专利名称：超声波钻探器的制作方法
技术领域：
超声波钻探器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。[0011]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。
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观毫米，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。
权利要求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)的尾部直径为观毫米，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。
专利摘要一种超声波钻探器，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。
文档编号E21B1/12GK201917465SQ20102062232
公开日2011年8月3日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者杨康, 陈超 申请人:南京航空航天大学