单压电叠堆驱动回转冲击超声波钻探器研究

发布时间：2020-09-14 09:57

　　地外天体的岩石样品中包含自身地质演化信息,随着深空探测技术的不断发展,获取岩石样品已成为深空探测的重要目标之一。钻进采样是获取深层岩石样品的一种重要方式,而现有的钻进采样仍然主要依靠电磁电机作为动力来源的传统采样设备。通常情况下,传统钻具破损岩石需要在较大的力矩和钻压力下达到岩石的应力阈值以破碎岩石。由于探测器携带的有效载荷和能源有限,难以满足传统采样设备持续增长的钻压力和功耗要求。在弱重力场环境下工作时,采样装置过大的钻压力可能造成探测器倾覆,这进一步限制了传统采样装置在深空探测中的应用。基于压电陶瓷驱动的超声波钻探设备可在低钻压力和低钻进功耗下依靠高频冲击运动破碎岩石,在深空探测中具有良好的应用前景。本文以月岩钻进采样为工程背景,提出一种回转冲击超声波钻探器方案,该回转冲击超声波钻探器(本文简称为“超声波钻探器”)仅利用单一压电叠堆两侧的振动实现了钻具的回转和冲击运动,且回转运动和冲击运动可单独调节。针对探测器进行了驱动特性及实验研究,开展了以下工作:1)超声波钻探器压电换能器设计研究;2)超声波钻探器驱动特性研究;3)回转冲击作用下岩屑输送过程研究;4)超声波钻探器钻进实验研究。基于夹心式压电换能器的驱动理论,提出一种由单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻探器设计方案。设计了新型压电换能器构型,改进了哑铃型冲击变幅杆结构,计算冲击变幅杆的振幅放大的系数用于评估冲击变幅杆输出性能;提出新型的V型纵扭复合耦合振子设计方案,分析耦合振子结构参数对扭纵比的影响,获得扭纵比敏感参数。基于有限元方法完成压电换能器的模态简并,进行压电换能器的模态分析和谐响应分析,完成压电换能器两侧谐振匹配。建立压电换能器电声等效网络模型,获得压电换能器声阻抗值,为于相应的驱动系统阻抗匹配提供数据支撑。基于赫兹接触理论,建立回转单元的驱动齿与转子间的力学模型,研究了驱动参数对力矩和转速的影响。基于非线性动力学理论,建立自由质量、冲击变幅杆和钻具间的离散运动模型。分析碰撞恢复系数、自由质量等参数对冲击单元能量传递特性的影响。开展自由质量冲击碰撞试验,验证离散运动模型的正确性。分析岩屑在回转冲击作用下的螺旋输送过程,基于螺旋输送和振动输送理论,建立岩屑的力学模型,研究钻具驱动参数对有效排屑速度的影响规律。借助离散元数值模拟方法,基于Hertz-Mindlin with Bonding接触理论建立岩屑颗粒仿真模型,并以岩屑颗粒堆积角这一宏观参数为目标,开展接触模型微观参数匹配研究。基于岩屑颗粒模型,开展回转冲击作用下螺旋排屑仿真模拟研究,分析驱动参数对岩屑输送过程的影响。基于Taguchi实验分析方法,设计5因素3水平正交实验,获得驱动参数对输送过程影响的排列顺序。研制回转冲击超声波钻探器样机,基于超声波钻探器钻进测试平台进行了岩石钻进实验研究。利用激光测量系统,测量压电换能器的输出谐振振幅,驱动压电换能器的驱动工作面,并验证了压电换能器匹配的正确性。开展回转冲击钻进与冲击钻进对比钻进实验,证明了回转冲击有较高的钻进效率。开展回转冲击超声波钻探器钻进参数影响实验,基于响应面方法研究钻探器各钻进参数对钻进效率的交互影响,开展显著性分析获得影响钻进效率的主要因素。基于钻进效率影响因素进行钻进参数优化分析,获取最佳的钻进参数配比并通过实验进行了验证。本文以月岩钻探为目标,提出一种单压电叠堆驱动回转冲击超声波钻探器方案,能够有效提高超声波钻探器的钻进效率,可为我国未来月球探测岩石采样工具设计提供备选方案和技术支持。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P634.3
【部分图文】：

苏联,探测器,月壤,采样装置

分别为 Luna-16、Luna-20 和Luna-24。Luna-16 和 Luna-20 的钻进采样装置位于摆杆式机械臂末端，如图1-1 a)所示。当工作时，摆杆式机械臂将采样装置放置于月球表面，钻进采样装置开始钻入表层并获取月壤。Luna-16 采样深度为 350 mm，采样质量 101 g，因为钻进过程中负载过大而停止钻进。Luna-20 钻进深度只有 250 mm，钻进过程中出现多次功耗过载情况，最终仅获得月壤 55 g。Luna-24 的钻进采样方式为回转冲击采样，目标是获取月球次表层 2 m 深度的月壤样品。该采样器通过滑轨提供钻进过程的支撑与导向，利用钢丝绳牵引机构提供钻压力。当钻压力过大时，采样器将开启冲击功能进行回转冲击钻进。在采样器的实际工作过程中曾出现两次系统过载报警，钻进深度最终停留在 2.25 m，采样质量为 170 g。由此可见

取芯,方式,宇航员,探月工程

a) 宇航员压入式取样 b) 宇航员钻进取样a) Coring using drive tubes by astronaut b) Drilling and coring by astro图 1-2 Apollo 系列取芯方式Fig. 1-2 Apollo coring method尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心面向我国探月工程返回任务的技术需求，研制了多套月面钻进采样实验装备[26 29

实验平台,公司

) Icebreaker 钻进装置 b) DAME 钻进装置 c) MARTE 钻进装图 1-6 Honeybee Robotics 钻探实验平台Fig. 1-6 Test bed of Honeybee Robotics NASA 和 Honeybee Robotics 公司联合研制了一系列针对地外设备，其中比较有代表性的有 Icebreaker、DAME 和 MARTE[36 41]

【参考文献】