基于电磁锁紧原理的蛟龙号钻头更换装置设计

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.030

摘要/Abstract

摘要：

为解决潜水器每次下潜仅能单根取芯、钻头更换困难、传统换头机构不适配等问题，提出基于电磁原理和力平衡理论的钻头更换装置设计方法，创新设计电磁锁紧钻头更换机构，通过虚拟样机快速完成机械构型，经ANSYS仿真优化制动销轴等关键件，缩短研制周期。按7000 m级工作目标完成工程样机研制与深海压力试验，2025年3月参航蛟龙号专项设备海试航次，在南海2000 m级深海完成海试验证，实测电磁锁紧力150 N、定位精度±0.2 mm、单次换头时间t₁≤5 min，为深潜装备精细化、高价值取芯提供可靠技术支撑。

关键词: 蛟龙号, 岩芯取样, 钻头更换机构, 电磁锁紧

Abstract:

To address limitations such as single-core sampling per dive， difficulty in drill bit replacement， and incompatibility of conventional head-changing mechanisms， a design methodology for drill bit replacement devices was proposed based on electromagnetic principles and force equilibrium theory. An innovative electromagnetic locking drill bit replacement mechanism was designed， and the mechanical configuration was rapidly completed through virtual prototyping. Key components， such as the brake pin shaft， were optimized via ANSYS simulation， which shortened the development cycle. According to the 7000 m-class working target， engineering prototypes were developed and subjected to deep-sea pressure testing. In March 2025， the device was deployed in the Jiaolong specialized equipment sea trial voyage， and sea trial validation was completed at 2000 m-class depths in the South China Sea. The measured electromagnetic locking force was 150 N， with a positioning accuracy of ±0.2 mm and a single head replacement time of ≤5 min. This provides reliable technical support for precise， high-value coring in deep-diving equipment.

Key words: Jiaolong submersible, core sampling, drill bit replacement mechanism, electromagnetic locking

中图分类号:

P751

任玉刚, 张晓宇, 李超, 史先鹏, 丁忠军. 基于电磁锁紧原理的蛟龙号钻头更换装置设计[J]. 中国机械工程, 2026, 37(10): 2676-2683.

REN Yugang, ZHANG Xiaoyu, LI Chao, SHI Xianpeng, DING Zhongjun. Design of the Jiaolong Drill Bit Replacement Device Based on Electromagnetic Locking Principle[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(10): 2676-2683.

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图/表 18

图1 直流式电磁铁工作原理

Fig.1 Working principle of a direct current electromagnet

图2 电磁锁紧装置制动销受力

Fig.2 The force acting on the brake pin of the electromagnetic locking device

图3 钻头更换过程机理分析

Fig.3 Mechanism analysis of drill bit replacement process

图4 钻头更换装置整体结构

Fig.4 The overall structure of the drill bit replacement device

表1 关键部件材料参数

Tab.1 Material parameters of key components

部件	材料	性能指标	环境适应措施
电磁铁壳体	TC4 钛合金	抗拉强度950 MPa	表面阳极氧化处理
制动销	TC4 钛合金	抗拉强度950 MPa	表面阳极氧化处理
传动丝杠	316L 不锈钢	屈服强度210 MPa	钝化处理+润滑脂填充

图5 电磁铁锁紧装置结构

Fig.5 Electromagnetic lock structure

图6 控制模块示意图

Fig.6 Control module schematic diagram

表 2 TC4钛合金材料参数

Tab.2 TC4 titanium alloy material parameters

物理参数	数值	测试标准
密度ρ	4.43 g/cm³	GB/T 1033.1—2008
抗拉强度R_m	950 MPa	GB/T 228.1—2021
屈服强度R_g	850 MPa	GB/T 228.1—2021
剪切强度τ_b	550 MPa	GB/T 23935—2009
抗压强度σ_c	1100 MPa	GB/T 7314—2017
弹性模量E	114 GPa	GB/T 22315—2008
泊松比μ	0.33	GB/T 22315—2008

图7 制动销锁紧状态的应力分布

Fig.7 Stress distribution in the locked state of the brake pin

图8 制动销解锁过渡状态的剪切应力分布

Fig.8 Shear stress distribution during the transition state of brake pin unlocking

图9 制动销解锁过渡状态的变形分布

Fig.9 Deformation distribution during the transition state of brake pin unlocking

图10 制动销解锁完成状态的法向应力分布

Fig.10 Normal stress distribution in the unlocked state of the brake pin

图11 底座应力分布

Fig.11 Stress distribution of the base

图12 底座形变示意图

Fig.12 Schematic diagram of base deformation

图13 解锁过程制动销位移-时间曲线

Fig.13 Unlocking process brake pin displacement-time curve

图14 7000 m级深海环境下压力测试

Fig.14 Pressure testing in a 7000-metre deep sea environment

图15 与蛟龙号联调测试

Fig.15 Interoperability testing with the Jiaolong submersible

图16 蛟龙号在2000 m级水下完成钻头更换

Fig.16 The Jiaolong submersible completes a drill bit replacement at a depth of 2000 metres

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