双向驱动的回转冲击式超声波钻探器及性能研究

论文摘要

获取外星体表面或地下的地质样品,对于分析星体的矿物组成、研究天体演化进程、探测生命迹象的存在都具有重要意义。钻进采样是获取地外天体地质样品的有效方式。传统钻进采样装置通常以电磁电机作为动力来源,需要较大的钻压力及力矩实现破碎岩石的目标。钻进采样装置所需钻压力通常由载体的自重提供。载体自重较小或者是在弱引力场环境下采样时,载体为钻探器提供的钻压力有限,限制了传统采样装置的应用。基于压电驱动原理的超声波钻探器具有钻压力小、功耗低、质量轻等优点,可解决低钻压力环境下的岩石钻取采样难题,在深空探测中具有良好的应用前景。本文以地外天体探测中,星体表面岩石钻进采样为背景,提出一种单压电陶瓷叠堆驱动的回转冲击式超声波钻探器。利用单压电陶瓷叠堆一端的振动能量驱动钻具作冲击运动,另一端的振动能量驱动钻具作回转运动。围绕钻探器的研究,开展了以下工作:1)纵-纵扭复合式压电换能器设计;2)钻探器动力学建模与能量传递特性分析;3)换能器直驱式钻探器的振动特性研究;4)超声波钻探器钻进性能实验研究。利用阶梯型变幅杆将压电陶瓷叠堆一端的纵振进行放大,在变幅杆的底部形成高频的简谐振动。利用纵扭转换振子将压电陶瓷叠堆另一端的部分纵振转换为扭振,在振子的输出端形成椭圆运动轨迹。结合有限元仿真分析及试验,对新型纵扭转换振子进行设计研究。借助有限元仿真方法对纵-纵扭复合式压电换能器进行模态分析,以确定换能器的一阶纵振模态及谐振频率。对换能器进行谐响应分析,以预估换能器输出端的振动位移幅值。对换能器进行瞬态分析,绘制换能器回转输出端的椭圆运动轨迹。仿真分析阶梯型变幅杆与纵扭转换振子的结构尺寸参数对换能器输出端振动位移幅值与前后纵扭比的影响规律。建立压电换能器声阻抗等效网络模型,分析换能器的声阻抗与频率的对应关系。对基于双向驱动压电换能器的回转冲击式超声波钻探器进行结构设计。根据钻探器钻进岩石前与钻进岩石时的振动特点,进行合理假设,分别建立钻进岩石前的振动模型与钻进岩石时的振动模型。分析钻探器钻进岩石前与钻进岩石时,钻探器内部压电换能器与自由质量块,自由质量块与钻具的接触碰撞过程。对钻探器的振动模型进行数值仿真分析,研究钻压力、自由质量块质量、恢复力等参数对钻探器振动特性的影响。为减少换能器内部振动能量因接触碰撞导致的能量损失,对换能器直驱式钻探器进行设计研究。根据直驱式钻探器的工作特点,分别建立钻探器空载与带载时的振动模型;对钻探器空载时压电换能器与钻具的接触碰撞模型进行建模分析。研究换能器直驱式钻探器带载时,压电换能器与钻具、钻具与岩石的接触碰撞模型;分别对直驱式钻探器空载与带载时的振动模型进行仿真分析。根据超声波钻探器钻进性能测试的试验需求,研制超声波钻探器钻进性能测试平台。利用激光位移传感系统与阻抗分析仪,试验研究预紧力对换能器冲击端振幅及谐振频率的影响,以确定换能器的最优预紧力。试验研究激励电压频率、幅值对换能器驱动特性的影响,以确定最优激励频率。开展冲击钻进与回转冲击钻进的对比试验,验证回转冲击钻进对冲击钻进的优越性。对钻探器开展钻进性能试验研究,获得钻压力、自由质量块质量、恢复力等参数对钻探器钻进性能的影响规律。本文以深空探测中,外星体表面岩石钻进采样为目标,提出一种双向驱动的回转冲击式超声波钻探器。该钻探器具有体积小、重量轻、功耗低、钻压力小、耐温范围广等优点,可为火星、小行星等地外天体岩石采样提供一种可行的技术参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•     1.1.1 课题来源
•     1.1.2 研究目的及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 超声波钻探器研究现状
•     1.2.2 回转超声驱动研究现状
•     1.2.3 研究现状总结与分析
•   1.3 本文主要研究内容
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 研究思路概述
• 第2章 钻探器及其关键部件工作原理研究
•   2.1 引言
•   2.2 双向驱动的换能器设计
•     2.2.1 换能器工作原理
•     2.2.2 换能器结构设计
•   2.3 回转冲击式钻探器设计
•     2.3.1 钻探器工作原理
•     2.3.2 钻探器结构设计
•   2.4 换能器驱动参数的确定
•   2.5 换能器振动特性仿真分析
•     2.5.1 模态分析
•     2.5.2 谐响应分析
•     2.5.3 瞬态分析
•     2.5.4 参数灵敏度分析
•   2.6 本章小结
• 第3章 钻探器动力学建模与能量传递特性分析
•   3.1 引言
•   3.2 钻进岩石前的动力学特性分析
•     3.2.1 钻探器钻进岩石前的振动模型
•     3.2.2 换能器与自由质量块碰撞过程分析
•     3.2.3 自由质量块与钻具碰撞过程分析
•   3.3 钻进岩石时的动力学特性分析
•     3.3.1 钻探器钻进岩石时的振动模型
•     3.3.2 换能器与自由质量块碰撞过程分析
•     3.3.3 自由质量块与钻具碰撞过程分析
•   3.4 钻探器的能量传递特性仿真分析
•     3.4.1 钻进岩石前的能量传递特性分析
•     3.4.2 钻进岩石时的能量传递特性分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 换能器直驱式钻探器振动特性研究
•   4.1 引言
•   4.2 直驱式钻探器空载时的振动模型
•     4.2.1 换能器与钻具的振动模型
•     4.2.2 换能器与钻具的碰撞模型
•   4.3 直驱式钻探器带载时的振动模型
•     4.3.1 钻具与岩石的碰撞模型
•     4.3.2 换能器与钻具的碰撞模型
•   4.4 直驱式钻探器的振动特性仿真分析
•     4.4.1 钻探器空载时的振动特性分析
•     4.4.2 钻探器带载时的振动特性分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 回转冲击式超声波钻探器钻进性能实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 纵-纵扭复合换能器驱动特性测试
•     5.2.1 预紧力矩对换能器振动特性影响
•     5.2.2 换能器输出端振动位移测试
•     5.2.3 频率对换能器驱动特性影响
•     5.2.4 电压对换能器驱动特性影响
•     5.2.5 换能器的回转驱动特性测试
•   5.3 超声波钻探器钻进性能测试平台搭建
•     5.3.1 系统组成及工作原理
•     5.3.2 控制系统设计方案
•   5.4 冲击钻进与回转冲击钻进对比实验
•   5.5 回转冲击式钻探器钻进性能试验研究
•   5.6 换能器直驱式钻探器钻进性能试验研究
•   5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 柏德恩

导师: 邓宗全,全齐全

关键词: 岩石钻进采样,超声波钻探器,回转冲击钻进,压电换能器,振动特性

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业,矿业工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 宇航空间机构及控制技术国防重点学科实验室开放基金项目

分类号: P634.3

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000428

总页数: 149

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