CN117846498A - 一种超声波钻进器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种超声波钻进器，包括外壳、超声波夹心式换能器、自由质量块以及三维点阵夹层结构钻具，超声波夹心式换能器包括：传动轴、预紧螺栓、转子、纵扭转换振子、堆叠的压电陶瓷、绝缘环和变幅杆；传动轴依次贯穿预紧螺栓、转子、纵扭转换振子、堆叠的压电陶瓷、绝缘环和变幅杆，自由质量块为中空结构，位于超声波夹心式换能器与三维点阵夹层结构钻具之间，可在超声波夹心式换能器的底部与三维点阵夹层结构钻具的顶部之间运动，传动轴贯穿自由质量块与三维点阵夹层结构钻具的钻杆接口螺纹连接。本公开的超声波钻进器结构简单，能耗低，超声波夹心式换能器与三维点阵夹层结构钻具相互配合，钻进取心效率更高，取心性能更可靠。

Description

一种超声波钻进器

技术领域

本公开涉及钻探设备领域，尤其涉及一种超声波钻进器。

背景技术

与地表钻取采样探测相比，月球环境下的钻取采样探测具有很大的挑战，在月球表面实施钻进任务时面临钻探环境恶劣和引力微弱的环境特点。受火箭运载能力、月面低重力环境的约束，钻取采样机构及其着陆器系统须进行轻量化设计，因此钻取采样机构可提供的钻进能力有限，并且由于月球低重力的特点，地表钻取采样探测的常规钻具利用钻机自重加压实现钻进的方式难以在月球中完成钻进，为月壤的高效钻进带来了困难，因此钻探采样对钻具提出了更高的要求。

发明内容

本公开提供了一种超声波钻进器，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

本公开提供一种超声波钻进器，包括：外壳、超声波夹心式换能器、自由质量块以及三维点阵夹层结构钻具；所述超声波夹心式换能器为中空结构，包括：传动轴、预紧螺栓、转子、纵扭转换振子、堆叠的压电陶瓷、绝缘环和变幅杆；所述传动轴依次贯穿所述预紧螺栓、所述转子、所述纵扭转换振子、所述堆叠的压电陶瓷、所述绝缘环和所述变幅杆；所述自由质量块为中空结构，位于所述超声波夹心式换能器与所述三维点阵夹层结构钻具之间，可在所述超声波夹心式换能器的底部与所述三维点阵夹层结构钻具的顶部之间运动；所述传动轴贯穿所述自由质量块与所述三维点阵夹层结构钻具的钻杆接口螺纹连接。

在一可实施方式中，所述堆叠的压电陶瓷由多个压电陶瓷片堆叠形成，相邻的压电陶瓷片以正、负极交替的方式堆叠。

在一可实施方式中，所述预紧螺栓包括：预紧螺母和预紧弹簧，所述预紧螺母和所述预紧弹簧将所述转子、所述纵扭转换振子、所述堆叠的压电陶瓷和所述变幅杆连为一体，所述预紧螺母和所述预紧弹簧用于给所述堆叠的压电陶瓷施加预应力，使所述堆叠的压电陶瓷处于压缩状态。

在一可实施方式中，所述三维点阵夹层结构钻具包括：钻杆接口、钻具保持器、恢复弹簧和三维点阵夹层结构的钻杆；所述三维点阵夹层结构的钻杆包括钻杆外壁、三维点阵钻杆结构夹层和钻杆内壁。

在一可实施方式中，所述堆叠的压电陶瓷受到激励产生纵向振动，所述变幅杆将所述纵向振动放大，并将所述纵向振动通过所述自由质量块传递给所述三维点阵夹层结构钻具，驱动所述三维点阵夹层结构钻具作冲击运动进行钻进。

在一可实施方式中，所述纵扭转换振子将所述纵向振动转换为纵扭复合振动，所述纵扭转换振子和所述转子之间存在由所述预紧螺栓提供的预紧力，使所述纵扭转换振子和转子的接触面间产生摩擦力，所述摩擦力驱动所述转子旋转以带动所述三维点阵夹层结构钻具作回转运动。

在一可实施方式中，所述纵扭转换振子和所述转子的接触面间产生的摩擦力驱动所述转子旋转，使所述变幅杆顶部作椭圆运动，所述转子与所述变幅杆之间产生相对运动，驱动所述三维点阵夹层结构钻具作回转运动。

在一可实施方式中，所述三维点阵夹层结构钻具包括：滚珠滑套、减震垫片，所述恢复弹簧、所述滚珠滑套和所述减震垫片通过螺栓进行固定。

在一可实施方式中，外壳的材质为软钢或铍青铜。

在一可实施方式中，所述压电陶瓷片为发射性陶瓷片。

本公开的一种超声波钻进器，包括外壳、超声波夹心式换能器、自由质量块以及三维点阵夹层结构钻具，其中超声波夹心式换能器为中空结构，包括：传动轴以及由传动轴依次贯穿的预紧螺栓、转子、纵扭转换振子、堆叠的压电陶瓷、绝缘环和变幅杆；自由质量块也为中空结构，位于超声波夹心式换能器与三维点阵夹层结构钻具之间，可在超声波夹心式换能器的底部与三维点夹层结构钻具的顶部之间运动，此外，传动轴贯穿自由质量块与三维点阵夹层结构钻具的钻杆接口螺纹连接。本公开的超声波钻进器结构简单，能耗低，采用的三维点阵夹层结构钻具为先进超强韧结构，质量轻、强度高，具有较强的抗冲击吸能作用，同时超声波夹心式换能器与三维点阵夹层结构钻具相互配合，提高了钻进取心效率，增强了取心性能。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

图1示出了本公开实施例一种超声波钻进器的剖面示意图；

图2a示出了本公开实施例一种超声波钻进器第一结构示意图；

图2b示出了本公开实施例一种超声波钻进器第一结构的剖面示意图；

图3a示出了本公开实施例一种超声波钻进器第二结构示意图；

图3b示出了本公开实施例一种超声波钻进器第二结构的剖面示意图。

图中标号说明：

1、外壳；2、超声波夹心式换能器；3、自由质量块；4、三维点阵夹层结构钻具；21、传动轴；22、预紧螺栓；23、转子；24、纵扭转换振子；25、堆叠的压电陶瓷；26、绝缘环；27、变幅杆；41、钻杆接口；42、钻具保持器；43、恢复弹簧；44、三维点阵夹层结构的钻杆；45、滚珠滑套；46、减震垫片；221、预紧螺母；222、预紧弹簧；441、钻杆外壁；442、三维点阵钻杆结构夹层；443、钻杆内壁。

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1示出了本申请一种超声波钻进器的剖面示意图。

如图1所示，超声波钻进器包括外壳1、超声波夹心式换能器2、自由质量块3、以及三维点阵夹层结构钻具4；超声波夹心式换能器2为中空结构，包括有传动轴21、预紧螺栓22、转子23、纵扭转换振子24、堆叠的压电陶瓷25、绝缘环26和变幅杆27；其中，预紧螺栓22、转子23、纵扭转换振子24、堆叠的压电陶瓷25和绝缘环26和变幅杆27均为中空结构，传动轴21依次贯穿预紧螺栓22、转子23、纵扭转换振子24、堆叠的压电陶瓷25、绝缘环26和变幅杆27。自由质量块3位于超声波夹心式换能器2与三维点阵夹层结构钻具4之间，可在超声波夹心式换能器2的底部与三维点阵夹层结构钻具4的顶部之间运动；自由质量块3也为中空结构，传动轴21贯穿自由质量块3与三维点阵夹层结构钻具4的钻杆接口41螺纹连接。超声波夹心式换能器2与自由质量块3同轴心。

预紧螺栓22用于为三维点阵夹层结构钻具4提供所需的预紧力和冲击振动所需的恢复力，预紧螺栓22和变幅杆27以及纵扭转换振子24和变幅杆27均通过螺纹连接，为减小超声波夹心式换能器2在谐振时预紧螺栓22与变幅杆27螺纹连接处的能量损失，预紧螺栓22与变幅杆27可采用一体化设计。

超声波夹心式换能器2用于产生机械振动，并将机械振动由变幅杆27传递至自由质量块3，自由质量块3用于将机械振动传递至三维点阵夹层结构钻具4，三维点阵夹层结构钻具4在机械振动的影响下作冲击运动进行钻进。超声波夹心式换能器2与自由质量块3碰撞，自由质量块3与钻具碰撞，每一次碰撞过程均存在一定程度的能量损失，因此本申请采用的三维点阵夹层结构钻具4为先进超强韧结构，质量轻、强度高，具有较强的抗冲击吸能作用，在一定程度上可以减少超声波钻进器内部因接触碰撞产生的能量损失，提高超声波钻进器的钻进效率，此外超声波夹心式换能器2与三维点阵夹层结构钻具4相互配合，增强了钻进取心性能。

在一可实施方式中，堆叠的压电陶瓷25由多个压电陶瓷片堆叠形成，相邻的压电陶瓷片以正、负极交替的方式堆叠。

堆叠的压电陶瓷25为多个压电陶瓷片堆叠形成的，在堆叠过程中相邻的压电陶瓷片以正、负极交替的方式堆叠，即若当前压电陶瓷片左边为正极，右边为负极，那与当前压电陶瓷片相邻的上下两片压电陶瓷片左边为负极、右边为正极。

在一可实施方式中，如图2a和2b所示，预紧螺栓22包括：预紧螺母221和预紧弹簧222，预紧螺母221和预紧弹簧222将转子23、纵扭转换振子24、堆叠的压电陶瓷25和变幅杆27连为一体，预紧螺母221和预紧弹簧222用于给堆叠的压电陶瓷25施加预应力，使堆叠的压电陶瓷25处于压缩状态。

预紧螺栓22包括：预紧螺母221和预紧弹簧222，预紧螺母221和预紧弹簧222将转子23、纵扭转换振子24、堆叠的压电陶瓷25和变幅杆27连为一体。预紧螺母221和预紧弹簧222用于给堆叠的压电陶瓷25施加预应力，使堆叠的压电陶瓷25始终处于压缩状态，一方面可以增强环境强度发生变化时超声波夹心式换能器2的性能，另一方面堆叠的压电陶瓷25处于压缩状态可以避免压电陶瓷片的破裂。

预紧螺母221和预紧弹簧222与转子23的接口相匹配，预紧弹簧222安装在预紧螺母221和转子23之间，可以缓解转子23形成的反向力对预紧螺母221的冲击。

在一可实施方式中，如图3a和3b所示，三维点阵夹层结构钻具4包括：钻杆接口41、钻具保持器42、恢复弹簧43和三维点阵夹层结构的钻杆44；三维点阵夹层结构的钻杆44包括钻杆外壁441、三维点阵钻杆结构夹层442和钻杆内壁443。

三维点阵夹层结构钻具4包括钻杆接口41、钻具保持器42、恢复弹簧43和三维点阵夹层结构的钻杆44，钻杆接口41用于与超声波夹心式换能器2的传动轴21螺纹连接，实现超声波夹心式换能器2与三维点阵夹层结构钻具4的连接。钻具保持器42用于固定三维点阵夹层结构的钻杆44。恢复弹簧43和钻杆接口41组成嵌套结构，用于当三维点阵夹层结构钻具4冲击破碎岩石时可在恢复弹簧43的作用下作自由振动。

三维点阵夹层结构的钻杆44为三维点阵立体夹层的空心圆柱结构钻杆，包括：钻杆外壁441、三维点阵钻杆结构夹层442和钻杆内壁443三部分，是主要的承重结构，点阵结构的大孔隙率具有质轻高强的特点，内部开放、贯通的空间可以实现热控、吸能、储能、阻尼于一体，既实现了减重，也满足了性能需求，增强了三维点阵夹层结构的钻杆44的整体性，可以提高钻进速度，减少钻杆的疲劳断裂和故障。

在一可实施方式中，堆叠的压电陶瓷25受到激励产生纵向振动，变幅杆27将纵向振动放大，并将纵向振动通过自由质量块3传递给三维点阵夹层结构钻具4，驱动三维点阵夹层结构钻具4作冲击运动进行钻进。

预紧螺栓22给堆叠的压电陶瓷25施加预应力，在电极片上施加超声波频率的高频交流电压，通过高频交流电压激励堆叠的压电陶瓷25，利用压电陶瓷材料的逆压电效应将电能转化为机械能，产生高频的纵向机械振动。堆叠的压电陶瓷25将该纵向机械振动传递给变幅杆27，变幅杆27将该纵向机械振动放大，在变幅杆27的末端形成放大的纵振振动，并将该放大的纵振振动传递给自由质量块3，自由质量块3在该纵振振动的驱使下通过接触碰撞的方式将该纵振振动传递给三维点阵夹层结构钻具4，使三维点阵夹层结构钻具4获得足够的振动能量，驱动三维点阵夹层结构钻具4作冲击运动。超声波夹心式换能器2的性能决定了其对自由质量块3的驱动能力，继而影响自由质量块3作用在三维点阵夹层结构钻具4上的冲击力。

自由质量块3起动力传递的作用。变幅杆27输出的振动一般为超声频小幅震动，振幅一般为微米级，在变幅杆27的激励下，自由质量块3在变幅杆27底端和三维点阵夹层结构钻具4的顶端做大振幅振动，自由质量块3的振动频率一般为几百赫兹至几千赫兹，振幅一般为毫米级。

在一可实施方式中，纵扭转换振子24将纵向振动转换为纵扭复合振动，纵扭转换振子24和转子23之间存在由预紧螺栓22提供的预紧力，使纵扭转换振子24和转子23的接触面间产生摩擦力，摩擦力驱动转子23旋转以带动三维点阵夹层结构钻具4作回转运动。

堆叠的压电陶瓷25位于纵扭转换振子24和变幅杆27之间，堆叠的压电陶瓷25产生高频的纵向振动，通过压电陶瓷的逆压电效应，将电能转化为机械能，产生纵向机械振动，该机械振动向下传递给变幅杆27，向上传递给纵扭转换振子24，纵扭转换振子24利用自身的结构特点，将部分纵向振动转换为扭振，形成纵扭复合振动。由于纵扭转换振子24和转子23之间存在由预紧螺栓22提供的预紧力，因此会在纵扭转换振子24和转子23的接触面之间产生摩擦力，在纵扭转换振子24产生纵扭复合振动后，摩擦力驱动转子23旋转带动三维点阵夹层结构钻具4作回转运动。

三维点阵夹层结构钻具4在转子23带动下的回转运动和在自由质量块3传递纵向振动下的冲击运动形成三维点阵夹层结构钻具的回转冲击运动。

更进一步的，纵扭转换振子24和转子23的接触面间产生的摩擦力驱动转子23旋转，使变幅杆27顶部作椭圆运动，转子23与变幅杆27之间产生相对运动，驱动三维点阵夹层结构钻具4作回转运动。

本申请的超声波夹心式换能器2还包括离心机构（图中未示出），该离心机构为机械结构，用于产生旋转运动和离心力，由转子23、连杆（图中未示出）和曲柄（图中未示出）组成，在离心机构中，连杆的一端通过曲柄连接到转子23，另一端连接变幅杆27顶端。当离心机构开始旋转时，转子23带动连杆和曲柄一起运动。由于两端的运动约束，曲柄的旋转使变幅杆27顶端形成椭圆运动轨迹，同时，转子23的旋转导致转子23与变幅杆27顶部之间存在相对运动，引起变幅杆27运动，变幅杆27运动带动传动轴21回转，由于传动轴21与三维点阵夹层结构钻具4的钻杆接口41螺纹连接，因此传动轴21的回转可以带动三维点阵夹层结构钻具4作回转运动。

在一可实施方式中，三维点阵夹层结构钻具4包括：滚珠滑套45、减震垫片46，恢复弹簧43、滚珠滑套45和减震垫片46通过螺栓进行固定。

三维点阵夹层结构钻具4还包括：滚珠滑套45和减震垫片46，滚珠滑套45和减震垫片46与恢复弹簧43的下端连接，恢复弹簧43、滚珠滑套45和减震垫片46通过螺栓固定在一起。其中滚珠滑套45用于减少三维点阵夹层结构的钻杆44进行冲击时的摩擦力，提高传动效率和精度。减震垫片46通过吸收和消耗振动能量，减少振动对三维点阵夹层结构钻具4的影响，提高三维点阵夹层结构钻具4工作的稳定性。

在一可实施方式中，外壳1的材质为软钢或铍青铜。软钢和铍青铜为声阻抗较大的材料，外壳1选用声阻抗较大的材料可以提高超声波夹心式换能器2的振速比。

在一可实施方式中，压电陶瓷片为发射性陶瓷片。

发射性陶瓷片是一种特殊设计的陶瓷片，能够将电能转化为机械振动，并可通过介质将振动传播出去，本申请中将多个发射性陶瓷片进行堆叠形成堆叠的压电陶瓷。通过高频交流电激励发射性陶瓷片，堆叠的压电陶瓷将电能转化为机械振动，产生高频的纵向振动，通过变幅杆27进行纵向振动的传播。

本公开的描述中，需要理解的是，方位词所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内”、“外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述途中所示的一个或多个不见或特征与其他不见或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语不但包含部件在图中所描述的方位，还包括使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件被整体倒置，则部件“在其他部件或特征上方”或“在其他部件或特征之上”的将包括部件“在其他部件或构造下方”或“在其他部件或构造之下”的情况。因而，实例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。此外，这些部件或特征也可以其他不同角度来定位（例如旋转90度或其他角度），本文意在包含所有这些情况。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实时方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超声波钻进器，其特征在于，包括：外壳（1）、超声波夹心式换能器（2）、自由质量块（3）以及三维点阵夹层结构钻具（4）；

所述超声波夹心式换能器（2）为中空结构，包括：传动轴（21）、预紧螺栓（22）、转子（23）、纵扭转换振子（24）、堆叠的压电陶瓷（25）、绝缘环（26）和变幅杆（27）；所述传动轴（21）依次贯穿所述预紧螺栓（22）、所述转子（23）、所述纵扭转换振子（24）、所述堆叠的压电陶瓷（25）、所述绝缘环（26）和所述变幅杆（27）；

所述自由质量块（3）为中空结构，位于所述超声波夹心式换能器（2）与所述三维点阵夹层结构钻具（4）之间，可在所述超声波夹心式换能器（2）的底部与所述三维点阵夹层结构钻具（4）的顶部之间运动；

所述传动轴（21）贯穿所述自由质量块（3）与所述三维点阵夹层结构钻具（4）的钻杆接口（41）螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的超声波钻进器，其特征在于，所述堆叠的压电陶瓷（25）由多个压电陶瓷片堆叠形成，相邻的压电陶瓷片以正、负极交替的方式堆叠。

3.根据权利要求1所述的超声波钻进器，其特征在于，所述预紧螺栓（22）包括：预紧螺母（221）和预紧弹簧（222），所述预紧螺母（221）和所述预紧弹簧（222）将所述转子（23）、所述纵扭转换振子（24）、所述堆叠的压电陶瓷（25）和所述变幅杆（27）连为一体，所述预紧螺母（221）和所述预紧弹簧（222）用于给所述堆叠的压电陶瓷（25）施加预应力，使所述堆叠的压电陶瓷（25）处于压缩状态。

4.根据权利要求1所述的超声波钻进器，其特征在于，所述三维点阵夹层结构钻具（4）包括：钻杆接口（41）、钻具保持器（42）、恢复弹簧（43）和三维点阵夹层结构的钻杆（44）；所述三维点阵夹层结构的钻杆（44）包括钻杆外壁（441）、三维点阵钻杆结构夹层（442）和钻杆内壁（443）。

5.根据权利要求1所述的超声波钻进器，其特征在于，所述堆叠的压电陶瓷（25）受到激励产生纵向振动，所述变幅杆（27）将所述纵向振动放大，并将所述纵向振动通过所述自由质量块（3）传递给所述三维点阵夹层结构钻具（4），驱动所述三维点阵夹层结构钻具（4）作冲击运动进行钻进。

6.根据权利要求5所述的超声波钻进器，其特征在于，所述纵扭转换振子（24）将所述纵向振动转换为纵扭复合振动，所述纵扭转换振子（24）和所述转子（23）之间存在由所述预紧螺栓（22）提供的预紧力，使所述纵扭转换振子（24）和所述转子（23）的接触面间产生摩擦力，所述摩擦力驱动所述转子（23）旋转以带动所述三维点阵夹层结构钻具（4）作回转运动。

7.根据权利要求6所述的超声波钻进器，其特征在于，所述纵扭转换振子（24）和所述转子（23）的接触面间产生的摩擦力驱动所述转子（23）旋转，使所述变幅杆（27）顶部作椭圆运动，所述转子（23）与所述变幅杆（27）之间产生相对运动，驱动所述三维点阵夹层结构钻具（4）作回转运动。

8.根据权利要求4所述的超声波钻进器，其特征在于，所述三维点阵夹层结构钻具（4）还包括：滚珠滑套（45）、减震垫片（46），所述恢复弹簧（43）、所述滚珠滑套（45）和所述减震垫片（46）通过螺栓进行固定。

9.根据权利要求1所述的超声波钻进器，其特征在于，所述外壳（1）的材质为软钢或铍青铜。

10.根据权利要求2所述的超声波钻进器，其特征在于，所述压电陶瓷片为发射性陶瓷片。