CN110259375A - 用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器及其工作方法。为保护钻取的原位月壤不受破坏，需要一种低冲击的冲击器。本发明的电磁驱动模块包括交流电源、电源开关、变频仪、正绕线组、逆绕线组和磁铁芯；激励模块包括冲击锤、复位压簧和钻夹头；经变频仪处理后的谐波电流使得正、逆绕线组各自产生极性相异且不断周期变化的磁场，使得磁铁芯在两个绕线组之间做谐振式周期往复运动；活塞与冲击锤之间气腔的气压使得冲击锤周期性往复冲击产生激励，由于气压和复位压簧的作用使得这种冲击非常小，因而形成低冲击、可变频的冲击系统。本发明可用于空间航天探测取样工程或要求低冲击的非接触激励试验中。
Description
技术领域
本发明属于冲击器技术领域，具体涉及一种用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器及其工作方法。
背景技术
随着各种冲击器技术的不断发展，冲击器的应用也日益广泛，目前，冲击器主要应用于水文水井钻探、无岩心地质钻探、地质灾害防治工程以及矿山凿岩等领域，却不能配置特殊结构的钻头用于空间航天探测取样工程中。为保护钻取的原位月壤不受破坏，需要一种低冲击的冲击器来实现。而传统的冲击器往往需要配备能力较大的空气压缩机，燃料消耗较大、有噪音、粉尘污染，且冲击力较大，不满足空间航天探测取样工程中恶劣的工况。因此亟需一种具有低冲击力、低频率、体积小、质量轻的冲击器设备。
发明内容
本发明的目的是针对传统冲击器耗能较大、有噪音、粉尘污染，很难满足一些要求低冲击的冲击激励试验，且不能配置特殊结构钻头用于空间航天探测取样工程中的问题，提供一种以交变电磁场力驱动磁铁芯周期式往复运动的低冲击冲击器及其工作方法，该冲击器动态响应快、能耗低、噪音小、工作频率可调低、体积小、质量轻、冲击力小、控制方便，可配置特殊结构的钻头用于空间航天探测取样工程中，也可用于要求低冲击的非接触激励试验中。
本发明采用以下技术方案实现：
本发明用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器，包括壳体、气压传动模块、电磁驱动模块和激励模块；所述的气压传动模块包括缸体和活塞；所述缸体的一端置于壳体内，且缸体与壳体通过螺栓连接；缸体与壳体之间形成气腔一；所述的缸体开设有正行程孔和逆行程孔，且逆行程孔比正行程孔靠近激励模块；正行程孔为阻尼孔；正行程孔和逆行程孔均是一个或沿周向均布的多个；所述的活塞与缸体内壁构成滑动副；活塞的厚度小于逆行程孔与正行程孔沿缸体轴向上的间距。
所述的电磁驱动模块包括交流电源、电控变频器、正绕线组、逆绕线组和磁铁芯；所述的电控变频器包括电源开关和变频仪；所述的电源开关置于壳体外；交流电源的两端与变频仪的两个输入端分别连接；变频仪的一个输出端接正绕线组的一端；正绕线组的另一端接逆绕线组的一端，逆绕线组的另一端接变频仪的另一个输出端；正绕线组是一个正绕线圈或多个正绕线圈串联；逆绕线组是一个逆绕线圈或多个逆绕线圈串联；正绕线组的线圈缠绕旋向与逆绕线组的线圈缠绕旋向相反；正绕线组和逆绕线组间距缠绕在缸体外壁上，且正行程孔设置在正绕线组和逆绕线组之间；逆绕线组比正绕线组靠近激励模块；所述的磁铁芯与缸体内壁构成滑动副，且沿缸体轴向上，磁铁芯设置在正绕线组和逆绕线组之间；活塞比磁铁芯靠近激励模块；磁铁芯、活塞和缸体内壁之间形成气腔二。
所述的激励模块包括冲击锤、复位压簧和钻夹头；所述钻夹头的一端固定在缸体内；所述冲击锤的一端与缸体内壁构成滑动副，另一端伸入钻夹头开设的中心孔内，且冲击锤与钻夹头通过复位压簧连接；所述的复位压簧设有预压力；活塞、冲击锤和缸体内壁之间形成气腔三。
所述的缸体与壳体的连接面处设有垫片。
所述的冲击锤与缸体内壁的摩擦面之间设有密封圈。
所述的缸体内设有一体成型的限位台阶，对冲击锤复位时进行限位。
该用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器的工作方法，具体如下：
当电源开关闭合时，变频仪对交流电源提供的电流进行处理，得到谐波电流给正绕线组和逆绕线组供电；谐波电流使正、逆绕线组两端的磁极极性不断交变，正、逆绕线组产生极性相异的磁场；在不断交变的磁场力作用下，磁铁芯在正、逆绕线组之间做谐振式周期往复运动。磁铁芯由靠近正绕线组位置朝向逆绕线组做正行程运动时，活塞与磁铁芯之间的气腔二内气压增大，推动活塞做正行程运动，活塞越过正行程孔后，由于正行程孔的阻尼作用，活塞仍继续向冲击锤移动，直至越过逆行程孔后，冲击锤与活塞之间的气腔三内气压逐渐增大，而气腔二与气腔一经逆行程孔相通，气腔二内的气压减小到与气腔一内的气压相等，气腔三内的气压大于气腔二内的气压，气腔三内的气压作用在冲击锤上，由于气腔三内的气压和复位压簧的作用，使得活塞撞击冲击锤产生的激励较小，因而对外形成低冲击。磁铁芯由靠近逆绕线组位置朝向正绕线组做逆行程运动时，由于气腔三内的气压大于气腔二内的气压，气腔三内的气压推动活塞做逆行程运动，同时冲击锤在复位压簧作用下复位；活塞做逆行程运动至越过逆行程孔后，气腔三内的气压减小到与气腔一内的气压相等；但由于存在正行程孔的阻尼作用，随着磁铁芯继续做逆行程运动，气腔二的容积增大，气腔二内的气压减小，气腔二内的气压减小至小于气腔三内的气压后，气腔三内的气压继续推动活塞做逆行程运动；磁铁芯做逆行程运动直到靠近正绕线组时，活塞做逆行程运动并越过正行程孔。
当电源开关断开时，磁铁芯、活塞以及冲击锤都运动到受力平衡位置后停止。
本发明具有的有益效果：
1、经变频仪处理后的谐波电流使得正、逆绕线组各自产生极性相异且不断周期变化的磁场，使得磁铁芯在两个绕线组之间做谐振式周期往复运动，电磁驱动可控且频率可调；
2、与现有的冲击器相比不需要配备能力较大的空气压缩机，大大减少了该冲击器整体质量与占用空间；
3、活塞与冲击锤之间气腔的气压使得冲击锤周期性往复冲击产生激励，由于气压和复位压簧的作用使得这种冲击非常小，因而形成低冲击、可变频的冲击系统，基于此特性可配置特殊结构的钻头用于空间航天探测取样工程中，也可用于一些要求低冲击的非接触激励试验中。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖面图；
图2为本发明的整体结构外形图；
图3为本发明中产生的谐波电流示意图；
图4为本发明的电磁驱动磁铁芯做正行程运动示意图；
图5为本发明的电磁驱动磁铁芯做逆行程运动示意图。
图中：1、壳体，2、电控变频器，3、缸体，4、正绕线组，5、磁铁芯，6、逆绕线组，7、活塞，8、冲击锤，9、密封圈，10、复位压簧，11、垫圈，12、螺栓，13、钻夹头，14、逆行程孔，15、正行程孔，16、电源开关，17、变频仪，18、气腔二，19、气腔三，20、气腔一。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1、2、4和5所示，用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器，包括壳体1、气压传动模块、电磁驱动模块和激励模块；气压传动模块包括缸体3和活塞7；缸体3一端置于壳体1内，且缸体3与壳体1通过螺栓12连接；缸体3与壳体1的连接面处设有垫片11，对螺栓12起到防松作用；缸体3与壳体1之间形成气腔一20；缸体3开设有正行程孔15和逆行程孔14，且逆行程孔14比正行程孔15靠近激励模块；正行程孔15为阻尼孔；正行程孔15和逆行程孔14均可以是一个或沿周向均布的多个；活塞7与缸体3内壁构成滑动副；活塞7的厚度小于逆行程孔14与正行程孔15沿缸体3轴向上的间距。
电磁驱动模块包括交流电源、电控变频器2、正绕线组4、逆绕线组6和磁铁芯5；其中，电控变频器2包括电源开关16和变频仪17；电源开关16置于壳体1外；交流电源的两端与变频仪17的两个输入端分别连接；变频仪17的一个输出端接正绕线组4的一端；正绕线组4的另一端接逆绕线组6的一端，逆绕线组6的另一端接变频仪17的另一个输出端；正绕线组4可以是一个正绕线圈，也可以是多个正绕线圈串联；逆绕线组6可以是一个逆绕线圈，也可以是多个逆绕线圈串联；正绕线组4的线圈缠绕旋向与逆绕线组6的线圈缠绕旋向相反；正绕线组4和逆绕线组6间距缠绕在缸体3外壁上，且正行程孔15设置在正绕线组4和逆绕线组6之间；逆绕线组6比正绕线组4靠近激励模块；磁铁芯5与缸体3内壁构成滑动副，且沿缸体3轴向上，磁铁芯5设置在正绕线组4和逆绕线组6之间；活塞7比磁铁芯5靠近激励模块；磁铁芯5、活塞7和缸体3内壁之间形成气腔二18。
激励模块包括冲击锤8、复位压簧10和钻夹头13；钻夹头13一端固定在缸体3内；冲击锤8一端与缸体3内壁构成滑动副，另一端伸入钻夹头13开设的中心孔内，且冲击锤8与钻夹头13通过复位压簧10连接；冲击锤8与缸体3内壁的摩擦面之间设有密封圈9；缸体3内设有一体成型的限位台阶，用于对冲击锤8复位时的限位；复位压簧10设有预压力；复位压簧的作用是使冲击锤复位，同时可以缓冲撞击实现低冲击；活塞7、冲击锤8和缸体3内壁之间形成气腔三19。
该用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器的工作方法，具体如下：
钻夹头13的中心孔连接钻杆或其它工作头。当电源开关16闭合时，变频仪17对交流电源提供的电流进行处理，得到谐波电流给正绕线组和逆绕线组供电；谐波电流使正、逆绕线组两端的磁极极性不断交变，且不管谐波电流的电流方向如何，正、逆绕线组均会产生极性相异的磁场；在不断交变的磁场力作用下，磁铁芯5在正、逆绕线组之间做谐振式周期往复运动。磁铁芯5由靠近正绕线组4位置朝向逆绕线组6做正行程运动时，活塞7与磁铁芯5之间的气腔二18内气压增大，推动活塞7做正行程运动，活塞7越过正行程孔15后，由于正行程孔15的阻尼作用，活塞7仍继续向冲击锤8移动，直至越过逆行程孔14后，冲击锤8与活塞7之间的气腔三19内气压逐渐增大，而气腔二18与气腔一20经逆行程孔14相通，气腔二内的气压减小到与气腔一20内的气压相等，气腔三内的气压大于气腔二内的气压，气腔三内的气压作用在冲击锤8上，由于气腔三内的气压和复位压簧10的作用，使得活塞7撞击冲击锤8产生的激励较小，因而对外形成低冲击。磁铁芯5由靠近逆绕线组6位置朝向正绕线组4做逆行程运动(回程运动)时，由于气腔三内的气压大于气腔二内的气压，气腔三内的气压推动活塞7做逆行程运动，同时冲击锤8在复位压簧10作用下复位；活塞7做逆行程运动至越过逆行程孔14后，气腔三内的气压减小到与气腔一20内的气压相等；但由于存在正行程孔15的阻尼作用，随着磁铁芯5继续做逆行程运动，气腔二18的容积增大，气腔二18内的气压减小，气腔二18内的气压减小至小于气腔三内的气压后，气腔三内的气压继续推动活塞7做逆行程运动；磁铁芯5做逆行程运动直到靠近正绕线组4时，活塞7做逆行程运动并越过正行程孔15；当电源开关16突然断开时，磁铁芯5、活塞7以及冲击锤8都会在受力平衡状态下停止。
如图3所示为谐波电流I随时间t变化的示意图，0-t1时间段内为正向电流，t1-t2时间段内为负向电流；谐波电流为正向电流时，正绕线组产生磁场的磁极为左S右N，逆绕线组6产生磁场的磁极为左N右S，如图4所示，由于本实施例中磁铁芯5左端N极右端S极，根据相同磁极相互排斥，相异磁极相互吸引可知，正绕线组4对磁铁芯5产生排斥力，逆绕线组6对磁铁芯5产生吸引力，因此磁铁芯5做正行程运动。谐波电流为负向电流时，正绕线组4产生磁场的磁极为左N右S，逆绕线组6产生磁场的磁极为左S右N，如图5所示，正绕线组4对磁铁芯5产生吸引力，逆绕线组6对磁铁芯5产生排斥力，因此磁铁芯5做逆行程运动。在谐波电流变化周期内，磁铁芯完成一次往复运动。
Claims (6)
1.用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器，包括壳体、气压传动模块、电磁驱动模块和激励模块，其特征在于：所述的气压传动模块包括缸体和活塞；所述缸体的一端置于壳体内，且缸体与壳体通过螺栓连接；缸体与壳体之间形成气腔一；所述的缸体开设有正行程孔和逆行程孔，且逆行程孔比正行程孔靠近激励模块；正行程孔为阻尼孔；正行程孔和逆行程孔均是一个或沿周向均布的多个；所述的活塞与缸体内壁构成滑动副；活塞的厚度小于逆行程孔与正行程孔沿缸体轴向上的间距；
所述的电磁驱动模块包括交流电源、电控变频器、正绕线组、逆绕线组和磁铁芯；所述的电控变频器包括电源开关和变频仪；所述的电源开关置于壳体外；交流电源的两端与变频仪的两个输入端分别连接；变频仪的一个输出端接正绕线组的一端；正绕线组的另一端接逆绕线组的一端，逆绕线组的另一端接变频仪的另一个输出端；正绕线组是一个正绕线圈或多个正绕线圈串联；逆绕线组是一个逆绕线圈或多个逆绕线圈串联；正绕线组的线圈缠绕旋向与逆绕线组的线圈缠绕旋向相反；正绕线组和逆绕线组间距缠绕在缸体外壁上，且正行程孔设置在正绕线组和逆绕线组之间；逆绕线组比正绕线组靠近激励模块；所述的磁铁芯与缸体内壁构成滑动副，且沿缸体轴向上，磁铁芯设置在正绕线组和逆绕线组之间；活塞比磁铁芯靠近激励模块；磁铁芯、活塞和缸体内壁之间形成气腔二；
所述的激励模块包括冲击锤、复位压簧和钻夹头；所述钻夹头的一端固定在缸体内；所述冲击锤的一端与缸体内壁构成滑动副，另一端伸入钻夹头开设的中心孔内，且冲击锤与钻夹头通过复位压簧连接；所述的复位压簧设有预压力；活塞、冲击锤和缸体内壁之间形成气腔三。
2.根据权利要求1所述用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器，其特征在于：所述的缸体与壳体的连接面处设有垫片。
3.根据权利要求1所述用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器，其特征在于：所述的冲击锤与缸体内壁的摩擦面之间设有密封圈。
4.根据权利要求1所述用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器，其特征在于：所述的缸体内设有一体成型的限位台阶，对冲击锤复位时进行限位。
5.根据权利要求1～4中任一项所述用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器的工作方法，其特征在于：该方法具体如下：
当电源开关闭合时，变频仪对交流电源提供的电流进行处理，得到谐波电流给正绕线组和逆绕线组供电；谐波电流使正、逆绕线组两端的磁极极性不断交变，正、逆绕线组产生极性相异的磁场；在不断交变的磁场力作用下，磁铁芯在正、逆绕线组之间做谐振式周期往复运动；磁铁芯由靠近正绕线组位置朝向逆绕线组做正行程运动时，活塞与磁铁芯之间的气腔二内气压增大，推动活塞做正行程运动，活塞越过正行程孔后，由于正行程孔的阻尼作用，活塞仍继续向冲击锤移动，直至越过逆行程孔后，冲击锤与活塞之间的气腔三内气压逐渐增大，而气腔二与气腔一经逆行程孔相通，气腔二内的气压减小到与气腔一内的气压相等，气腔三内的气压大于气腔二内的气压，气腔三内的气压作用在冲击锤上，由于气腔三内的气压和复位压簧的作用，使得活塞撞击冲击锤产生的激励较小，因而对外形成低冲击；磁铁芯由靠近逆绕线组位置朝向正绕线组做逆行程运动时，由于气腔三内的气压大于气腔二内的气压，气腔三内的气压推动活塞做逆行程运动，同时冲击锤在复位压簧作用下复位；活塞做逆行程运动至越过逆行程孔后，气腔三内的气压减小到与气腔一内的气压相等；但由于存在正行程孔的阻尼作用，随着磁铁芯继续做逆行程运动，气腔二的容积增大，气腔二内的气压减小，气腔二内的气压减小至小于气腔三内的气压后，气腔三内的气压继续推动活塞做逆行程运动；磁铁芯做逆行程运动直到靠近正绕线组时，活塞做逆行程运动并越过正行程孔。
6.根据权利要求5所述用于低冲击场合的电磁谐振式气动冲击器的工作方法，其特征在于：当电源开关断开时，磁铁芯、活塞以及冲击锤都运动到受力平衡位置后停止。
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