CN111571318B - 一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置 - Google Patents
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Abstract
一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，它涉及一种超声波岩石磨削装置。本发明为了解决现有的冲击式超声波岩石磨削装置随着磨削深度的增加，磨屑不易排除，积累的磨屑影响后续磨削效率的问题。本发明的纵‑扭复合式压电换能器与磨削壳体组件的前端连接，铜套安装在磨削壳体组件的内部后端，磨削杆水平安装在磨削壳体组件内，磨头安装在磨头连接件上，磨削杆的前端通过自由质量块与纵‑扭复合式压电换能器的冲击头接触，转子套在磨削杆的前端，预紧弹簧套装在转子上，恢复弹簧套装在磨削杆上，恢复弹簧的后端与铜套的环内端面接触。本发明用于深空探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波岩石磨削装置，具体涉及一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，属于深空探测技术领域。
背景技术
小行星是45亿年前太阳系形成初期遗留下来的产物，很好的保留了太阳系早期形成及演化的信息。对于小行星的深空探测，可以较好的复现太阳系历史；此外，由于小行星可能包含数量巨大的矿产及燃料资源，这可能是解决地球日渐匮乏的各类资源的一种行之有效的办法。所以，深空探测是各航天大国投入大量人力财力争相竞争的领域。深空探测领域目前最为直接有效的方式是采样返回，与传统的钻探器相比，超声波钻探器具有体积小、功耗低、钻进压力低等优点。
超声波岩石磨削装置是超声波钻探器的一个分支，按照运动形式可将超声波岩石磨削装置分为冲击式及回转冲击式两种。冲击式超声波岩石磨削装置的磨头仅能产生冲击运动，随着磨削深度的增加，积累的磨屑会影响后续磨削效率；而回转冲击式超声波岩石磨削装置将回转运动引入磨头，有助于磨屑的排除，可以有效地提高磨削效率。
综上所述，现有的冲击式超声波岩石磨削装置随着磨削深度的增加，磨屑不易排除，积累的磨屑存在影响后续磨削效率的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的冲击式超声波岩石磨削装置随着磨削深度的增加，磨屑不易排除，积累的磨屑存在影响后续磨削效率的问题。进而提供一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置。
本发明的技术方案是：一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置包括磨削壳体组件，它还包括纵-扭复合式压电换能器、转子、预紧弹簧、自由质量块、磨削杆、恢复弹簧、铜套、磨头连接件和磨头，纵-扭复合式压电换能器水平设置并与水平设置的磨削壳体组件的前端连接，铜套安装在磨削壳体组件的内部后端，磨削杆水平安装在磨削壳体组件内，且磨削杆的后端伸出磨削壳体组件并与磨头连接件连接，磨头安装在磨头连接件上，磨削杆的前端通过自由质量块与纵-扭复合式压电换能器的冲击头接触，转子套装在磨削杆的前端，且转子的前端与纵-扭复合式压电换能器的回转齿接触，预紧弹簧套装在转子上，且预紧弹簧位于转子的后端和铜套之间，恢复弹簧套装在磨削杆的中段上，且恢复弹簧的前端与磨削杆的中部侧端面相抵，恢复弹簧的后端与铜套的环内端面接触。
进一步地，纵-扭复合式压电换能器通过法兰盘与磨削壳体组件的前端连接。
进一步地，磨削壳体组件包括壳体、回转轴承和端盖，回转轴承套装在壳体的内侧壁与铜套的外侧壁之间，壳体的后端与端盖可拆卸连接。
进一步地，磨削壳体组件还包括防松对顶螺母，防松对顶螺母安装在磨削杆后部的螺纹段上。
进一步地，纵-扭复合式压电换能器包括纵扭变幅杆、后盖板、多个压电陶瓷片和多个电极片，多个压电陶瓷片和多个电极片交替排布并安装在纵扭变幅杆和后盖板之间，纵扭变幅杆和后盖板通过螺纹连接。
进一步地，转子上设有多个台肩。
进一步地，转子与磨削杆之间通过矩形花键连接。
进一步地，预紧弹簧的前端顶设在转子的台肩上，预紧弹簧的后端顶设在铜套的环外端面上。
进一步地，磨头固定安装在磨头连接件上。
优选地，磨头采用焊接的方式固定安装在磨头连接件上。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明所述纵-扭复合式压电换能器在高频交流电压的激励下，纵扭变幅杆端的冲击头产生的高频简谐振动，通过自由质量块，经由磨削杆传递至磨头，提供磨头的冲击运动。纵扭变幅杆端的回转齿产生的高频椭圆运动，通过摩擦力矩驱动的转子并经由内花键将回转运动传递至磨头，提供磨头的回转运动。使超声波岩石磨削装置同时具有冲击和回转磨削的能力。通过回转磨削使得磨屑快速排除，有效的避免了积累的磨屑影响后续磨削效率的问题，岩石磨削效率提高了40％-45％。
2、本发明通过纵扭变幅杆单侧的冲击头和回转齿将能量进行分流，冲击头产生的纵振向后传递直接输出冲击运动,回转齿产生的扭振分解为切向运动和轴向运动，其中切向运动通过摩擦力矩驱动并经由花键副向后传递并实现回转运动，完成纵-扭复合式压电换能器回转与冲击运动的解耦输出。冲击和回转运动解耦之后，可以通过冲击头及回转齿的参数变化来实现两种运动的分别调节，对后期输出特性的改善提供了行之有效的方法。此外由于采用了半波长换能器且能量集中于单侧输出，实现了结构的精简与体积的缩小，并降低了岩石磨削装置的生产成本，本发明的岩石磨削装置体积仅为150.16cm3，而且便于携带和操作。
3、本发明单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，将能量集中于压电换能器一侧进行利用，结构简单，尺寸紧凑。此外通过自主设计的大直径磨头来代替当前直径较小的钻具，在质量基本不变的情况下，显著提高了采样面积，可以更好的与气体激励结合进行采样收集，提高采样收集率，是一种极具研究潜力的小行星采样装置。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是纵-扭复合式压电换能器的分解图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置包括磨削壳体组件，它还包括纵-扭复合式压电换能器1、转子2、预紧弹簧3、自由质量块4、磨削杆5、恢复弹簧6、铜套7、磨头连接件12和磨头13，纵-扭复合式压电换能器1水平设置并与水平设置的磨削壳体组件的前端连接，铜套7安装在磨削壳体组件的内部后端，磨削杆5水平安装在磨削壳体组件内，且磨削杆5的后端伸出磨削壳体组件并与磨头连接件12连接，磨头13安装在磨头连接件12上，磨削杆5的前端通过自由质量块4与纵-扭复合式压电换能器1的冲击头接触，转子2套装在磨削杆5的前端，且转子2的前端与纵-扭复合式压电换能器1的回转齿接触，预紧弹簧3套装在转子2上，且预紧弹簧3位于转子2的后端和铜套7之间，恢复弹簧6套装在磨削杆5的中段上，且恢复弹簧6的前端与磨削杆5的中部侧端面相抵，恢复弹簧6的后端与铜套7的环内端面接触。
本实施方式的纵-扭复合式压电换能器1在高频交流电压激励下，纵扭变幅杆1-1的冲击头产生高频简谐振动，通过自由质量块4，经由磨削杆5传递至磨头13，提供磨头13的冲击运动，恢复弹簧6提供冲击运动的恢复力。该冲击运动是岩石破碎的最主要因素。纵扭变幅杆1-1回转齿产生高频的椭圆运动，转子2在预紧弹簧3提供的预紧力之下和纵扭变幅杆1-1回转齿保持紧密接触，由此在接触面处产生摩擦力矩驱动转子2进行回转运动，转子2通过内花键将回转运动经由磨削杆5传递至磨头13，提供磨头13的回转运动。该回转运动是岩石破碎的辅助因素，主要是对排屑能力进行强化，通过解决排屑障碍来提高岩石破碎效率。由于花键的特性，纵扭变幅杆1-1回转齿产生的非期望微量轴向运动通过矩形花键相对滑动消耗。本发明通过纵-扭复合式压电换能器1的单侧分别产生高频的简谐振动与椭圆运动，驱动磨头13分别实现冲击和回转运动，使超声波岩石磨削装置同时具有冲击和回转磨削的能力。
本实施方式的超声波岩石磨削装置所需轴向力小，结构紧凑，功耗低，重量轻，有能力实现深空探测中对环境未知小行星的有效取样。
本实施方式针对超声波钻钻取直径不大于5mm深孔的情况下，部分样品可能由于紊流因素不停在深孔中盘旋从而难以收集的问题。通过显著增大采样面积，改善了气体激励下样品的运动轨迹，进而提高样品收集率。与现有回转冲击式超声波钻相比，该装置构型更简单、结构更紧凑，同时，还保留了超声波钻能耗低、钻进压力低等优点。因此在深空探测领域具有巨大的应用潜力。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的纵-扭复合式压电换能器1通过法兰盘与磨削壳体组件的前端连接。如此设置，连接方式简单，便于拆装，连接可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的磨削壳体组件包括壳体8、回转轴承9和端盖10，回转轴承9套装在壳体8的内侧壁与铜套7的外侧壁之间，壳体8的后端与端盖10可拆卸连接。如此设置，结构简单，便于生产制造。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的磨削壳体组件还包括防松对顶螺母11，防松对顶螺母11安装在磨削杆5后部的螺纹段上。如此设置，有效的提高了磨削过程中磨削杆5与磨头连接件12之间连接的可靠性，便于保证岩石磨削的顺利进行。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的纵-扭复合式压电换能器1包括纵扭变幅杆1-1、后盖板1-4、多个压电陶瓷片1-2和多个电极片1-3，多个压电陶瓷片1-2和多个电极片1-3交替排布并安装在纵扭变幅杆1-1和后盖板1-4之间，纵扭变幅杆1-1和后盖板1-4通过螺纹连接。如此设置，便于对压电陶瓷片1-2施加预应力，同时精简了结构。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的转子2上设有多个台肩。如此设置，便于对预紧弹簧的安装及工作状态时提供限位作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的转子2与磨削杆5之间通过矩形花键连接。如此设置，便于将所需回转运动经由磨削杆传递至磨头，同时可以通过相对滑动消耗非期望的轴向运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的预紧弹簧3的前端顶设在转子2的台肩上，预紧弹簧3的后端顶设在铜套7的环外端面上。如此设置，便于保证预紧弹簧3在工作状态下，仍然保持其安装位置的固定。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的磨头13固定安装在磨头连接件12上。如此设置，有效的防止在冲击过程中，磨头掉落。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的磨头13采用焊接的方式固定安装在磨头连接件12上。如此设置，连接更加牢固。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。
结合图1至图2说明本发明的工作原理：
本发明的纵-扭复合式压电换能器在高频交流电压激励下，纵扭变幅杆的冲击头产生高频简谐振动，通过自由质量块，经由磨削杆传递至磨头，提供磨头的冲击运动，恢复弹簧提供冲击运动的恢复力。该冲击运动是岩石破碎的最主要因素。纵扭变幅杆回转齿产生高频的椭圆运动，转子在预紧弹簧提供的预紧力之下和纵扭变幅杆回转齿保持紧密接触，由此在接触面处产生摩擦力矩驱动转子进行回转运动，转子通过内花键将回转运动经由磨削杆传递至磨头，提供磨头的回转运动。该回转运动是岩石破碎的辅助因素，主要是对排屑能力进行强化，通过解决排屑障碍来提高岩石破碎效率。由于花键的特性，纵扭变幅杆回转齿产生的非期望微量轴向运动通过矩形花键相对滑动消耗。本发明通过纵-扭复合式压电换能器的单侧分别产生高频的简谐振动与椭圆运动，驱动磨头分别实现冲击和回转运动，使超声波岩石磨削装置同时具有冲击和回转磨削的能力。
本发明通过增加采样面积，更好暴露了产生的岩石样本，优化了采样罩内均布喷嘴的高压气体激励的效果，从而提高了采样收集率，是一种极具研究潜力的小行星采样装置。
以上所述仅对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员在本发明的启示之下，在不脱离发明宗旨下，对本发明的特征和实施例进行的各种修改或等同替换以适应具体情况均不会脱离本发明的精神和权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，它包括磨削壳体组件，其特征在于：它还包括纵-扭复合式压电换能器(1)、转子(2)、预紧弹簧(3)、自由质量块(4)、磨削杆(5)、恢复弹簧(6)、铜套(7)、磨头连接件(12)和磨头(13)，
纵-扭复合式压电换能器(1)水平设置并与水平设置的磨削壳体组件的前端连接，铜套(7)安装在磨削壳体组件的内部后端，
磨削杆(5)水平安装在磨削壳体组件内，且磨削杆(5)的后端伸出磨削壳体组件并与磨头连接件(12)连接，磨头(13)安装在磨头连接件(12)上，磨削杆(5)的前端通过自由质量块(4)与纵-扭复合式压电换能器(1)的冲击头接触，
转子(2)套装在磨削杆(5)的前端，且转子(2)的前端与纵-扭复合式压电换能器(1)的回转齿接触，预紧弹簧(3)套装在转子(2)上，且预紧弹簧(3)位于转子(2)的后端和铜套(7)之间，恢复弹簧(6)套装在磨削杆(5)的中段上，且恢复弹簧(6)的前端与磨削杆(5)的中部侧端面相抵，恢复弹簧(6)的后端与铜套(7)的环内端面接触；
纵-扭复合式压电换能器(1)包括纵扭变幅杆(1-1)、后盖板(1-4)、多个压电陶瓷片(1-2)和多个电极片(1-3)，多个压电陶瓷片(1-2)和多个电极片(1-3)交替排布并安装在纵扭变幅杆(1-1)和后盖板(1-4)之间，纵扭变幅杆(1-1)和后盖板(1-4)通过螺纹连接；
转子(2)与磨削杆(5)之间通过矩形花键连接；
纵扭变幅杆(1-1)单侧的冲击头和回转齿将能量进行分流，冲击头产生的纵振向后传递直接输出冲击运动,回转齿产生的扭振分解为切向运动和轴向运动，其中切向运动通过摩擦力矩驱动并经由矩形花键向后传递并实现回转运动，完成纵-扭复合式压电换能器回转与冲击运动的解耦输出，冲击和回转运动解耦之后，通过冲击头及回转齿的参数变化来实现两种运动的分别调节。
2.根据权利要求1所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：纵-扭复合式压电换能器(1)通过法兰盘与磨削壳体组件的前端连接。
3.根据权利要求2所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：磨削壳体组件包括壳体(8)、回转轴承(9)和端盖(10)，回转轴承(9)套装在壳体(8)的内侧壁与铜套(7)的外侧壁之间，壳体(8)的后端与端盖(10)可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：磨削壳体组件还包括防松对顶螺母(11)，防松对顶螺母(11)安装在磨削杆(5)后部的螺纹段上。
5.根据权利要求4所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：转子(2)上设有多个台肩。
6.根据权利要求5所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：预紧弹簧(3)的前端顶设在转子(2)的台肩上，预紧弹簧(3)的后端顶设在铜套(7)的环外端面上。
7.根据权利要求1或6所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：磨头(13)固定安装在磨头连接件(12)上。
8.根据权利要求7所述的一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置，其特征在于：磨头(13)采用焊接的方式固定安装在磨头连接件(12)上。
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