CN102589925B - 超声激励冲击太空取样钻 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种超声激励冲击太空取样钻，该装置主要由超声换能器、加压夹持面、自由质量、钻杆四部分组成。当给超声换能器通以高频交流激励电压时，由于压电陶瓷的逆压电效应，超声换能器产生纵向共振，通过超声换能器前端的变幅杆将超声振幅放大；自由质量在超声换能器的激励和振动耦合作用下，在夹持变幅杆末端和钻杆之间产生高频的往复碰撞；自由质量的碰撞冲击和超声换能器的振动通过钻杆传递到岩石，当冲击强度大于岩石的压溃强度时，岩石发就发生破碎。本发明与无加压驻面螺纹连接的超声太空取样钻相比，冲击能量传递率高，并能根据岩层硬度，施加相应的轴向力，以提高取样钻进效率，且结构简单，重量轻，功耗小。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种超声激励冲击太空取样钻，这种取样钻适合于太空无人取样并进行原位实时分析，同时也可以作为地球上粉术采样的取样装置。
背景技术
随着太空科学技术的发展，人们对科学的探索已延伸至地外，然而未来对外太空星球的探测过程中，需要对星球原始状态进行研究，“采样”是必备的基础环节之一，但是外太空的钻探采样和在地球上进行采样分析存在巨大差异。受到各种各样的条件限制，如火箭及宇宙飞船的运载能力和运输体积、地外恶劣的环境(高温或低温、日照和辐射、低重力、真空)等的限制，采样装置的设计受到重量、体积、功耗、工作方式、润滑条件等限制。在这样的情况下，设计了一种新型的超声激励冲击太空取样钻，以满足外太空探测取样返回地球分析，或进行原位实时分析，都有着重要的意义。
美国喷气推进实验室设计了一种名为USDC的超声取样器。德国帕德伯恩大学也做过类似的取样器。该取样器可对砂岩、凝灰岩、玄武岩等多种岩石进行取样工作。国内南京航空航天大学和苏州职业大学对超声波取样器进行研究，主要关注压电陶瓷换能器的研究，没有考虑太空取样钻对不同岩层取样时，提高取样效率的加压装置的安装位置和刚度对太空取样钻系统动力学特性改变的影响；并把超声取样器钻杆和超声换能器之间采用螺纹连接，即带有外螺纹的钻杆和带有内螺纹的超声变幅杆采用螺纹连接，把钻杆和超声换能器作为一个弹性体处理，这种连接方式使得自由质量与被冲击的超声换能器、钻杆间的有效质量比值显著变小，根据完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞理论，在自由质量-钻杆部件-岩石系统中，当自由质量与钻杆部件的质量比为1时，系统冲击能量传递效率最高。对于超声激励冲击太空取样钻，从完全弹性碰撞理论来说，系统冲击能量的传递效率η＝4n/(n+1)2，其中n＝m1/m2，m1为自由质量的质量，m2为钻杆部件的质量。当超声换能器与钻杆部件之间采用螺纹连接时，系统冲击能量传递效率η＝0.076；当超声换能器与钻杆部件之间采用本设计方案中的插接式连接时，系统冲击能量传递效率η＝0.6307。可以看到本设计方案使系统冲击能量效率显著提高，极大提高了超声激励冲击太空取样钻的取样效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需旋转扭矩、无需润滑、耗能低、质量低，便于火箭发射的新型的无人取样超声激励冲击太空取样钻，其特征在于该超声激励冲击太空取样钻由超声换能器(1)，加压夹持面(2)、自由质量(3)和钻杆(4)四部分组成。加压夹持面(2)使整个太空取样钻安装在试验台或机器手上，自由质量(3)套在钻杆(4)上，钻杆(4)与超声换能器(1)采用插接式连接。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：取样工作时，超声换能器(1)的两端振动位移最大，而在超声换能器(1)的特定位置，设计一个纵向振动位移、速度均为零的节面(驻面)。在对硬度较高的岩石进行取样时，为了提高取样速率，需要给太空取样钻施加轴向的压力，在超声换能器(1)的节面(驻面)设置加压夹持面(2)，通过加压夹持面(2)夹持安装而不改变超声换能器(1)的动力学特性。为了满足技术方案将节面(驻面)与夹持体面设计共面，即在超声换能器(1)上设计一个特定的加压夹持面(2)。
当钻杆(4)与超声换能器(1)采用螺纹连接时，被自由质量(3)冲击的有效质量是超声换能器(1)与钻杆(4)质量之和，被冲击钻杆部件有效质量增加了，根据碰撞弹性理论与非弹性理论，在自由质量-钻杆部件-岩石系统中，当被冲击钻杆部件的有效质量大于自由质量(3)的质量时，系统能量的传递效率会随钻杆部件质量的增加而下降。上述方案中为了便于更换各种钻杆，满足不同的钻探取样要求，以及考虑太空取样钻在钻探岩石时的能量的传递率，钻杆(4)与超声换能器(1)采用插接式连接，即通过过渡或间隙配合的方式连接，以提高太空取样钻钻岩取样效率。
附图说明
图1超声激励冲击太空取样钻总装图
图2超声激励冲击太空取样钻
具体实施方式
超声激励冲击太空取样钻由超声换能器(1)，加压夹持面(2)、自由质量(3)和钻杆(4)四部分组成。先确定超声换能器(1)的节面位置，然后根据节面位置设计加压夹持面(2)。超声换能器(1)与钻杆(4)采用插接式连接，自由质量(3)套在钻杆(4)上，加压夹持面(2)夹持于试验台或机械手上，当给超声换能器(1)通高频交流激励电压时，由于压电陶瓷的逆压电效应，超声换能器(1)产生纵向共振，通过超声换能器(1)前端的变幅杆将超声振幅放大；自由质量(3)在超声换能器(1)的激励和振动耦合作用下，在变幅杆术端和钻杆(4)之间产生高频的往复碰撞；自由质量(3)的碰撞冲击和超声换能器(1)的振动通过钻杆(4)传递到岩石，当冲击强度大于岩石的压溃强度时，岩石发就发生破碎。
Claims (1)
1.一种新型的超声激励冲击太空取样钻，其特征在于：超声激励冲击太空取样钻由超声换能器(1)及其上的加压夹持面(2)、自由质量(3)和钻杆(4)四部分组成；取样工作时，具有半波振子特征的超声换能器(1)的两端纵向振动位移或速度最大，在超声换能器(1)上的特定位置，设计一个纵向振动位移和速度为零的节面(驻面)，在超声换能器(1)的该节面(驻面)设计一个加压夹持面；
所述超声换能器(1)和钻杆(4)的连接方式采用滑动插接式联接，即把自由质量(3)先装在钻杆(4)的上端部后，再把钻杆(4)通过过渡或间隙配合的方式插装入超声换能器(1)一端的内孔内，形成滑动插装联接。
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