单晶压电陶瓷驱动的超声波钻设计及实验研究

发布时间：2020-11-16 11:54

　　 小行星探测是当前深空探测的热点领域之一,对太空资源的开发、建设小行星预警防御体系、研究太阳系的形成与演化过程及揭示生命起源等具有深远意义。基于压电驱动的超声波钻具有钻压力小、体积小、功耗低等特点,因此在小行星探测领域具有显著优势。本文利用理论计算、仿真分析和实验研究等方式,开展单晶压电陶瓷驱动超声波钻的设计、温度特性及高低温环境适应性研究。开展超声波钻压电换能器驱动特性研究。基于弹性体动力学微分方程,建立了超声波钻压电换能器的波动方程,确定了换能器的尺寸参数;利用有限元方法对压电换能器进行模态分析和谐响应分析;利用阻抗分析仪和激光位移传感器开展预紧力矩对压电换能器输出特性影响规律研究;对压电换能器进行阻抗匹配,减少其无功损耗。开展超声波钻压电换能器温度特性研究。基于有限元方法建立压电换能器工作过程温升仿真模型,获取其各关键部位温升情况;在温升分析基础上利用预应力模态分析,开展压电换能器频率漂移特性研究;结合理论与仿真分析开展压电换能器频率温度特性研究;基于有限元方法分析压电陶瓷叠堆在不同环境温度下应力分布。研制单晶压电陶瓷驱动超声波钻原理样机。为满足超声波钻高低温环境适应性研究需求,研制超声波钻高低温驱动特性测试实验系统。该实验系统可提供高低温环境,并监测超声波钻钻压力、钻进速率等参数。开展超声波钻驱动特性实验研究。针对同一种钻进介质,研究钻压力对超声波钻钻进效率影响;针对不同钻进介质,研究超声波钻对不同可钻性等级的钻进介质的钻进效率;开展超声波钻高低温驱动特性实验研究;实验验证超声波钻压电换能器温度特性理论模型的准确性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V476.4
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文人员基于梅森等效电路的思想建立了超声波钻探，研究了自由质量块的动态行为，为减小超声波钻声学长度，提出了折叠式变幅杆构型，如图 1-1(b出采用赫兹接触理论和模态叠加法来分析自由质和接触力[15–17]。德国帕德博恩大学的研究人员在钻探器样机，如图 1-2 所示[18,19]，利用实验方法揭利用有限元法和集中参数模型等方式建立了自由分析结果较为吻合。英国格拉斯哥大学研究了球形钻探效率的影响，并且对比了全波长换能器和半能差异[20,21]。哈尔滨工业大学的李贺对超声波钻量块的动力学行为进行了跟踪研究，如图 1-3 所示了自由质量的冲击动力学特性[24,25]。

提出采用赫兹接触理论和模态叠加法来分析自由质量为和接触力[15–17]。德国帕德博恩大学的研究人员在 J波钻探器样机，如图 1-2 所示[18,19]，利用实验方法揭示，利用有限元法和集中参数模型等方式建立了自由质分析结果较为吻合。英国格拉斯哥大学研究了球形自于钻探效率的影响，并且对比了全波长换能器和半波性能差异[20,21]。哈尔滨工业大学的李贺对超声波钻压质量块的动力学行为进行了跟踪研究，如图 1-3 所示[究了自由质量的冲击动力学特性[24,25]。图 1-2 德国帕德博恩大学研制的超声波钻探器

(c) 哈尔滨工业大学的钻探器图 1-5 压电回转冲击式超声波钻探器究结果均表明压电回转冲击式超声波钻探器相较于冲击式超声波钻探效率。击式超声波钻探器克服了传统电磁钻探器的轴向力大、功耗大等缺压力即可实现高效钻进，然而钻进效率受排屑影响较大。电机回转冲探器在冲击式超声波钻探器的基础上增加了电磁电机，利用电机驱屑，提升了钻进效率，但是降低了对极端环境的适应性，增加了系统电回转冲击式超声波钻探器利用单压电陶瓷叠堆实现了钻具的回转动，但仍存在问题：JPL 和格拉斯哥大学提出的纵扭复合型变幅杆回的回转力矩受恢复弹簧的预紧力影响，预紧力过大会导致自由质量响钻进效率，预紧力过小导致回转力矩偏小。哈尔滨工业大学提出的式增加了钻探器的轴向长度和重量。因此根据所应用的领域选择合器至关重要。由于小行星表面是弱引力环境，钻进过程中产生的碎屑一起，对钻进效率影响不大。因此针对小行星探测，冲击式超声波钻
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本文编号：2886196