双向驱动的回转冲击式超声波钻探器及性能研究
发布时间：2021-06-12 22:18
获取外星体表面或地下的地质样品,对于分析星体的矿物组成、研究天体演化进程、探测生命迹象的存在都具有重要意义。钻进采样是获取地外天体地质样品的有效方式。传统钻进采样装置通常以电磁电机作为动力来源,需要较大的钻压力及力矩实现破碎岩石的目标。钻进采样装置所需钻压力通常由载体的自重提供。载体自重较小或者是在弱引力场环境下采样时,载体为钻探器提供的钻压力有限,限制了传统采样装置的应用。基于压电驱动原理的超声波钻探器具有钻压力小、功耗低、质量轻等优点,可解决低钻压力环境下的岩石钻取采样难题,在深空探测中具有良好的应用前景。本文以地外天体探测中,星体表面岩石钻进采样为背景,提出一种单压电陶瓷叠堆驱动的回转冲击式超声波钻探器。利用单压电陶瓷叠堆一端的振动能量驱动钻具作冲击运动,另一端的振动能量驱动钻具作回转运动。围绕钻探器的研究,开展了以下工作:1)纵-纵扭复合式压电换能器设计;2)钻探器动力学建模与能量传递特性分析;3)换能器直驱式钻探器的振动特性研究;4)超声波钻探器钻进性能实验研究。利用阶梯型变幅杆将压电陶瓷叠堆一端的纵振进行放大,在变幅杆的底部形成高频的简谐振动。利用纵扭转换振子将压电陶瓷叠堆...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
UDT概念演示样机及工程样机Fig.1-1ConceptdemonstratorandengineeringmodelUltrasonicDrillTools
地较软的模拟月壤开展，未验证钻探器对硬质岩石的钻进效果。英国格拉斯哥大学的 Harkness P.等人通过对比试验研究发现，在采样钻具纵向振动的基础上引入扭转振动能显著改善超声波钻探器的钻进效率[43]。为实现纵振与扭振的复合运动，提出了模态耦合型换能器与模态转换型换能器[44–46]。模态耦合型换能器由压电换能器与阶梯型变幅杆组成，如图 1-3 a)所示在阶梯型变幅杆的大径端外圆柱面上布置有若干个斜槽，形成一阶纵振与二阶扭振的耦合振动，在变幅杆末端形成纵扭复合振动。模态转换型换能器的阶梯型变幅杆的小径端外圆柱面上布置有螺旋槽，如图 1-3 b)所示。换能器工作在纯一阶纵振模态下。阶梯型变幅杆利用自身的结构特点，将换能器的纵向振动放大，并将部分纵向振动转换为扭振，形成纵扭复合振动。上述两种换能器的阶梯型变幅杆钻进岩石时形成的钻孔孔径略大于变幅杆小径端的直径，远小于变幅杆大径端的直径，钻探器能达到的最大钻孔深度受限于变幅杆小径端的长度。为使钻探器达到更大的钻进深度，提出了一种中空结构的钻探器[47,48]，如图 1-3 c)所示。钻探器变幅杆底部布置有径向空腔结构，用于将换能器的部分纵向振动转换为扭振。钻探器的上方设置有取芯器，用于折断并取出岩芯。
图 1-15 哈尔滨工业大学研制的回转冲击式超声波钻探器[87]ig. 1-15 Rotary-percussive ultrasonic drill proposed by Harbin Institute of Technolo对超声波钻探器研究现状进行总结，绘制表格 1-1。直削式超声波钻利用换能器底部的简谐振动切削岩石。冲击式超声波钻探器引入自由为能量传递环节，通过接触碰撞驱动钻具破碎岩石。在冲击式超声波基础上，利用电磁电机或压电陶瓷钻具做回转运动，可解决排屑问题探器的钻进效率。表 1-1 超声波钻探器研究现状汇总Table 1-1 Summary of ultrasonic drills类型钻具运动类型研制机构 技术指标 其他削式声波探器冲击英国 MP 公司名称：UDT钻进对象：冰钻进速率：36 mm/min钻取直径：10 mm支持火星岩石采样务。纵扭冲英国格拉斯质量：1.5 kg钻进功耗：40 W利用钻探器换能器
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻[J]. 王印超,全齐全,于红英,柏德恩,邓宗全. 北京航空航天大学学报. 2018(09)
[2]用于星球表面岩石采样的超声波钻进取心器[J]. 全齐全,李贺,邓宗全,王鑫剑,姜生元. 中南大学学报(自然科学版). 2016(12)
[3]超声波取样钻机电耦合特性研究[J]. 梁彩红,韦旌坤,史立京,卜长根. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2015(11)
[4]超声波/声波钻头/取心器装置[J]. 韩博,蒋国盛,陆洪智,范勇. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2010(11)
[5]斜槽式模态转换型超声电机振动分析及性能[J]. 杨淋,赵淳生,张建辉,黄卫清. 北京工业大学学报. 2010(07)
[6]斜槽式纵扭模态转换型超声电机在不同摩擦副下的负载特性研究[J]. 杨淋,丁庆军,黄卫清,赵淳生. 中国电机工程学报. 2010(15)
[7]宇宙探索与钻探技术[J]. 鄢泰宁,冉恒谦,段新胜. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2010(01)
[8]一种新型孔式模态转换型超声电机[J]. 杨淋,金家楣,赵淳生. 振动、测试与诊断. 2009(02)
[9]功率超声振动系统的研究进展[J]. 林书玉. 应用声学. 2009(01)
[10]一种新型的超声波/声波钻探器[J]. 郭俊杰,黄卫清,李志荣. 压电与声光. 2008(05)
硕士论文
[1]超声波钻探采样器的研制及试验研究[D]. 王鑫剑.哈尔滨工业大学 2014
[2]新型超声波钻探器驱动特性研究[D]. 李贺.哈尔滨工业大学 2013
[3]基于超声波/声波能量耦合机理的钻探器研究[D]. 杨康.南京航空航天大学 2012
[4]近钻头测量超声波传输系统设计及实验研究[D]. 高思.中国石油大学 2008
[5]新型超声波钻探器的研究[D]. 郭俊杰.南京航空航天大学 2008
本文编号：3226392
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
UDT概念演示样机及工程样机Fig.1-1ConceptdemonstratorandengineeringmodelUltrasonicDrillTools
地较软的模拟月壤开展，未验证钻探器对硬质岩石的钻进效果。英国格拉斯哥大学的 Harkness P.等人通过对比试验研究发现，在采样钻具纵向振动的基础上引入扭转振动能显著改善超声波钻探器的钻进效率[43]。为实现纵振与扭振的复合运动，提出了模态耦合型换能器与模态转换型换能器[44–46]。模态耦合型换能器由压电换能器与阶梯型变幅杆组成，如图 1-3 a)所示在阶梯型变幅杆的大径端外圆柱面上布置有若干个斜槽，形成一阶纵振与二阶扭振的耦合振动，在变幅杆末端形成纵扭复合振动。模态转换型换能器的阶梯型变幅杆的小径端外圆柱面上布置有螺旋槽，如图 1-3 b)所示。换能器工作在纯一阶纵振模态下。阶梯型变幅杆利用自身的结构特点，将换能器的纵向振动放大，并将部分纵向振动转换为扭振，形成纵扭复合振动。上述两种换能器的阶梯型变幅杆钻进岩石时形成的钻孔孔径略大于变幅杆小径端的直径，远小于变幅杆大径端的直径，钻探器能达到的最大钻孔深度受限于变幅杆小径端的长度。为使钻探器达到更大的钻进深度，提出了一种中空结构的钻探器[47,48]，如图 1-3 c)所示。钻探器变幅杆底部布置有径向空腔结构，用于将换能器的部分纵向振动转换为扭振。钻探器的上方设置有取芯器，用于折断并取出岩芯。
图 1-15 哈尔滨工业大学研制的回转冲击式超声波钻探器[87]ig. 1-15 Rotary-percussive ultrasonic drill proposed by Harbin Institute of Technolo对超声波钻探器研究现状进行总结，绘制表格 1-1。直削式超声波钻利用换能器底部的简谐振动切削岩石。冲击式超声波钻探器引入自由为能量传递环节，通过接触碰撞驱动钻具破碎岩石。在冲击式超声波基础上，利用电磁电机或压电陶瓷钻具做回转运动，可解决排屑问题探器的钻进效率。表 1-1 超声波钻探器研究现状汇总Table 1-1 Summary of ultrasonic drills类型钻具运动类型研制机构 技术指标 其他削式声波探器冲击英国 MP 公司名称：UDT钻进对象：冰钻进速率：36 mm/min钻取直径：10 mm支持火星岩石采样务。纵扭冲英国格拉斯质量：1.5 kg钻进功耗：40 W利用钻探器换能器
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻[J]. 王印超,全齐全,于红英,柏德恩,邓宗全. 北京航空航天大学学报. 2018(09)
[2]用于星球表面岩石采样的超声波钻进取心器[J]. 全齐全,李贺,邓宗全,王鑫剑,姜生元. 中南大学学报(自然科学版). 2016(12)
[3]超声波取样钻机电耦合特性研究[J]. 梁彩红,韦旌坤,史立京,卜长根. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2015(11)
[4]超声波/声波钻头/取心器装置[J]. 韩博,蒋国盛,陆洪智,范勇. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2010(11)
[5]斜槽式模态转换型超声电机振动分析及性能[J]. 杨淋,赵淳生,张建辉,黄卫清. 北京工业大学学报. 2010(07)
[6]斜槽式纵扭模态转换型超声电机在不同摩擦副下的负载特性研究[J]. 杨淋,丁庆军,黄卫清,赵淳生. 中国电机工程学报. 2010(15)
[7]宇宙探索与钻探技术[J]. 鄢泰宁,冉恒谦,段新胜. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2010(01)
[8]一种新型孔式模态转换型超声电机[J]. 杨淋,金家楣,赵淳生. 振动、测试与诊断. 2009(02)
[9]功率超声振动系统的研究进展[J]. 林书玉. 应用声学. 2009(01)
[10]一种新型的超声波/声波钻探器[J]. 郭俊杰,黄卫清,李志荣. 压电与声光. 2008(05)
硕士论文
[1]超声波钻探采样器的研制及试验研究[D]. 王鑫剑.哈尔滨工业大学 2014
[2]新型超声波钻探器驱动特性研究[D]. 李贺.哈尔滨工业大学 2013
[3]基于超声波/声波能量耦合机理的钻探器研究[D]. 杨康.南京航空航天大学 2012
[4]近钻头测量超声波传输系统设计及实验研究[D]. 高思.中国石油大学 2008
[5]新型超声波钻探器的研究[D]. 郭俊杰.南京航空航天大学 2008
本文编号：3226392
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