獲取外星體表面或地下的地質(zhì)樣品,對于分析星體的礦物組成、研究天體演化進(jìn)程、探測生命跡象的存在都具有重要意義。鉆進(jìn)采樣是獲取地外天體地質(zhì)樣品的有效方式。傳統(tǒng)鉆進(jìn)采樣裝置通常以電磁電機(jī)作為動(dòng)力來源,需要較大的鉆壓力及力矩實(shí)現(xiàn)破碎巖石的目標(biāo)。鉆進(jìn)采樣裝置所需鉆壓力通常由載體的自重提供。載體自重較小或者是在弱引力場環(huán)境下采樣時(shí),載體為鉆探器提供的鉆壓力有限,限制了傳統(tǒng)采樣裝置的應(yīng)用�；趬弘婒�(qū)動(dòng)原理的超聲波鉆探器具有鉆壓力小、功耗低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),可解決低鉆壓力環(huán)境下的巖石鉆取采樣難題,在深空探測中具有良好的應(yīng)用前景。本文以地外天體探測中,星體表面巖石鉆進(jìn)采樣為背景,提出一種單壓電陶瓷疊堆驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器。利用單壓電陶瓷疊堆一端的振動(dòng)能量驅(qū)動(dòng)鉆具作沖擊運(yùn)動(dòng),另一端的振動(dòng)能量驅(qū)動(dòng)鉆具作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圍繞鉆探器的研究,開展了以下工作:1)縱-縱扭復(fù)合式壓電換能器設(shè)計(jì);2)鉆探器動(dòng)力學(xué)建模與能量傳遞特性分析;3)換能器直驅(qū)式鉆探器的振動(dòng)特性研究;4)超聲波鉆探器鉆進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究。利用階梯型變幅桿將壓電陶瓷疊堆一端的縱振進(jìn)行放大,在變幅桿的底部形成高頻的簡諧振動(dòng)。利用縱扭轉(zhuǎn)換振子將壓電陶瓷疊堆... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：149 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

UDT概念演示樣機(jī)及工程樣機(jī)Fig.1-1ConceptdemonstratorandengineeringmodelUltrasonicDrillTools

地較軟的模擬月壤開展，未驗(yàn)證鉆探器對硬質(zhì)巖石的鉆進(jìn)效果。英國格拉斯哥大學(xué)的 Harkness P.等人通過對比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在采樣鉆具縱向振動(dòng)的基礎(chǔ)上引入扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能顯著改善超聲波鉆探器的鉆進(jìn)效率[43]。為實(shí)現(xiàn)縱振與扭振的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，提出了模態(tài)耦合型換能器與模態(tài)轉(zhuǎn)換型換能器[44–46]。模態(tài)耦合型換能器由壓電換能器與階梯型變幅桿組成，如圖 1-3 a)所示在階梯型變幅桿的大徑端外圓柱面上布置有若干個(gè)斜槽，形成一階縱振與二階扭振的耦合振動(dòng)，在變幅桿末端形成縱扭復(fù)合振動(dòng)。模態(tài)轉(zhuǎn)換型換能器的階梯型變幅桿的小徑端外圓柱面上布置有螺旋槽，如圖 1-3 b)所示。換能器工作在純一階縱振模態(tài)下。階梯型變幅桿利用自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將換能器的縱向振動(dòng)放大，并將部分縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭振，形成縱扭復(fù)合振動(dòng)。上述兩種換能器的階梯型變幅桿鉆進(jìn)巖石時(shí)形成的鉆孔孔徑略大于變幅桿小徑端的直徑，遠(yuǎn)小于變幅桿大徑端的直徑，鉆探器能達(dá)到的最大鉆孔深度受限于變幅桿小徑端的長度。為使鉆探器達(dá)到更大的鉆進(jìn)深度，提出了一種中空結(jié)構(gòu)的鉆探器[47,48]，如圖 1-3 c)所示。鉆探器變幅桿底部布置有徑向空腔結(jié)構(gòu)，用于將換能器的部分縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭振。鉆探器的上方設(shè)置有取芯器，用于折斷并取出巖芯。

圖 1-15 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器[87]ig. 1-15 Rotary-percussive ultrasonic drill proposed by Harbin Institute of Technolo對超聲波鉆探器研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，繪制表格 1-1。直削式超聲波鉆利用換能器底部的簡諧振動(dòng)切削巖石。沖擊式超聲波鉆探器引入自由為能量傳遞環(huán)節(jié)，通過接觸碰撞驅(qū)動(dòng)鉆具破碎巖石。在沖擊式超聲波基礎(chǔ)上，利用電磁電機(jī)或壓電陶瓷鉆具做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可解決排屑問題探器的鉆進(jìn)效率。表 1-1 超聲波鉆探器研究現(xiàn)狀匯總Table 1-1 Summary of ultrasonic drills類型鉆具運(yùn)動(dòng)類型研制機(jī)構(gòu) 技術(shù)指標(biāo) 其他削式聲波探器沖擊英國 MP 公司名稱：UDT鉆進(jìn)對象：冰鉆進(jìn)速率：36 mm/min鉆取直徑：10 mm支持火星巖石采樣務(wù)。縱扭沖英國格拉斯質(zhì)量：1.5 kg鉆進(jìn)功耗：40 W利用鉆探器換能器

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆[J]. 王印超,全齊全,于紅英,柏德恩,鄧宗全.  北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào). 2018(09)
[2]用于星球表面巖石采樣的超聲波鉆進(jìn)取心器[J]. 全齊全,李賀,鄧宗全,王鑫劍,姜生元.  中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2016(12)
[3]超聲波取樣鉆機(jī)電耦合特性研究[J]. 梁彩紅,韋旌坤,史立京,卜長根.  探礦工程(巖土鉆掘工程). 2015(11)
[4]超聲波/聲波鉆頭/取心器裝置[J]. 韓博,蔣國盛,陸洪智,范勇.  探礦工程(巖土鉆掘工程). 2010(11)
[5]斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)振動(dòng)分析及性能[J]. 楊淋,趙淳生,張建輝,黃衛(wèi)清.  北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2010(07)
[6]斜槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)在不同摩擦副下的負(fù)載特性研究[J]. 楊淋,丁慶軍,黃衛(wèi)清,趙淳生.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2010(15)
[7]宇宙探索與鉆探技術(shù)[J]. 鄢泰寧,冉恒謙,段新勝.  探礦工程(巖土鉆掘工程). 2010(01)
[8]一種新型孔式模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)[J]. 楊淋,金家楣,趙淳生.  振動(dòng)、測試與診斷. 2009(02)
[9]功率超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J]. 林書玉.  應(yīng)用聲學(xué). 2009(01)
[10]一種新型的超聲波/聲波鉆探器[J]. 郭俊杰,黃衛(wèi)清,李志榮.  壓電與聲光. 2008(05)

碩士論文
[1]超聲波鉆探采樣器的研制及試驗(yàn)研究[D]. 王鑫劍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[2]新型超聲波鉆探器驅(qū)動(dòng)特性研究[D]. 李賀.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013
[3]基于超聲波/聲波能量耦合機(jī)理的鉆探器研究[D]. 楊康.南京航空航天大學(xué) 2012
[4]近鉆頭測量超聲波傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 高思.中國石油大學(xué) 2008
[5]新型超聲波鉆探器的研究[D]. 郭俊杰.南京航空航天大學(xué) 2008



本文編號：3226392