CN113090256B - 一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，包括机械爪单元、密封盖单元、机械爪驱动装置和密封盖驱动装置，机械爪单元上设有密封件，机械爪驱动装置控制机械爪单元的开合，密封盖驱动装置控制密封盖单元的启闭，机械爪单元合起时形成容纳可燃冰的空间，密封盖单元可闭合所述空间。本发明收集和取出的集成主要体现在通过机械爪驱动装置和密封盖驱动装置，实现机械爪单元与密封盖单元的张开和闭合，同时使用密封件保证密闭性，通过机械爪单元和密封盖单元的不同状态组合实现在勘探过程中收集、储存及取出可燃冰，本机械爪装置在深海可燃冰勘探领域有着重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及可燃冰勘探装置技术领域，特别涉及一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置。
背景技术
原位合成法是一种深海可燃冰勘探中收集可燃冰的有效方法之一，其原理是在深海低温高压环境下，将开口向下的收集容器放置在不断涌现出的甲烷气体上方，使甲烷气体在容器内固结形成可燃冰。该方法一般需要额外的机械爪进行协助，可燃冰收集完成后，需将收集容器保存进具有低温高压条件的储存容器中，以保证可燃冰状态稳定，最后再使用独立机械爪将储存容器回收，带到海平面平台上。该方法操作比较繁琐，且最终将可燃冰从容器中取出的效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，该机械爪集收集容器、储存容器、独立机械爪于一体，同时能实现以较高的效率将可燃冰从容器中取出。
本发明的技术方案为：一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，包括机械爪单元、密封盖单元、机械爪驱动装置和密封盖驱动装置，机械爪单元上设有密封件，机械爪驱动装置控制机械爪单元的开合，密封盖驱动装置控制密封盖单元的启闭，机械爪单元合起时形成容纳可燃冰的空间，密封盖单元可闭合所述空间。
所述机械爪单元和密封盖单元各设有四个，四个机械爪单元沿圆周方向均匀分布，四个密封盖单元分别安装在对应的四个机械爪单元上，四个机械爪单元均由机械爪驱动装置进行驱动，四个密封盖单元均由密封盖驱动装置进行驱动。其中，密封盖单元和机械爪单元一一对应连接，四个机械爪单元与四个密封盖单元均分别使用一个机械爪驱动装置和一个密封盖驱动装置即可进行驱动，结构简单，使用的驱动数量少。
所述机械爪单元包括支撑杆、密封侧板、密封底板和延伸板，所述两块密封侧板竖直安装在支撑杆上，密封底板水平安装在支撑杆上，两块密封侧板和密封底板中任意两块之间的夹角为直角且为密封连接，所述延伸板位于密封侧板的外侧，密封盖单元安装在延伸板上。其中，四个机械爪单元合起时，密封底板和密封侧板形成容纳可燃冰的空间，密封件和密封盖单元保证密封性。
所述密封件包括第一密封条、第二密封条、第三密封条和第四密封条，所述第一密封条位于两块密封侧板的端面，第二密封条位于其中一块密封侧板的侧边，第三密封条位于另一块密封侧板的侧边，第四密封条位于密封底板的侧边。其中，密封条的材料为柔性材料，如橡胶，实现挤压密封，密封板材料为刚性硬质材料，如钢板，在实现密封的同时，保证密封板件不会被海底压力损坏。
所述密封侧板、密封底板和密封件的内侧均设有防冻涂层和保温涂层，第一密封条和第四密封条均呈L型，第二密封条和第三密封条的表面为互补的锯齿形状。
还设有顶部主板和第三固定块，所述顶部主板上设有第一轴承座，第一轴承座与第三固定块铰接，支撑杆与第三固定块固定连接。
所述密封盖单元包括固定板、第二轴承座、扭转弹簧和盖体，固定板安装在机械爪单元上，所述第二轴承座安装在固定板上，盖体与第二轴承座通过扭转弹簧铰接连接，盖体包括与机械爪单元相适应的凸台和底部平板。
所述机械爪驱动装置包括电动推杆、第一固定块、第二固定块和连接杆，所述电动推杆的固定端安装在顶部主板上，电动推杆的活动端与第一固定块通过推杆连接件连接，第二固定块固定套设在支撑杆上，连接杆的两端分别与第一固定块和第二固定块铰接。其中，电动推杆的活动端伸长与回缩，驱动了第一固定块的运动，通过连接杆进而驱动了第二固定块带动机械爪单元运动，机械爪单元随第三固定块绕第一轴承座的转动，实现了机械爪单元的张开和闭合，结构简单，易于控制。
所述密封盖驱动装置包括驱动电机、绕线轮、滑轮组、末端安装板、中部隔板和驱动绳索，中部隔板的上端与顶部主板固定连接，中部隔板的下端与末端安装板通过导向轴支座和导向轴固定连接，所述驱动电机安装在中部隔板上，绕线轮与驱动电机的输出轴连接，驱动绳索的一端固定在绕线轮上，驱动绳索经过滑轮组后与密封盖单元连接。其中，驱动绳索一端与绕线轮固定连接，经过第一定滑轮的外侧，再经过第二定滑轮的内侧，然后经过固定板的三角形空槽，最后经过弧形导线槽与密封盖单元上的绕线柱固定连接，第二轴承座处设有扭转弹簧；通过驱动电机驱动绕线轮旋转，驱动绳索驱动密封盖单元绕第二轴承座转动，通过驱动绳索与扭转弹簧共同实现了密封盖单元在大的范围内进行张开与闭合。
所述滑轮组包括第一定滑轮、第二定滑轮、安装第一定滑轮的第一定滑轮支架和安装第二定滑轮的第二定滑轮支架，第一定滑轮支架位于末端安装板上，第二定滑轮支架位于机械爪单元的支撑杆上，驱动绳索先经过第一定滑轮的外侧，再经过第二定滑轮的内侧。
机械爪驱动装置与密封盖驱动装置两者相互独立，能够分别进行驱动，实现机械爪装置在不同工作状态之间进行切换。本发明所述机械爪装置共有三个工作状态，收集可燃冰的初始状态、收集可燃冰的密封状态和收集可燃冰的取出状态；这三个工作状态分别在机械爪驱动装置和密封盖驱动装置的不同驱动组合下实现；对于收集可燃冰的初始状态，此时机械爪单元保持闭合状态，密封盖单元保持全开状态，此时密封盖单元张开幅度大，能够实现可燃冰的有效和准确收集；对于收集可燃冰的密封状态，此时机械爪单元与密封盖单元均处于闭合状态，实现对收集到的可燃冰进行存储；对于收集可燃冰的取出状态，此时机械爪单元与密封盖单元均处于张开状态，能以较高的效率实现将可燃冰从容器中取出。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，本发明使用电动推杆和连杆结构作为机械爪驱动装置，结构简单、易于控制；本发明使用电机驱动，结合绕线轮和滑轮组，采用驱动绳索和扭转弹簧作为密封盖驱动装置，结构简单、实现了密封盖单元在大的范围内进行张开与闭合；本发明中的机械爪驱动装置和密封盖驱动装置两者相互独立，能够分别单独实现驱动，实现机械爪在不同状态之间进行切换；本发明中所有的机械爪单元与密封盖单元均分别使用一个驱动装置即可实现驱动，驱动数量少；本发明中结合密封盖单元与密封件，能够实现机械爪整体的密封，同时在密封条件下，保持了温度和压力条件，保证收集到的可燃冰状态的稳定；本发明能够应用于深海可燃冰的勘探工作，原理和结构简单，运行稳定，集成了收集容器、储存容器、独立机械爪于一体，同时能以较高的效率实现将可燃冰从容器中取出。
附图说明
图1为本用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置的结构示意图。
图2为机械爪单元、密封盖单元和机械爪驱动装置的结构示意图。
图3为机械爪单元的结构示意图。
图4为机械爪驱动装置的结构示意图。
图5为本用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置的正视图。
图6为密封盖单元的结构示意图。
图7为固定板的结构示意图。
图8为本发明收集可燃冰的初始状态。
图9为本发明收集可燃冰的密封状态。
图10为本发明收集可燃冰的取出状态。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
为了便于统一查看说明书附图里的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：
1为机械爪单元、2为密封侧板、3为密封底板、4为第一密封条、5为第二密封条、6为第三密封条、7为第四密封条、8电动推杆、9为推杆连接件、10为第一固定块、11为连接杆、12为第二固定块、13为第三固定块、14为第一轴承座、15为顶部主板、16为中部隔板、17为导向轴支座、18为导向轴、19驱动电机、20绕线轮、21驱动绳索、22为末端安装板、23为第一定滑轮支架、24为第一定滑轮、25为第二定滑轮支架、26为第二定滑轮、27为固定板、28为第二轴承座、29扭转弹簧、30为盖体、31为绕线柱、32为弧形导线槽。
本实施例一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，包括机械爪单元、密封盖单元、机械爪驱动装置和密封盖驱动装置，机械爪单元上设有密封件，机械爪驱动装置控制机械爪单元的开合，密封盖驱动装置控制密封盖单元的启闭，机械爪单元合起时形成容纳可燃冰的空间，密封盖单元可闭合所述空间。
所述机械爪单元和密封盖单元各设有四个，四个机械爪单元沿圆周方向均匀分布，四个密封盖单元分别安装在对应的四个机械爪单元上，四个机械爪单元均由机械爪驱动装置进行驱动，四个密封盖单元均由密封盖驱动装置进行驱动。其中，密封盖单元和机械爪单元一一对应连接，四个机械爪单元与四个密封盖单元均分别使用一个机械爪驱动装置和一个密封盖驱动装置即可进行驱动，结构简单，使用的驱动数量少。
所述机械爪单元包括支撑杆、密封侧板2、密封底板3和延伸板，所述两块密封侧板竖直安装在支撑杆上，密封底板水平安装在支撑杆上，两块密封侧板和密封底板中任意两块之间的夹角为直角且为密封连接，所述延伸板位于密封侧板的外侧，密封盖单元安装在延伸板上。其中，四个机械爪单元合起时，密封底板和密封侧板形成容纳可燃冰的空间，密封件和密封盖保证密封性。
所述密封件包括第一密封条4、第二密封条5、第三密封条6和第四密封条7，所述第一密封条位于两块密封侧板的端面，第二密封条位于其中一块密封侧板的侧边，第三密封条位于另一块密封侧板的侧边，第四密封条位于密封底板的侧边。其中，密封条的材料为柔性材料，如橡胶，实现挤压密封，密封板材料为刚性硬质材料，如钢板，在实现密封的同时，保证密封板件不会被海底压力损坏。
所述密封侧板、密封底板和密封件的内侧均设有防冻涂层和保温涂层，第一密封条和第四密封条均呈L型，第二密封条和第三密封条的表面为互补的锯齿形状。防冻涂层保证固结在机械爪单元内部的可燃冰能够简单取出。保温涂层保证机械爪单元内部温度维持稳定。
当机械爪驱动装置和密封盖驱动装置驱动机械爪单元与密封盖单元闭合时，机械爪内部保持了温度和压力条件，实现可燃冰在回收过程中状态的稳定。
还设有顶部主板15和第三固定块13，所述顶部主板上设有第一轴承座14，第一轴承座与第三固定块铰接，支撑杆与第三固定块固定连接。
所述密封盖单元包括固定板27、第二轴承座28、扭转弹簧29和盖体30，固定板安装在机械爪单元上，所述第二轴承座安装在固定板上，盖体与第二轴承座通过扭转弹簧铰接连接，盖体包括与机械爪单元相适应的凸台和底部平板。盖体设有绕线柱31和弧形导线槽32，绕线柱与驱动绳索固定连接，弧形导线槽用于引导驱动绳索。
机械爪单元与密封盖单元共同构成了机械爪的整体结构，同时两者也共同形成了可燃冰的收集容器和储存容器，实现了收集容器、储存容器和机械爪的一体化。其中，当驱动绕线轮朝释放驱动绳索方向旋转时，密封盖单元在扭转弹簧的驱动下关闭，密封盖单元的底部平板与第一密封条卡紧，密封盖单元的凸台与机械爪单元内部及相邻密封盖单元之间相互卡紧，实现了机械爪上部的密封；第二密封条和第三密封条侧面为互补的锯齿形状，机械爪闭合时，第二密封条与第三密封条接触面相互卡紧，同时结合密封侧板，实现机械爪侧部的密封；机械爪闭合时，第四密封条之间相互卡紧，结合密封底板，实现了机械爪底部的密封。密封盖单元与密封件共同实现了机械爪各个方向上的密封，为实现收集到的可燃冰收集提供条件。
所述机械爪驱动装置包括电动推杆8、第一固定块10、第二固定块12和连接杆11，所述电动推杆的固定端安装在顶部主板上，电动推杆的活动端通过推杆连接件9与第一固定块连接，第二固定块固定套设在支撑杆上，连接杆的两端分别与第一固定块和第二固定块铰接。其中，电动推杆的活动端伸长与回缩，驱动了第一固定块的运动，通过连接杆进而驱动了第二固定块带动机械爪单元运动，机械爪单元随第三固定块绕第一轴承座的转动，实现了机械爪单元的张开和闭合，结构简单，易于控制。
所述密封盖驱动装置包括驱动电机19、绕线轮20、滑轮组、末端安装板22、中部隔板16和驱动绳索21，中部隔板的上端与顶部主板固定连接，中部隔板的下端与末端安装板通过导向轴支座17和导向轴18固定连接，所述驱动电机19安装在中部隔板上，绕线轮与驱动电机的输出轴连接，驱动绳索的一端固定在绕线轮上，驱动绳索经过滑轮组后与密封盖单元连接。其中，驱动绳索一端与绕线轮固定连接，经过第一定滑轮的外侧，再经过第二定滑轮的内侧，然后经过固定板的三角形空槽，最后经过弧形导线槽与密封盖单元上的绕线柱固定连接，第二轴承座处设有扭转弹簧；通过驱动电机驱动绕线轮旋转，驱动绳索驱动密封盖单元绕第二轴承座转动，通过驱动绳索与扭转弹簧共同实现了密封盖单元在大的范围内进行张开与闭合。
所述滑轮组包括第一定滑轮24、第二定滑轮26、安装第一定滑轮的第一定滑轮支架23和安装第二定滑轮的第二定滑轮支架25，第一定滑轮支架位于末端安装板上，第二定滑轮支架位于机械爪单元的支撑杆上，驱动绳索先经过第一定滑轮的外侧，再经过第二定滑轮的内侧。
机械爪驱动装置与密封盖驱动装置两者相互独立，能够分别进行驱动，实现机械爪装置在不同工作状态之间进行切换。本发明所述机械爪装置共有三个工作状态，收集可燃冰的初始状态、收集可燃冰的密封状态和收集可燃冰的取出状态；这三个工作状态分别在机械爪驱动装置和密封盖驱动装置的不同驱动组合下实现；对于收集可燃冰的初始状态，此时机械爪单元保持闭合状态，密封盖单元保持全开状态，此时密封盖单元张开幅度大，能够实现可燃冰的有效和准确收集；对于收集可燃冰的密封状态，此时机械爪单元与密封盖单元均处于闭合状态，实现对收集到的可燃冰进行存储；对于收集可燃冰的取出状态，此时机械爪单元与密封盖单元均处于张开状态，能以较高的效率实现将可燃冰从容器中取出。
本用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪的工作原理：结合图8、图9、图10所示，机械爪收集可燃冰的初始状态(如图8所示)，此时机械爪驱动装置和密封盖驱动装置均处于初始状态(即电动推杆处于活动杆无伸长状态，驱动电机与绕线轮处于对驱动绳索无缠绕状态)。在机械爪处于收集可燃冰的初始状态时，将机械爪开口向下放置在深海中不断涌现出的甲烷气体上方，利用原位合成法，使可燃冰固结在机械爪内部。当可燃冰在机械爪内部收集完成后，控制密封盖驱动装置，驱动密封盖单元关闭，密封盖单元完全关闭后，由于深海环境为低温高压环境，机械爪内部保持了温度和压力条件，此时进入机械爪收集可燃冰的密封状态(如图9所示)。完成对可燃冰的收集与密封后，将收集到的可燃冰随机械爪进行回收，带回海平面平台上，随后控制密封盖驱动装置驱动密封盖单元张开，随后控制机械爪驱动装置驱动机械爪张开，此时进入机械爪收集可燃冰的取出状态(如图10所示)，取出收集到的可燃冰。本发明集成了收集容器、储存容器、机械爪于一体，同时能以较高的效率实现将可燃冰从容器中取出。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，包括机械爪单元、密封盖单元、机械爪驱动装置和密封盖驱动装置，机械爪单元上设有密封件，机械爪驱动装置控制机械爪单元的开合，密封盖驱动装置控制密封盖单元的启闭，机械爪单元合起时形成容纳可燃冰的空间，密封盖单元可闭合所述空间；
所述机械爪单元包括支撑杆、密封侧板、密封底板和延伸板，两块密封侧板竖直安装在支撑杆上，密封底板水平安装在支撑杆上，两块密封侧板和密封底板中任意两块之间的夹角为直角且为密封连接，所述延伸板位于密封侧板的外侧，密封盖单元安装在延伸板上。
2.根据权利要求1所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述机械爪单元和密封盖单元各设有四个，四个机械爪单元沿圆周方向均匀分布，四个密封盖单元分别安装在对应的四个机械爪单元上，四个机械爪单元均由机械爪驱动装置进行驱动，四个密封盖单元均由密封盖驱动装置进行驱动。
3.根据权利要求1所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述密封件包括第一密封条、第二密封条、第三密封条和第四密封条，所述第一密封条位于两块密封侧板的端面，第二密封条位于其中一块密封侧板的侧边，第三密封条位于另一块密封侧板的侧边，第四密封条位于密封底板的侧边。
4.根据权利要求3所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述密封侧板、密封底板和密封件的内侧均设有防冻涂层和保温涂层，第一密封条和第四密封条均呈L型，第二密封条和第三密封条的表面为互补的锯齿形状。
5.根据权利要求1所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，还设有顶部主板和第三固定块，所述顶部主板上设有第一轴承座，第一轴承座与第三固定块铰接，支撑杆与第三固定块固定连接。
6.根据权利要求1所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述密封盖单元包括固定板、第二轴承座、扭转弹簧和盖体，固定板安装在机械爪单元上，所述第二轴承座安装在固定板上，盖体与第二轴承座通过扭转弹簧铰接连接，盖体包括与机械爪单元相适应的凸台和底部平板。
7.根据权利要求5所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述机械爪驱动装置包括电动推杆、第一固定块、第二固定块和连接杆，所述电动推杆的固定端安装在顶部主板上，电动推杆的活动端与第一固定块连接，第二固定块固定套设在支撑杆上，连接杆的两端分别与第一固定块和第二固定块铰接。
8.根据权利要求5所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述密封盖驱动装置包括驱动电机、绕线轮、滑轮组、末端安装板、中部隔板和驱动绳索，中部隔板的上端与顶部主板固定连接，中部隔板的下端与末端安装板通过导向轴支座和导向轴固定连接，所述驱动电机安装在中部隔板上，绕线轮与驱动电机的输出轴连接，驱动绳索的一端固定在绕线轮上，驱动绳索经过滑轮组后与密封盖单元连接。
9.根据权利要求8所述一种用于可燃冰勘探的收集和取出集成机械爪装置，其特征在于，所述滑轮组包括第一定滑轮、第二定滑轮、安装第一定滑轮的第一定滑轮支架和安装第二定滑轮的第二定滑轮支架，第一定滑轮支架位于末端安装板上，第二定滑轮支架位于机械爪单元的支撑杆上，驱动绳索先经过第一定滑轮的外侧，再经过第二定滑轮的内侧。
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