【摘要】：鉆探器在太空探測(cè)任務(wù)中具有重要的作用。鉆探器在天體表面鉆進(jìn)一定深度進(jìn)行取樣,將樣本帶回地球,有利于人類分析天體表面土壤的成分,從而幫助人類發(fā)現(xiàn)太空的奧秘。與普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆相比,沖擊式超聲波鉆具有功率小、質(zhì)量小、體積小和鉆壓力小等特點(diǎn)。壓電換能器是超聲波鉆的核心裝置,其輸出特性直接影響到超聲波鉆的鉆進(jìn)效果。變幅桿是壓電換能器的重要組成部分,通過改變變幅桿的構(gòu)型尺寸參數(shù),能夠改變換能器的諧振頻率以及輸出端振幅;施加預(yù)緊力是研制超聲波換能器過程中的重要環(huán)節(jié),通過改變預(yù)緊力的大小,能夠?qū)Q能器的性能產(chǎn)生影響;溫度對(duì)于壓電換能器的輸出有一定影響,在研究換能器驅(qū)動(dòng)過程中,研究溫度變化對(duì)于提高超聲波鉆性能有重要意義。本文針對(duì)夾心式壓電換能器,開展了關(guān)于變幅桿構(gòu)型尺寸參數(shù)、預(yù)緊力和熱傳遞的仿真及實(shí)驗(yàn)研究。研究了五組變幅桿構(gòu)型尺寸參數(shù)對(duì)換能器諧振頻率及輸出端振幅的影響,基于ANSYS有限元法,對(duì)夾心式換能器開展了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,得到不同尺寸下?lián)Q能器的諧振頻率與輸出振幅,進(jìn)而評(píng)估給定范圍內(nèi)最佳尺寸參數(shù)值。本文基于COMSOL物理仿真軟件,研究了預(yù)緊力對(duì)換能器輸出特性的影響,得出了換能器輸出隨預(yù)緊力的變化規(guī)律。針對(duì)不同直徑尺寸的換能器,設(shè)計(jì)了一個(gè)超聲波換能器的自動(dòng)預(yù)緊平臺(tái),從而能夠精確、緩慢地加載預(yù)緊力,并使用自動(dòng)預(yù)緊平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在預(yù)緊力的基礎(chǔ)上,本文研究了換能器工作時(shí)的溫度變化,通過仿真得到了換能器穩(wěn)態(tài)時(shí)的表面溫度分布。通過實(shí)驗(yàn)得到了換能器工作時(shí)的溫度變化曲線,驗(yàn)證了仿真溫度分布結(jié)果的正確性,分析了實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差,并給出了造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因。
【圖文】：

.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析.2.1 超聲波鉆研究現(xiàn)狀為了解決外星體表面采樣時(shí)機(jī)器人手臂以及小型著陸器能夠提供鉆壓力太難題，JPL 的先進(jìn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與 Cybersonic 的工程師們基于壓電驅(qū)動(dòng)原理共同開 USDC，如圖 1-1(a)所示。該類鉆探器的工作原理是通過將高頻振動(dòng)轉(zhuǎn)化為低擊效應(yīng)達(dá)到鉆機(jī)向下鉆進(jìn)的效果。研發(fā)此類新型的超聲波鉆探器的目的是為宇航局檢測(cè)巖石、冰層和土壤等樣品提供支持，搜索宇宙中現(xiàn)存的甚至曾經(jīng)存但已凋亡的生命遺跡。USDC 由三個(gè)關(guān)鍵部件組成：壓電換能器、自由質(zhì)量塊和鉆具。壓電換能器端的超聲頻振動(dòng)（幾十千赫茲）經(jīng)自由質(zhì)量塊轉(zhuǎn)化為鉆具的高頻振動(dòng)（幾百赫茲），進(jìn)而在軸向?qū)r石擊碎。不同于傳統(tǒng)鉆探器，USDC 僅需很小的鉆壓能夠鉆進(jìn)硬度非常高的巖石，解決了傳統(tǒng)鉆探器在低重力環(huán)境下難以正常工問題。USDC 既能安裝在微型著陸器上，，又能搭載在小型巡視機(jī)器人上進(jìn)行就測(cè)，如圖 1-1(b)所示[23]。

或垂直壁面上移動(dòng)，從而對(duì)星球上一些常規(guī)機(jī)器人無法到達(dá)的區(qū)域[27]。表 1-1 USDC 與傳統(tǒng)鉆探器的性能比較表電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆探器 USDC所需軸向載荷 >100 N <10 N平均功耗 >20~30 W 小于 2~3 W工作周期 很大的效率損失 極低的效率損失電流過載啟動(dòng)階段是正常連續(xù)工作電流的 3~4 倍在工作循環(huán)中小于 20%引起的顫振導(dǎo)致安裝平臺(tái) 2~10 Hz 顫振和較大的力攝動(dòng)對(duì)安裝平臺(tái)的影響微乎其微對(duì)基座的要求穩(wěn)定的安裝平臺(tái)，并需堅(jiān)固的錨接在地面上無特殊要求鉆進(jìn)柔軟巖石 主要依靠剪切和碎裂作用 主要依靠壓縮破壞作用鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石磨削作用，需經(jīng)常磨刃和更換鉆頭依靠疲勞碎裂作用，無需磨刃
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB552

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 韓博;蔣國(guó)盛;陸洪智;范勇;;超聲波/聲波鉆頭/取心器裝置[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2010年11期

2 鄢泰寧;冉恒謙;段新勝;;宇宙探索與鉆探技術(shù)[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2010年01期

3 郭俊杰;黃衛(wèi)清;李志榮;;一種新型的超聲波/聲波鉆探器[J];壓電與聲光;2008年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 楊康;陳超;;超聲波/聲波鉆探器的動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)[A];第十五屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 王鑫劍;超聲波鉆探采樣器的研制及試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

2 李賀;新型超聲波鉆探器驅(qū)動(dòng)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

3 張強(qiáng);夾心式彎振壓電換能器有效機(jī)電耦合系數(shù)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

4 楊康;基于超聲波/聲波能量耦合機(jī)理的鉆探器研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

5 郭俊杰;新型超聲波鉆探器的研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2706503