联接方式对太空超声取样钻性能影响的研究

发布时间：2018-04-01 21:41

  本文选题：超声取样钻　切入点：螺纹式　出处：《中国地质大学(北京)》2015年硕士论文

【摘要】：采样是获取月球、火星乃至其他星球土壤、岩石样品的重要途径。超声取样钻基于压电驱动,具有重量轻、体积小、功率小、无回转部件、无需润滑等特点,克服了传统取样钻重量大、功率大、需要旋转力矩的局限性,满足星外探测的需求。本文对比研究了不同联接方式(螺纹式、插接式)对超声取样钻的性能影响及其超声取样钻碎岩机理,对超声取样钻进行了以下研究:对螺纹式超声取样钻进行了设计。超声致动器采用机电等效网络法,结合致动器在谐振状态下工作是一个半波振子,得到频率方程,求解得到超声致动器的尺寸参数。钻杆为阶梯型,使用有限元法进行设计。用ANSYS对螺纹式超声取样钻进行结构分析。通过模态、谐响应分析,得到超声取样钻的一阶纵振频率、响应和位移幅频特性曲线,以及得到超声取样钻在结构场中等效力。超声取样钻与声波钻的碎岩机理相似:超声波振动使得以柔体弹簧的形式储存能量,虽然钻头位移小,但振动频率高,冲击速度较大。当冲击能量大于岩石破碎所需的能量时,岩石就能破碎。与此同时,得到钻杆直径越大,钻杆对岩石冲击作用越小。通过超声取样钻的钻探效果,可以得到自由质量对超声取样钻钻进有增强的效果,要比单纯的高频振动效果强。因此,在超声波取样钻中,自由质量起着一个非常重要的作用:激励柔体钻杆振动。超声取样钻压电陶瓷实验过程高频应变和电场变化存在发热现象,不断完善超声取样钻实验台设置。本文为超声取样钻的优化设计提供了理论基础,将超声取样钻的碎岩过程简化为力对连续柱的响应问题,从而为碎岩机理的量化做了铺垫,也为超声取样钻应用于工程中做了前期的工作。
[Abstract]:Sampling is an important way to obtain soil and rock samples from the moon, Mars and other planets. Ultrasonic sampling drillers are based on piezoelectric actuation, have the advantages of light weight, small volume, small power, no rotating parts, no lubrication, etc. It overcomes the limitation of the traditional sampling drill, such as heavy weight, large power and the need of rotating torque, to meet the need of the outboard detection. This paper contrasts and studies the different connection modes (thread type, thread type, and so on). The influence on the performance of ultrasonic sampling drill and the rock breaking mechanism of ultrasonic sampling drill are studied as follows: the thread type ultrasonic sampling drill is designed. The ultrasonic actuator adopts electromechanical equivalent network method. When the actuator works in resonant state, it is a half-wave oscillator. The frequency equation is obtained, and the dimension parameters of the ultrasonic actuator are obtained. The finite element method is used to design. ANSYS is used to analyze the structure of threaded ultrasonic sampling drill. Through modal and harmonic response analysis, the first order longitudinal vibration frequency, response and displacement amplitude-frequency characteristic curves of ultrasonic sampling drill are obtained. The mechanism of rock fragmentation of ultrasonic sampling drill and acoustic drill is similar: ultrasonic vibration causes the storage of energy in the form of flexible spring, although the bit displacement is small, but the vibration frequency is high. When the impact energy is greater than the energy needed to break the rock, the rock can be broken. At the same time, the larger the diameter of the drill pipe, the smaller the impact of the drill pipe on the rock. It can be obtained that the free mass can enhance the drilling effect of ultrasonic sampling drilling, which is better than that of pure high frequency vibration. Therefore, in ultrasonic sampling drilling, Free mass plays a very important role in stimulating the vibration of flexible drill pipe. This paper provides a theoretical basis for the optimum design of ultrasonic sampling drill, and simplifies the rock breaking process of ultrasonic sampling drill to the response of force to continuous column, thus paving the way for the quantification of rock fragmentation mechanism. In addition, the application of ultrasonic sampling drill in engineering has been done in the early stage.
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P634

【共引文献】

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本文编号：1697420