一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台的制作方法

本实用新型属于外太空钻探技术领域，具体涉及一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台。

背景技术：

当代太阳系的探测以月球、火星为主线，作为距离地球最近的天体，月球自古以来一直是人类太空探测的第一目标。月球富含着人类所急需的矿藏，特别是月壤中蕴藏着丰富的氦-3，作为清洁能源对于未来资源匮乏的地球来说，是至关重要的；且通过对月球环境、月表矿物及地质构造等方面的研究，可以提供地球、月球乃至整个宇宙起源的线索，这对人类探索宇宙具有重要的战略意义；同时，人类可以把月球作为人类探索深空的中继站，也是中国人近期可探测的太空目标；此外，探月计划的实施必将带动一系列新技术的实用新型和革新，促进社会的进步。

目前，探月工程已被列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020)》，我国的探月计划分为“绕”、“落”、“回”三步。2007年发射卫星“嫦娥一号”以及2010年发射的“嫦娥二号”和2013年发射的“嫦娥三号”，已经圆满完成探月计划的“绕”和“落”两部分。目前已进入探月工程三期阶段。探月工程三期的主要任务是对月球表面的巡视勘察和采样返回。由于月球地形环境复杂，并且微重力、高真空、高温高寒、高辐射等一系列特点，势必意味着其采样工艺、钻机及钻具不同于地球环境所用。因此，研究一套适合于月球环境工况的钻探工艺是十分必要的。

质量和动力约束是月壤钻探取心(样)机具设计的核心，超声波钻机具有结构紧凑、功耗低、适应温度范围广、无润滑和密封等优点，作为应用于月球探测开发的新型钻机，具有其独特的性能和潜力。通过设计超声波微钻试验台，选定典型部件、典型工况进行实验室模拟评价，是探月工程三期月壤钻探取心(样)机具的基础科学问题。在真空环境下，由于钻具与月壤接触表界面没有气体、水分子、表面吸附等化学或物理悬键的隔离作用，界面间会产生强烈的黏着作用，造成高摩阻和严重磨损；同时，应用于月球钻探超声波微型钻机参数模型复杂，钻头压力、振动频率等参数对钻探效率、取心(样)性能的影响仍处于起步阶段，国内外有关人士对此也在摸索研究之中。为此，以月球钻探采样技术为背景，在模拟月球真空环境下，研究并优化超声波钻机的机构性能与钻进参数，使钻探效率最大化，意义深远。

技术实现要素：

为了克服研究月球钻探取心(样)器具物理试验条件的不足,本实用新型提供一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，本实用新型通过压力传感器返回计算机的压力值，控制驱动系统移动速度，达到恒钻压给进，进而研究给定钻压、钻时下不同表面处理钻具对进尺速度的影响；通过电流/电压传感器，可采集电压波形，研究钻探效率最大化的前提下功率与自由质量单元的关系；通过在真空环境下钻进试验，模拟超声波钻机外太空钻进过程，为优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备提供技术支持。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，包括试验台底座，试验台底座左部分设置有丝杆进尺机构，试验台底座右部分设置有与试验台底座垂直固定连接的右丝杆支座和岩样夹具；丝杆进尺机构包括设置在试验台底座左部分的丝杆螺母座和左丝杆支座，丝杆螺母座与试验台底座滑动连接，丝杆螺母座上固定连接有可调整夹持架，可调整夹持架内部夹持有水平设置的超声波钻机，由于试验研究在实验室环境开展，且超声波钻机钻探性能对钻压力参数敏感，将超声波钻机水平放置，避免地表重力对钻压力影响；超声波钻机通过可调整夹持架夹持，在具体实验过程中，方便实时根据实际情况对超声波钻机进行调整、拆卸和安装，以达到实验要求；左丝杆支座上支撑有丝杆，丝杆左端连接有减速器，减速器的输入轴连接电机，电机上设置有电机编码器；丝杆螺纹部分与丝杆螺母座配合连接，丝杆右端连接齿轮轴，齿轮轴右端连接右丝杆支座；通过岩样夹具固定超真空岩样夹持室；超声波钻机右端插入超真空岩样夹持室内部对岩样进行微钻，超真空岩样夹持室的设计可在模拟月球真空环境下，研究超声波钻机对岩样的钻进过程，从而优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备。

优选的，所述的丝杆螺母座底端通过燕尾导轨连接试验台底座，燕尾导轨与丝杆相互平行，燕尾槽是硬轨，可以承受大悬伸，重切削，长期使用精度稳定。绳驱式进尺单元受振动冲击影响显著，恒定钻压力控制困难，重力驱动钻探进尺与实际工况区别较大，不便于工程移植，故提出该丝杆进尺机构设计方案。该方案通过电机带动丝杆从而带动丝杆螺母座及与其固定的结构前后运动，其中动力部件(如电机、减速电机等)对钻压力控制准确、结构紧凑、受振动冲击影响较小，其动力部件控制方案(如恒力进尺、恒速进尺)，对真实环境钻探具有指导意义。该进尺机构相对于齿轮齿条驱动，通过减速器和丝杆机构二级减速后驱动钻机沿钻进方向作直线运动，进尺精度更高。由于丝杆机构在其丝杆螺母座与丝杆之间以滚珠滚动方式实现滚动摩擦，传动效率高、驱动扭矩降低，减小了对电机的载荷要求。齿轮齿条传动中，由于齿轮啮合运动副中齿侧间隙的存在，会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性与传动精度；相比较，丝杆机构不存在这一问题，能实现正确而平稳的微量进给，从而通过试验能得到更精确的试验数据。恒压钻进过程中，对于齿轮齿条机构速度波动，容易产生冲击，影响齿轮传动寿命；对于丝杆机构，丝杆螺母座与丝杆之间是滚动摩擦，可实现较高的疲劳寿命和精度寿命。

优选的，所述的可调整夹持架为由“L”形的支撑架、下调节螺杆、上调节螺杆和调节支撑板组成的长方体框架结构；支撑架固定连接于丝杆螺母座上，支撑架右端通过螺母组件连接水平的下调节螺杆，支撑架左端顶部通过螺母组件连接水平的上调节螺杆；下调节螺杆和上调节螺杆右端通过调节支撑板连接。通过调整两个螺母组件，实现上调节螺杆和下调节螺杆带动调节支撑板左右移动，从而实现实验人员根据实验设定条件调整可调整夹持架的松紧度，达到预定的实验目标。

优选的，所述的超真空岩样夹持室包括壳体，壳体内部设置有真空室，壳体上表面设置有上压盖，壳体左端固定安装有密封压盖；真空室通过单向阀管道连接真空泵和真空计，通过真空泵抽取真空室达到真空状态，通过真空计测量真空室的真空度，真空室内部从左到右依次设置有塑料套筒、岩样、密封活塞和压力传感器，通过塑料套筒进一步限定岩样的位置，通过密封活塞能够进一步提高真空室的密封度；夹具支座顶端螺纹连接有夹具螺杆，夹具螺杆底端通过铰接套铰接上压盖。由于夹具螺杆和夹具支座通过螺纹相互配合，通过旋转夹具螺杆，实现夹具螺杆在夹具支座上下运动，从而通过上压盖实现对真空岩样夹持室的加压，避免在超声波钻机钻进的过程中真空岩样夹持室出现移动的情况发生；由于夹具螺杆与上压盖通过铰接套铰接，夹具螺杆不需要与上压盖保持垂直的关系即可实现加压作用。

优选的，所述的超声波钻机从左到右依次设置有水平的中轴线在同一条直线上的螺栓、上电极、压电陶瓷、下电极、变幅杆、钻具接头、预紧定位机构和钻具，变幅杆右端套装于钻具接头内部，变幅杆与钻具接头之间设置有自由质量单元，钻具穿过密封压盖到达真空室内部；所述的螺栓依次穿过上电极、压电陶瓷和下电极后连接于变幅杆左端；所述的预紧定位机构包括连接螺杆，连接螺杆左端连接钻具接头，连接螺杆右部分通过导向法兰套接于调节支撑板上，连接螺杆右端连接钻具；钻具接头与调节支撑板之间的连接螺杆上套装有压缩的弹簧。通过调频电源产生的高频电压作用在上电极和下电极，使压电陶瓷产生沿厚度方向的振动，经过自由质量单元、变幅杆将振动振幅放大，并通过钻具高频振动作用在岩石样品，钻具与岩石样品间产生相对滑移，开始钻进。通过调节支撑板，上调节螺杆、下调节螺杆和导向法兰导正钻具的方向，使超声波钻机与进尺方向平行，且钻具与岩样作用面垂直。起振前，预紧定位机构的弹簧处于压缩状态，保证自由质量单元与变幅杆端面接触，这样设计才能保证起振后，自由质量单元得到变幅杆端面的初速度；得到初速度的自由质量单元离开变幅杆端面撞击钻具，释放动能后返回变幅杆端面处，如此循环往复，实现对岩石样品的钻进。

申请人在试验过程中设计了没有自由质量单元的超声波钻机，其结构简单、功耗低、性能稳定，但动力输出端面振幅小、钻探岩石效率低。故在变幅杆动力输出端面与钻具接头之间，引入自由质量单元，对钻具的振幅进行二次放大。超声换能器的变幅杆输出的振动为超声频、小振幅振动，振幅一般为微米级(几微米至几十微米)。在变幅杆激励下，自由质量单元在变幅杆底端与钻具接头之间作声频范围的大振幅振动(振动频率一般为几百赫兹至几千赫兹，振幅一般为毫米级)。从而实现了从变幅杆微米级振幅变为钻具毫米级振幅的转换。球形自由质量单元，通过钻具接头内壁限制其运动空间。自由质量单元与钻具接头内壁之间为滑滚摩擦，摩擦力小。冲击面近似点接触，冲量传递稳定。钻具接头内壁与球形自由质量单元表面摩擦损耗低，高频冲击后形变小，受振动冲击影响小。由于封闭式导向设计，自由质量单元的振动不易受到外界影响，动力传递稳定，传递动量效率高。

优选的，所述的密封活塞与壳体之间设置有活塞径向密封圈；所述的钻具与密封压盖之间设置有钻具径向密封圈；所述的密封压盖与壳体之间设置有压盖轴向密封圈，通过活塞径向密封圈、钻具径向密封圈和压盖轴向密封圈实现对真空室的较好的密封，保证真空室的真空度。

优选的，该超声波微钻试验台还包括回转机构，回转机构包括滚动轴承，滚动轴承的内圈通过螺母组件固定套装在下调节螺杆上，滚动轴承外圈套装于传动齿轮内，传动齿轮上设置有螺钉和限位压盖，螺钉将限位压盖固定于传动齿轮侧壁上，限位压盖左端面对滚动轴承外圈定位固定；传动齿轮顶端啮合连接钻具接头，传动齿轮底端啮合连接齿轮轴。齿轮轴在丝杆的带动下转动，实现齿轮轴与传动齿轮啮合传动，传动齿轮带动钻具接头调整方向，从而实现对钻进角度的控制。通过设置回转机构，实现高频振动回转钻进，可以有效提高进尺速度和钻具的寿命，克服堵心与粘卡事故的发生，提高钻进效率；可以钻进更坚硬的岩样，提高可钻地层范围；通过更换钻具接头，换为外表面不带齿轮，试验台将实现单高频振动钻进，从而可方便的进行高频振动回转钻进与单高频振动这两种钻进模式下钻进参数的采集与试验对比；总之，通过设置回转机构，增加了试验台的功能与可研究范围，从而为研究设计效率更高、稳定性更好、寿命更长的月球取心(样)钻机提供技术支持。

优选的，该超声波微钻试验台还包括数据采集/控制系统，数据采集/控制系统包括I/U传感器、压力传感器、电机编码器、数据采集卡、PC、电机驱动器和调频电源；数据采集卡分别监测和获取超声波钻机传递给I/U传感器的电流和电压数据、电机编码器的转速数据和压力传感器检测到岩样受到的钻压力数据；数据采集卡将监测和获取的实时数据传递给PC，通过PC进行综合分析和整合，PC通过控制信号分别控制调频电源和电机驱动器，调频电源为超声波钻机提供高频电流，超声波钻机高频振动，实现对岩样的钻进。通过电机编码器对电机钻速数据采集；通过调频电源控制超声波钻机两电极之间的激励频率、激励波形和激励电压；通过压力传感器实现对钻压力数值采集；通过I/U传感器实现对超声波钻机电流和电压的数据采集；根据电机转过的角度可以计算钻机进尺大小(即钻速值)；通过控制电机转速的快慢，调节钻压力的大小，从而实现钻压力、钻速、钻削深度、输入电压、输入电流等实时监测与控制。

本实用新型的优点是：

(1)本实用新型将超声波钻机水平放置，可以避免地表重力对钻头压力影响，有效地防止了钻具自重对模拟月球环境下高频振动钻进试验参数的干扰，解决了月球“微重力”对模拟实验带来的影响；

(2)本实用新型中通过设置回转机构，实现高频振动回转钻进，可以有效提高钻进效率和钻具的寿命，且克服了堵心与粘卡事故的发生，保证了外太空钻探孔内的安全性；可以钻进更坚硬的岩层，提高可钻地层范围；通过更换钻具接头，换为外表面不带齿轮，试验台将实现单高频振动钻进，从而可方便的进行高频振动回转钻进与单高频振动这两种钻进模式下钻进参数的采集与试验对比，增加了试验台的功能与可研究范围，从而为研究设计效率更高、稳定性更好、寿命更长的月球取心(样)钻机提供技术支持；

(3)本实用新型中的可调整夹持架可以实现实验人员根据实验设定条件调整可调整夹持架的松紧度，达到预定的实验目标；

(4)本实用新型中设置了真空岩样夹持室，可模拟月球真空环境下超声波钻机外太空钻进过程，为优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备提供技术支持；

(5)本实用新型中采用超声波钻机进行钻进作业，具有结构紧凑、功耗低、适应温度范围广、无润滑和密封等优点，具有其独特的性能和市场潜力；并且在超声波钻机内设置了自由质量单元，实现了从变幅杆微米级振幅变为钻具毫米级振幅的转换，并且自由质量单元的振动不易受到外界影响，动力传递稳定，传递动量效率高；

(6)本实用新型采用丝杆进尺机构，通过减速器和丝杆机构二级减速后驱动钻机沿钻进方向作直线运动，进尺精度更高，精确控制所取岩心(样)品长度，有效判别地层变化；丝杆机构在其丝杆螺母座与丝杆之间以滚珠滚动方式实现滚动摩擦，传动效率高、驱动扭矩降低，减小了对电机的载荷要求，可实现较低的功耗、较高的疲劳寿命和精度寿命；

(7)本实用新型通过数据采集/控制系统进行控制，通过压力传感器返回计算机的压力值，控制驱动系统移动速度，达到恒钻压给进，进而研究同种月壤条件，在给定钻压、钻时下不同表面处理方法对钻具进尺速度的影响；通过电流/电压传感器，可采集电压波形，研究钻探效率最大化的前提下功率与自由质量单元的关系；通过在真空环境下钻进试验，模拟超声波钻机外太空钻进过程；在试验过程中更换不同规格变幅杆、自由质量单元，可研究其对钻进效率的影响，为优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备提供技术支持。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的左视图；

图3为本实用新型的俯视图；

图4为图1中I部分的放大图；

图5为本实用新型中采集/控制系统的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步的说明：

一种模拟月球钻探用的超声波微钻试验台，包括试验台底座10，试验台底座10左部分设置有丝杆进尺机构，试验台底座10右部分设置有与试验台底座10垂直固定连接的右丝杆支座13和岩样夹具28；丝杆进尺机构包括设置在试验台底座10左部分的丝杆螺母座11和左丝杆支座12，丝杆螺母座11通过燕尾导轨19与试验台底座10滑动连接，丝杆螺母座11上固定连接有可调整夹持架，可调整夹持架内部夹持有水平设置的超声波钻机，由于试验研究在实验室环境开展，且超声波钻机钻探性能对钻压力参数敏感，将超声波钻机水平放置，避免地表重力对钻压力影响；超声波钻机通过可调整夹持架夹持，在具体实验过程中，方便实时根据实际情况对超声波钻机进行调整、拆卸和安装，以达到实验要求；左丝杆支座12上支撑有丝杆14，丝杆14左端连接有减速器15，减速器15的输入轴连接电机16，电机16上设置有电机编码器17；丝杆进尺机构通过减速器15与丝杆14二级减速实现高进尺精度控制，使得钻压力控制准确、结构紧凑、受振动冲击影响较小，获得对真实环境钻探具有指导意义的试验数据；丝杆14螺纹部分与丝杆螺母座11配合连接，丝杆14右端连接齿轮轴18，齿轮轴18右端连接右丝杆支座13；通过岩样夹具28固定超真空岩样夹持室，超真空岩样夹持室内部夹持有岩样33；超声波钻机右端插入超真空岩样夹持室内部对岩样33进行微钻，超真空岩样夹持室的设计可在模拟月球真空环境下，研究超声波钻机对岩样的钻进过程，从而优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备。

为了实现丝杆进尺机构带动超声波钻机沿直线平稳进尺，丝杆螺母座11底端通过燕尾导轨19连接试验台底座10，燕尾导轨19与丝杆14相互平行。

为了实现实验人员根据实验设定条件调整可调整夹持架的松紧度，达到预定的实验目标，所述的可调整夹持架为由“L”形的支撑架20、下调节螺杆21、上调节螺杆22和调节支撑板23组成的长方体框架结构；支撑架20固定连接于丝杆螺母座11上，支撑架20右端通过螺母组件连接水平的下调节螺杆21，支撑架20左端顶部通过螺母组件连接水平的上调节螺杆22；下调节螺杆21和上调节螺杆22右端通过调节支撑板23连接。

为了在真空环境下钻进试验，模拟超声波钻机外太空钻进过程，为优化设计更适合外太空钻探取心(样)的设备提供技术支持，所述的超真空岩样夹持室包括壳体24，壳体24内部设置有真空室25，壳体24上表面设置有上压盖26，壳体24左端固定安装有密封压盖27；真空室25通过单向阀29管道连接真空泵30和真空计31，真空室25内部从左到右依次设置有塑料套筒32、岩样33、密封活塞34和压力传感器35，塑料套筒32的作用是固定岩样33和预压紧压力传感器35，保证真空室25负压状态时压力传感器35仍处于压紧状态；夹具支座28顶端螺纹连接有夹具螺杆36，夹具螺杆36底端通过铰接套37铰接上压盖26。

为了实现较好的钻进工作，使得钻机的功耗低、性能稳定，所述的超声波钻机从左到右依次设置有水平的中轴线在同一条直线上的螺栓38、上电极39、压电陶瓷40、下电极41、变幅杆42、钻具接头43、预紧定位机构和钻具45，变幅杆42右端套装于钻具接头43内部，变幅杆42与钻具接头43之间设置有自由质量单元46，钻具45穿过密封压盖27到达真空室25内部；所述的螺栓38依次穿过上电极39、压电陶瓷40和下电极41后连接于变幅杆42左端；所述的预紧定位机构包括连接螺杆47，连接螺杆47左端连接钻具接头43，连接螺杆47右部分通过导向法兰48套接于调节支撑板23上，连接螺杆47右端连接钻具45；钻具接头43与调节支撑板23之间的连接螺杆47上套装有压缩的弹簧49，通过同步旋拧下调节螺杆21、上调节螺杆22上的螺母组件调整调节支撑板23相对钻具接头43左右移动，从而调节弹簧49的伸缩量。

为了保证密封室的真空度，所述的密封活塞34与壳体24之间设置有活塞径向密封圈50；所述的钻具45与密封压盖27之间设置有钻具径向密封圈51；所述的密封压盖27与壳体24之间设置有压盖轴向密封圈52。

为了实现高频振动回转钻进，有效提高进尺速度和钻具的寿命，克服堵心与粘卡事故的发生，提高钻进效率，该超声波微钻试验台还包括回转机构，回转机构包括滚动轴承53，滚动轴承53的内圈通过螺母组件固定套装在下调节螺杆21上，滚动轴承53外圈套装于传动齿轮54内，传动齿轮54上设置有螺钉55和限位压盖56，螺钉55将限位压盖56固定于传动齿轮54侧壁上，限位压盖56左端面对滚动轴承53外圈定位固定；传动齿轮54顶端啮合连接钻具接头43，传动齿轮54底端啮合连接齿轮轴18。齿轮轴18在丝杆14的带动下转动，啮合传动于传动齿轮54，传动齿轮54啮合传动于钻具接头43，从而实现对钻具45的旋转控制。

为了实现钻进参数的数据采集/控制，该超声波微钻试验台还包括数据采集/控制系统，数据采集/控制系统包括I/U传感器、压力传感器、电机编码器、数据采集卡、PC、电机驱动器和调频电源；数据采集卡分别监测和获取超声波钻机传递给I/U传感器的电流和电压数据、电机编码器的转速数据和压力传感器检测到岩样受到的钻压力数据；数据采集卡将监测和获取的实时数据传递给PC，通过PC进行综合分析和整合，PC通过控制信号分别控制调频电源和电机驱动器，调频电源为超声波钻机提供高频电流，驱动超声波钻机高频振动，实现对岩样的钻进，电机驱动器将控制信号转换为驱动电信号驱动电机。通过电机编码器对电机转速数据采集；通过调频电源控制超声波钻机两电极之间的激励频率、激励波形和激励电压；通过压力传感器实现对钻压力数值采集；通过I/U传感器实现对超声波钻机电流和电压的数据采集；根据电机转过的角度可以计算钻机进尺大小(即钻速值)；通过控制电机转速的快慢，调节钻压力的大小，从而实现钻压力、输入电压、输入电流、钻速、钻削深度等实时监测与控制。

本实用新型的具体试验方法：

(1)将岩样33、塑料套筒32依次放入真空室25，岩样33与密封活塞34端面接触，塑料套筒32表面的通孔与单向阀29对齐，将钻具45插入密封压盖27，依次拧紧连接螺杆47、钻具接头43，上紧密封压盖27；

(2)将超真空岩样夹持室通过岩样夹具进行固定，通过旋拧上调节螺杆22和下调节螺杆21上的螺母组件，调节弹簧49的伸缩量，设置变幅杆42与自由质量单元46的合适压紧力；

(3)驱动钻机向前移动，将钻具45顶在岩样33表面；

(4)启动真空泵30，观察真空计31，将超真空岩样夹持室内压力降到合适压力值；

(5)当只进行高频振动钻进性能工艺参数研究时，使用无齿轮齿钻具接头43，钻具45不旋转；设定电机16转速、超声波振动频率等参数，开始试验，采集数据；通过设定不同的电机转速及超声波振动频率，可得到不同的钻压力与钻进速度；通过更换不同规格变幅杆42、自由质量单元46，可研究其对钻进效率的影响；

(6)当进行高频振动回转钻进性能工艺参数研究时，使用有齿轮齿钻具接头43，钻具45随进尺同步旋转；设定电机16转速、超声波振动频率等参数，开始试验，采集数据；通过设定不同的电机转速及超声波振动频率，可得到不同的钻压力与钻进速度；通过更换不同规格变幅杆42、自由质量单元46，可研究其对钻进效率的影响；

(7)更换岩样33，重复1～6，进行下一组试验。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。