專利名稱：超聲激勵沖擊太空取樣鉆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種超聲激勵沖擊太空取樣鉆，這種取樣鉆適合于太空無人取樣并進行原位實時分析，同時也可以作為地球上粉術(shù)采樣的取樣裝置。
背景技術(shù)：
隨著太空科學技術(shù)的發(fā)展,人們對科學的探索已延伸至地外,然而未來對外太空星球的探測過程中，需要對星球原始狀態(tài)進行研究，“采樣”是必備的基礎環(huán)節(jié)之一，但是外太空的鉆探采樣和在地球上進行采樣分析存在巨大差異。受到各種各樣的條件限制，如火箭及宇宙飛船的運載能力和運輸體積、地外惡劣的環(huán)境(高溫或低溫、日照和輻射、低重力、真空)等的限制，采樣裝置的設計受到重量、體積、功耗、工作方式、潤滑條件等限制。在這樣的情況下，設計了一種新型的超聲激勵沖擊太空取樣鉆，以滿足外太空探測取樣返回地球分析，或進行原位實時分析，都有著重要的意義。美國噴氣推進實驗室設計了一種名為USDC的超聲取樣器。德國帕德伯恩大學也做過類似的取樣器。該取樣器可對砂巖、凝灰?guī)r、玄武巖等多種巖石進行取樣工作。國內(nèi)南京航空航天大學和蘇州職業(yè)大學對超聲波取樣器進行研究，主要關(guān)注壓電陶瓷換能器的研究，沒有考慮太空取樣鉆對不同巖層取樣時，提高取樣效率的加壓裝置的安裝位置和剛度對太空取樣鉆系統(tǒng)動力學特性改變的影響；并把超聲取樣器鉆桿和超聲換能器之間采用螺紋連接，即帶有外螺紋的鉆桿和帶有內(nèi)螺紋的超聲變幅桿采用螺紋連接，把鉆桿和超聲換能器作為一個彈性體處理，這種連接方式使得自由質(zhì)量與被沖擊的超聲換能器、鉆桿間的有效質(zhì)量比值顯著變小，根據(jù)完全彈性碰撞和完全非彈性碰撞理論，在自由質(zhì)量-鉆桿部件-巖石系統(tǒng)中，當自由質(zhì)量與鉆桿部件的質(zhì)量比為I時，系統(tǒng)沖擊能量傳遞效率最高。 對于超聲激勵沖擊太空取樣鉆，從完全彈性碰撞理論來說，系統(tǒng)沖擊能量的傳遞效率n = 4n/(n+l)2,其中n = Hi1Zrn2, Hi1為自由質(zhì)量的質(zhì)量，m2為鉆桿部件的質(zhì)量。當超聲換能器與鉆桿部件之間采用螺紋連接時，系統(tǒng)沖擊能量傳遞效率H = 0.076;當超聲換能器與鉆桿部件之間采用本設計方案中的插接式連接時，系統(tǒng)沖擊能量傳遞效率H = 0.6307?？梢钥吹奖驹O計方案使系統(tǒng)沖擊能量效率顯著提高，極大提高了超聲激勵沖擊太空取樣鉆的取樣效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無需旋轉(zhuǎn)扭矩、無需潤滑、耗能低、質(zhì)量低，便于火箭發(fā)射的新型的無人取樣超聲激勵沖擊太空取樣鉆，其特征在于該超聲激勵沖擊太空取樣鉆由超聲換能器(I)，加壓夾持面(2)、自由質(zhì)量(3)和鉆桿(4)四部分組成。加壓夾持面(2) 使整個太空取樣鉆安裝在試驗臺或機器手上，自由質(zhì)量(3)套在鉆桿(4)上，鉆桿(4)與超聲換能器(I)采用插接式連接。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是取樣工作時，超聲換能器⑴的兩端振動位移最大，而在超聲換能器(I)的特定位置，設計一個縱向振動位移、速度均為零的節(jié)面(駐面)。在對硬度較高的巖石進行取樣時，為了提高取樣速率，需要給太空取樣鉆施加軸向的壓力，在超聲換能器(I)的節(jié)面(駐面)設置加壓夾持面(2)，通過加壓夾持面(2) 夾持安裝而不改變超聲換能器(I)的動力學特性。為了滿足技術(shù)方案將節(jié)面(駐面)與夾持體面設計共面，即在超聲換能器(I)上設計一個特定的加壓夾持面(2)。當鉆桿(4)與超聲換能器⑴采用螺紋連接時，被自由質(zhì)量(3)沖擊的有效質(zhì)量是超聲換能器(I)與鉆桿(4)質(zhì)量之和，被沖擊鉆桿部件有效質(zhì)量增加了，根據(jù)碰撞彈性理論與非彈性理論，在自由質(zhì)量_鉆桿部件_巖石系統(tǒng)中，當被沖擊鉆桿部件的有效質(zhì)量大于自由質(zhì)量(3)的質(zhì)量時，系統(tǒng)能量的傳遞效率會隨鉆桿部件質(zhì)量的增加而下降。上述方案中為了便于更換各種鉆桿，滿足不同的鉆探取樣要求，以及考慮太空取樣鉆在鉆探巖石時的能量的傳遞率，鉆桿(4)與超聲換能器(I)采用插接式連接，即通過過渡或間隙配合的方式連接，以提高太空取樣鉆鉆巖取樣效率。


圖I超聲激勵沖擊太空取樣鉆總裝2超聲激勵沖擊太空取樣鉆
具體實施例方式超聲激勵沖擊太空取樣鉆由超聲換能器(I)，加壓夾持面(2)、自由質(zhì)量(3)和鉆桿(4)四部分組成。先確定超聲換能器(I)的節(jié)面位置，然后根據(jù)節(jié)面位置設計加壓夾持面(2)。超聲換能器⑴與鉆桿⑷采用插接式連接，自由質(zhì)量(3)套在鉆桿⑷上，加壓夾持面(2)夾持于試驗臺或機械手上，當給超聲換能器(I)通高頻交流激勵電壓時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，超聲換能器(I)產(chǎn)生縱向共振，通過超聲換能器(I)前端的變幅桿將超聲振幅放大；自由質(zhì)量(3)在超聲換能器⑴的激勵和振動耦合作用下，在變幅桿術(shù)端和鉆桿(4)之間產(chǎn)生高頻的往復碰撞；自由質(zhì)量(3)的碰撞沖擊和超聲換能器(I)的振動通過鉆桿(4)傳遞到巖石，當沖擊強度大于巖石的壓潰強度時，巖石發(fā)就發(fā)生破碎。
權(quán)利要求
1.一種新型的超聲激勵沖擊太空取樣鉆，其特征在于超聲激勵沖擊太空取樣鉆由超聲換能器(I)及其上的加壓夾持面(2)、自由質(zhì)量(3)和鉆桿(4)四部分組成。取樣工作時， 具有半波振子特征的超聲換能器(I)的兩端縱向振動位移或速度最大，在超聲換能器(I) 上的特定位置，設計一個縱向振動位移和速度為零的節(jié)面(駐面)，在超聲換能器(I)的該節(jié)面(駐面)設計一個加壓夾持面(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲激勵沖擊太空取樣鉆，其特征在于上述超聲換能器(I) 和鉆桿(4)的連接方式采用滑動插接式聯(lián)接，即把自由質(zhì)量(3)先裝在鉆桿(4)的上端部后，再把鉆桿(4)通過過渡或間隙配合的方式插裝入超聲換能器(I) 一端的內(nèi)孔內(nèi)，形成滑動插裝聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種超聲激勵沖擊太空取樣鉆，該裝置主要由超聲換能器、加壓夾持面、自由質(zhì)量、鉆桿四部分組成。當給超聲換能器通以高頻交流激勵電壓時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，超聲換能器產(chǎn)生縱向共振，通過超聲換能器前端的變幅桿將超聲振幅放大；自由質(zhì)量在超聲換能器的激勵和振動耦合作用下，在夾持變幅桿末端和鉆桿之間產(chǎn)生高頻的往復碰撞；自由質(zhì)量的碰撞沖擊和超聲換能器的振動通過鉆桿傳遞到巖石，當沖擊強度大于巖石的壓潰強度時，巖石發(fā)就發(fā)生破碎。本發(fā)明與無加壓駐面螺紋連接的超聲太空取樣鉆相比，沖擊能量傳遞率高，并能根據(jù)巖層硬度，施加相應的軸向力，以提高取樣鉆進效率，且結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，功耗小。
文檔編號G01N1/08GK102589925SQ20121000671
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者卜長根, 王龍, 韋旌坤 申請人:中國地質(zhì)大學(北京)