CN201917465U - 超声波钻探器 - Google Patents
超声波钻探器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN201917465U CN201917465U CN2010206223246U CN201020622324U CN201917465U CN 201917465 U CN201917465 U CN 201917465U CN 2010206223246 U CN2010206223246 U CN 2010206223246U CN 201020622324 U CN201020622324 U CN 201020622324U CN 201917465 U CN201917465 U CN 201917465U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- millimeters
- mentioned
- piezoelectric
- drilling device
- luffing bar
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 238000005553 drilling Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 20
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 12
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 abstract 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 8
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- -1 and tile Substances 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 239000004579 marble Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000010223 real-time analysis Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
一种超声波钻探器,属超声工程技术领域。从钻探器后端向前端依次由预紧螺栓(1)、端盖(2)、压电材料(3)、变幅杆(4)、自由质量块(5)、钻杆(6)组成;其中上述预紧螺栓(1)旋入变幅杆(4)尾部,将压电材料(3)固定于端盖(2)与变幅杆(4)尾部之间;上述变幅杆(4)头部与钻杆(6)尾部的螺杆相连,上述自由质量块(5)套在钻杆(6)尾部的螺杆上;在上述压电材料(3)中通入交流电压。本实用新型与现有电钻相比,结构紧凑,只有6个运动部件,结构简单、体积小、重量轻;能耗低;无需提供轴向力;整个装置无旋转运动,无需保持旋转力矩;不存在运动副,不需要润滑等优点。
Description
技术领域:
本发明涉及一种超声波钻探器,属超声工程技术领域中的超声波钻探采样技术。
背景技术:
随着我国航空航天事业的发展和技术进步以及综合国力的增强,深空探测已经在进行中,如月球探测工程的实施就是一个重要的标志。在月球探测,乃至在未来其他星球深空探测任务中,“采样”是一个必不可少的重要任务。特别是在外星球表面或表下直接钻探并要得到样品,无论是进行实时分析,还是将样品带回地球后再作进一步研究,都具有重要的研究和分析价值。但是,在外星球上钻探和采样,必然会受到各种各样条件的限制,采样在地球上比较容易,但在外星球上却相当难。例如传统的采样装置的体积很大、重量很大、能耗高大约会有六、七百瓦、在特殊的环境条件(真空、高温或低温、失重)、和较小的工作平台(如月球巡视车或专用机器人)等等下振动很大,会影响平台电子元件的正常工作,同时工作时消耗的电力很多,影响了系统整体的电力匹配,并且传统的采样装置在工作时需要施加轴向力,这就会进一步的增加平台的质量,对于月球巡视车或专用机器人等平台,增加质量就会大幅的增加发射成本,会对整个探测工程带来很大的难度。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种功率消耗小,不需要增加轴向力,质量较小的超声波钻探器。这种超声波钻探器,其特征在于从钻探器后端向前端依次由预紧螺栓、端盖、压电材料、变幅杆、自由质量块、钻杆组成;其中上述预紧螺栓旋入变幅杆尾部,将压电材料固定于端盖与变幅杆尾部之间;上述变幅杆头部与钻杆尾部通过螺杆相连,上述自由质量块套在螺杆上;在上述压电材料通入交流电压。
上述超声波钻探器的激励方式,其特征在于:给压电材料施加交流电压,利用压电材料的逆压电效应,驱使压电材料产生超声频率的共振,利用其共振中的纵振,通过变幅杆的使头部振幅放大,从而将能量传递到钻杆;上述该质量块依靠压电单晶的能量的激励和振动耦合作用,在变幅杆头部和钻杆尾部之间产生声波频率的往复碰撞;这种冲击强度超过岩石的压溃强度时,钻头与岩石接触部位的岩石就破碎了,从而达到钻探的目的。
上述超声波钻探器的压电材料可以采用压电单晶或纵振压电陶瓷PZT-8。压电单晶性能优越但价格昂贵。
上述自由质量块质量为1.8-2.2克;上述压电材料为纵振压电陶瓷;该纵振压电陶瓷通入的交流电压为200-400伏。
普通的冲击钻消耗功率很大,大约会有六、七百瓦。该超声波钻探器的功耗小,大约为十瓦左右。一般的冲击钻能配套多种大小的钻头,一般情况下钻孔的最大直径为5厘米,而超声波钻探器体积小,且主要用于取样,取到被钻介质的粉末即达目的,故其钻孔大小不做考虑。冲击钻依靠旋转和冲击来工作,单一的冲击是非常轻微的,每分钟有20000多次的冲击频率可产生连续的力,而超声波钻探器的冲击频率就高得多,并且该钻探器工作时并不需要旋转运动。冲击钻需要提供很大的轴向冲击力才能工作,而新型超声波钻探器不需要提供外部轴向力,仅靠其自身重力及惯性作用即可工作。
本发明与现有电钻相比有如下优点:(1)只有六个运动部件,结构简单、体积小、重量轻;(2)能耗低;无需提供轴向力;(3)整个装置无旋转运动,无需保持旋转力矩;(4)不存在运动副,不需要润滑;(5)钻头无需刃口,因而不存在钻头磨钝问题;(6)根据钻头材料的不同,可在高温或低温条件下工作;(7)可用于硬度大的物质,如花岗岩、玄武岩、沙岩、凝灰岩等;也适应于中等硬度的物质,如闪长岩和石灰石等;(8)可钻取任意截面形状的样品或孔洞;(9)它可以根据钻探、采样的不同要求,采用不同结构形式的钻杆及钻头。(10)可以以外星球着陆探测器为工作平台、能适应外星球特殊环境、并能在外星球地表下获取各种分析样品,该钻探器具有结构轻巧,便于携带,能适应特殊环境条件,钻探能力强,适应多种硬度的介质等特点。
附图说明:
图1是超声波钻探器
图2是超声波钻探器的装配图
图中标记名称:1、预紧螺栓,2、后端盖,3、压电材料,4、变幅杆,5、自由质量,6 钻杆。
具体实施方式:
先设计超声波钻探器的变幅杆,使的变幅杆前端的振幅尽可能的大,取一组数据,首先确定压电陶瓷的尺寸,大概为外径25毫米内径10毫米,厚度为5毫米,初步采用4片,然后对后端盖和变幅杆的尾部直径取20—30毫米,厚度取7—14毫米,变幅杆的头部取60—100毫米,直径取6—12毫米,钻杆的尺寸基本确定在直径3毫米,长度60毫米左右,在设定后,写出优化的目标函数,然后用ANSYS进行优化设计,可以得到一组最优的的尺寸,同时为了便于加工,取这组最优的尺寸为整数,然后加工制作超声波钻探器,之后再压电陶瓷上通入超声波频率的高频交流激励电压激发振动,这时超声波钻探器就处于工作状态。
上述实例中最后选定的压电陶瓷是纵振压电陶瓷PZT-8,具体尺寸是外径20毫米,内径10毫米,厚度3毫米,采用6片;后端盖和变幅杆的尾部直径取28毫米,厚度取10毫米,变幅杆的头部取80毫米,直径取8毫米,钻杆的尺寸基本确定在直径3毫米,长度80毫米左右。自由质量块质量为2克;上述压电材料为纵振压电陶瓷PZT-8;该纵振压电陶瓷通入的交流电压为300伏。实验结果为对于对于红砖,瓦片,混凝土等可以在20多秒内钻出直径3毫米深1.5毫米的孔,时间更长,孔的深度越大;而对于花岗岩,大理石等硬度很高,纹理细致的岩石则效果不太明显,需要进行继续研究。
该超声波钻探器由预紧螺栓、端盖、压电材料、变幅杆、自由质量块、钻杆六部分组成,变幅杆主要作用有两个:一是将机械振动位移或速度振幅放大,同时把能量集中在较小的辐射面上,即聚能作用;另一个作用是作为机械阻抗的变换器,使超声能量由超声聚能器更有效地向负载传输。通过在电极片上施加超声波频率的高频交流激励电压,利用压电材料的逆压电效应,驱使压电材料产生超声频率的共振(主要指纵振),并通过变幅杆使前端振幅得到放大;自由质量依靠压电材料的能量的激励和振动耦合作用,在变幅杆头部和钻杆尾部之间产生声波频率的往复碰撞;这种冲击强度累积超过岩石的疲劳强度时,钻头与岩石接触部位的岩石就破碎了,从而达到钻探的目的。
Claims (4)
1.一种超声波钻探器,其特征在于:从钻探器后端向前端依次由预紧螺栓(1)、端盖(2)、压电材料(3)、变幅杆(4)、自由质量块(5)、钻杆(6)组成;其中上述预紧螺栓(1)旋入变幅杆(4)尾部,将压电材料(3)固定于端盖(2)与变幅杆(4)尾部之间;上述变幅杆(4)头部与钻杆(6)尾部的螺杆相连,上述自由质量块(5)套在钻杆(6)尾部的螺杆上;在上述压电材料(3)中通入交流电压。
2.根据权利要求1所述的超声波钻探器,其特征在于:上述压电材料(3)为压电单晶。
3.根据权利要求1所述的超声波钻探器,其特征在于:上述自由质量块(5)质量为1.8-2.2克;上述压电材料(3)为纵振压电陶瓷;该纵振压电陶瓷通入的交流电压为200-400伏。
4.根据权利要求1所述的超声波钻探器,其特征在于:
上述压电材料(3)为纵振压电陶瓷PZT-8,具体尺寸是外径20毫米,内径10毫米,厚度3毫米,采用6片;
上述端盖(2)和变幅杆(4)的尾部直径为28毫米,总厚度为10毫米;变幅杆的头部直径为8毫米,长度为80毫米;
上述钻杆(6)的直径为3毫米,长度为80毫米;
上述自由质量块(5)的质量为2克;
所述通入的交流电压为300伏。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2010206223246U CN201917465U (zh) | 2010-11-24 | 2010-11-24 | 超声波钻探器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2010206223246U CN201917465U (zh) | 2010-11-24 | 2010-11-24 | 超声波钻探器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN201917465U true CN201917465U (zh) | 2011-08-03 |
Family
ID=44417259
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN2010206223246U Expired - Lifetime CN201917465U (zh) | 2010-11-24 | 2010-11-24 | 超声波钻探器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN201917465U (zh) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102012324A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-04-13 | 南京航空航天大学 | 超声波钻探器 |
CN104020015A (zh) * | 2014-06-17 | 2014-09-03 | 哈尔滨工业大学 | 超声波钻探采样测试试验平台 |
CN105298380A (zh) * | 2014-06-27 | 2016-02-03 | 中国石油化工股份有限公司 | 钻井装置 |
CN106468138A (zh) * | 2015-08-14 | 2017-03-01 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种超声波钻井装置及方法 |
CN108871851A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-11-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种单压电陶瓷叠堆驱动的回转冲击式超声波钻探器 |
CN109506974A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种月球崖壁探测采样装置及其使用方法 |
CN111571318A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-08-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置 |
-
2010
- 2010-11-24 CN CN2010206223246U patent/CN201917465U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102012324A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-04-13 | 南京航空航天大学 | 超声波钻探器 |
CN104020015A (zh) * | 2014-06-17 | 2014-09-03 | 哈尔滨工业大学 | 超声波钻探采样测试试验平台 |
CN104020015B (zh) * | 2014-06-17 | 2016-04-20 | 哈尔滨工业大学 | 超声波钻探采样测试试验平台 |
CN105298380A (zh) * | 2014-06-27 | 2016-02-03 | 中国石油化工股份有限公司 | 钻井装置 |
CN105298380B (zh) * | 2014-06-27 | 2018-05-08 | 中国石油化工股份有限公司 | 钻井装置 |
CN106468138A (zh) * | 2015-08-14 | 2017-03-01 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种超声波钻井装置及方法 |
CN108871851A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-11-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种单压电陶瓷叠堆驱动的回转冲击式超声波钻探器 |
CN109506974A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种月球崖壁探测采样装置及其使用方法 |
CN111571318A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-08-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种单能量流驱动的回转冲击式超声波岩石磨削装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102012324A (zh) | 超声波钻探器 | |
CN201917465U (zh) | 超声波钻探器 | |
CN1945260A (zh) | 超声波/声波钻探采样器 | |
EP2464807B1 (en) | Resonance enhanced rotary drilling | |
EP2649265B1 (en) | Resonance enhanced rotary drilling module | |
US20170175446A1 (en) | Force Stacking Assembly for Use with a Subterranean Excavating System | |
Li et al. | Rock fragmentation mechanisms and an experimental study of drilling tools during high-frequency harmonic vibration | |
Bai et al. | A longitudinal & longitudinal-torsional vibration actuator for rotary-percussive ultrasonic planetary drills | |
CN110118668B (zh) | 一种用于研究生物化石带的剖面岩层取样装置 | |
Wang et al. | Rotary-percussive ultrasonic drill: An effective subsurface penetrating tool for minor planet exploration | |
US8640786B2 (en) | Percussive augmenter of rotary drills for operating as a rotary-hammer drill | |
CN102589925B (zh) | 超声激励冲击太空取样钻 | |
CN103982131A (zh) | 一种可调频超声波共振凿岩机及使用方法 | |
CN109083590B (zh) | 一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器 | |
CN102866036B (zh) | 小行星取样器的自嵌入式锚固装置 | |
CN108871851A (zh) | 一种单压电陶瓷叠堆驱动的回转冲击式超声波钻探器 | |
CN112727355B (zh) | 一种单压电陶瓷叠堆单向驱动的回转冲击式超声波钻探器 | |
Quan et al. | Development of a rotary-percussive ultrasonic drill for extraterrestrial rock sampling | |
Bai et al. | Development of a rotary-percussive ultrasonic drill using a bolt-clamped type piezoelectric actuator | |
CN105507804A (zh) | 一种超声波振动绳索取心钻具 | |
Sherrit et al. | Modeling of the ultrasonic/sonic driller/corer: USDC | |
Quan et al. | Development of a rotary-percussive drilling mechanism (RPDM) | |
Wang et al. | A rotary-percussive ultrasonic drill for planetary rock sampling | |
Shi et al. | Experimental research on drilling and sampling of lunar soil simulant | |
CN108979521A (zh) | 一种不含自由质量块的冲击式超声波钻探器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160411 Address after: 213, room two, building 264406, E-1 investment center, 300 Changjiang Road, Yantai economic and Technological Development Zone, Shandong, China Patentee after: Shandong Xiang Fan Technology Co., Ltd. Address before: Yudaojie Baixia District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 29 210016 Patentee before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics |
|
CX01 | Expiry of patent term | ||
CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20110803 |