冲击式超声波钻的换能器驱动特性研究

发布时间：2020-06-10 15:43

【摘要】：钻探器在太空探测任务中具有重要的作用。钻探器在天体表面钻进一定深度进行取样,将样本带回地球,有利于人类分析天体表面土壤的成分,从而帮助人类发现太空的奥秘。与普通电机驱动钻相比,冲击式超声波钻具有功率小、质量小、体积小和钻压力小等特点。压电换能器是超声波钻的核心装置,其输出特性直接影响到超声波钻的钻进效果。变幅杆是压电换能器的重要组成部分,通过改变变幅杆的构型尺寸参数,能够改变换能器的谐振频率以及输出端振幅;施加预紧力是研制超声波换能器过程中的重要环节,通过改变预紧力的大小,能够对换能器的性能产生影响;温度对于压电换能器的输出有一定影响,在研究换能器驱动过程中,研究温度变化对于提高超声波钻性能有重要意义。本文针对夹心式压电换能器,开展了关于变幅杆构型尺寸参数、预紧力和热传递的仿真及实验研究。研究了五组变幅杆构型尺寸参数对换能器谐振频率及输出端振幅的影响,基于ANSYS有限元法,对夹心式换能器开展了模态分析和谐响应分析,得到不同尺寸下换能器的谐振频率与输出振幅,进而评估给定范围内最佳尺寸参数值。本文基于COMSOL物理仿真软件,研究了预紧力对换能器输出特性的影响,得出了换能器输出随预紧力的变化规律。针对不同直径尺寸的换能器,设计了一个超声波换能器的自动预紧平台,从而能够精确、缓慢地加载预紧力,并使用自动预紧平台进行了实验测试。在预紧力的基础上,本文研究了换能器工作时的温度变化,通过仿真得到了换能器稳态时的表面温度分布。通过实验得到了换能器工作时的温度变化曲线,验证了仿真温度分布结果的正确性,分析了实验与仿真结果的误差,并给出了造成实验误差的原因。
【图文】：

采样器,超声波,美国

.2 国内外的研究现状及分析.2.1 超声波钻研究现状为了解决外星体表面采样时机器人手臂以及小型着陆器能够提供钻压力太难题，JPL 的先进技术团队与 Cybersonic 的工程师们基于压电驱动原理共同开 USDC，如图 1-1(a)所示。该类钻探器的工作原理是通过将高频振动转化为低击效应达到钻机向下钻进的效果。研发此类新型的超声波钻探器的目的是为宇航局检测岩石、冰层和土壤等样品提供支持，搜索宇宙中现存的甚至曾经存但已凋亡的生命遗迹。USDC 由三个关键部件组成：压电换能器、自由质量块和钻具。压电换能器端的超声频振动（几十千赫兹）经自由质量块转化为钻具的高频振动（几百赫兹），进而在轴向将岩石击碎。不同于传统钻探器，USDC 仅需很小的钻压能够钻进硬度非常高的岩石，解决了传统钻探器在低重力环境下难以正常工问题。USDC 既能安装在微型着陆器上，，又能搭载在小型巡视机器人上进行就测，如图 1-1(b)所示[23]。

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或垂直壁面上移动，从而对星球上一些常规机器人无法到达的区域[27]。表 1-1 USDC 与传统钻探器的性能比较表电磁电机驱动的钻探器 USDC所需轴向载荷 >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损失极低的效率损失电流过载启动阶段是正常连续工作电流的 3~4 倍在工作循环中小于 20%引起的颤振导致安装平台 2~10 Hz 颤振和较大的力摄动对安装平台的影响微乎其微对基座的要求稳定的安装平台，并需坚固的锚接在地面上无特殊要求钻进柔软岩石主要依靠剪切和碎裂作用主要依靠压缩破坏作用钻进坚硬岩石磨削作用，需经常磨刃和更换钻头依靠疲劳碎裂作用，无需磨刃
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB552

【参考文献】