本实用新型涉及一种热水钻进系统，特别涉及一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统。
背景技术：
南极冰架是南极冰盖经过漫长时间的流动而延伸至海洋而形成的，冰架物质平衡是冰盖动态变化的主要过程之一,准确地掌握冰架物质平衡过程,才可能精确定量研究极地冰盖的动态变化及其对全球环境变化(海平面、大洋洋流循环和大气循环等)的影响。冰架物质平衡过程主要包括冰川冰流输入、冰架表面积累与消融、冰架前缘崩裂和冰架底部的冻融等。然而，直接观测冰架底部的融化和冻结比较困难，迄今为止,对冰架底部进行的直接观测技术手段非常有限,主要通过从冰架表面架设钻机向冰架的深部冰层开展钻进，直至钻穿冰架，进行冰架底部观测研究。南极冰架接地线附近的冰架厚度最厚达到2000多米，这种常规钻进方法钻穿冰架需要耗费大量的时间、人力和物力，给南极科考带来较大的后勤保障压力。因此，急需一种钻具，直接在冰架底部冰层开展从下往上的仰孔钻进和观测研究。
另外，一些水下潜航器经过长时间的潜航，到达离冰架前沿较远的位置而进入到到冰架深部区域，由于冰架较厚冰层的阻碍，潜航器无法一直接收到水面信息。因此，潜航器必须在一定的有效通讯距离向海面投放通讯浮标，用以信号的传输和接收，以此来实现与指挥机构的通讯。为了能快速投放浮标，急需一种能够在冰架底部从下往上的快速钻穿冰层的钻进技术。
热水钻进是目前冰层钻进所有方法中最为快速和高效的一种方法，即利用高温热水通过喷嘴实现高压喷射，融化冰层进行钻进。研发一种能够沿冰层钻孔孔壁自动爬升的极地冰架底部无钻杆仰孔热水钻进系统，可以利用该系统进行快速仰孔钻进而获得冰架底部钻孔通道和定向冰芯。
技术实现要素：
本实用新型的目的是为了解决在南极进行冰层钻进过程中常规钻进方法钻穿冰架需要耗费大量的时间、人力和物力，给南极科考带来较大的后勤保障压力的问题而提供的一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统。
本实用新型提供的用于冰架底部的仰孔热水钻进系统包括有水下潜航器、热水钻钻具、控制系统、锅炉、高压泵、动力柜和绞车，其中热水钻钻具设在水下潜航器的顶部，控制系统、锅炉、高压泵、动力柜和绞车设在水下潜航器的内部，锅炉与高压泵相连接，高压泵通过水管与绞车上缠绕的软管相连接，软管与热水钻钻具相连接，锅炉里的热水通过高压泵和软管被输送到热水钻钻具内，动力柜通过软管与热水钻钻具相连接，动力柜通过导线与锅炉相连接，动力柜为热水钻钻具和锅炉提供动力，控制系统与热水钻钻具、高压泵和动力柜相连接，控制系统控制热水钻钻具、高压泵和动力柜的工作。
热水钻钻具与水下潜航器之间设有联结座，热水钻钻具中间部位开设有输水管道，输水管道与绞车上缠绕的软管相连接，热水钻钻具的上部装配有称重传感器，称重传感器与控制系统相连接，称重传感器能够把采集的数据及时发送到控制系统内，热水钻钻具的两侧装配有数个爬升齿轮，相同侧的爬升齿轮之间通过传动带连接进行同步转动，每个爬升齿轮与热水钻钻具本体之间均设有定位弹簧，爬升齿轮由热水钻钻具本体内设置的伺服电机进行驱使转动，伺服电机与爬升齿轮的连接线路上设有减速机，伺服电机与动力柜和控制系统相连接，伺服电机由动力柜提供动力并由控制系统控制工作，热水钻钻具的底部设有密封接头。
称重传感器设有三个，爬升齿轮设有六组十二个，爬升齿轮之间的传动带为皮带或链条。
绞车上缠绕的软管中间设有输水管用于锅炉内热水的输送，软管的侧壁上装配有电力线和信号线用于动力柜内的电力传输和控制系统内指令信号的传输。
控制系统是由信号接收器、信号处理器、可编程控制器和信号发生器组成，其中信号接收器左侧与称重传感器相连，信号接收器右侧与信号处理器相连，称重传感器采集的数据能够通过控制系统内的信号接收器传输到信号处理器，信号处理器与可编程控制器相连接，可编程控制器的另一侧与信号发生器相连接，可编程控制器和信号发生器装配在控制系统的输出端，信号发生器还与伺服电机相连，可编程控制器将接收到的信号编辑处理后，形成指令由信号发生器及时传输到伺服电机。
上述的锅炉、高压泵、动力柜、称重传感器、伺服电机和减速机均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本实用新型的工作原理：
本实用新型提供的用于冰架底部的仰孔热水钻进系统中的热水钻钻具竖直安装在水下潜航器上，水下潜航器内部锅炉加热热水，在接近冰架底部冰层后，高压泵将加热后的热水由软管泵送至热水钻钻具内，经热水钻钻具顶部的喷嘴开始喷射并且融化冰层进行钻进，当热水钻钻具进入冰层一定深度，爬升齿轮开始接触并且嵌入冰层时，水下潜航器打开联结座将热水钻钻具释放，并且同时给伺服电机通电，使爬升齿轮开始顺时针转动带动热水钻钻具继续上升。称重传感器用于监测热水钻钻具顶部压力，如果爬升齿轮转动过快，而冰层融化较慢，则热水钻钻具顶端将会承受一定的压力，如果爬升齿轮传动速度小于冰层融化速度，则热水钻钻具顶端所受压力较小。因此，称重传感器示数能够实时反应钻进状态，称重传感器向控制系统发出信号，控制系统收到信息后反馈给伺服电机，据此调整伺服电机转动速度，从而控制钻进速度。随着钻进深度逐渐增加，潜航器内部的绞车也逐渐旋转用以输送足够长度的软管。动力柜用于给钻进系统提供电力输出。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的用于冰架底部的仰孔热水钻进系统结构设计独特，原理清晰，能够沿冰层钻孔孔壁自动爬升，在极地冰架底部从下往上进行仰孔钻进，对冰架底部冰层开展钻进和观测研究。另外，这种钻进方法获得的冰架钻孔通道，能够帮助水下潜航器快速钻穿冰架，投放浮标，提高潜航器通信能力。
附图说明
图1为本实用新型所述钻进系统整体结构示意图。
图2为本实用新型所述热水钻钻具结构示意图。
图3为本实用新型所述软管结构示意图。
图4为本实用新型所述控制系统结构示意图。
上图中的标注如下：
1、水下潜航器2、热水钻钻具3、控制系统4、锅炉5、高压泵
6、动力柜7、绞车8、软管9、联结座10、输水管道
11、称重传感器12、爬升齿轮13、传动带14、定位弹簧
15、伺服电机16、减速机17、密封接头18、输水管19、电力线
20、信号线21、信号接收器22、信号处理器23、可编程控制器
24、信号发生器。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示：
本实用新型提供的用于冰架底部的仰孔热水钻进系统包括有水下潜航器1、热水钻钻具2、控制系统3、锅炉4、高压泵5、动力柜6和绞车7，其中热水钻钻具2设在水下潜航器1的顶部，控制系统3、锅炉4、高压泵5、动力柜6和绞车7设在水下潜航器1的内部，锅炉4与高压泵5相连接，高压泵5通过水管与绞车7上缠绕的软管8相连接，软管8与热水钻钻具2相连接，锅炉4里的热水通过高压泵5和软管8被输送到热水钻钻具2内，动力柜6通过软管8与热水钻钻具2相连接，动力柜6通过导线与锅炉4相连接，动力柜6为热水钻钻具2和锅炉4提供动力，控制系统3与热水钻钻具2、高压泵5和动力柜6相连接，控制系统3控制热水钻钻具2、高压泵5和动力柜6的工作。
热水钻钻具2与水下潜航器1之间设有联结座9，热水钻钻具2中间部位开设有输水管道10，输水管道10与绞车7上缠绕的软管8相连接，热水钻钻具2的上部装配有称重传感器11，称重传感器11与控制系统3相连接，称重传感器11能够把采集的数据及时发送到控制系统3内，热水钻钻具2的两侧装配有数个爬升齿轮12，相同侧的爬升齿轮12之间通过传动带13连接进行同步转动，每个爬升齿轮12与热水钻钻具2本体之间均设有定位弹簧14，爬升齿轮12由热水钻钻具2本体内设置的伺服电机15进行驱使转动，伺服电机15与爬升齿轮12的连接线路上设有减速机16，伺服电机15与动力柜6和控制系统3相连接，伺服电机15由动力柜6提供动力并由控制系统3控制工作，热水钻钻具2的底部设有密封接头17。
称重传感器11设有三个，爬升齿轮12设有六组十二个，爬升齿轮12之间的传动带13为皮带或链条。
绞车7上缠绕的软管8中间设有输水管18用于锅炉4内热水的输送，软管8的侧壁上装配有电力线19和信号线20用于动力柜6内的电力传输和控制系统3内指令信号的传输。
控制系统3是由信号接收器21、信号处理器22、可编程控制器23和信号发生器24组成，其中信号接收器21左侧与称重传感器11相连，信号接收器21右侧与信号处理器22相连，称重传感器11采集的数据能够通过控制系统3内的信号接收器21传输到信号处理器22，信号处理器22与可编程控制器23相连接，可编程控制器23的另一侧与信号发生器24相连接，可编程控制器23和信号发生器24装配在控制系统3的输出端，信号发生器24还与伺服电机15相连，可编程控制器23将接收到的信号编辑处理后，形成指令由信号发生器24及时传输到伺服电机15。
上述的锅炉4、高压泵5、动力柜6、称重传感器11、伺服电机15和减速机16均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本实用新型的工作原理：
本实用新型提供的用于冰架底部的仰孔热水钻进系统中的热水钻钻具2竖直安装在水下潜航器1上，水下潜航器1内部锅炉4加热热水，在接近冰架底部冰层后，高压泵5将加热后的热水由软管8泵送至热水钻钻具2内，经热水钻钻具2顶部的喷嘴开始喷射并且融化冰层进行钻进，当热水钻钻具2进入冰层一定深度，爬升齿轮12开始接触并且嵌入冰层时，水下潜航器1打开联结座9将热水钻钻具2释放，并且同时给伺服电机15通电，使爬升齿轮12开始顺时针转动带动热水钻钻具2继续上升。称重传感器11用于监测热水钻钻具2顶部压力，如果爬升齿轮12转动过快，而冰层融化较慢，则热水钻钻具2顶端将会承受一定的压力，如果爬升齿轮12传动速度小于冰层融化速度，则热水钻钻具2顶端所受压力较小。因此，称重传感器11示数能够实时反应钻进状态，称重传感器11向控制系统3发出信号，控制系统3收到信息后反馈给伺服电机15，据此调整伺服电机15转动速度，从而控制钻进速度。随着钻进深度逐渐增加，水下潜航器1内部的绞车7也逐渐旋转用以输送足够长度的软管8。动力柜6用于给钻进系统提供电力输出。
1.一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统，其特征在于：包括有水下潜航器、热水钻钻具、控制系统、锅炉、高压泵、动力柜和绞车，其中热水钻钻具设在水下潜航器的顶部，控制系统、锅炉、高压泵、动力柜和绞车设在水下潜航器的内部，锅炉与高压泵相连接，高压泵通过水管与绞车上缠绕的软管相连接，软管与热水钻钻具相连接，锅炉里的热水通过高压泵和软管被输送到热水钻钻具内，动力柜通过软管与热水钻钻具相连接，动力柜通过导线与锅炉相连接，动力柜为热水钻钻具和锅炉提供动力，控制系统与热水钻钻具、高压泵和动力柜相连接，控制系统控制热水钻钻具、高压泵和动力柜的工作。
2.根据权利要求1所述的一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统，其特征在于：所述的热水钻钻具与水下潜航器之间设有联结座，热水钻钻具中间部位开设有输水管道，输水管道与绞车上缠绕的软管相连接，热水钻钻具的上部装配有称重传感器，称重传感器与控制系统相连接，称重传感器能够把采集的数据及时发送到控制系统内，热水钻钻具的两侧装配有数个爬升齿轮，相同侧的爬升齿轮之间通过传动带连接进行同步转动，每个爬升齿轮与热水钻钻具本体之间均设有定位弹簧，爬升齿轮由热水钻钻具本体内设置的伺服电机进行驱使转动，伺服电机与爬升齿轮的连接线路上设有减速机，伺服电机与动力柜和控制系统相连接，伺服电机由动力柜提供动力并由控制系统控制工作，热水钻钻具的底部设有密封接头。
3.根据权利要求2所述的一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统，其特征在于：所述的称重传感器设有三个，爬升齿轮设有六组十二个，爬升齿轮之间的传动带为皮带或链条。
4.根据权利要求1所述的一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统，其特征在于：所述的绞车上缠绕的软管中间设有输水管用于锅炉内热水的输送，软管的侧壁上装配有电力线和信号线用于动力柜内的电力传输和控制系统内指令信号的传输。
5.根据权利要求1所述的一种用于冰架底部的仰孔热水钻进系统，其特征在于：所述的控制系统是由信号接收器、信号处理器、可编程控制器和信号发生器组成，其中信号接收器左侧与称重传感器相连，信号接收器右侧与信号处理器相连，称重传感器采集的数据能够通过控制系统内的信号接收器传输到信号处理器，信号处理器与可编程控制器相连接，可编程控制器的另一侧与信号发生器相连接，可编程控制器和信号发生器装配在控制系统的输出端，信号发生器还与伺服电机相连，可编程控制器将接收到的信号编辑处理后，形成指令由信号发生器及时传输到伺服电机。
技术总结