超声波钻探采样器的研制及试验研究

摘要

基于压电驱动的超声波钻探采样技术是未来地外天体钻取采样探测的研究热点。超声波钻探采样装置克服了低重力、高低温、辐射等极端环境的限制，与传统回转冲击式钻机相比，具有结构紧凑、功耗低、无需润滑和密封等优点。超声波钻探采样器作为一种高频冲击式钻探装置，对硬脆岩石有良好破碎效果，在地外星体的原位采样探测任务中展现出显著优势。本文研制一种低功耗、小体积、可靠取心的超声波钻探采样器，并开展超声钻探和纵振断心采样试验研究。
　　超声波钻探采样器利用超声波换能器，将高频电信号转化为机械振动，采用自由质量单元对振幅进行二次放大，通过取心钻具直接完成钻探和采样任务。根据超声波钻探采样器工作原理，结合超声波钻探采样器任务特点，评估钻探采样器构型方案，选择适宜地外天体探测用超声波换能器、自由质量单元及钻具构型。根据钻具断心方案，建立钻进取心过程中钻具与岩心的相互作用力学模型。
　　以超声波换能器为研究对象，开展驱动特性相关研究。基于压电驱动理论和驻波理论，借助梅森等效网络模型，对压电超声波振子和变幅杆的材料参数及结构尺寸进行设计。利用有限元分析手段，对换能器模型进行模态和谐响应分析；利用阻抗分析仪测试压电换能器谐振频率，确定压电换能器的输出特性。
　　结合超声波换能器构型参数，研制超声波钻探采样器原理样机。为了便于超声波钻探采样器试验研究的开展，在综合分析国内外超声波钻探采样试验平台方案基础上，设计适用于本研究的超声波钻探采样器钻探采样测试平台。本平台可模拟外星体表面低重力环境，控制钻压力、输入功率等动力参数，对钻进速度、钻进深度、负载电压、负载电流等数据进行采集。
　　利用超声波钻探试验平台，开展超声波钻探采样装置钻探性能试验研究。针对同一种被钻介质，研究钻压力对超声波钻探采样器钻探速率、钻探功耗之间影响，获得钻压力与钻探效率的之间规律。分析摩擦、自由质量单元的质量、排屑、弹簧刚度等因素对超声波钻探采样器的钻进效率的影响。开展取心钻具的断心试验，验证岩心断裂力学模型，用于指导超声波钻探采样器采样钻具的设计。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 超声波钻探采样器发展概述

1.3 课题主要研究内容

第2章 超声波钻探采样器换能器研究

2.1 超声波振子动力模型建立

2.3 超声波变幅杆动力模型建立

2.3 超声波换能器等效网络模型建立

2.4 超声波换能器模型验证

2.5 本章小结

第3章 超声波钻探采样器原理样机研制

3.1 自由质量单元构型设计

3.2 取心钻具构型设计

3.3 钻具取心动力设计

3.4 侧推式断心模型建立

3.5 本章小结

第4章 超声波钻探采样试验平台设计

4.1 试验平台方案设计

4.2 机械系统设计

4.3 控制系统设计

4.4 本章小结

第5章 超声波钻探采样试验研究

5.1 钻探效率影响因素试验研究

5.2 纵振钻探成孔性试验研究

5.3 侧推式断心试验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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