405X(2014)-1-104-10引言南极蕴藏着丰富的物质财富和科学资源，南极深部冰下基岩样品的研究具有重大意义。

2、目前极地深冰钻中普遍采用反扭装置来平衡铠装电缆电动机械钻具钻进时产生的扭矩，由于冰下基岩钻进相对于深冰钻进所需要的扭矩更大，因此验证其反扭装置的反扭能力是非常必要的，为此，我们研制了一种反扭装置测试用的冰孔制作装置(以下简称：装置)。1冰孔制作装置的结构及工作原理1.1冰孔制作装置的工作原理装置置于冬季寒冷的室外或冷冻装置内部，芯管与冰筒之间的环状间隙中加入有适当体积清水；冰筒和冰筒底盖组件之间加入有密封垫，用螺栓固定，保证装置密封性；芯管下端部与冰筒底盖组件上凸起嵌合，保证冰冻过程中冰孔的垂直度。在冰

3、冻一段时间后，拧松螺栓，取下冰筒底盖组件和密封垫，并向芯管中加入温水预热冰孔内壁，减弱冰孔内壁与芯管的粘结力，并用外力将芯管拔出，获得初始冰孔。利用扩孔钻、六方轴等对初始冰孔进行扩孔使冰孔直径达到要求，则内壁光滑、垂直度好、尺寸合格的试验用冰孔制作晁成。1.2冰孔制作装置的结构组成冰孔制作装置由制冰装置和扩孔钻具两部分组成。由冰筒、冰筒底盖组件、密封垫、芯管、冰、芯管固定套、扳杆、组合垫圈、螺塞组成。冰筒底盖组件设置有芯管定位座通过螺钉与底盖联接；芯管内部设有堵头通过焊接与芯管固定，冰筒底部法兰与密封垫

4、、冰筒底盖组件通过螺栓连接将冰筒底部封闭，芯管插入冰筒底盖组件设置的芯管定位座上与冰筒组成环状空间。在冰筒上部设有芯管固定套，冰筒中下部设置有温度传感器测试口，用于连接温度传感器注水前用组合垫圈、螺塞封闭。2冰孔制作方法冰孔制作主要分为三步，分别为冻冰、取芯管和扩孔。2.1冻冰组装好制冰装置，向制冰装置的环状空间注入适量的水（考虑到水凝固时体积膨胀，可使水面距外筒顶部约15cm）,将芯管固定套盖上，在低温环境中使水冻结成冰。2.2取芯管冻冰完成后，将冰筒底盖组件、密封垫拆除后向芯管中注入适量热水，适当时

5、间后将扳杆插入芯管上部设置的槽中转动芯管，将芯管取出形成初始冰孔。2.3扩孔利用扩孔钻、六方轴等对初始冰孔进行扩孔，人力旋转六方轴带动扩孔钻旋转，切削初始冰孔，并同时在六方轴顶端施加向下压力，在增加钻速的同时是扩孔钻自动对中，确保冰孔的垂直度。最终获得垂直度、孔径和内表面粗糙度都合格的试验用冰孔。3试验应用情况该实验装置于2012年12月末投入测试实验，在这期间在吉林省长春市吉林大学桥外实验室进行实验，共进行了9次实验，其中第1次实验未得到扭矩值，第4次实验所得实验数据偶然性较大，在第6次和第8次获得最

6、佳实验数据。在2012-2013年整个冬季的实验中共冻制了9个冰样，并利用反扭试验台对研发的反扭系统在制作的冰孔内进行了测试。该测试用冰筒在扩径完成后，首先将反扭装置沿冰筒轴线缓慢放入，刀片切入冰内壁即可；然后将冰桶安装在测试试验台上调正其位置，用螺栓将冰桶固定，测试准备工作完成。在寒冰中最低气温-19°C,最高气温-8°C,冰的实测温度-129时，冰孔直径134min,刀具直径136mm,反扭装置点动时最大扭矩4OONm,平均扭矩193N；连续转动时最大扭矩170Nm,平均扭矩140No环境温度最低温

7、度-8°C,最高温度-1°C,冻冰温度-7°C时，冰孔直径134mm,刀具直径136mm,反扭装置点动时最大扭矩232Nm,连续转动时最大扭矩109Nm,最大拉力398NO根据以上数据可以看出，该测试装置所制作冰孔满足模拟测试需要，并且根据相关资料对比得出，所得冰孔的物理状态达到模拟要求。4装置的特点多次的试验表明，该冰孔制作装置有以下特点：(1)装置结构设计合理。创新的上下端盖双重固定设计，达到了预期目标，较好地解决了冰孔垂直度的问题，消除了水凝固膨胀时对芯管的不均匀挤压作用，保证了冰孔垂直度；冰筒底

8、盖组件、密封垫和冰筒的螺栓固定确保了装置的密封性；扩孔钻具采用三向刀片均布，增强了扩孔时冰孔的垂直度。(2)冰孔制作效率高。环状冰孔内外侧均与外界直接接触，接触面积大，利于与外界快速进行热交换。试验结果表明在环境温度为-9〜-2(rc下约8小时可完成冻冰过程，约一个小时可制作出一个合格冰孔。满足测试实验对冰孔的需求量。(3)冰孔质量高。制作的冰孔在垂直度、径向尺寸以及内表面粗糙度等方面均满足测试试验要求。5结论测试用冰孔制作装置的设计、加工